一种基于GPS信息载波的落水飞机黑匣子搜救系统的制作方法

本发明涉及一种基于GPS信息载波的落水飞机黑匣子搜救系统。

背景技术：
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飞机黑匣子在飞行事故调查中起着不可替代的作用，同时飞机落水后黑匣子的求救信号可以大大缩短搜救时间，传统的黑匣子搜救模式是黑匣子发出单一的脉冲求救信号，不载有任何信息量，搜寻信号的方法只能通过三角形信号强度方向定位的方式，由母船以航速1至5节拖拽水下声波探测仪进行搜寻，工作效率极为低下。且传统搜救模式的接收端仅通过信号的波形特征验证是否为飞机所有的黑匣子求救脉冲信号。验证方式准确度较低，且花费大量时间验证，延误了最佳搜寻时机，增加了人力物力的消耗。

众所周知，在马来西亚MH370航班搜救过程中出现了很多问题。在澳大利亚海域附近搜救过程中，采用传统的搜救方法，即采用三角信号强度定位的方式，三个超声波信号强度监听装置按照三角形排列，并且随着某一最强信号角向前缓慢移动搜索。搜救效率低下，而且有很大的失误，严重影响了最佳搜救时间。

另一种搜救方式是通过水下自动航行器进行搜索，航行器装有侧扫声呐系统，可以在水下1.47万英尺近距离观察物体，美国“金枪鱼”号水下自动航行器的观测范围仅为百米左右，由此可见，搜救效率仍旧较低，以上两种传统的搜救方式均存在一定弊端，且消耗了大量的人力物力。

技术实现要素：
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本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种基于GPS信息载波的落水飞机黑匣子搜救系统，它结构设计合理，相对于传统的搜救模式，本发明所述的搜救模式具有较高的工作效率，以及较低的搜救成本，为搜救赢得了宝贵的时间，且节省了大量的人力物力；另外，从硬件设计上较好的抑制了发射余波效应，同时设计了谐振调节模块，使之工作时保证最优效率，本发明采用了数字信号处理器加人机交互软件的组合方式，满足了系统的数据信息处理，同时又提供了较好的人机交互界面，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于GPS信息载波的落水飞机黑匣子搜救系统，包括黑匣子单元和搜救单元，所述黑匣子单元包括GPS信号接收机、落水监测模块、超声波发射模块、主单片机和电池；

所述GPS信号接收机用于记录飞机落水前的地理位置信息，并把时间和主单片机的时间同步，落水监测模块用于监测飞机落水信号，并把落水信号发送给主单片机，主单片机将落水信号发送给超声波发射模块，超声波发射模块将接收到的落水信号进行解析处理，然后将解析处理后的数据送入输出口等待超声波载波发射；

所述搜救单元包括超声波接收模块、信号解调模块、数据采集模块、谐振调节、接收单片机、数据处理输出、人机交互窗口、线性电源；

所述超声波接收模块接收到超声波载波发射过来的脉冲信号后，将脉冲信号转换为电压，通过谐振回路送入信号解调模块，信号解调模块将电压转换成数字信号发送给数据采集模块，数据采集模块将采集到的数据信息发送给接收单片机，接收单片机将接收到的信息转换成数字信号后发送给数据输出端，数据输出端将数字信号发送给人机交互界面，人机交互界面根据收到的信息识别出黑匣子落水时的地理位置信息及时间信息。

所述超声波发射模块包括一连接主单片机Cut Off引脚的电阻R14、一连接主单片机Send Ctrl引脚的场效应管N1的栅极，电阻R14的另一端连接一三极管P1的基极，三极管P1的发射极连接一升压变压器T1的一输入端，三极管P1的集电极串联电阻R15后与升压变压器T1的另一输入端相连接，升压变压器的另一输入端还通过开关连接场效应管N1的漏极，场效应管N1的源极接地，场效应管N1的栅极连接一电阻R13后接地，升压变压器T1的两个输出端分别连接一电容C19和一电容C18，在电容C18的两端并联一压电陶瓷发射头US-T。

