CN106873000A - 一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置 - Google Patents

一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置。本装置通过用于供电的电池组、实现电源转换功能的电源管理模块Ⅰ和电源管理模块Ⅱ、用于开启供电通道的水敏开关、用于与从控单元串口通信主控单元、用于灯光告警指示的LED环照灯、对状态进行指示的状态指示灯、用于产生寻位信号并通过寻位信号天线单元发射的寻位信号发射单元、实现北斗协议解析和数据分发的从控单元、实现北斗定位和北斗通信功能的北斗模块和用于北斗信息接收和发送的北斗天线单元的组合配合，实现船舶遇险时的定位和求援。本发明具有信息安全、通信稳定、性能可靠等特点，提高了应急处理和救援效率，有效提升船舶水上安全航行能力、遇险报警能力和应急处置能力。

Description

一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置
技术领域
本发明属于应急救援通信领域，具体地讲涉及一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置。
背景技术
应急示位装置作为水上人员生命安全的最后一道保障，具有不可替代的作用。目前我国航行船舶使用的示位装置定位主要使用美国的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)，通信使用COSPAS-SARSAT(全球卫星搜救系统)，信息存在安全隐患，无法应用于军用船舶和特殊民用船；同时现有的船舶应急定位和通信设备复杂多样、功能单一，紧急情况下，发挥的定位和求援作用非常有限，导致应急处理和救援效率低下。
发明内容
根据现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，具有信息安全、通信稳定、性能可靠等特点，可以应用于军事、渔业、海事、航运等领域，提高了应急处理和救援效率，有效提升船舶水上安全航行能力、遇险报警能力和应急处置能力。
本发明采用以下技术方案：
一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于，包括如下组成部分：包括电池组，通过电源管理模块Ⅰ为主控单元、LED环照灯、状态指示灯、寻位信号发射单元供电，通过电源管理模块Ⅱ为从控单元、北斗模块供电；
电源管理模块Ⅰ和电源管理模块Ⅱ，实现电源转换功能，电源管理模块Ⅰ受水敏开关的开关控制，电源管理模块Ⅱ受主控单元的逻辑控制；
水敏开关，用于开启主控单元的供电通道；
主控单元，与从控单元之间双向串口通信，并对LED环照灯、状态指示灯、寻位信号发射单元工作进行逻辑控制和指令下发；
LED环照灯，用于遇险应急状态下灯光告警指示；状态指示灯：对接收信号、发射信号、自检信息等状态进行指示；
寻位信号发射单元，与寻位信号天线单元连接，用于产生121.5MHz频率的寻位信号并通过寻位信号天线单元发射；
从控单元，与北斗模块之间双向串口通信，实现北斗协议解析和数据分发并对北斗模块工作进行逻辑控制；
北斗模块，与北斗天线单元连接，用于实现北斗RDSS定位、北斗RNSS定位、GPS定位和北斗RDSS通信功能；
北斗天线单元，用于北斗信息的接收和发送。
优选的，本示位装置包括用于遇险自动工作的自动档位、用于遇险手动工作的报警档位和用于自检测试的测试档位，可通过操作开关杆在自动档位、报警档位和测试档位之间切换。
优选的，所述所述主控单元包括如下组成部分：
电源管理芯片，为PIC16F917单片机和RTC晶振提供电源；
RTC晶振，为PIC16F917单片机的工作提供基准频率；
PIC16F917单片机，对电源管理模块Ⅱ、LED环照灯、状态指示灯、寻位信号发射单元进行逻辑控制，与从控单元双向通信。
优选的，所述从控单元包括如下组成部分：
电源管理芯片，为EFM32G210F128ARM芯片和RTC晶振提供电源；
RTC晶振，为EFM32G210F128ARM芯片的工作提供基准频率；
EFM32G210F128ARM芯片，与主控单元的PIC16F917单片机和北斗模块双向串口通信，对北斗模块进行逻辑控制和指令下发。
