摘要：該文針對應(yīng)急通信的特殊需求，開展基于北斗短報(bào)文通信的便攜式應(yīng)急通信終端的研究與設(shè)計(jì)。針對應(yīng)急通信的應(yīng)用特點(diǎn)，確定應(yīng)急通信終端的功能需求。整體方案主要由北斗射頻基帶組件和ARM微處理控制器構(gòu)成，重點(diǎn)對系統(tǒng)的供電電源、人機(jī)交互、藍(lán)牙連接等部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)智能終端的信息交互。

關(guān)鍵詞：北斗短報(bào)文；便攜式；應(yīng)急通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.002

中圖分類號：TN 967.1" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-000-04

Design and Implementation of Portable Emergency Communication Terminal Based on Beidou Short Message

SHI Yongxiang

（Fujian Fuda Beidou Communication Technology Co.， Ltd.， Fuzhou 350108， China）

Abstract： This article focuses on the special needs of emergency communication and conducts research and design of a portable emergency communication terminal based on Beidou short message communication. Determine the functional requirements of emergency communication terminals based on the application characteristics of emergency communication. The overall plan mainly consists of Beidou RF baseband components and ARM microprocessor controllers， with a focus on designing the power supply， human-machine interaction， Bluetooth connection， and other parts of the system， and achieving information exchange of intelligent terminals.

Keywords： beidou short message; portable; emergency communication

我國的自然災(zāi)害形勢嚴(yán)峻，影響也比較嚴(yán)重，經(jīng)常會(huì)擾亂受災(zāi)地區(qū)人民的正常生活[1][2]。做好突發(fā)事件的預(yù)警、提高遇險(xiǎn)的緊急救助能力、增強(qiáng)搶險(xiǎn)緊急通信能力都顯得非常的重要[3]。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的日益完善，北斗設(shè)備在應(yīng)急減災(zāi)中發(fā)揮出越來越大的作用[4][5]。北斗短報(bào)文通信，可以實(shí)現(xiàn)雙向通信、定位、授時(shí)，平臺搭建后可以實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文與短信互發(fā)，平民百姓也使用得起，而且使用像手機(jī)正常發(fā)短信一樣方便。因此，一款基于北斗短報(bào)文的便攜式應(yīng)急通信終端有其實(shí)際意義和市場需求。

1" "通信終端總體方案

1.1 總體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用北斗/GPS的模塊實(shí)現(xiàn)自我精確定位，利用北斗一代的短報(bào)文功能實(shí)現(xiàn)雙向通信功能，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，集RDSS和RNSS于一體，不僅提升了性能，還拓展了很多功能。

采用集成的射頻基帶組件+ARM的結(jié)構(gòu)，其中射頻基帶組件包括LNA部分、發(fā)射功率放大器、射頻模塊和基帶模塊。ARM作為核心處理器控制整個(gè)系統(tǒng)。圖1是基于北斗短報(bào)文的便攜式應(yīng)急通信終端設(shè)計(jì)架構(gòu)。

（1）通信鏈路：天線接收到的信號經(jīng)低噪聲放大、濾波、下變頻以后，由A/D變換器負(fù)責(zé)采樣，送入基帶信號處理器；基帶處理器根據(jù)出站信號格式對輸入信號進(jìn)行捕獲、碼跟蹤、解擴(kuò)、載波跟蹤、譯碼、功率估計(jì)以及定時(shí)測量，獲得接收信號的波束號、信號功率電平，接收數(shù)據(jù)、雙通道時(shí)間差以及幀標(biāo)識等；在完成接收信號的處理后，接收數(shù)據(jù)以及其他狀態(tài)數(shù)據(jù)送入信息處理模塊，按信號協(xié)議進(jìn)行拆包解包，提取定位、通信或授時(shí)信息，并按信息內(nèi)容的要求進(jìn)行顯示、送入藍(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙通信到達(dá)手機(jī)端，使用專用App即可查收。反之，當(dāng)需要進(jìn)行通信定位或查詢時(shí)，通過手機(jī)App下達(dá)指令，由藍(lán)牙模塊轉(zhuǎn)發(fā)給信息處理模塊，再按信號格式組成數(shù)據(jù)包輸入基帶信號處理器，基帶信號處理器對其進(jìn)行卷積編碼和擴(kuò)頻調(diào)制后送入射頻通道，在基帶信號處理器的控制下，按規(guī)定時(shí)序開始發(fā)送。