所述超声波接收模块包括一压电陶瓷接收头US-R，压电陶瓷接收头US-R的两接线端之间串联有一电容C8，压电陶瓷接收头US-R的一接线端依次串联一电容C9和一电感L1后连接一芯片U2的XIN引脚，芯片U2的型号为TL852，压电陶瓷接收头US-R的另一接线端连接芯片U2的GND接线端并接地，芯片U2的GADJ引脚与GIN引脚之间连接有一电阻R2，芯片U2的GIN引脚和XIN引脚之间连接有一电阻R1，芯片U2的G2N引脚与GLOUT引脚之间连接有一电容C7，芯片U2的LC引脚连接一LC振荡电路后与引脚VCC相连接，芯片U2的VCC引脚连接电源，芯片U2的BLAS引脚连接一接地电阻R3，芯片U2的GCA引脚、GCB引脚、GCC引脚、GCD引脚为增益调控引脚，芯片U2的REC引脚连接一接地的电容C5和一放大器U3A的正输入端，放大器U3A的负输入端与输出端相连接，放大器U3A的正电源供电端连接一3.3V电压和一接地的电容C10，放大器U3A的输出端依次连接一电阻R5和一放大器U3B的负输入端，放大器U3A的正输入端连接一电阻R6，电阻R6的另一端连接一接地的电阻R4和串联接地的二极管D1和D2，放大器U3B输出端连接接收单片机的Signl引脚。

所述落水监测模块位于黑匣子外壳体上。

所述主单片机和接收单片机均为MSP430F149处理器。

所述超声波发射模块的发射头和超声波接收模块的接收头均由压电陶瓷材料制成。

本发明采用上述方案，采用超声波载波编码技术改变了传统的搜救模式，通过调制基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，最后通过解调技术，从已调信号的参量变化中恢复到原始的基带信号，用几组37.5kHz的脉冲调制出一组含有信息量的脉冲波，将飞机入水前的GPS信息以及飞机机型码编码进信号脉冲中，超声波接收模块将接收的信号波形通过信号解调模块、数据采集模块以及接收单片机解调之后得到黑匣子的地理位置，相对于传统的搜救模式，本发明所述的搜救模式具有较高的工作效率，以及较低的搜救成本，为搜救赢得了宝贵的时间，且节省了大量的人力物力；另外，本发明同时优化了超声波发射模块与超声波接收模块，从硬件设计上较好的抑制了发射余波效应，同时设计了谐振调节模块，使之工作时保证最优效率，本发明采用了数字信号处理器加人机交互软件的组合方式，满足了系统的数据信息处理，同时又提供了较好的人机交互界面。

附图说明：

图1为本发明的工作流程示意图。

图2为本发明的工作原理示意图。

图3为本发明中超声波发射模块的工作原理示意图。

图4为本发明中超声波接收模块的工作原理示意图。

图5为本发明中超声波发射模块在发射过程中的多径效应示意图。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-5所示，一种基于GPS信息载波的落水飞机黑匣子搜救系统，包括黑匣子单元和搜救单元，所述黑匣子单元包括GPS信号接收机、落水监测模块、超声波发射模块、主单片机和电池。

所述GPS信号接收机用于记录飞机落水前的地理位置信息，并把时间和主单片机的时间同步，落水监测模块用于监测飞机落水信号，并把落水信号发送给主单片机，主单片机将落水信号发送给超声波发射模块，超声波发射模块将接收到的落水信号进行解析处理，然后将解析处理后的数据送入输出口等待超声波载波发射。

