CN113891261A - 一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于北斗卫星通信的水上搜救定位终端，人员发生落水或船只遇险的情况下，搜救终端触水后自动报警，并按设定周期自动将船名、个人信息、位置和时间等求救信息等通过北斗卫星发送到搜救中心服务器并显示在电子海图上，搜救中心核实险情后可及时组织最近搜救力量进行搜救。终端的定位和通信功能基于北斗通信卫星完成，实现国产自主可控，保障通信安全；在报警信息发送和回执接受的过程中，实现了搜救信号双向传输，提升救援效率；可采用报警自启动和手动启动两种上电方式，系统稳定可靠。指示灯可显示信息接收回执并闪烁提示人员位置，功能丰富。设备采用小型化设计，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及通信与信息系统技术领域，特别是基于北斗卫星通信的水上定位搜救设备。
背景技术
随着航运的快速发展，遇险船舶应急搜救的重要性日益显著，在最短时间内获取船舶遇险报警信息及其位置成为提高搜救成功率的关键要素。我国除了使用低极轨道搜寻救助卫星系统（COSPAS-SARSAT），也在大力推广基于北斗卫星导航系统短报文通信的船舶应急搜救系统，随着2020年北斗三号全球系统正式完成组网运行，将服务领域从亚太地区扩展至全球，服务能力全面提升，应急搜救功能报文长度最长达到1000个汉字，终端发射功率可以降到3W以下，北斗三号终端急需实现大规模应用。由于现有卫星移动通信系统地面终端具有上下行通信独立、传输时延大、频率偏移大等特点，影响通信和定位效果，降低了搜救工作的时效性，增加了人员和船只搜救工作的成本和难度。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种基于北斗卫星通信的水上搜救与定位终端，该终端可以集成在救生衣或船舶上，人员发生落水后，搜救终端触水后自动报警，并按设定的时间间隔自动将所属船名、个人信息、经纬度位置以及求救信息等通过北斗卫星发送到搜救中心服务器并显示在电子海图上，搜救中心核实险情后可及时组织最近搜救力量（船舶或飞机）对落水人员进行搜救，并可随时告知搜救力量落水人员的准确位置，提供了一种高灵敏度、低功耗、低成本的实时定位解决方案。
本发明的水上搜救终端包括控制单元模块、电源模块、北斗通信模块、检测示警模块和输入输出模块；其中，控制单元模块包括主芯片、电源管理模块和时钟模块，北斗通信模块包括RDSS射频单元、RNSS单元和RDSS基带单元，检测示警模块包括水浸传感器和LED示警灯，输入输出模块包括可编程按键、USB接口、Type-c接口和蓝牙模块；控制单元模块分别与北斗通信模块、输入输出模块和检测示警模块互联；工作时，RDSS射频单元、RNSS单元和RDSS基带单元获取到定位信息和短消息报文，北斗通信模块将定位信息和短信息报文发送到主芯片进行分析处理，主芯片通过输入输出模块的可编程按键、USB接口、Type-c接口和蓝牙模块输出相应链路侦测消息和定位数据信息到外部信息接入设备，检测示警模块的水浸传感器（9）和LED示警灯（10）根据控制单元模块的处理分析数据进行显示和报警。
进一步，所述电源模块为锂聚合物电池，容量为10000mah。
进一步，终端上电启动方式有两种，一种为自触发，当水浸传感器检测到落水后，终端立即上电启动，并将报警信号周期性地发送给控制单元模块，控制单元模块通过北斗通信模块上报报警信息，同时LED示警灯开始闪烁；另一种为手动启动，即通过可编程按键启动终端，终端上电并完成自检工作，并且终端设备支持一键复位。
进一步，北斗通信模块接收RNSS卫星信号，RNSS单元解算出时间和位置信息，发送至控制单元模块。
进一步，RDSS射频基带模块用于实现短报文通信和有源定位功能，包括接收和发送两个信道，在接收过程中RDSS基带单元实现对中频数字信号的解调处理，通过放大、滤波和采样过程后，实现与终端进行通信，接收的信息包括回执信息和定位信息；在发送过程中，终端发送调制BPSK信号，送入RDSS射频单元并进入卫星无线信道传输，发送的信息包括报警、定位及用户信息。
进一步，控制单元模块主芯片将接收到的定位信息转化为内部协议用于信息存储分发，同时将提取到的时间和位置信息转换为RDSS协议送入RDSS射频单元发射；电源管理模块与电源模块相连，控制通信模块的启动与休眠，并向主芯片提供3.3V工作电压，向外部电路提供12V供电电源，同时为北斗通信模块、LED示警灯和输入输出模块供电。