优选的，所述北斗模块采用安徽四创电子股份有限公司的SCCMC-S520模块，包括如下组成部分：
低噪放接收电路：将由北斗天线单元接收的北斗一代信号进行三级放大、滤波后，传送至射频通道；
射频通道电路：将放大后的北斗信号经过两级下变频后转换为中频信号，中频放大、滤波、采样后，送至RDSS基带电路进行处理。将RDSS基带电路输出的BPSK调制信号送至射频通道，经过整形、滤波、调制后，传送至发射驱动电路；
RDSS基带电路：用于解析经射频通道调制后的北斗信号；
RNSS基带电路，将北斗信号数据经放大、滤波后送至射频基带一体化芯片进行处理；
发射驱动电路：将射频通道发送的北斗信号进行前置放大后发送至10W功率放大电路；
10W功率放大电路：将待发射的北斗信号功率放大至10W，发送至北斗天线单元进行发射。
优选的，所述寻位信号发射单元包括：
电源管理芯片，为121.5MHz晶振提供电源；
121.5MHz晶振，用于生成121.5MHz的基准频率；
混频器，用于将主控单元的PIC16F917单片机发送的寻位信息与121.5MHz基准频率混合，产生寻位信号，传送至寻位信号天线单元进行发射。
优选的，所述寻位信号天线单元采用全向天线，天线极化方向为垂直极化。
优选的，所述LED环照灯灯光颜色为白光，有效光强不小于0.5cd，灯光闪烁率为每分钟20～30次。
优选的，所述北斗天线单元接收信号频率为2491.75±4.08MHz、1575.42MHz±2MHz、1561.098MHz±3MHz，极化方式为右旋圆极化；发射信号频率为1615.68±4.08MHz，极化方式为左旋圆极化。
优选的，本装置随船沉入到水中再释放后，所述LED环照灯、寻位信号天线单元、北斗天线单元通过设置在本装置顶端使其均漏出水面，所述水敏开关通过设置在本装置下端使其浸没在水中。
本发明的优点和有益效果在于：
1)本发明示位装置通过电池组、电源管理模块Ⅰ、电源管理模块Ⅱ、主控单元、从控单元、水敏开关、寻位信号发射单元、LED环照灯、状态指示灯、北斗模块、寻位信号天线单元和北斗天线单元的组合配合，可以在船舶遇险沉没时，自动工作并发送求救信息和船舶位置信息，同时发送121.5MHz寻位信号和闪烁LED灯光引导救援组织，有效减少救援时间，提高救援效率，保障船上人员生命安全，提升了船舶水上安全航行能力、遇险报警能力和应急处置能力。
2)本发明示位装置的水敏开关包括用于遇险自动工作的自动档位、用于遇险手动工作的报警档位、和用于自检测试的测试档位，紧急情况下能够手动工作装置，进行定位和求援；也可应用于日常的自检测试。
3)本发明示位装置基于北斗卫星系统，通过北斗短报文双向通信发送船舶求救信息和位置信息，确保信息可以成功发送和接收，具有即时性强、通信成功率高、工作稳定性好等优势。
4)本发明示位装置的主控单元采用PIC16F917单片机、从控单元采用EFM32G210F128ARM芯片、北斗模块采用SCCMC-S520模块；上述多个特定型号的器件配合，实现本发明装置的最佳效果。
5)本发明示位装置随船沉入到水中再释放后，位于本装置顶部的所述LED环照灯、寻位信号天线单元、北斗天线单元均漏出水面，使LED环照灯发出的灯光能够清晰的显示且寻位信号天线单元、北斗天线单元的发射和接收工作不受水的影响；位于本装置中下部的所述水敏开关浸没在水中，能够确保遇险时水敏开关的导通，保证了整个装置的后续正常运行。
附图说明
图1为本发明示位装置的结构连接示意图。
图2为本发明示位装置的主控单元结构连接示意图。
图3为本发明示位装置的从控单元结构连接示意图。
图4为本发明示位装置的北斗模块结构连接示意图。
图5为本发明示位装置的寻位信号发射单元结构连接示意图。
图6为本发明示位装置漏出水面的面板示意图。
图7为本发明示位装置的正面示意图。
图8为本发明示位装置的三种工作模式的工作流程图。
附图标记：
10-电池组，21-电源管理模块Ⅰ，22-电源管理模块Ⅱ，30-主控单元，