所述搜救单元包括超声波接收模块、信号解调模块、数据采集模块、谐振调节、接收单片机、数据处理输出、人机交互窗口、线性电源。

所述超声波接收模块接收到超声波载波发射过来的脉冲信号后，将脉冲信号转换为电压，通过谐振回路送入信号解调模块，信号解调模块将电压转换成数字信号发送给数据采集模块，数据采集模块将采集到的数据信息发送给接收单片机，接收单片机将接收到的信息转换成数字信号后发送给数据输出端，数据输出端将数字信号发送给人机交互界面，人机交互界面根据收到的信息识别出黑匣子落水时的地理位置信息及时间信息。

所述超声波发射模块包括一连接主单片机Cut Off引脚的电阻R14、一连接主单片机Send Ctrl引脚的场效应管N1的栅极，电阻R14的另一端连接一三极管P1的基极，三极管P1的发射极连接一升压变压器T1的一输入端，三极管P1的集电极串联电阻R15后与升压变压器T1的另一输入端相连接，升压变压器的另一输入端还通过开关连接场效应管N1的漏极，场效应管N1的源极接地，场效应管N1的栅极连接一电阻R13后接地，升压变压器T1的两个输出端分别连接一电容C19和一电容C18，在电容C18的两端并联一压电陶瓷发射头US-T。该超声波发射模块接收到主单片机Cut Off引脚和Send Ctrl引脚交替的高低电平后，会给升压变压器T1一定频率的方波信号，升压变压器T1与电容C19和电容C18组成了谐振电路，该谐振电路能够将方波信号校正成近似的正弦波信号并通过压电陶瓷发射头US-T发射出去，正弦波信号发射出去后由于谐振电路的原因，压电陶瓷发射头US-T还有持续较长的时间发射余波信号，这些余波信号会在一定程度上影响正弦波信号的信息波的接收，超声波发射模块电路中接入的电阻R5起到的抑制余波的作用，电阻R5与升压变压器T1、三极管P1组成了余波抑制电路。

所述超声波接收模块包括一压电陶瓷接收头US-R，压电陶瓷接收头US-R的两接线端之间串联有一电容C8，压电陶瓷接收头US-R的一接线端依次串联一电容C9和一电感L1后连接一芯片U2的XIN引脚，芯片U2的型号为TL852，压电陶瓷接收头US-R的另一接线端连接芯片U2的GND接线端并接地，芯片U2的GADJ引脚与GIN引脚之间连接有一电阻R2，芯片U2的GIN引脚和XIN引脚之间连接有一电阻R1，芯片U2的G2N引脚与GLOUT引脚之间连接有一电容C7，芯片U2的LC引脚连接一LC振荡电路后与引脚VCC相连接，芯片U2的VCC引脚连接电源，芯片U2的BLAS引脚连接一接地电阻R3，芯片U2的GCA引脚、GCB引脚、GCC引脚、GCD引脚为增益调控引脚，芯片U2的REC引脚连接一接地的电容C5和一放大器U3A的正输入端，放大器U3A的负输入端与输出端相连接，放大器U3A的正电源供电端连接一3.3V电压和一接地的电容C10，放大器U3A的输出端依次连接一电阻R5和一放大器U3B的负输入端，放大器U3A的正输入端连接一电阻R6，电阻R6的另一端连接一接地的电阻R4和串联接地的二极管D1和D2，放大器U3B输出端连接接收单片机的Signl引脚。压电陶瓷接收头US-R接收到压电陶瓷发射头US-T的信号后，通过电容C9、电感L1和电容C8组成的谐振电路将信号输入到芯片U2组成的超声波检测电路中，接收到的信号在芯片U2组成的超声波检测电路中通过增益调控引脚(芯片U2的GCA引脚、GCB引脚、GCC引脚、GCD引脚)的调节选频和增益，选频和增益后的信号通过REC引脚依次传输给放大器U3A和放大器U3B，放大器U3A和放大器U3B会将信号进行回波检出，并将回波检出后的信号通过Signl引脚传送给接收单片机，其中放大器U3A为跟随器，提高了输入的阻抗，放大器U3B为比较器，将信号优化检出传递给的接收单片机。

