CN107907887A - 一种独立工作的卫星通讯定位装置 - Google Patents

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蒋丞
徐元欣
李波
余睿
王同琛
徐文
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    • G01S19/01Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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    • G01S19/42Determining position

Abstract

本发明公开了一种独立工作的卫星通讯定位装置,该装置保证了无人设备在出现严重故障、中控CPU无法正常工作或电源供电异常时依然可以发送无人设备当前位置和必要状态信息的能力。本发明装置自带一定容量的可充电的电池与一定计算能力的MCU,该MCU可以是低功耗处理器,当本发明装置外接电源且电源状态正常时,能自动通过外接电源给装置的电池充电;当外接电源供电输入不正常时,通过自身电池对装置供电。此外,本发明装置在外接电源或中控CPU出现异常时,MCU会自主的定期上报当前卫星定位位置、装置自身状态,也可接收远程中心端的下发的控制指令。

Description

一种独立工作的卫星通讯定位装置
技术领域
[0001]本发明属于卫星通信技术领域,具体涉及一种独立工作的卫星通讯定位装置。
背景技术
[0002]使用先进的无人设备(如无人机、无人车、传感器网络、无人水下潜水器等)进行环 境探索、军事侦察、线路巡逻、海底搜救、环境监测等是当前人类了解人文自然环境、军事侦 察的重要组成部分。大部分使用无人设备进行探测、勘察的环境对人类本身而言是十分危 险的,因此广泛的使用无人设备可以大大的降低这些任务中的人员伤亡风险,保障人类生 命安全。各种无人设备将人类从探测、侦察以及监测等相关的艰辛任务中解放出来,大大提 高了人类探索空间的范围以及未知环境的能力。在民用领域,无人设备可以在较少的人员 干涉下对自然环境进行大尺度、长时间的观察监控;在军事领域,其可以进行敌情刺探、主 动攻击等等多种任务。为了满足各方面的需求,类似的无人设备造价往往不菲,而工作环境 却十分恶劣,有着极大概率受到严重损坏,导致财产损失;因此为了保护设备财产安全,实 时的监测设备的位置、状态或者远程控制等监控手段是十分必要的。一般对无人设备进行 监控主要采用无线电、Wi-Fi、声通信(水下航行器)、卫星通信(以下简称卫通)等通信手段, 其中Wi-Fi工作距离最近,只有100〜300米左右,无线电可以达到几公里,声通信的通信距 离受到海洋环境的影响,可以从500米到几公里或几十公里左右,但是只能在水下使用。卫 通主要通过国内北斗卫星或者美国的铱星卫星实现全球范围的通信,因此卫通也是多数无 人设备的必备通信设备。
[0003] 现有的无人设备技术中,设备往往通过中控处理器(cpu)和电源对外设进行控制 和供电。设备自身的状态信息上报的发送流程一般需要中控CPU通过与卫星定位模块、电子 罗盘等外设交互获得当前位置、自身姿态等状态信息后,再将位置信息与自身状态信息打 包并通过卫通进行发送到远程中心端(包括操作人员终端、监控中心等等)。目前主流的卫 星定位有用GPS、GNSS、北斗、伽利略,由于无人设备工作的环境复杂恶劣,设备时刻有着受 损的可能性;因此在设备执行任务发生意外,造成设备损伤、电源断电或电压过低、中控CPU 不正常工作时,卫通功能也将无法正常工作,导致操作人员无法远程监控设备,很可能造成 设备的丢失。
[0004] 因此能独立工作的卫通装置是具有极大意义的,其不但可以在设备正常运行时提 供卫星定位和卫星远程通信,也可以在设备状态异常时依然可以自主定期发送当前位置和 必要的状态信息,方便操作人员搜寻、回收设备。
发明内容
[0005] 鉴于上述,本发明提供了 一种独立工作的卫星通讯定位装置,其能够保证无人设 备在出现严重故障、中控CPU无法正常工作或电源供电异常时依然可以发送无人设备当前 位置和必要状态信息的能力。
[0006] 一种独立工作的卫星通讯定位装置,包括电源系统以及通讯定位系统;
[0007] 所述电源系统通过充电电池或外部电源给通讯定位系统供电,其包括电源管理模 块、充电电池以及电压调节及电源滤波模块;其中,所述电源管理模块一侧与外部电源相 接,另一侧与充电电池相连,其用于监测外接电源的电压电流情况并为充电电池提供充电 管理,同时监测充电电池的剩余电量以及电压电流情况,当外部电源接通且正常情况下,电 源管理模块把供电来源从充电电池切换为外接电源并利用其为充电电池进行充电;当外部 电源断开或异常情况下,电源管理模块则把供电来源切换为充电电池自主供电;所述电压 调节及电源滤波模块用于将供电电压转为各部件适合的电压并滤除其中杂波后,为通讯定 位系统中各部件提供稳定可靠的工作电压;
