北斗定位在船舶导航通信系统的应用

2022-05-08张宁，韩冰，张赟

现代工业经济和信息化 2022年3期

张宁，韩冰，张赟

（1.海装驻上海地区第八军事代表室，上海 200011；2.山东省海洋仪器仪表科技中心，山东青岛 266061；3.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛 266061）

引言

船舶导航、定位功能是保证安全行驶的重要基础，尤其是在海上极端恶劣的环境，对舰载导航系统提出了更高的要求。一般的舰载导航系统除了常规的定位功能外，还需对相关事项进行紧急报警、对实时障碍物进行测距、对船只进行漏水监测等。目前，船舶定位功能基本依靠GPS 实现，但是美国从未完全开放GPS 的服务功能[1]。由我国自主研发的北斗定位系统，除了提供常规的定位功能外，还能够实现实时通信，目前已经应用于各个行业领域。

1 北斗定位导航概述

“北斗一号”卫星于2003 年由长征三号甲火箭顺利发射至卫星轨道，标志着我国可依靠自主研发的卫星实现导航、通信和定位功能，如今，北斗一号卫星已经在我国各个行业领域中发挥着重要的作用。北斗导航系统的定位和通信功能是依靠三球交汇定位原理实现的，其定位示意如图1 所示。

图1 北斗导航定位原理示意图

北斗导航定位系统依靠两台位置精确已知的发射机发射电磁波，并经一定延时后回波反馈至接收机，从而判断出探测目标的具体位置。

1.1 北斗一号定位流程

北斗一号定位系统采用信号集中处理模式，无论是定位还通信均可由地面控制中心集中完成。北斗一号系统的定位流程如下：

1）由地面控制中心将一定频率的电磁波信号发射至与地球同步的导航卫星，并通过广播的形式传输至所在覆盖范围内的用户。

2）当地面的移动终端设备接收到回波信号的同时，再次向与地球同步的导航卫星发射入站电磁波信号，同步导航卫星再次把接收到的信息传输至覆盖范围之内的用户，

3）地面控制中心根据两次所接收到的信号计算回时差，进而得出相应的距离，在计算回时差时需对电离层、设备层和对流层进行修正。

4）在覆盖范围之内的用户接收到信息后得出所探测目标的地理位置信息。

总的来讲，基于北斗导航系统的定位流程与GPS 不同，北斗导航定位系统需要用户提出定位申请后，才能够开始定位，即需要双向的报文通信，不适用快速移动的用户[2]。

1.2 北斗一号通信流程

北斗一号导航系统具有特有的短报文通信能力，其通信流程如下：

1）用户将需要通信的内容和接收用户的ID 加密后，发送至地面控制中心。

2）地面控制中心接收到通信的请求及相关内容后，将需要通信的内容发送至广播电文中，并以北斗导航卫星为中心介质发送至接收者。

3）接收者接收到通信的内容后，将信息解密后即完成了本次通信任务。

实际上，基于北斗系统进行通信也具有一定的延时，而且每次最多只能传输120 个字符[3]。

北斗导航定位系统主要应用于船舶通信系统中的通信模块和低噪声放大器的设计中。本文重点对上述两项应用说明。

2 北斗导航定位船舶通信模块中的应用

北斗导航定位通信单元如图2 所示。北斗导航通信模块接收到定位或通信的申请后，申请数据射频芯片在变频基带的作用下将其频率截变为1 615.8 MHz，并将截变后的信号经过功率放大后发射至北斗导航卫星，从而实现北斗电文信号的发射任务[4]。

图2 北斗导航通信模块

与传统导航通信模块不同，北斗定位功能主要应用于导航通信模块的基带芯片电路、电源电路、射频芯片外围电路和功放芯片的电路设计中。在实际设计中，由于北斗定位导航系统需要对高频信号进行处理。因此，为了解决由于电路设计不合理所导致的高频信号传输过程造成的干扰，将高频信号的传输通道设计为直线，并且将数字电压信号和模拟电压信号实现隔离，保证PCB 板中各个模块功能均是相互独立，有效地避免了各线路之间的互扰。

北斗导航通信模块的PCB 采用四层电路板的结构设计。其中，第一层和第四层为信号线布置；第二层为电源线布置；第三层为接地线布置。通过试验测试可知：所设计的北斗通信模块在天气晴朗时平均10～20 s 即可完成相应的定位和通信申请，而在相对恶劣或极端的阴雨天，定位和通信功能实现的耗时较长，平均为60 s。