船载应急无线示位标EPIRB设计研究

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船载应急无线示位标EPIRB设计研究

摘要：在介绍船载应急无线示位标EPIRB应用情况的基础上，根据性能指标对其设计进行了分析研究，给出了EPIRB的设计框图以及各个组成部分的功能分析，并对EPIRB在我们的应用前景进行了展望。    关键词：示位标 EPIRB 全球卫星搜救系统
船载应急无线示位标EPIRB（emergency position indicating radio beacon）是一个独立的小型专用发信机。它安装在船只上，在船只发生危险时，能够发送船只的注册信息，加装了GPS接收机的可以直接发送船只的当前位置信息给全球卫星搜救系统，再由全球卫星搜救系统统一安排营救排险。
全球卫星搜求系统是国际低极轨道搜救卫星系统（COSPAS/SARSAT）的简称。它是由美国、前苏联、法国和加拿大四国在1981年联合开发的全球范围内利用卫星进行搜索救援住处的系统。国家搜救卫星组成成立的宗旨是：为在全球范围内的用户提供快速而准确的遇险报警信息。最初的COSPAS-SARSAT为低极轨道搜救卫星系统，后来又使用了同步静止轨道卫星。这些卫星系统与相应的地面处理设备相配合，能够为全球海上、空中和陆地，包括极区在内的用户提供遇险定位报警和用户身份登记信息查询服务，使遇险者得到极时有效的救助。
全球卫星搜求系统由遇险示位标、卫星空间段和地面处理分系统三部分组成。其中遇险示位标根据其使用载体的不同分为三种类型：第一类是航空机载示位标（ELT），工作频率为121.5MHz和243MHz；第二类是船载应急无线示位标（EPIRB），频率为406MHz;第三类是个人用示位标（PLB），频率也是406MHz。现有的EPIRB产品可能性分为含有GPS接收机和不含GPS接收机两种。不含GPS接收机的只能使用低极轨道卫星定位，而含有GPS接收机的EPIRB还可以使用同步静止轨道卫星定位。低极轨道搜求卫星组（LEOSAR）能确保卫星扫描且覆盖地球上的任何地方，平均任何一点最多大约需45min就有一颗卫星经过。当406.028MHz处于发射时，信号经存储转发到一个本地用户终端之前可能还有一平均45min的延尺。由于这些卫星相对于地球是移动，所接收到的信号频率会产生多普勒频移，卫星使用该频移数据计算出信号所发现的具体位置。因此从一个不含GPS的EPIRB所发射出的求救信号能在90min内被搜救系统检测到，并且定位精确度达5km。同步静止轨道卫星主要是为含有GPS接收机的EPIRB服务，利用同步静止轨道卫星，EPIRB的定位精度可以高达几十米，本文所要研究的EPIRB带有GPS接收机，能够利用低极轨道卫星和同步静止轨道卫星进行自身的定位。下面详细研究EPIRB的设计问题。
1 EPIRB设计
根据国家搜救卫星组织召开的第十四届联合委员会和2000年系统发展研讨大会上做出决定：全球所有信标生产厂家，在2003年2月1日以后，不得在生产含有121.5MHz和243MHz频率的示位标。因此，所研究的EPIRB是指能够同时利用极地轨道卫星和静止轨道卫星，并且发射信号频率为406.028MHz的信标。