[0008] 所述通讯定位系统用于接收中控CPU发来的数据(工作状态、任务数据、当前位置 等)并转发给远程中心端,同时接收来自远程中心端的指令并转发给中控CPU,且在中控CPU 异常情况下自主定时向远程中心端上报自身的定位信息和状态信息,其包括通讯接口模 块、M⑶以及卫通模块;其中,所述通讯接口模块与MCU和中控CPU相连接,其用于负责MCU与 中控CPU之间的信息交互;所述MCU负责处理、打包以及转发从中控CPU接收到的数据,通过 卫通模块接收来自远程中心端的指令并转发给中控CPU;所述卫通模块通过卫星链路负责 MCU与远程中心端之间的数据交互,其自带有一个卫星定位天线和一个卫通天线,通过卫星 定位天线实时获取当前装置的定位信息并提交给MCU,在中控CPU异常情况下由M⑶自主定 时通过卫通模块的卫通天线向远程中心端上报自身的定位信息和状态信息。
[0009]进一步地,所述电源管理模块通过数据传输接口与通讯定位系统中的M⑶相连接, 用以将检测到的电池电压、工作电流、电池剩余电量、供电来源信息反馈给MCU。
[0010] 进一步地,所述MCU持续监听中控CPU需要发送给远程中心端的数据,如果一段时 间没有收到中控CPU的数据,MCU则进入休眠模式,如果该时间段超过一定长度,将判定中控 CPU异常;同时MCU也监听来自卫通模块的数据,如果有收到数据则将数据转发给中控CPU, 若没有则进入休眠模式直到定时唤醒或收到消息唤醒。
[0011] 进一步地,在中控异常情况下所述MCU检查其自主上报功能是否开启,若没有 被开启,则将进入长时间休眠模式直到被唤醒或外接电源恢复正常供电,因为这种情况可 能只是中控CPU正常关机断电,并关闭了自主上报功能节约电量;若自主上报功能开启,MCU 将通过卫通模块将定位信息和状态信息定时发送给远程中心端,在发送间隔M⑶进入低功 耗模式以降低功耗。
[0012] 进一步地,所述通讯接口模块集成有UART、SPI、USB和RJ45四种接口。
[0013] 进一步地,所述卫通模块采用铱星卫星通讯模块或北斗短报文通讯模块。
[0014] 进一步地,所述M⑶采用型号为MSP430F16X系列的控制芯片,该控制芯片为低功耗 处理器。
[0015] 进一步地,所述电源管理模块采用型号为MTSf56的电源管理模块,该模块能够为充 电电池提供充电管理与电压检测功能,同时能为电压调节及电源滤波模块提供稳定的5V直 流电压。
[0016] 基于上述技术方案,本发明具有以下有益技术效果:
[0017] (1)本发明通过独立的电池和MCU可以在设备主电源或中控系统出现异常时依然 能独立正常工作。
[0018] (2)本发明通过自带卫星定位系统和卫通系统,能在与设备中控CPU失去联系时保 持设备的位置上报。
[0019] (3)本发明通过使用可充电电池,能在不拆除无人设备的情况下由无人设备电源 对其进行充电,方便迅速。
[0020] (4)在无人设备本身失去通丨目能力时,本发明可以保障远程控制中心依然能收到 设备位置信息。
附图说明
[0021] 图1为本发明卫星通讯定位装置的整体结构示意图。
[0022] 图2为电源管理模块与充电电池的具体电路连接示意图。
[0023]图3为低功耗MCU及其外围电路的具体连接示意图。
[0024]图4为电压调节和电源滤波模块的具体电路连接示意图。
[0025]图5为UART转USB的具体电路连接示意图。
[0026]图6为UART与SPI端口的芯片引脚示意图。
[0027]图7为UART转RJ45的具体电路连接示意图。
[0028]图8为铱星卫通模块及其外围电路的具体连接示意图。
[0029]图9为北斗卫通模块及其外围电路的具体连接示意图。
[0030]图1〇为串口扩充模块及其外围电路的具体连接示意图。
[0031]图11为本发明装置的工作模式切换流程示意图。
[0032]图12为本发明装置正常模式下的工作流程示意图。
[0033]图13为本发明装置异常模式下的工作流程示意图。
具体实施方式
[0034]为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案 进行详细说明。
[0035]如图1所示,本发明卫星通讯定位装置包括电源部分和通信部分,电源部分主要由 电源管理模块、充电电池、电压调节和电源滤波模块组成,通信部分主要由信号接口、低功 耗MCU和卫通模块组成;其中通信部分的各个模块都由电源部分的电压调节和电源滤波负 责供电与稳压。
[0036]电源管理模块如图2所示,其采用了MT856作为管理模块,该模块为可充电锂电池 提供充电管理与电压检测功能,同时能为电压调节模块提供稳定的5V直流电压。电源管理 模块在与外部输入电源相连接时,不但可以为电池进行充电,同时也会把供电来源从电池 切换为外接电源;在与外接电源断开时,电源管理模块也会及时的把供电来源切换为电池, 保障设备正常工作。该模块通过UART串口与低功耗MCU相连接,能通过串口将自身检测到的 电池电压、工作电流、电池剩余电量、供电来源等信息反馈给MCU。
[0037]图3为本发明装置所采用的低功耗M⑶最小系统电路,该电路采用的是MSP430F16X 系列芯片,该部分有2个晶振为MCU提供时钟基准信号,同时其也含有复位按钮,方便复位程 序;带有JTAG接口方便调试,内部滤波电路防止数字模拟信号串扰。该MQJ主要负责的功能 有:(1)对接收数据进行处理,如打包;(2)控制卫通模块的收发、监测卫通信号质量、读取卫 星定位位置;(3)读取电源部分信息,监控电池与外接电源状况;(4)通过各种接口与中控 (PU通信,检测通信状况等。
[0038]图4为电压调节和电源滤波模块的电路,其主要功能为:⑴将5V电压转化为3.3V, 并将该提供给需要需要的部件,如UART转RJ45模块;(2)通过典型的滤波电路滤除杂波,为 各个模块提供稳定可靠的电压。
[0039]为了让MCU能与中控CPU进行通信,本发明装置提供了提供UART、SPI、USB (串口)和 RJ45这四种常见的接口以应对不同场合的需要,接下去将配合附图对各种接口进行简单讲 解。
[0040]图5为UART转USB的电路连接示意,本发明装置采用了CHM0G芯片作为转换芯片, 该芯片需要一个12M的晶振为其提供时钟基准信号以及一些外围滤波电路。从MCU来的TX/ RX信号通过CH:M0G转换为USB信号从P3口输出,由于这个功能是可选的,本实施方式可通过 W3跳线选择是否为该模块供电。
[0041]图6为UART与SPI接口的芯片引脚示意,两者直接从M⑶相应管脚接出,不需要转 换。MCU通过这两个接口能直接与中控(PU进行通信。
[0042]图7为UART转RJ45的电路连接示意,即以太网口。本发明装置使用了 WizSE的 W5500S2E-S1串口转以太网模块,该模块有10/100M自适应以太网接口,支持TCP Server、 TCP Client和UDP等三种工作模式,支持自动获取IP、DNS、密码校验等功能,能对串口数据 进行灵活的分包,满足多种需求。在本实施方式中,通过该模块将MCU的串口转换为RJ45接 口后与中控CHJ进行数据通信,该功能也是可选的,因此提供了W5跳线决定是否启用该功 能。
[0043]本发明装置对不同的需求提供了两种卫星通信方案,分别为铱星卫通模块和北斗 短报文定位模块,分别如图8和图9所示。两个模块都通过串口与MCU通信并接收指令并自带 定位模块(GPS或北斗定位),它们的工作电压也相同,但是对电压纹波较为敏感,为了解决 这个问题,本实施方式采用了图4所示的滤波电路,提高了装置的稳定性。
[0044] 在本发明装置中至少需要MCU提供3个串口才能满足装置需求,其中一个串口用于 与MT856电源管理模块进行通信、一个串口(或转换为其他接口后)用于与中控CPU通信、一 个与卫通模块进行通信。由于MSP340只有两个串口,因此必须要对一个串口进行扩充,故本 实施方式采用了图10所示的串口扩充模块以满足这项功能,该模块使用了 SP2349芯片,该 芯片能将与RX3/TX3管脚连接的管脚配合4个地址控制管脚扩展为3个串口,其需要一个晶 振为数字电路提供时钟基准信号。本实施方式中M⑶将P4.3-P4.6管脚与芯片的ADROO-1和 ADRI0-1管脚相连接作为地址控制管脚,MCU的URXD0/UTXD0作为待扩充串口,从SP2349扩充 得到的两个管脚分别与充电管理模块和卫通模块相连作为最终的通信串口。
[0045] 本发明装置的工作模式有2种:正常模式和异常模式,电源供电模式也有2种:外部 供电模式和自主供电模式,接下来将配合图11〜图13对本发明装置的整个工作流程进行说 明。
[0046] 图11为本发明装置在外接电源、中控CPU不同状况下的工作模式切换流程,在中控 CPU正常时,其为正常模式;如果中控CPU出现异常,则进入异常模式,而电源供电模式同理, 在外接电源供电正常时,采用外部供电模式,否则为自主供电模式。
[0047] 图12为正常模式下的装置工作流程,在正常模式下中控CPU可以发送设置信息,对 自主上报功能、时间、日期、关机等功能进行设置;同时MCU也会持续监听中控CHJ需要通过 卫通发送的数据,如果收到了数据则将数据打包后再通过卫通模块发送;如果一段时间没 有收到数据,M⑶将会进入休眠模式,如果该时间超过一定长度,将判定为与中控cpu异常; 同时MCU也会监听来自卫通模块的数据,如果有数据则将数据转发给中控CPU,若没有则进 入休眠模式直到定时或收到消息唤醒。
[0048]图13为正常模式下的装置工作流程,在异常模式下MCU则会检查自己的自主上报 功能是否被打开,如果没有被打开,将会进入长时间休眠直到唤醒或外接电源恢复正常供 电,因为这种情况可能只是中控CPU正常关机断电,并关闭了自主上报功能节约电量;如果 打开了自主上报功能,MCU将会通过卫通模块将定位得到的位置、电池剩余电量、异常发生 的时间等重要信息定期发送,在发送的间隔,MCU会进入低功耗模式降低消耗。同时moj也会 监听是否收到卫通数据(如一些针对中控CPU的重启命令等),如果有则会转发数据给中控 CPU〇
[0049]上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。 熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改,并把在此说明的一般 原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领 域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围 之内。

