0 引言

    信标机是向外界传递自身位置信息的装置，一个重要的应用是降低目标物的搜寻难度。在军事和航天领域中，设计新型的飞行器需要进行大量的实验测试，每次实验获得的重要参数均存储在记录器中，而记录器在实验后往往降落在地形复杂、人迹罕至的地区，如果通过信标机准确定位记录器位置，将会大幅降低搜寻成本，并提高回收效率^[1]。

    通过信标机定位通常有两种方法，分别是GPS定位和无线定位^[2]。无线定位方式由于信号传输距离有限，需要接收机距离信标机一定范围内方可接收到其发射的信号^[3]，而且一般需要多台接收机同时对信号强度进行探测来确定方向，同时多普勒频移效应的存在也有可能影响通信^[4]，这种方法的搜索效率并不高。因此针对记录器回收问题，本文提出一种基于GPS和北斗的高可靠性信标机系统设计，该设计采用GPS快速获得定位信息，并通过北斗模块将定位信息发送至接收机，这种能为搜索人员提供记录器坐标的方案可大大提高回收效率。

1 系统总体方案

    如图1所示，该信标机系统由发射端和接收端两部分组成。发射端为信标机，包含主控单元、GPS模块、北斗模块及电源模块；接收端为两部北斗手持机。

    在飞行器发生分离前由其上采编器为信标机提供12 V供电，并对其内部电池进行充电，信标机通过GPS模块获取定位信息，并将定位信息和信标机电池电压采集信息经RS422串口发送给采编器。

    当飞行器分离以后，信标机与采编器断开连接，供电方式转为内部电池供电，单片机控制终止与采编器的通信，并将定位信息编辑为北斗报文，通过北斗模块以一定的频度发送出去，经北斗卫星转发至北斗手持机。此外，北斗短消息的接收具有实时性，为防止手持机某一时刻由于信号较弱错过信息接收，同时为了提高通信频度以保证较高可靠性，采用双SIM卡切换交替发送位置信息至两台手持机的设计。

    此系统涉及的技术要点主要有两个：其一是提高信标机通信的可靠性，北斗民用SIM卡允许的最大通信频率为1次/min，增加单位时间内的通信次数是提高通信可靠性的有效途径；其二是降低信标机的功耗，由于该信标机在小型化方面有着较高的要求，电池的体积和容量也受到限制，因此在器件选型和各模块控制方面要尽可能地降低其功率损耗，以延长工作时间。

2 硬件设计

2.1 GPS模块

    作为高速飞行器定位装置，其定位精度和速度极为关键，本文虽涉北斗系统，北斗系统同样具有定位功能，但经过比较发现GPS的定位速度、精度、稳定性等方面均相对优于北斗，故采用GPS来实现快速定位功能，以达到高精度、高可靠性的目的。

    GPS定位模块选用北京东方联星公司的CNS35H-202，5 V电压供电，体积小，45 s内快速定位，具备失锁重捕功能，可适应速度0~5 000 m/s、加速度小于等于35 g的应用环境，定位精度水平位置15 m，垂直位置20 m。此外，该模块数据输出引脚采用TTL逻辑电平输出，可直接连接于单片机的串口接收引脚，波特率为9 600 bit/s。

    如图2所示，单片机通过光继电器控制GPS模块供电，信标机上电后，单片机初始化打开GPS供电通路，GPS采集定位信息；与飞行器分离后2 min可认为设备已经着陆，位置信息不再改变，单片机将控制光耦断开GPS模块的供电，以降低设备的功率损耗。

2.2 北斗模块

    “北斗一号”是我国自主研制的导航定位及通信系统，在中国境内无通信盲区，雨雪等天气对其产生的影响非常小，通信成功率几乎达到100%^[5]，与其他通信手段相比，非常适合在偏远地区及恶劣天气环境下使用。因此，选用北斗系统来实现高可靠性和强环境适应性的通信功能。

    北斗模块选用北京东方联星公司的TM0558，该模块体积小，同等应用条件下其集成度做到业界领先，外接SIM卡和无源天线即可实现通信功能；采用5 V供电，待机功耗≤0.65 W，发射瞬间功耗≤15 W；有5个引脚连接至SIM卡，其中IC_CLK、IC_DAT为读取SIM信息的时钟引脚和数据引脚，IC_VCC和GND为北斗模块向SIM卡供电的引脚，IC_RST为复位引脚；通信引脚采用TTL逻辑电平，可直接与单片机连接进行通信。

    北斗模块只在通信期间需要供电，通信等待时间不需要进行其他工作，可切断对其供电以降低设备功耗。

    为了实现北斗上下电控制，以及实现单北斗模块进行双SIM切换通信，在北斗的电源引脚及北斗对SIM卡的供电输出IC_VCC引脚处设置光继电器进行隔离。光继电器选用Panasonic公司的AQV252G2S，响应速度快，可承受负载电流大，满足北斗模块发射瞬间功率15 W的要求。单片机可通过光继电器控制北斗模块的供电和SIM的切换，北斗模块周围电路如图3所示。

2.3 主控单元

    主控单元选用TI公司的MSP430F149超低功耗单片机，负责定位信息的提取、精简、编帧及定时发送，同时控制各个模块的供电以降低功耗。单片机具有两路串口，通过USART0进行北斗通信，通过USART1接收GPS定位信息和向采编器发送数据；具有12位ADC，可实现电池电压的采集；16位定时器可完成对北斗通信周期的精准控制。

2.4 供电模块设计

    北斗在发送信息的瞬间需要最大3 A的瞬态电流，由于供电模块同时为单片机、北斗模块、GPS模块等器件供电，为防止北斗发送消息瞬间电压被拉低，供电模块选用MICREL公司的MIC29501芯片提供5 V电平输出，最大对地电流可达5 A；输入端允许2.3 V~26 V电压，范围较宽，满足采编器12 V和电池8.4 V电压输入条件；并具有使能引脚，可通过单片机控制装置断电。供电模块电路如图4所示。

    采编器12 V供电和电池供电分别串接一个二极管后再接入电源芯片输入端，二极管可防止3个电源间出现电流倒灌，当12 V电源断开时可自动转换为电池8.4 V供电。

3 软件设计

3.1 信标机工作流程

    上电后单片机对装置进行初始化，使能GPS模块获取定位信息，然后判断信标机与采编器是否断开连接，若没有断开，则将定位信息和电池电压采集信息编帧后通过串口发送至采编器；若识别到断开连接，则关断通信串口，转而将定位信息编帧后通过北斗发送至手持机。信标机与采编器断开后单片机定时器对断开时间进行计时，因为装置非海上使用，落地后位置固定，当计时满2 min后可确认着陆，因此关闭GPS供电，之后每间隔65 s分别使用SIM卡1和SIM卡2向外界通信两次，两卡通信间隔5 s。信标机工作流程如图5所示。

3.2 定位信息处理

    GPS定位输出频率为1 Hz，输出数据包括帧头为﹩GPGGA、﹩GPGSV、﹩GPRMC的3种数据，帧头为﹩GPGGA的一帧数据中含有经纬度和高度信息，单片机通过串口接收到GPS的数据后，进行帧头判断，将帧头为﹩GPGGA的一帧数据存入数组WHOLE_GPS[]；接着从WHOLE_GPS[]数组中提取经纬度、高度信息存入数组BRIEF_GPS[]中，其中高度保留一位小数；同时，提取的经纬度信息去掉小数点并将高度保留整数后也将循环存储在数组BRI1[]、BRI2[]和BRI3[]。

    每次通过北斗发送消息时，先将BRI1[]、BRI2[]和BRI3[] 3个数组的内容按照更新先后顺序存入数组BD_TX[]中，然后再将此数组的内容编辑为北斗短报文格式进行发送，例如，发送前最新的一组定位信息被存入数组BR2[]中，则将3个数组以BR3[]、BR1[]、BR2[]的顺序存入BD_TX[]进行发送，这样可以使每条短消息包含最近3次定位的信息，并且最后一组信息为最新定位信息，充分利用北斗短报文的通信容量。定位信息处理流程如图6所示。

3.3 北斗模块数据传输协议

    使用北斗模块进行通信，只需通过单片机串口USART0向其发送包含定位信息的通信申请即可，通信波特率为115 200 bit/s，通信协议如表1所示。

    每次通信申请发出后，北斗模块会返回反馈信息，由此来查看通信完成情况，帧格式如表2所示，如接收到的信息中反馈标志为0x00，表示通信成功。

4 测试结果及分析

    信标机系统设计完成后，对其功能实现进行了测试。信标机与采编器断开连接前通过串口发送定位信息及电池电压采集信息，例如，一条串口数据内容为“EB 90 00 60 0F 6C 0F 85 33 38 30 30 2E  38 33 39 33 36 2C 4E 2C 31 31 32 32 36 2E 37 35 36 35 33 2C 45 2C 38 34 39 2E 35 00”，其中“EB 90”为帧头，“00 60”为帧计数，“0F 6C 0F 85”为内部两块电池电压采集的数字量，后面信息为定位信息，含义为“北纬38°0.83936′，东经112°26.75653′，高度849.5 m”。

    与采编器断开后，信标机切换内部SIM卡分别向两台手持机发送短信，短信内容为最近3次的定位信息，例如，手持机接收的一条信息为“380084359N1122674530E827M380084357N1122674521E827M380084333N1122674497E827M”，其中最后一条定位信息为最新坐标，坐标含义为“北纬38°0.84333′，东经112°26.74497′，高度827 m”。实际测试结果表明，该信标机系统的定位及通信功能均能正常实现。

5 结论

    基于GPS和北斗的信标机系统能够提供精确的目标位置信息，接收机位于任何位置均可获得该信息，突破了目标物与接收机相对距离的限制，从而大大提高了回收效率，降低回收难度。在性能方面，该信标机系统通过双卡切换提高北斗信息发送频率，从而提高其工作的可靠性；同时完成了小型化和低功耗设计，有利于作为手持设备等进行拓展应用。

参考文献

[1] 崔丽丽，丁永红，尤文斌，等.基于MSP430单片机的信标机系统设计[J].中国测试，2015，41(10)：81-84.

[2] 刘晓燕.基于“北斗一号”的电力数据通信终端的设计与实现[D].北京：中国科学院大学，2015.

[3] 唐卫明，徐坤，金蕾，等.北斗GPS组合伪距单点定位性能测试和分析[J].武汉大学学报(信息科学版)，2015，40(4)：529-533.

[4] 龚振宇.北斗远程通信的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2015.

[5] 杨倩.弹载多参数测量系统地面测试台的设计与研究[D].太原：中北大学，2008.

作者信息:

于皓博，单彦虎，任勇峰，焦新泉

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)