    根据现存的各种EPIRB、ELT和PLB的功能特点，首先确定将要设计研发的EPIRB应该具有以下电气性能指法标：
·在频率406.028MHz向极地轨道卫星和静止轨道卫星发射报警信号；
·信号特性和电文格式符合ITU-RM.633号建议案；
·具有自动启动、手动启动和遥控启动三种启动方式，并且能人为关闭；
·测试示位标电子设备工作是否正常时，可不用卫星系统。
根据以上性能指标，对EPIRB进行如下的设计分析；从总体上看，EPIRB应由电池供电单元、主控制单元和信号收发单元三部分组成，其功能框图如图1。
EPIRB通过键盘和显示设备与外界通信，并能实时地根据当前的环境参数自动做出相应的控制。在EPIRB启动（分为自动启动、人工启动和遥控启动）后，它能将存储器中的船只识别和注册信息与GPS的定位信息相结合，利用406.028MHz的频率发射出去，以供卫星接收。
1.1 电池供电单元
EPIRB的电池要求能够在5年内有效，在发射信号过程中要能够持续工作48小时。因此，运用高性能的锂电池，电路的其他各个部分都要选用低功耗的元器件，以减少非工作状态下的电能消耗。如果EPIRB不要求作遥控启动，应将收发转换单元和天线单元的供电在非紧急应用时切断，以减小电量消耗。
1.2 主控制器单元
主控制器单元由微控制器、键盘、显示屏和传感器组成。其中，微控制器是EPIRB的控制中心，负责所有信息的处理以及控制命令的发出。键盘采用简单的组合按键设计，尽可能用较少的按键输入一些命令，控制EPIRB的启动和关闭。显示屏能够显示一些工作状态信息，如自动检测结果信息、电池容易信息等以供操作人员查看。在微控制器内部的flash中，需要写入船只的识别码和注册信息，而船只的识别码和注册信息应该能够在产品完成生产之后写入。压力传感器实时测量环境参数，并传递给微控制器，由微控制器根据环境参数做出相应的判断，以实现自动启动的功能。
1.3 信号收发单元
信号发射和接收单元包括一个406.028MHz的信号发射机和一个GPS的信号接收机，另外还有天线及收发转换单元组成。其整体框图如图2所示。
由图2可以看出：信号收发单元可以分为四个部分：406.028MHz发射单元、频率合成单元、GPS信号接收单元和天线单元。
频率合成单元为发射单元提供混频用的具有高稳定度的频率，以使发射信号的载波频率为406.028MHz。该单元可以采用DDS，也可以采用一个高稳定的晶振完成此功能。考虑到系统的扩展问题，笔者采用了DDS完成此功能。根据ITU-RM633建议案，406MHz发射功率为5W。
发射单元主要完成对基带信号的编码调制，并在混频后进行带通滤波，以除去杂波干扰。由于在平时待机情况下要尽量减少功耗，因此发射单元在不发射信号的情况下要切断供电；功率控制单元对发射功率进行控制，使得满足406.028MHz频率的发射功率。
天线单元有一个接收和发射的转换器，用于完成接收和发射的转换。在平时状态下为了节省电量的消耗，可以将此单元的电源关闭，并将天线收发转换器接通GPS接收机单元。当发生紧急情况时由自动或手工启动EPIRB，系统开启GPS接收机，接收到位置信息后，与存储在flash中的船只识别和注册信息一致，经过编码后由发射天线发射出去。

    1.4 三种启动方案设计
EPIRB的启动分为三种：自动启动、手工启动和遥控启动。
通常EPIRB安装在浮离式支贺上，当遇险时自动浮离后自动启动发射。还要求被人工移离释放机构后，不会自动启动。
自动启动是在EPIRB落入水中一定深度后，由压力传感器测得压力，自动启动系统，并且脱离浮离式支架浮出水面。
手动启动就是人工操作键盘，输入命令字后，确认无误的情况下，启动系统。当手动操作时，应通过专用遇队警报启动器发出遇险报警。而且专用启动器应能明显地被识别，并具有意外操作防护装置，防止意外启动。手动遇险报警的启动，至少要求两次独立的动作，才能启动系统。
遥控自动需要EPIRB保持天线长时间处于接收信号状态，并且随时对接收信号进行命令解析，这样遥控启动就需要消息很多的电量，而且考虑到实际的紧急应用时，遥控启动功能的用处并不是很大。因此，本文的设计中没有设计遥控启动功能，而仅仅使用手动和自动启动两种启动方式。
对于任意一种启动方式都可通过人工操作键盘来关闭系统。这个功能可以应用在EPIRB年度检测以及当误启动的情况发生时，由人工手动关闭系统。本功能可以由键盘组成键与按键时间检测来完成。
2 我国的应用现状及前景
我国于1985年经国务院批准，由交通部代表国家以“用户”的身份加入国际搜救卫星组织。1991年，作为“全球海上遇险与安全系统工程”的一个子系统，北京全球卫星搜救系统开始了建议工作，并于1998年1月26日顺利通过了国际组织的入网测试，进入全功能运行状态。同时，我国在该组织的身份变更为“地面设备提供国”。这样，北京的全球卫星搜救系统就担负起我国相应搜求服务区的救险工作。但我国现在的应用主要限制在远洋运输、渔光生产和民用航空领域，对其它如个人探险应用领域还没有提供相应的服务。因此，在个人探险应用以及科学探索等相关的地面应用中还有很大的开发前景。