Claims (8)

1. 一种独立工作的卫星通讯定位装置,包括电源系统以及通讯定位系统;其特征在于: 所述电源系统通过充电电池或外部电源给通讯定位系统供电,其包括电源管理模块、 充电电池以及电压调节及电源滤波模块;其中,所述电源管理模块一侧与外部电源相接,另 一侧与充电电池相连,其用于监测外接电源的电压电流情况并为充电电池提供充电管理, 同时监测充电电池的剩余电量以及电压电流情况,当外部电源接通且正常情况下,电源管 理模块把供电来源从充电电池切换为外接电源并利用其为充电电池进行充电;当外部电源 断开或异常情况下,电源管理模块则把供电来源切换为充电电池自主供电;所述电压调节 及电源滤波模块用于将供电电压转为各部件适合的电压并滤除其中杂波后,为通讯定位系 统中各部件提供稳定可靠的工作电压; 所述通讯定位系统用于接收中控CPU发来的数据并转发给远程中心端,同时接收来自 远程中心端的指令并转发给中控CPU,且在中控CPU异常情况下自主定时向远程中心端上报 自身的定位信息和状态信息,其包括通讯接口模块、MOJ以及卫通模块;其中,所述通讯接口 模块与MCU和中控相连接,其用于负责MCU与中控CPU之间的信息交互;所述MCU负责处 理、打包以及转发从中控CPU接收到的数据,通过卫通模块接收来自远程中心端的指令并转 发给中控CPU;所述卫通模块通过卫星链路负责MCU与远程中心端之间的数据交互,其自带 有一个卫星定位天线和一个卫通天线,通过卫星定位天线实时获取当前装置的定位信息并 提交给MCU,在中控CPU异常情况下由MCU自主定时通过卫通模块的卫通天线向远程中心端 上报自身的定位信息和状态信息。
2.根据权利要求1所述的卫星通讯定位装置,其特征在于:所述电源管理模块通过数据 传输接口与通讯定位系统中的MCU相连接,用以将检测到的电池电压、工作电流、电池剩余 电量、供电来源信息反馈给MCU。
3.根据权利要求1所述的卫星通讯定位装置,其特征在于:所述M⑶持续监听中控CPU需 要发送给远程中心端的数据,如果一段时间没有收到中控CPU的数据,MCU则进入休眠模式, 如果该时间段超过一定长度,将判定中控CPU异常;同时MCU也监听来自卫通模块的数据,如 果有收到数据则将数据转发给中控CPU,若没有则进入休眠模式直到定时唤醒或收到消息 唤醒。
4. 根据权利要求1所述的卫星通讯定位装置,其特征在于:在中控CPU异常情况下所述 MCU检查其自主上报功能是否开启,若没有被开启,则将进入长时间休眠模式直到被唤醒或 外接电源恢复正常供电;若自主上报功能开启,MCU将通过卫通模块将定位信息和状态信息 定时发送给远程中心端,在发送间隔MCU进入低功耗模式以降低功耗。
5. 根据权利要求1所述的卫星通讯定位装置,其特征在于:所述通讯接口模块集成有 UART、SPI、USB 和 RJ45 四种接口。
6. 根据权利要求1所述的卫星通讯定位装置,其特征在于:所述卫通模块采用铱星卫星 通讯模块或北斗短报文通讯模块。
7. 根据权利要求1所述的卫星通讯定位装置,其特征在于:所述MCU采用型号为 MSP430H6X系列的控制芯片。
8. 根据权利要求1所述的卫星通讯定位装置,其特征在于:所述电源管理模块采用型号 为MT856的电源管理模块。
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