一种基于BDS的个人救生终端设计与实现

技术研究
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数字通信世界
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1 引言
我国是渔业大国，海洋渔业水域面积300多万平方千米，渔
业船舶28.14万多艘，从事渔业生产的渔民有1000多万人。

海洋渔业特点决定了海洋渔业生产是高风险、高危事故高发的行业。

目前，大部分海员出于海面无信号覆盖、个人卫星通信费用昂贵、无法自由使用船载公用卫星通信设备等原因，缺乏合适的通信渠道与家人和朋友保持联系，可以说，通信是绝大多数航海及相关行业从业人员都面临的重要难题之一。

北斗卫星导航系统是我国自行建立、具有自主知识产权的卫星导航定位系统，具有定位、双向短报文通信和授时等功能。

目前，北斗短报文通信功能在保障通信和应急通信领域得到了广泛的应用。

北斗系统的信号范围已覆盖整个亚太地区，根据国家北斗系统建设战略，2020年北斗系统信号将覆盖全球，具备全球短报文能力。

从现有文献上看，文献[1]采用了北斗二代定位及无线通信相结合的方式，设计了一种落水人员报警终端，但是无线通信距离受限；文献[2]采用了北斗短报文功能实现了落水终端的设计，由于完全采用北斗一代定位与通信，定位精度不高，在终端低功耗设计方面也没有涉及。

为有效地保障渔民生命财产安全和渔民的利救生终端主要由外壳、天线、主控板、电池、落水检测线等组成，其中，主控板包括LNA 单元、RDSS 射频收/发单元、RDSS 基带处理单元、RNSS 定位单元、MCU 控制单元、电源管理单元等，如图1所示。

天线和主控板组成主要定位功能的定位系统，将作业人员的定位数据反馈给救援中心。

同时主控板和落水检测线组成落水报警系统，一旦作业人员掉入水中，终端会被启动并进入SOS 位置上报求救模式。

终端启动后在120
秒内将报警信息发送给救援中心。

图1 系统组成框图
1.1 工作原理
救生终端在人员突遇险情时，可在人员落水后由落水检测线触点通过海水的导电作用启动终端进入SOS 工作模式或者人员手动按压SOS 键启动SOS 工作模式。

当救生终端进入SOS 后进入自检，同时进行RNSS 本地位置定位，当RNSS 定位成功后，RDSS 会将定位结果及人员信息指示灯相关信息发往救援中心，并按照预设的程序进行不间断的位置和求救信息上报。

救援中心在收到求救信息后立即告警并协助指挥人员组织搜救和引导搜救力量。

北斗海洋搜救引导站配置搜救直升机等搜救力量与搜救指挥站联动，指挥人员可实时观察被救人员和救援力量的位置，协调统一行动。

救生终端应用示意图如图2
所示。

图2 救生终端应用示意图
2 硬件设计
2.1 RDSS 收发及RNSS 接收天线设计
RNSS 接收天线和RDSS 收发天线选用超天通信科技有限公
司的CT-B1SL-21天线，其尺寸为40*40*7（单位mm ）
，天线结构图如图3所示。

该天线为无源天线，可实现北斗的B1、S 信号的天线接收，L 信号的天线发射，其采用介质板天线，并叠放在一起，这种结构可以减小天线占用的面积，集成度高。

同时采用介质板可以降低设备的重量，安装方式采用打胶固定的方式，增强天线的安全性。

馈点直接焊接到PCB 板，减少了信号的损耗，
提高了性能指标。

图3 天线结构图
2.2 主控板设计
主控板采用功能单元化的设计方法。

首先按照功能将模块划
一种基于BDS 的个人救生终端设计与实现
朱徐华，孟祥飞
（中国兵器装备集团上海电控研究所，上海 200092）
摘要：为保障各类水上作业人员的生命财产安全，基于北斗RDSS 通信技术和RNSS 定位技术，设计了一种集定位、报警、救生为一体的小型化个人北斗海上救生终端，为适合合救生衣穿戴，增加了落水检测线设计。

当人员落水后自动开机，将落水人员的精确位置，时间等信息周期性上报救援中心，经试验验证，定位精度小于10米，报警成功率95%以上，能够显著提高海上救援的响应速度和搜救效率。

关键词：RNSS 定位；RDSS 通信；SOS 报警doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.02.003
中图分类号：
TN96 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）02-0007-04作者简介：
朱徐华，男，1981年生，江苏东海人，硕士研究生，高级工程师，现任中国兵器装备集团上海电控研究所北斗工程研发中心副主任，长期从事科研开发与项目管理工作。

研究方向为嵌入式软件设计、卫星导航软件设计。

孟祥飞，男，1991年生，江苏滨海人，硕士研究生，研究方向为软件工程设计。

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分成LNA 单元、RDSS 射频收/发单元、RDSS 基带处理单元、RNSS 定位单元、MCU 控制单元、电源管理单元，加上嵌入式软件及接口部分，共八个方面。