31-LED环照灯，32-状态指示灯，33-寻位信号发射单元，34-寻位信号天线单元，40-从控单元，41-北斗模块，42-北斗天线单元，50-水敏开关。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置的电池组10通过电源管理模块Ⅰ21为主控单元30、LED环照灯31、状态指示灯32、寻位信号发射单元33供电，通过电源管理模块Ⅱ22为从控单元40、北斗模块41供电；电池组10的电池容量能够确保船舶应急示位装置至少可以连续工作48h(国内航行海船)或24h(内河船舶)，存放期限为5年；电池组10的电池容量满足5年存放期内总计200min的设备日常测试耗电(电池容量的20％应作为存放期内电池自然放电消耗)；电池组10具有电量告警功能，设备累计工作时间达到200min时，应在自检测试时发出告警指示。
电源管理模块Ⅰ21和电源管理模块Ⅱ22实现电源转换功能，电源管理模块Ⅰ21受水敏开关50的开关控制，电源管理模块Ⅱ22受主控单元30的逻辑控制；电源管理模块Ⅰ21和电源管理模块Ⅱ22包括14V转5V的LDO、5V转3.3VLDO、5V转3.3V的DC/DC。
如图6所示，本示位装置包括用于遇险自动工作的自动档位、用于遇险手动工作的报警档位和用于自检测试的测试档位，可通过操作开关杆60在自动档位、报警档位和测试档位之间切换。
如图2所示，主控单元30包括PIC16F917单片机、RTC晶振、电源管理芯片，电源管理芯片为PIC16F917单片机和RTC晶振提供电源，RTC晶振为PIC16F917单片机的工作提供基准频率，PIC16F917单片机对电源管理模块Ⅱ22、LED环照灯31、状态指示灯32、寻位信号发射单元33进行逻辑控制，PIC16F917单片机与从控单元40双向通信。
LED环照灯31发出的灯光颜色为白光，有效光强不小于0.5cd，灯光闪烁率为每分钟20到30次，LED环照灯受主控单元模块30控制，用于遇险应急状态下灯光告警指示。
状态指示灯32包括121.5MHz信号指示灯、北斗通信指示灯、BDS/GPS信号指示灯和卫星状态指示灯，对接收信号、发射信号、自检信息等状态进行指示。
如图5所示，寻位信号发射单元33包括121.5MHz晶振、混频器、电源管理芯片，电源管理芯片为121.5MHz晶振提供电源，121.5MHz晶振用于生成121.5MHz的基准频率，混频器用于将主控单元30的PIC16F917单片机发送的寻位信息与121.5MHz基准频率混合，产生寻位信号，传送至寻位信号天线单元34进行发射。
寻位信号天线单元34：采用全向天线，天线极化方向为垂直极化，用于发射121.5MHz寻位信号。
如图3所示，从控单元40,包括EFM32G210F128ARM芯片、RTC晶振、电源管理芯片，电源管理芯片为EFM32G210F128ARM芯片和RTC晶振提供电源，RTC晶振为EFM32G210F128ARM芯片的工作提供基准频率，EFM32G210F128ARM芯片分别与主控单元30的PIC16F917单片机和北斗模块41双向串口通信，EFM32G210F128ARM芯片对北斗模块41进行逻辑控制和指令下发。
如图4所示，北斗模块41,采用安徽四创电子股份有限公司的SCCMC-S520模块，包括如下组成部分：
低噪放接收电路：将由北斗天线单元42接收的北斗一代信号进行三级放大、滤波后，传送至射频通道；
射频通道电路：将放大后的北斗信号经过两级下变频后转换为中频信号，中频放大、滤波、采样后，送至RDSS基带电路进行处理。将RDSS基带电路输出的BPSK调制信号送至射频通道，经过整形、滤波、调制后，传送至发射驱动电路；
RDSS基带电路：用于解析经射频通道调制后的北斗信号；
RNSS基带电路，将北斗信号数据经放大、滤波后送至射频基带一体化芯片进行处理；
发射驱动电路：将射频通道发送的北斗信号进行前置放大后发送至10W功率放大电路；
10W功率放大电路：将待发射的北斗信号功率放大至10W，发送至北斗天线单元42进行发射。
北斗天线单元42的天线安装采用北斗接收天线、北斗发射天线和天线地板叠层组装形式，用于北斗信息的接收和发送；北斗天线单元42接收信号频率为2491.75±4.08MHz、1575.42MHz±2MHz、1561.098MHz±3MHz，极化方式为右旋圆极化；发射信号频率为1615.68±4.08MHz，极化方式为左旋圆极化。
如图7所示，本装置随船沉入到水中再释放后，所述LED环照灯31、寻位信号天线单元34、北斗天线单元42通过设置在本装置顶端使其均漏出水面，所述水敏开关50通过设置在本装置下端使其浸没在水中，水敏开关遇水导通，用于开启主控单元30的供电通道。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本发明示位装置的水敏开关包括用于遇险自动工作的自动档位、用于遇险手动工作的报警档位、和用于自检测试的测试档位，通过操作水敏开关50的开关杆可以进行自动档位、报警档位和测试档位三种工作模式的切换。三种工作模式的工作流程图如图8所示。