（2）定位鏈路：北斗/GPS天線接收北斗/GPS數(shù)據(jù)（北斗/GPS數(shù)據(jù)是單向的，1 s傳送一次數(shù)據(jù)），經(jīng)過低噪放和濾波送到北斗/GPS模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過射頻模塊下變頻、LNA等，送入基帶信號處理器，經(jīng)過解調(diào)獲取數(shù)據(jù)信息，再送入信息處理模塊，最后通過藍(lán)牙模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送給專用App，App提取有效定位數(shù)據(jù)信息顯示出來。

（3）通信+定位鏈路：當(dāng)使用SOS功能時(shí)，信息處理模塊從北斗/GPS數(shù)據(jù)中提取有效的定位數(shù)據(jù)，使用北斗一代短報(bào)文格式封裝成通信指令，經(jīng)過北斗一代電路發(fā)送出去，全程單機(jī)可操作。

1.2 主要模塊設(shè)計(jì)方案

（1）電源模塊。BOOST升壓型電路，能夠提高輸入的電壓值而不改變輸入極性。其工作狀態(tài)可以分為充電和放電兩個(gè)部分，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

①充電過程：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，能量通過開關(guān)從直流源輸入電感而沒有被傳遞到輸出端，二極管防止后集電路向前放電，特別是電容對地放電。由于電感上的電流以一定的比率隨電感的增加而線性增加，一些能量被存儲在電感里。

②放電過程：開關(guān)關(guān)斷時(shí)，由楞次定律可知，流經(jīng)電感的電流不會(huì)立刻變成零，而是通過放電曲線下降到零。由于開關(guān)關(guān)閉了對地短路的路線，電感里存儲的能量只能由二極管傳遞給輸出端，電容開始充電，兩端電壓升高，超過了輸入電壓，同時(shí)直流源也給負(fù)載提供能量。

輸出、輸入電壓關(guān)系可表示為：

（1）

（2）無線連接方案。對于點(diǎn)對點(diǎn)的通信而言，優(yōu)先選擇藍(lán)牙設(shè)備，方便安全；傳輸速度方面，北斗并沒有大的數(shù)據(jù)量，傳輸都是字符；功耗方面，藍(lán)牙4.0主打低功耗，比Wi-Fi能耗更??；距離方面，便攜式的應(yīng)用10 m內(nèi)沒有問題，何況藍(lán)牙4.0增加了通信距離，在無阻礙的情況下能達(dá)50 m以上。

（3）人機(jī)交互方案。本設(shè)計(jì)用于應(yīng)急通信領(lǐng)域，所以使用上要求：外觀上，簡潔大方，定義三個(gè)按鍵：開機(jī)、關(guān)機(jī)、SOS。基本參數(shù)通過發(fā)光LED顯示，共有5個(gè)發(fā)光LED，分別是終端電源電量指示、終端電源充電指示、SOS指示＼對外放電指示、RDSS衛(wèi)星信號指示以及藍(lán)牙狀態(tài)指示。如表1所示。

復(fù)雜的人機(jī)交互可以連接藍(lán)牙通過App端來實(shí)現(xiàn)，包括位置查詢、卡號查詢、信號查詢、電量查詢、北斗短報(bào)文收發(fā)等。

2" "單元電路硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 主控單元電路

ARM微處理器選擇STM32F103RBT6，圖3為ARM控制模塊原理圖。電源允許供電范圍2.0～3.6 V，紋波能忍受50 mV以內(nèi)，所以選用LDO穩(wěn)壓3.3 V供電，確保芯片工作正常。

STM32芯片，通常采用串口燒寫，BOOT引腳要先配置成系統(tǒng)內(nèi)存模式，把程序燒入Flash后，重新配置BOOT引腳，改為正常工作模式，才能運(yùn)行程序，操作麻煩需要硬件跳線或開關(guān)。

