基于北斗定位的落水人员报警终端的设计
发布时间：2023-04-04 18:45:08 来源：文档文库
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２０１３年１Ｏ月 计算机＿ｒ－程与设计 ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＡＮＤ ＤＥＳＩＧＮ Ｏｃｔ．２Ｏｌ３ 第３４卷第１０期 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．１０ 基于北斗定位的落水人员报警终端的设计 高婷，陈洪武，张帅 （上海海洋大学工程学院，上海２０１３０６） 摘要：为了解决了海上作业人员遇险救援不便的问题，开发了一种基于北斗二代卫星导航系统的落水遇险人员报警定位 终端。提出了以ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅ￣Ｍ３为控制核心的报警定位终端，采用无线传输模块可将海上作业人员的安全信息发送至附 近搜救船舶或者海上作业平台，其一旦接收到报警信息能够对遇险者及时实施救援。实验结果表明，该终端具有成本低、 定位精度高、工作稳定可靠和实用性强等优点。 关键词：北斗定位系统；遇险报警；无线传输；终端；救援 中图法分类号：ＴＰ２７７ 文献标识号：Ａ 文章编号：１０００—７０２４（２０１３）１０—３４７０—０５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｌａｒｍ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｆｏｒ ｍａｒｉｔｉｍｅ ｆａｌｌｅｎ ｏｖｅｒｂｏａｒｄ ｐｅｏｐｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢｅｉＤｏｕ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ＧＡＯ Ｔｉｎｇ，ＣＨＥＮ Ｈｏｎｇ—ＷＵ，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕａｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｒｅｓｃｕｉｎｇ ｆｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｅｏｐｌｅ ｉｎ ｄｉｓｔｒｅｓｓ ａｔ ｓｅａ，ａｎ ａｌａｒｍ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｆｏｒ ｍａｒｉｔｉｍｅ ｆａｌｌｅｎ ｏｖｅｒｂｏａｒｄ ｐｅｏｐｌｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ＢｅｉＤｏｕ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ａｌａｒｍ ｐｏｓｉ— ｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ＡＲＭ Ｃｏｒｎｔｅｒ－Ｍ３ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｅｏｐｌｅ ｗｉｔｈ ｏｆｆ— ｓｈｏｒｅ ｊｏｂ ｉｓ ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅａｒｂｙ ｓｅａｒｃｈ ａｎｄ－ｒｅｓｃｕｅ ｓｈｉｐｓ ｏｒ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂｙ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ，ｏｎｃｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｔｈｅ ａｌａｒｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｒｅｓｃｕｉｎｇ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｔｉｍｅｌｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｉｔ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ，ｈｉｇｈ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｈｉｇｈ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＢｅｉＤｏｕ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｉｓｔｒｅｓｓ ａｌａｒｍ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｔｅｒｍｉｎａ１；ｒｅｓｃｕｅ ０ 引 言 海洋环境复杂、多变，使海难事故的发生具有突发性 球的导航系统ｌ２］。本文基于北斗定位系统和无线传输技术， 开发适于海上作业人员的小型落水报警定位装置，为海上 作业人员提供安全救助保障，实现对海上突发遇险事故的 实时响应。 和灾难性的特点，严重威胁海上人命及财产的安全。