1)自动工作模式
该模式下船舶正常航行时，水敏开关50的开关杆默认置于“自动”档位，一旦船舶遇险沉没，示位装置随船落入水中后，在沉入一定深度(海洋环境4米，内河环境2米)之前，示位装置自动释放并漂浮于水面上，示位装置的水敏开关50遇水导通后开启，电池组10通过电源管理模块Ⅰ21为主控单元30供电，主控单元30开始工作。
主控单元30通过逻辑控制开启LED环照灯31进行闪烁；通过逻辑控制开启寻位信号发射单元33，寻位信号发射单元33产生的121.5MHz频率的寻位信号通过寻位信号天线单元34发射，引导救援；通过逻辑控制开启状态指示灯32，根据设备的工作状态和逻辑控制状态显示指示灯。
主控单元30通过逻辑控制开启从控单元40，同时与从控单元40通过串口通信进行指令下发，从控单元40与主控单元30进行串口通信上传北斗卫星发射的位置信息；从控单元通过逻辑控制开启北斗模块41，与北斗模块41进行串口通信实现北斗协议解析、数据分发和逻辑控制；北斗模块41和北斗天线单元42接收北斗卫星导航系统位置信息，发送北斗短报文求救信息和遇险船舶位置信息至搜救中心的北斗接收设备，搜救中心根据遇险船舶位置信息组织救援。
2)手动操作模式
该模式下船舶正常航行时，水敏开关50的开关杆默认置于“手动”档位，一旦船舶遇险未沉没时，船员放置示位装置到一个开阔区域，手动将水敏开关50的开关杆置于“报警”位置，使水敏开关50导通。装置后续工作流程与上述自动工作模式相同。
3)自检测试模式
该模式下船舶正常航行时，水敏开关50的开关杆默认置于“测试”档位，当终端需要自检测试时，船员放置示位装置到一个开阔区域，手动将水敏开关50的开关杆置于“测试”档位。若状态指示灯32常亮，期间LED环照灯31闪烁，表示该示位装置自检测试结果为正常；若状态指示灯32不亮或闪烁，期间LED环照灯31闪烁，表示该示位装置自检测试结果为异常。自检结束后，手动将开关杆置于“自动”档位，关闭该示位装置。
综上所述，本发明提供了一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，通过电池组10、电源管理模块Ⅰ21、电源管理模块Ⅱ22、主控单元30、从控单元40、水敏开关50、寻位信号发射单元33、LED环照灯31、状态指示灯32、北斗模块41、寻位信号天线单元34和北斗天线单元42的组合配合，为船舶遇险应急救援提供了最后一道保障，具有信息安全、通信稳定、性能可靠等特点，可以应用于军事、渔业、海事、航运等领域，提高了应急处理和救援效率，有效提升船舶水上安全航行能力、遇险报警能力和应急处置能力。

Claims (10)

1.一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于，包括如下组成部分：
电池组(10)，通过电源管理模块Ⅰ(21)为主控单元(30)、LED环照灯(31)、状态指示灯(32)、寻位信号发射单元(33)供电，通过电源管理模块Ⅱ(22)为从控单元(40)、北斗模块(41)供电；
电源管理模块Ⅰ(21)和电源管理模块Ⅱ(22)，实现电源转换功能，电源管理模块Ⅰ(21)受水敏开关(50)的开关控制，电源管理模块Ⅱ(22)受主控单元(30)的逻辑控制；
水敏开关(50)，用于开启主控单元(30)的供电通道；
主控单元(30)，与从控单元(40)之间双向串口通信，并对LED环照灯(31)、状态指示灯(32)、寻位信号发射单元(33)工作进行逻辑控制和指令下发；
LED环照灯(31)，用于遇险应急状态下灯光告警指示；
状态指示灯(32)，对接收信号、发射信号、自检信息状态进行指示；
寻位信号发射单元(33)，与寻位信号天线单元(34)连接，用于产生121.5MHz频率的寻位信号并通过寻位信号天线单元(34)发射；
从控单元(40)，与北斗模块(41)之间双向串口通信，实现北斗协议解析和数据分发并对北斗模块(41)工作进行逻辑控制；
北斗模块(41)，与北斗天线单元(42)连接，用于实现北斗RDSS定位、北斗RNSS定位、GPS定位和北斗RDSS通信功能；
北斗天线单元(42)，用于北斗信息的接收和发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于：本示位装置包括用于遇险自动工作的自动档位、用于遇险手动工作的报警档位和用于自检测试的测试档位，可通过操作开关杆(60)在自动档位、报警档位和测试档位之间切换。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于，所述主控单元(30)包括如下组成部分：
电源管理芯片，为PIC16F917单片机和RTC晶振提供电源；
RTC晶振，为PIC16F917单片机的工作提供基准频率；
PIC16F917单片机，对电源管理模块Ⅱ(22)、LED环照灯(31)、状态指示灯(32)、寻位信号发射单元(33)进行逻辑控制，与从控单元(40)双向通信。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于，所述从控单元(40)包括如下组成部分：
电源管理芯片，为EFM32G210F128ARM芯片和RTC晶振提供电源；
RTC晶振，为EFM32G210F128ARM芯片的工作提供基准频率；
EFM32G210F128ARM芯片，与主控单元(30)的PIC16F917单片机和北斗模块(41)双向串口通信，对北斗模块(41)进行逻辑控制和指令下发。
5.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于，所述北斗模块(41)采用安徽四创电子股份有限公司的SCCMC-S520模块，包括如下组成部分：
低噪放接收电路，将由北斗天线单元(42)接收的北斗一代信号进行三级放大、滤波后，传送至射频通道；
射频通道电路，将放大后的北斗信号经过两级下变频后转换为中频信号，中频放大、滤波、采样后，送至RDSS基带电路进行处理。将RDSS基带电路输出的BPSK调制信号送至射频通道，经过整形、滤波、调制后，传送至发射驱动电路；
RDSS基带电路，用于解析经射频通道调制后的北斗信号；
RNSS基带电路，将北斗信号数据经放大、滤波后送至射频基带一体化芯片进行处理；
发射驱动电路，将射频通道发送的北斗信号进行前置放大后发送至10W功率放大电路；
10W功率放大电路，将待发射的北斗信号功率放大至10W，发送至北斗天线单元(42)进行发射。
6.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于：所述寻位信号发射单元(33)包括：
电源管理芯片，为121.5MHz晶振提供电源；
121.5MHz晶振，用于生成121.5MHz的基准频率；
混频器，用于将主控单元(30)的PIC16F917单片机发送的寻位信息与121.5MHz基准频率混合，产生寻位信号，传送至寻位信号天线单元(34)进行发射。
7.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于：所述寻位信号天线单元(34)采用全向天线，天线极化方向为垂直极化。
8.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于：所述LED环照灯(31)灯光颜色为白光，有效光强不小于0.5cd，灯光闪烁频率为每分钟20～30次。
9.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于：所述北斗天线单元(42)接收信号频率为2491.75±4.08MHz、1575.42MHz±2MHz、1561.098MHz±3MHz，极化方式为右旋圆极化；发射信号频率为1615.68±4.08MHz，极化方式为左旋圆极化。
10.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星的船舶应急示位装置，其特征在于：本装置随船沉入到水中再释放后，所述LED环照灯(31)、寻位信号天线单元(34)、北斗天线单元(42)通过设置在本装置顶端使其均漏出水面，所述水敏开关(50)通过设置在本装置顶端使其浸没在水中。
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