进一步，搜救终端支持用户随时通过串口通讯进行信息发送和接收，进行定位数据发送、定位芯片、工作模式配置及通讯参数配置，通过可编程按键、USB接口、Type-c接口和蓝牙模块，采用信号量+消息队列+储存管理的形式来处理设备的串口通讯数据。
进一步，北斗通信模块的定位芯片型号为UM220-III-N，主芯片（1）通过其USART1串口与定位芯片UM220-III-N芯片的USART1串口收发交叉对接。
进一步，RDSS射频单元（4）、RNSS单元（5）和RDSS基带单元（6）为无源模块，北斗定位芯片UM220-III-N采用无源天线与RF_IO管脚直接相连。
进一步，搜救终端具体工作方式为：
步骤一、搜救终端上电启动并初始化；
步骤二、检测是否存在报警信息，若是，则周期性发送报警短报文信息，转步骤四，否则检测是否收到自检命令，转步骤三；
步骤三、若接收到自检命令，则搜救终端启动自检工作，自检结束后系统关机；
步骤四、判断是否取消报警，若是，则系统关机，否则在一定时间内检测是否接收到回执消息，接收到回执消息，转为周期性发送报警长报文信息，未接收到回执消息，在经过一定时间后，停止发送短报文信息，转为发送报警长报文信息；
步骤五、判断是否取消报警，若是，则系统关机，否则持续发送报警长报文信息。
本发明的有益效果在于：
（1）以简单快捷的方式实现对设备内模块的集中控制和统一监控；
（2）在短报文通信过程中实现了信息的双向传输，有效提升救援效率，节约成本；
（3）可采用报警自启动和手动启动两种上电方式，实现设备自检功能，系统稳定可靠；
（4）采用了可编程按键的控制方式，长按按键可启动或关闭定位设备，短按按键进入自检模式；
（5）主要应用于水上搜救、应急救援，并基于北斗通信卫星体制实施完成，实现水上应急救援系统的自主可控。
附图说明
图1是本发明电路结构示意图；
图2是本发明在北斗卫星水上应急搜救系统中应用示意图；
图3是本发明终端工作流程图；
其中，1为主芯片，2为电源管理模块，3为时钟，4为RDSS射频单元，5为RNSS单元，6为RDSS基带单元，7为锂聚合物电池，9为水浸传感器，10为LED示警灯，11为可编程按键，12为USB借口，13为Type-c借口，14为蓝牙模块。。
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括控制单元模块、北斗通信模块、检测预警模块、输入输出模块和电源模块。
上电启动及设备初始化。上电启动方式分为两种，一种为自触发，水浸传感器检测到落水后，设备即上电启动，并将报警信号周期性地发送给控制单元模块，同时LED示警灯开始闪烁；另一种方式是手动启动，即通过可编程按键启动搜救定位终端，终端上电并进行并完成自检工作，终端设备支持一键复位。
在落水检测自触发过程中，检测预警模块根据海水或者河水的电特性等因素判断人员是否落水。符合判断条件时自动上电，开机工作。
定位信号接收。北斗通信模块天线系统接收RNSS卫星信号，RNSS单元解算出时间和位置信息，发送至控制单元模块。发送定位指令的过程是：向北斗RNSS单元发送定位申请，解析RNSS单元返回的定位信息。其指令格式遵循“北斗用户机接口协议V4.0”要求，通过表1的数据编组发送至控制单元模块。
表1 北斗搜救终端的定位数据解析示例
短报文通信。控制单元模块向北斗通信单元循环发送定位和通信指令，将自己的位置、时间信息告知救援中心。发送通信指令的过程是：向北斗RDSS单元发送通信申请。其指令格式遵循“北斗用户机接口协议V4.0”要求。通信申请的受信方地址为预先设置好的救援中心用户机，“电文信息”字段填写最新获取的时间、定位信息。
北斗RDSS发射频率设置在1615.69MHz，带宽±4.08 MHz。
接口协议转换和电源管理。控制单元模块主芯片将接收到的定位信息转化为内部协议用于信息存储分发；同时将提取到的时间和位置信息转换为RDSS协议送入RDSS射频单元发射。控制单元模块的电源管理模块控制通信模块的启动与休眠，并向主芯片提供3.3V工作电压，并向外部电路提供12V供电电源，支撑通信模块发射高频信号、示警灯和输入输出驱动模块供电。供电电源采用锂聚合物电池进行供电，电池可迟滞连续开机工作48小时以上，以提供充裕的救援等待时间。
通讯数据输入输出。支持用户随时通过串口通讯进行发送和接收，进行定位数据发送、定位芯片、工作模式配置及通讯参数配置，通过串口发送函数Send_data(u8 *s)实现数据发送功能，通过串口中断处理子函数USART1_IRQHandler()来实现数据接收功能，我们使用信号量+消息队列+储存管理的形式来处理设备的串口通讯数据。
主芯片是国产化ARM处理器，北斗通信模块的芯片型号为UM220-III-N，主芯片通过其USART1串口与北斗定位芯片UM220-III-N芯片的USART1串口收发交叉对接。RDSS射频单元、RNSS单元和RDSS基带单元为无源模块，北斗定位芯片UM220-III-N采用无源天线与RF_IO管脚直接相连，锂聚合物电池容量为10000mah，可待机48h不间断工作，输入输出模块型号为GST-SH-8001，检测示警模块型号为SJ-SH-2001。
具体的：
处理芯片ARM的USART3（PA9、PA10）作为配置串口，只此串口支持程序下载；USART1（PB10、PB11）作为北斗信号输入，串口波特率可配置，与国产高性能UM220-III-N芯片收发交叉对接；UM220-III-N采用无源天线与RF_IO管脚直接相连，无需低噪放和滤波电路；通过16位并行数据线（FTMC_D0~D15）与输入输出模块GST-SH-8001相连，GST-SH-8001的19（EECS）引脚设置其数据位宽，P_WRST复位信号，WR_IOW处理器写命令，RD_IOR处理器读命令，CMD命令/数据标志；GST-SH-8001输出收发信号TD、RD；检测示警模块采用SJ-SH-2001模块，通过IIC接口连接，用于报警各类数据；直流宽电压输入5~18V，通过电源转换芯片MP1482转换为3.3V给ARM供电，设计有防误插、反接过压过流保护电路。PCB设计高频信号与低频信号分隔布线，天线线路注意阻抗匹配，大功率器件UM220-III-N需传导散热，成对信号线需等长平行走线。
结合图2，本发明在北斗卫星水上应急搜救系统中工作过程如下：
基于北斗三号的船舶应急搜救系统由北斗卫星、北斗地面站、搜救指挥中心和搜救定位终端组成，系统架构划分为三个层次，第一层为搜救指挥中心，配备北斗指挥型用户机和指挥控制软件。其中指挥型用户机可进行本机定位、通信信息收发。可兼收其管辖范围内的所有用户的定位和通信信息。指挥控制软件可实现地图/海图操作，规划搜救方案和路径，并下发给现场，同时监控现场搜救情况。第二层为船载终端、机载终端。现场进行搜救的船、机载终端与搜救指挥中心进行双向远程卫星通信，获取个人位置信息并在终端上进行显示。第三层为北斗应急无线电示位标和搜救终端。终端与搜救指挥中心进行本机定位、双向远程卫星通信，向指挥中心发送位置信息和求救信息。北斗搜救终端的链路侦测消息说明示例见表2。
表2 北斗搜救终端的链路侦测消息说明示例
结合图3，本发明软件工作流程如下（软件工作流程，结合图进行描述）。
软件设计是根据启动方式确定的，包括由报警信息的自启动和自检命令的手动启动。通过软件开发过程实现以下流程：
步骤1：首次报警信息在落水检测触发终端自启动后发出。如为手动启动，则终端设备运行自检工作，系统完成自检后60S关机；
步骤2：终端发出首次报警信息后，在60分钟内每隔62秒周期性滴发送一次短报文，当终端接收到搜救任务控制中心发送的报警应答回执消息后，转换为每10分钟发送一次长报文，如等待60分钟后未收到回执消息，则从第61分钟开始每10分钟发送一次长报文；
步骤3：终端启动后60分钟内RDSS接收保持为持续开启状态，等待接收搜救任务中心的报警应答信息。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于，包括控制单元模块、电源模块、北斗通信模块、检测示警模块和输入输出模块；其中，控制单元模块包括主芯片（1）、电源管理模块（2）和时钟模块（3），北斗通信模块包括RDSS射频单元（4）、RNSS单元（5）和RDSS基带单元（6），检测示警模块包括水浸传感器（9）和LED示警灯（10），输入输出模块包括可编程按键（11）、USB接口（12）、Type-c接口（13）和蓝牙模块（14）；控制单元模块分别与北斗通信模块、输入输出模块和检测示警模块互联；工作时，RDSS射频单元（4）、RNSS单元（5）和RDSS基带单元（6）获取到定位信息和短消息报文，北斗通信模块将定位信息和短信息报文发送到主芯片（1）进行分析处理，主芯片（1）通过输入输出模块的可编程按键（11）、USB接口（12）、Type-c接口（13）和蓝牙模块（14）输出相应链路侦测消息和定位数据信息到外部信息接入设备，检测示警模块的水浸传感器（9）和LED示警灯（10）根据控制单元模块的处理分析数据进行报警和显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于：所述电源模块为锂聚合物电池，容量为10000mah。