海上 人员遇险定位是海难事故搜救取得成功的前提，当今我国 落水人员定位主要依靠搜救飞机或船舶上所载搜救人员肉 眼定位的人工方式，以及航线预测、人员飘移预测模型等 １北斗二代算法研究 “北斗二号”卫星定位系统是我国独立研制的新一代卫 传统技术手段［】］，这样救援的准确性和实时性较低，不能 在第一时间定位遇险人员并对其施救。 卫星定位系统作为空间基础设施，可应用于海上人员 遇险定位。我国自主研发的北斗卫星定位系统，具有自主 星导航系统，在体制上“北斗二号”与ＧＰＳ、ＧＩ一）ＮＡＳＳ、 Ｇａｌｉｌｅｏ一样，同属于ＲＮＳＳ（ｒａｄｉｏ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｓｙｓ— ｔｅｍ），采用的都是无源定位ｌ２ｊ方式。北斗二号将采用无源 定位方式，用户不需要发射信号就能实现定位，用户只要 同时接收４颗或者大于４颗卫星的信号就可以解算出自己 的位置。 产权和维护成本低的优势，目前已经向中国及周边地区提 供连续的导航定位和授时服务，２０２０年左右将建成覆盖全 收稿日期：２０１３ ０１ １０；修订日期：２０１３－０３—１９ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１０７５２５８）；上海市自然科学基金项目（０９ＺＲ１４２１８００） 作者简介：高婷（１９８７一），女，江苏南京人，硕士研究生，研究方向为通信工程及自动化；陈洪武（１９６９一），男，山东济南人，博士，副 教授，硕士生导师，研究方向为现代设计理论与方法；张帅（１９８８一），男，辽宁辽阳人，硕士研究生，研究方向为海洋工程装备。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｗｃｈｅｎ＠ｓｈｏｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
第３４卷第ｌｏ期 高婷，陈洪武，张帅：基于北斗定位的落水人员报警终端的设计 在对北斗定位模型的建立时，设用户空间为 （ｚ ），接收机钟差为ｔ ，对空间任意４颗卫星进 行伪距测量，得到如下方程 一￣／（＿ｚ 一ｚ ）。＋（弘一弘） ＋（ｚ 一 ） 一ｃｔ （１） 式中： 一伪距观测值，ｉ一１，２，３，４，－ｚ ， ， 第ｉ颗卫星的位置。对于此非线性方程首先进行性化 处理，再利用迭代法进行结算。 设用户的近似位置为（ｘ Ｙ ｚ ），近似位置与真 实位置的偏差为（ △ ）将式（１）在近似位置 进行泰勒级数展开，并且去掉高次项，简化得方程组 的如下 ｆ△１０１一 ｌ△ ＋ｄｙｌ△ ＋ｄ １△ 一ｃａｔ Ｊ△ｌ０２一 ２△毛＋ ２△ “＋ ２△ 一ｃ△ （２） Ｉ△ｌ０３一 ３Ａ＝ｃ ＋ ３ ＋ｄ∞△ 一ｃＡ＆ ｌ△ 一 ４△ ＋ ４△ ＋ ：４△ 一ｃａｔ 方程组（２）中的 ， ， 表示由近似位置指向第ｉ 颗卫星的单位矢量的方向余弦，△ｐ 一ｐ －－ｐｉ，其中ｉ＝１， ２，３，４。 方程组（２）表示成矩阵形式为 △０一Ｈ （３） 式（３） 中 １ １ ｌ １ ｄ ２ ｄ ｄ １ Ｈ ３ ∞ ３ １ ４ ４ １ ｆＡｘ 、 △ △ △ 一 ｌ△ ，△。一 ｌ△ △ ｃａｔ △ｐ４ 从而可以解得 一 （４） 如果观测卫星的颗数超过４颗时，方程组的个数超过４ 个，利用最小二乘法解方程组，其解为解得 一（Ｉ－ＫＨ一 ）一 ＨＴ （５） 由式（４）或式（５）可以解出 ，用它去修正ｚ’，再 进行多次迭代，直到Ａｘ达到一定要求，由此可得到用户的 空间坐标。 ２报警终端硬件构成 报警终端主要完成遇险报警、定位信息监测、信息传 递等功能。手持终端设置遇险红色报警按钮，并有防止误 操作的措施。在紧急或落水遇险情况下，遇险检测模块中 的结露传感器被触发，手持终端报警定位装置立即启动北 斗模块进行定位，由射频模块将人员遇险信息发送给搜救 船舶或者海上作业平台，进行实时跟踪显示落水者相关信 息。报警终端在硬件结构上以ＡＲＭ Ｃｏ￣ｅｘ－Ｍ３构架的微控 制器Ｓ１］＼船２Ｆ１Ｏ３Ⅺ玎６为主控ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）， 包括北斗定位模块、遇险监测模块、射频模块及电源模块、 ＬＥＤ状态指示等重要模块，系统整体框图如图１所示。 图１报警终端原理 系统根据国际电信联盟第五次会议阶段性研究结论中 建议的《无线电规则》和无线寻呼报警系统的原理使用 ＩＳＭ（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｍｅｄｉｃａ１）可用频段，使用时无需 申请许可证，在４３３ ＭＨｚ公共信道ｌ３Ｉ ４ｌ上实现短距离内的 点对多点通信，完成人员落水后及时准确报警定位的功能。 ２．１控制核心 报警终端控制核心采用的是是基于ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３构 架的微控制器增强型ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢＴ６，增强型系列将３２ 位ＭＣＵ（ｍｉｃｒｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）的性能和功效引向一个新的 级别¨５ ］。ＳＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ＲＢＴ６工作频率可达７２ＭＨｚ，能实 现高端的运算，丰富的增强型Ｉ／ｏ端口和连接到两条ＡＰＢ （ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ 