摘要：在介紹船載應急無線示位標EPIRB應用情況的基礎上，根據(jù)性能指標對其設計進行了分析研究，給出了EPIRB的設計框圖以及各個組成部分的功能分析，并對EPIRB在我們的應用前景進行了展望。

關鍵詞：示位標 EPIRB 衛(wèi)星搜救系統(tǒng)

船載應急無線示位標EPIRB（emergency position indicating radio beacon）是一個獨立的小型專用發(fā)信機。它安裝在船只上，在船只發(fā)生危險時，能夠發(fā)送船只的注冊信息，加裝了GPS接收機的可以直接發(fā)送船只的當前位置信息給衛(wèi)星搜救系統(tǒng)，再由衛(wèi)星搜救系統(tǒng)統(tǒng)一安排營救排險。

衛(wèi)星搜求系統(tǒng)是國際低極軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（COSPAS/SARSAT）的簡稱。它是由美國、前蘇聯(lián)、法國和加拿大四國在1981年聯(lián)合開發(fā)的范圍內(nèi)利用衛(wèi)星進行搜索救援住處的系統(tǒng)。國家搜救衛(wèi)星組成成立的宗旨是：為在范圍內(nèi)的用戶提供快速而準確的遇險報警信息。初的COSPAS-SARSAT為低極軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)，后來又使用了同步靜止軌道衛(wèi)星。這些衛(wèi)星系統(tǒng)與相應的地面處理設備相配合，能夠為海上、空中和陸地，包括極區(qū)在內(nèi)的用戶提供遇險定位報警和用戶身份登記信息查詢服務，使遇險者得到極時有效的救助。

衛(wèi)星搜求系統(tǒng)由遇險示位標、衛(wèi)星空間段和地面處理分系統(tǒng)三部分組成。其中遇險示位標根據(jù)其使用載體的不同分為三種類型：類是航空機載示位標（ELT），工作頻率為121.5MHz和243MHz；第二類是船載應急無線示位標（EPIRB），頻率為406MHz;第三類是個人用示位標（PLB），頻率也是406MHz。現(xiàn)有的EPIRB產(chǎn)品可能性分為含有GPS接收機和不含GPS接收機兩種。不含GPS接收機的只能使用低極軌道衛(wèi)星定位，而含有GPS接收機的EPIRB還可以使用同步靜止軌道衛(wèi)星定位。低極軌道搜求衛(wèi)星組（LEOSAR）能確保衛(wèi)星掃描且覆蓋地球上的任何地方，平均任何一點多大約需45min就有一顆衛(wèi)星經(jīng)過。當406.028MHz處于發(fā)射時，信號經(jīng)存儲轉發(fā)到一個本地用戶終端之前可能還有一平均45min的延尺。由于這些衛(wèi)星相對于地球是移動，所接收到的信號頻率會產(chǎn)生多普勒頻移，衛(wèi)星使用該頻移數(shù)據(jù)計算出信號所發(fā)現(xiàn)的具體位置。因此從一個不含GPS的EPIRB所發(fā)射出的求救信號能在90min內(nèi)被搜救系統(tǒng)檢測到，并且定位度達5km。同步靜止軌道衛(wèi)星主要是為含有GPS接收機的EPIRB服務，利用同步靜止軌道衛(wèi)星，EPIRB的定位可以高達幾十米，本文所要研究的EPIRB帶有GPS接收機，能夠利用低極軌道衛(wèi)星和同步靜止軌道衛(wèi)星進行自身的定位。下面詳細研究EPIRB的設計問題。

1 EPIRB設計

根據(jù)國家搜救衛(wèi)星組織召開的第十四屆聯(lián)合委員會和2000年系統(tǒng)發(fā)展研討大會上做出決定：所有信標生產(chǎn)廠家，在2003年2月1日以后，不得在生產(chǎn)含有121.5MHz和243MHz頻率的示位標。因此，所研究的EPIRB是指能夠同時利用極地軌道衛(wèi)星和靜止軌道衛(wèi)星，并且發(fā)射信號頻率為406.028MHz的信標。
根據(jù)現(xiàn)存的各種EPIRB、ELT和PLB的功能特點，首先確定將要設計研發(fā)的EPIRB應該具有以下電氣性能指法標：

·在頻率406.028MHz向極地軌道衛(wèi)星和靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射報警信號；

·信號特性和電文格式符合ITU-RM.633號建議案；

·具有自動啟動、手動啟動和遙控啟動三種啟動方式，并且能人為關閉；

·測試示位標電子設備工作是否正常時，可不用衛(wèi)星系統(tǒng)。

根據(jù)以上性能指標，對EPIRB進行如下的設計分析；從總體上看，EPIRB應由電池供電單元、主控制單元和信號收發(fā)單元三部分組成，其功能框圖如。

EPIRB通過鍵盤和顯示設備與外界通信，并能實時地根據(jù)當前的環(huán)境參數(shù)自動做出相應的控制。在EPIRB啟動（分為自動啟動、人工啟動和遙控啟動）后，它能將存儲器中的船只識別和注冊信息與GPS的定位信息相結合，利用406.028MHz的頻率發(fā)射出去，以供衛(wèi)星接收。

1.1 電池供電單元

EPIRB的電池要求能夠在5年內(nèi)有效，在發(fā)射信號過程中要能夠持續(xù)工作48小時。因此，運用高性能的鋰電池，電路的其他各個部分都要選用低功耗的元器件，以減少非工作狀態(tài)下的電能消耗。如果EPIRB不要求作遙控啟動，應將收發(fā)轉換單元和天線單元的供電在非緊急應用時切斷，以減小電量消耗。

1.2 主控制器單元

主控制器單元由微控制器、鍵盤、顯示屏和傳感器組成。其中，微控制器是EPIRB的控制中心，負責所有信息的處理以及控制命令的發(fā)出。鍵盤采用簡單的組合按鍵設計，盡可能用較少的按鍵輸入一些命令，控制EPIRB的啟動和關閉。顯示屏能夠顯示一些工作狀態(tài)信息，如自動檢測結果信息、電池容易信息等以供操作人員查看。在微控制器內(nèi)部的flash中，需要寫入船只的識別碼和注冊信息，而船只的識別碼和注冊信息應該能夠在產(chǎn)品完成生產(chǎn)之后寫入。壓力傳感器實時測量環(huán)境參數(shù)，并傳遞給微控制器，由微控制器根據(jù)環(huán)境參數(shù)做出相應的判斷，以實現(xiàn)自動啟動的功能。

1.3 信號收發(fā)單元

信號發(fā)射和接收單元包括一個406.028MHz的信號發(fā)射機和一個GPS的信號接收機，另外還有天線及收發(fā)轉換單元組成。其整體框圖如所示。

由可以看出：信號收發(fā)單元可以分為四個部分：406.028MHz發(fā)射單元、頻率合成單元、GPS信號接收單元和天線單元。

頻率合成單元為發(fā)射單元提供混頻用的具有高穩(wěn)定度的頻率，以使發(fā)射信號的載波頻率為406.028MHz。該單元可以采用DDS，也可以采用一個高穩(wěn)定的晶振完成此功能?？紤]到系統(tǒng)的擴展問題，筆者采用了DDS完成此功能。根據(jù)ITU-RM633建議案，406MHz發(fā)射功率為5W。

發(fā)射單元主要完成對基帶信號的編碼調(diào)制，并在混頻后進行帶通濾波，以除去雜波干擾。由于在平時待機情況下要盡量減少功耗，因此發(fā)射單元在不發(fā)射信號的情況下要切斷供電；功率控制單元對發(fā)射功率進行控制，使得滿足406.028MHz頻率的發(fā)射功率。

天線單元有一個接收和發(fā)射的轉換器，用于完成接收和發(fā)射的轉換。在平時狀態(tài)下為了節(jié)省電量的消耗，可以將此單元的電源關閉，并將天線收發(fā)轉換器接通GPS接收機單元。當發(fā)生緊急情況時由自動或手工啟動EPIRB，系統(tǒng)開啟GPS接收機，接收到位置信息后，與存儲在flash中的船只識別和注冊信息一致，經(jīng)過編碼后由發(fā)射天線發(fā)射出去。
1.4 三種啟動方案設計

EPIRB的啟動分為三種：自動啟動、手工啟動和遙控啟動。

通常EPIRB安裝在浮離式支賀上，當遇險時自動浮離后自動啟動發(fā)射。還要求被人工移離釋放機構后，不會自動啟動。

自動啟動是在EPIRB落入水中一定深度后，由壓力傳感器測得壓力，自動啟動系統(tǒng)，并且脫離浮離式支架浮出水面。

手動啟動就是人工操作鍵盤，輸入命令字后，確認無誤的情況下，啟動系統(tǒng)。當手動操作時，應通過專用遇隊警報啟動器發(fā)出遇險報警。而且專用啟動器應能明顯地被識別，并具有意外操作防護裝置，防止意外啟動。手動遇險報警的啟動，至少要求兩次獨立的動作，才能啟動系統(tǒng)。

遙控自動需要EPIRB保持天線長時間處于接收信號狀態(tài)，并且隨時對接收信號進行命令解析，這樣遙控啟動就需要消息很多的電量，而且考慮到實際的緊急應用時，遙控啟動功能的用處并不是很大。因此，本文的設計中沒有設計遙控啟動功能，而僅僅使用手動和自動啟動兩種啟動方式。

對于任意一種啟動方式都可通過人工操作鍵盤來關閉系統(tǒng)。這個功能可以應用在EPIRB年度檢測以及當誤啟動的情況發(fā)生時，由人工手動關閉系統(tǒng)。本功能可以由鍵盤組成鍵與按鍵時間檢測來完成。

2 我國的應用現(xiàn)狀及前景

我國于1985年經(jīng)國務院批準，由交通部代表國家以“用戶”的身份加入國際搜救衛(wèi)星組織。1991年，作為“海上遇險與安全系統(tǒng)工程”的一個子系統(tǒng)，北京衛(wèi)星搜救系統(tǒng)開始了建議工作，并于1998年1月26日順利通過了國際組織的入網(wǎng)測試，進入全功能運行狀態(tài)。同時，我國在該組織的身份變更為“地面設備提供國”。這樣，北京的衛(wèi)星搜救系統(tǒng)就擔負起我國相應搜求服務區(qū)的救險工作。但我國現(xiàn)在的應用主要限制在遠洋運輸、漁光生產(chǎn)和民用航空領域，對其它如個人探險應用領域還沒有提供相應的服務。因此，在個人探險應用以及科學探索等相關的地面應用中還有很大的開發(fā)前景。