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于：终端上电启动方式有两种，一种为自触发，当水浸传感器检测到落水后，终端立即上电启动，并将报警信号周期性地发送给控制单元模块，控制单元模块通过北斗通信模块上报报警信息，同时LED示警灯开始闪烁；另一种为手动启动，即通过可编程按键启动终端，终端上电并完成自检工作，并且终端设备支持一键复位。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于：北斗通信模块接收RNSS卫星信号，RNSS单元解算出时间和位置信息，发送至控制单元模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于：RDSS射频基带模块用于实现短报文通信和有源定位功能，包括接收和发送两个信道，在接收过程中RDSS基带单元实现对中频数字信号的解调处理，通过放大、滤波和采样过程后，实现终端通信功能，接收的信息包括回执信息和定位信息；在发送过程中，终端发送调制BPSK信号，送入RDSS射频单元并进入卫星无线信道传输，发送的信息包括报警、定位及用户信息。
6.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于：控制单元模块主芯片将接收到的定位信息转化为内部协议用于信息存储分发，同时将提取到的时间和位置信息转换为RDSS协议送入RDSS射频单元发射；电源管理模块与电源模块相连，控制通信模块的启动与休眠，并向主芯片提供3.3V工作电压，向外部电路提供12V供电电源，同时为北斗通信模块、LED示警灯和输入输出模块供电。
7.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于：搜救终端支持用户随时通过串口通讯进行信息发送和接收，进行定位数据发送、定位芯片、工作模式配置及通讯参数配置，通过可编程按键、USB接口、Type-c接口和蓝牙模块，采用信号量+消息队列+储存管理的形式来处理设备的串口通讯数据。
8.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于：北斗通信模块的定位芯片型号为UM220-III-N，主芯片（1）通过其USART1串口与定位芯片UM220-III-N芯片的USART1串口收发交叉对接。
9.根据权利要求9所述的一种基于北斗卫星通信的水上搜救终端，其特征在于，RDSS射频单元（4）、RNSS单元（5）和RDSS基带单元（6）为无源模块，北斗定位芯片UM220-III-N采用无源天线与RF_IO管脚直接相连。
10.一种基于权利要求1所述的水上搜救终端的报警方法，其特征在于：搜救终端集成在人员救生衣或船舶上，人员发生落水后，搜救终端触水后自动报警，并按设定的时间间隔自动将预置的所属船名、个人信息、经纬度定位位置以及求救信息周期性通过北斗卫星发送到搜救中心服务器并显示在电子海图上，搜救中心核实险情后可及时组织对落水人员进行搜救，并可随时掌握落水人员的准确位置，搜救终端具体工作方式为：
步骤一、搜救终端上电启动并初始化；
步骤二、检测是否存在报警信息，若是，则周期性发送报警短报文信息，转步骤四，否则检测是否收到自检命令，转步骤三；
步骤三、若接收到自检命令，则搜救终端启动自检工作，自检结束后系统关机；
步骤四、判断是否取消报警，若是，则系统关机，否则在一定时间内检测是否接收到回执消息，接收到回执消息，转为周期性发送报警长报文信息，未接收到回执消息，则经过一定时间后，转为发送报警长报文信息；
步骤五、判断是否取消报警，若是，则系统关机，否则持续发送报警长报文信息。
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