其次，对关键的技术指标进行合理的分配，定义各单元的功能及指标要求。

依据分配到功能及技术指标要求，设计各模块单元，以达到整机的设计要求。

功能单元化的设计方法有利于整机指标的分配及设计工作的规划。

整机的布局更加合理，结构上可以隔离各个功能单元，有利于提高产品的稳定性、可靠性、环境适应性及电磁兼容性。

功能化的设计能够满足整机的调测需求，对产品的维修性有很好的保障。

2.2.1 LNA 单元
低噪声放大器单元包括：RDSS 的S 频点LNA 及RNSS 的B1、L1频点LNA 。

（1）如图4所示，S 频点LNA 采用两级放大，
三级滤波的方案。

该方案可以有效的抑制带外干扰噪声如4G 及Wi-Fi 信号，噪声
系数小，线性度高。

图4 RDSS 低噪声放大器框图
（2）RNSS 定位单元选用的是中科微电子ATGM336H-5N 。

由于该模块中已包含一级低噪声放大器，故本次方案中B1、L1频点的低噪声放大器采用一级滤波器+一级放大器，与RNSS 模块内部的放大器共同构成B1、L1频点LNA ，如图5
所示。

图5 RNSS 低噪声放大器框图
2.2.2 RDSS 射频收/发单元
RDSS 射频收/发单元采用江苏星宇芯联电子科技有限公司的专用RDSS 射频SG801芯片。

该芯片采用40脚QFN 封装，尺寸为5mm*5mm*1mm 。

该芯片已经在多款北斗RDSS 通信模块中应用，成熟稳定、可靠性高。

其典型特征如下：
⊙ 两次变频接收机结构。

⊙ 支持10MHz ，16.32MHz 晶振输入。

⊙ GGC 多中控制模式。

⊙ 模拟中频和数字中频两种输出方式。

⊙ 内部集成LDO 。

⊙ 低噪声系数。

⊙ 高发射功率。

2.2.3 RDSS 基带处理单元
RDSS 基带处理单元采用成熟的芯片方案，选用772电子科技有限公司的BM3005，支持10个接收通道，1个发射通道，
1PPS 授时单元1个。

该芯片功耗＜200mW ，工作温度-40℃~85℃，采用LQFP64封装。

芯片应用简单，可靠、安全，集成度高。

可实现RDSS 系统指标：
⊙ 接收灵敏度：-157.6dBW （误码≤10-5）⊙ 接收信息速率：16kb/s （I 、Q 支路个8kb/）⊙ 接收通道数：10⊙ 首次捕获时间：≤2s ⊙ 失锁重补时间：≤1s ⊙ 发射信号信息速率：8kb/s 2.2.4 RNSS 定位单元
RNSS 定位单元采用中科微电子ATGM336H-5N 屏蔽罩模块，该模块具有高灵敏度、低功耗、体积小等优势。

该模块产品基于中科微第四代低功耗GNSS SOC 单芯片——
AT6558。

AT6558支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS （北斗卫星导航系统），美国的GPS ，俄罗斯的GLONASS ，欧盟的GALILEO ，日本的QZSS 以及卫星增强系统SBAS （WAAS ，
EGNOS ，GAGAN ，MSAS ）。

AT6558是一款真正意义的六合一多模卫星导航单芯片，可以同时接收六个卫星导航系统的GNSS 信号，并且实现联合定位、导航与授时。

该芯片已经很多产品上得到应用，方案成熟可靠。

ATGM336H-5N 主要性能参数见表1。

表1 ATGM336H-5N
主要性能参数
2.2.5 MCU 控制单元
MCU 控制单元采用高性能的基于ARM® 32-bit Cortex®-M3 CPU （120 MHz max ）的STM32系列STM32F205RC 主控芯片，该芯片采用LQFP_64封装，内部集成256 Kbytes of Flash memory ，同时支持6路异步UART 口，48个可配置的GPIO ，2组SPI 接口，以及1路可配置的USB 口，Industrial temperature range ，–0 to 85°C ，完成整机的功能控制。

STM32F205RC 主控芯片采用外置8MHz 高稳晶振，通过内部倍频电路倍频至72MHz 作为内部工作时钟。

MCU 外接大容量Flash 存储器，用于存储接收的短报文，采集的经纬度、时间等位置信息。

在低功耗设计方面，对LDO 供电电路、电量检测电路、DC/DC 转换电路、触水传感电路等方面均采用了低功耗设计思路。

在非工作状态下，将ARM 单片机置于休眠状态，并设计容错程序，当无意的按键操作（不达按键时长要求）唤醒单片机时，15s 后进入休眠。

经验证，进入休眠后待机电流小于10uA 。

在实际设计中，除了采用看门狗、定时复位等软件方法防止系统异常，还设置了组合健实现硬件复位功能，防止在MCU 故障时系统无法关机和重启。

2.2.6 电源管理单元
该电路包括各模块的供电及电池的充电管理等。

救生终端中
各部分电路均是3.3V 系统（除RDSS 发射电路）
，因此可以直接由电池电压降压来供电，系统中每个功能模块均独立采用一个LDO 来进行供电，消除相互间的电源干扰。

RDSS 发射功放采用超级电容进行供电。

通过升压DCDC 升压至5V ，通过设置其输出电流以恒流的方式给超级电容充电。

待超容充满电后供每次PA 发射时使用，使用完毕后由升压芯片对其消耗的能量进行补充。

从而降低整机在发射时大电流对整机其它供电系统的影响。

其设计框图如图6
所示。

图6 电源管理单元设计框图
2.3 外壳设计2.
3.1 防水设计
救生终端的结构采取浸入密封式设计，当上下盒体合并时，对接缝处进行超声波焊接，从而起到防浸入密封的效果，开孔处贴上防水透气膜，用来平衡内外压强，这样形成了完整的密封圈，提升了产品的密封效果。

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壳体上的导光柱、按钮及落水检测线同样设计了密封结构，其中导光柱和按键采用工艺方式直接固定在壳体上，通过工艺固定和防水胶涂覆的措施起到防浸入的密封效果。

落水检测线采取O 型圈密封方式，同样可以起到防浸入的密封效果。

2.3.2 防腐蚀设计
为了满足救生终端在含盐量较高的环境中使用的要求，产品外壳采用了工程塑料ABS ，最大程度的满足防盐雾侵蚀的要求，同时对接触外界的落水检测线采用铍锌铜材质并在表面采取了镀金工艺，提升了金属零件在盐雾环境中的抗腐蚀能力。

3 软件设计
救生终端的嵌入式软件承担着整机信息处理和信息交互的任务，除具备开机系统自检及整机工作状态巡检功能外，还承担着数据融合及协议输出等功能。

该软件是基于STM32F205芯片开发，在设计上采用状态机模式和消息响应机制。

各子任务合理灵活的通过状态机机制调度各功能模块完成相应的处理，各消息响应模块通过协议解析层中的消息完成相应的工作，并通过发送消息调动其他模块完成协调工作，这样就使各功能模块间保持相对的独立，确保整个系统的稳定性。

3.1 软件功能组成
救生终端软件由系统硬件初始化、按键初始化、定时器初始化、电池模块初始化、RDSS 模块、RNSS 模块、USER 模块、LED 指示灯显示功能模块、系统自检处理、系统SOS 模式、综合信息处理功能集合组成，见图7所示。

软件功能模块说明见表2。

图7 软件功能组成框图表2
功能模块说明
3.2 主要功能流程设计
图8 SOS 位置报告流程示意图
系统启动后，首先进行系统初始化操作以及各子设备初始化操作，开启系统调度，各子任务按照实时异步的处理各自的业务，从而实现救生终端的相关功能。

3.2.1 SOS 位置报告功能
通过落水检测线或者人工按键触发终端从休眠状态唤醒，进行RNSS 定位并通过RDSS 通信向救援中心不断发送报警信息。

周期性的位置上报，用于向救援中心回报终端当前位置信息。

详细流程图如图8所示。

3.2.2 低功耗功能
当RDSS 数据发送完后，关闭系统资源，以达到省电的目的。

当睡眠唤醒后，退出低功耗模式，调用系统各种资源。

如图9
所示。

图9 低功耗功能流程示意图
3.2.3 综合信息处理功能
综合信息处理模块，先判断自检按键是否有效，自检按键是否按下，SOS 按键是否按下，启动电池AD 采样，启动超容，RDSS/RNSS 模组初始化，通信使能，LED 状态指示，电池电量检测。

见图10
所示。

图10 综合信息处理功能流程示意图
4 试验测试结果
基于以上设计，救生终端实现了北斗定位、落水SOS 自动位置上报求救、人工SOS 自动位置上报求救、设备自检等功能。

图11为救生终端外形图，图12为救生终端实物图，图13为救生衣佩戴示意图。

试验分为定位精度测试和报警成功率测试。

4.1 定位精度测试
在外场环境下对天测试，将两台被测终端放置于室外可良好接收卫星信号的已知坐标基准点处，开启人工报警功能，并统计2小时内监控平台接收到的经纬度信息。

对水平误（下转第14页）
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路继续进行PDT 业务处理。

（3）主、备MSO 对外提供两个实际IP 地址，基站、远程网管终端、远程调度台等外围设备均需配置MSO 的两个实际IP 地址，当MSO 异地切换，相关的外围设备也需要跟随MSO 切换。

（4）HSW 、DSS 、NMS 只需要配置各地所在的中控服务器的实际IP 地址。

（5）远程调度台需要配置主、备DSS 服务器的两个实际IP 地址。

（6）远程网管终端需要记录：本地中控、NMS 、HSW 的实际IP 地址和异地中控、NMS 、HSW 的实际IP 地址，当MSO 发生主备倒换时，远程网管终端可向新系统切换。

（7）基于目前PDT 业务处理及数据同步传输，建议MSO 异地容灾中间链路不小于10M ，最好为百兆。

3.3 异地主备工作过程
异地备份工作示例图如图3
所示。

图3 异地MSO 备份工作示例图
流程描述：
（1）主、备MSO 服务器启动，
基站同时连接主备MSO 服务器：主MSO 服务器启动时，VOS 启动所有MSO 进程，My HA 启动
MySQL 数据库；
备MSO 服务器启动时，VOS 不启动MSO 进程，My HA 不启动（停止）MySQL 数据库；基站启动时同时连接主备MSO 服务器，但只与主MSO 服务器进行业务处理（VCP 平台控制）；系统运行过程中，主MSO 服务器的MySQL 数据库发生变更，My HA 会将变更的数据实时同步到备MSO 服务器中。

（2）主MSO 服务器故障。

主MSO 服务器运行过程中出现故障，VCP 平台不受理PDT 系统业务请求，My HA 停止MySQL 数据库；My HA 将主MSO 服务器降为备MSO 服务器。

（3）活动（工作）主机转移，My HA 软件实现。

（4）备MSO 服务器接管。

My HA 启动MySQL 数据库；VCP
平台受理所有业务请求；备机启动MSO 进程；
My HA 将备MSO 服务器升为主MSO 服务器；
VCP 平台统一通知所有基站，让其切换到新的活动MSO 服务器进行业务处理；
系统运行过程中，备MSO 服务器的MySQL 数据库发生变更，My HA 会将变更的
数据实时回写到原来的主MSO 服务器中；
如果备MSO 服务器出现故障，My HA 要回切到原来的主MSO 服务器。

（5）基站业务请求转移。

基站收到“活动”MSO 服务器通知，记录目前的活动主机，后续所有业务请求都在新的主MSO 服务器上进行。

3.4 功能简介
（1）故障检测自动切换。

依据配置的检测对象对业务网卡及链路进行故障检测、切换。

（2）服务器自动回切。

能自动实现服务器备升主和主降备，而不需要人工参与干涉，即所谓“热”备份。

（3）数据双向自动备份。

主备服务器数据可实现同步和双向备份。

（4）第三方IP 检测。

增加第三方IP 地址配置及第三方IP 地址检测机制功能，用于检查MSO 之间中间链路故障，避免MSO 主备倒换误判、误切。

（5）手动主备倒换。

My HA 可支持命令行或菜单的操作方式；网管终端也可支持人工手动主备倒换。

4 异地容灾中主、备MSO 切换的时长问题
异地容灾追求稳定，其核心要求是不出现误判、误切。

影响切换时长的因素包括：业务进程的停止和启动、心跳检测、MySQL 数据库的停止和启动、BSCU 重连等环节。

5 结束语
众所周知，PDT 是中国警用无线通信系统中唯一在用的全国性的专用数字通信网络，其安全意义不言自喻。

本文就PDT 的安全问题，特别是应对极端环境下的通信保障，提出了一种可供参考的解决方法。

参考文献
[1] 警用数字集群（PDT ）通信系统全国联网建设技术指导方案.[2] 基于实际工作经验总结.
（上接第9页）差进行统计分析，计算救生终端定位误差。

经试验验证，两台终端的定位误差分别为5.8米和6.2米，满足系统指标≤10米的要求。

4.2 报警成功率测试
在外场环境下将救生终端装在救生衣内，一起扔到空旷海域，模拟落水的真实场景，选择2台救生终端进行72小时海上报警试验，统计72小时内救援中心监控平台收到报警信息成功率。

试验结果，两台终端的报警成功率分别为95%和96%，满足系统指标≥95%的要求。

图14为救援中心监控平台SOS 报警与轨迹界
面示意图。

图11
救生终端外形图
图12 救生终端实物图 图13
救生衣佩戴示意图
图14 救援中心监控平台SOS 报警位置与轨迹界面示意图
5 结束语
基于北斗的个人海上救生终端，结合了北斗RDSS 通信与RNSS 定位优势，采用了基于STM32芯片的低功耗设计，集成度高，便于携带，是一款在紧急情况下进行SOS 求救的北斗救生设备。

该设备可用于各类水上作业场所，能够显著提高应急救援的响应速度和搜救效率。