2.2 供電單元電路

（1）放電模塊。TPS61088是一款為小尺寸便攜式設(shè)備提供高效同步BOOST的解決方案的電壓芯片，配有低電阻的功率開關(guān)和整流器開關(guān)。同步整流采用內(nèi)阻極低的MOSFET來取代續(xù)流二極管，大大降低了整流器損耗。TPS61088為寬電壓設(shè)計(jì)，外部輸入的電壓范圍是2.7～12 V，這個(gè)范圍可以適用于單節(jié)或雙節(jié)鋰電池的方案應(yīng)用。另外，TPS61088具有高達(dá)10 A的電流能力，同時(shí)保持較高的電源效率。綜上滿足設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

（2）充電模塊。LTC4001是一款面向5 V交流適配器的2 A鋰離子電池充電器方案。它采用一種1.5 MHz同步降壓型轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來減少充電期間的功耗。低功耗、內(nèi)部MOSFET和檢測電阻器造就了一種能夠被嵌入在各種便攜式應(yīng)用中的小型化充電器。LTC4001包括完整的充電終止電路、自動(dòng)充電功能和一個(gè)準(zhǔn)確度達(dá)到±1%的4.2 V浮動(dòng)電壓。由于集成了輸入短路保護(hù)電路，因此不需要使用隔離二極管。如圖5所示。

2.3 北斗模塊電路

本設(shè)計(jì)采用的ATGM336H是一款高性能BDS/GNSS全星座定位導(dǎo)航模塊，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包含32個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收6個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)。具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢，適用于車載定位與導(dǎo)航和手持或可穿戴設(shè)備。

3" "功能測試

北斗終端設(shè)備在使用北斗短報(bào)文通信時(shí)需要配有一張北斗專用SIM卡，通信過程以SIM卡卡號作為唯一識別號進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每張SIM卡都需要通過北斗總站申請才能審批下來。

北斗短報(bào)文的單次發(fā)送報(bào)文長度和發(fā)送頻率都是由北斗SIM卡等級決定的，其中北斗卡又分為軍用和民用卡。本次測試的是民用卡中的四級卡，最長可發(fā)送848比特的報(bào)文內(nèi)容。

本次測試采用自發(fā)自收的模式測試，即通信的北斗卡號設(shè)置為本機(jī)SIM卡號，通過衛(wèi)星發(fā)送北斗短報(bào)文，經(jīng)過地面控制站再發(fā)到衛(wèi)星，最后被本機(jī)所接收，圖6為北斗短報(bào)文測試。以上是一個(gè)北斗短報(bào)文的完整鏈路測試，既能測試發(fā)送功能，又能測試接收功能。經(jīng)檢驗(yàn)測試，報(bào)文收發(fā)正常。

4" "結(jié)束語

北斗短報(bào)文的應(yīng)急通信終端實(shí)用性強(qiáng)，特別是在防災(zāi)減災(zāi)方面，北斗短報(bào)文的應(yīng)用使得一種全新的、穩(wěn)定的應(yīng)急通信手段得以實(shí)現(xiàn)。本文提出了一款基于北斗短報(bào)文的應(yīng)急通信終端，可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)的緊急定位求救，使用藍(lán)牙連接智能設(shè)備后可以實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文通信、用戶自我定位等功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 諶德軍，孫志昆，姚怡，等．便攜式寬窄帶融合衛(wèi)星通信終端在應(yīng)急通信的應(yīng)用及實(shí)踐[J]．衛(wèi)星應(yīng)用，2021（12）：49-53．

[2] 徐文全．應(yīng)急救援便攜式衛(wèi)星站通信業(yè)務(wù)終端集成問題研究[J]．?dāng)?shù)字通信世界，2023（3）：182-184．

[3] 幸雪初，佘臣朝．消防部隊(duì)便攜式衛(wèi)星站通信業(yè)務(wù)終端集成問題研究[J]．網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2017（10）：142-145．

[4] 姜孝均，李良榮．平板便攜式衛(wèi)星通信終端伺服系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)研究[J]．?dāng)?shù)字通信世界，2016（5）：9-11．

[5] 張紹榮，秦鵬，唐源，等．結(jié)合智能終端和無線通信模塊的便攜式風(fēng)速儀[J]．計(jì)量與測試技術(shù)，2020（5）：7-11．