由专用超声波接收集成电路TL852构成的超声波信号检测电路。其主要特色是选频和变增益，此外是灵敏度改变比较容易,其中GCA、GCB、GCC、GCD为增益控制，SOUT为TL852的积分输出，Signal为回波检出后的信号，负跳变有效。超声波接收模块的输出信号提取部分，由低电压运放LMV358组成，因为考虑要和3.3V供电的DSP配合，所以选用了支持满幅输出的LMV358。电路为两部分，前面是一级跟随器，为了提高输入阻抗，减小对TL852输出电容积分的影响。第二级是比较器，为了输出下降沿较好的信号给DSP。

所述落水监测模块位于黑匣子外壳体上。

所述主单片机和接收单片机均为MSP430F149处理器，经济实惠，成本相对较低；抗干扰能力高，故障率低，超低功耗，可使黑匣子持续工作时间长。

所述超声波发射模块的发射头和超声波接收模块的接收头均由压电陶瓷材料制成。发射头为压电陶瓷换能，属于电压驱动，其功率正比于驱动电压。因此采用高频脉冲变压器升压，升压比1：20。此外，一般MCU产生的驱动信号为方波，而发射头需要的是正弦波，通过变压器和发射头的匹配，可以利用谐振原理得到近似正弦波。因为利用了变压器和发射头的谐振，优点是能得到近似正弦波。但附带的问题是：在驱动信号停止后，由于谐振的原因，发射头还会持续较长时间发射，直至能量在变压器的次级线包直流电阻上消耗完，这样就导致在远距离传输时，信息波和余波会依次到达，承载信息量时需使用更多组的脉冲波来表达一个数字量‘1’或‘0’。故设计了一个余波抑制电路，将变压器初级构成回路，利用初级较小的电阻快速消耗掉次级的能量。

为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同模拟信号的频带传输时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。它们分别对应于利用载波的幅度、频率和相位来承载数字基带信号，可以看作是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。

振幅键控是载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制，源信号为“1”时，发送载波，源信号为“0”时，发送0电平。所以也称这种调制为通、断键控(OOK)。当数字基带信号为二进制时，也称为二进制振幅键控(2ASK)，2ASK信号的调制方法有模拟幅度调制方法和键控方法两种。为了有效的抑制余波效应带来的数据传输的影响，本发明中用一组脉冲波来表示源信号“1”或“0”。

超声波在海水中传播的衰减相对于红外以及电磁波而言是极其小的，但不可忽略的是海水中声波信息传播造成的多径效应，多径效应的本质原因为声波遇到海水面反射回一定值的声波，反射声波的路径变长了，幅值相对衰减。接收器接收到的波形依次为原始信号波、反射信号波。由此可知，多径效应会极大影响信息传输的效率和可靠性。为了抑制多径效应，本发明采用了TL852增益可控芯片，反射声波相对与原始波形有较大程度的衰减，通过控制接收端信号调理电路的增益即可在完全剔除掉干扰信号。

GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。

人机交互方案采用的Samcon-SA3.5a系列，Samcon SA系列触摸屏是高品质的人机界面产品，整个触摸屏集成了CPU单元，输入输出单元，显示屏，存储器，可以广泛的用在工业各行各业的控制系统上。采用软硬件的优化设计，使得Samcon SA在触摸精度和准度，还有画面色彩都符合机器控制的需求。Samcon SA系列触摸屏是开放性的人机界面产品，提供了标准的串行接口与其他设备相连。触摸屏的组态软件是SamDraw，SamDraw为用户提供画面组态配制，驱动设置，报警，配方等功能。

本发明的主要工作原理是通过GPS信号接收机将飞机入水前的地理位置信息记录，且与模块的系统时间进行同步。且落水前系统时间同步后不再更新。当黑匣子外部的水分检测模块检测到落水后吗。发射端的数据处理器将所需发射的数据进行解析处理，将所需发射的数据送人输出口。数据脉冲经放大电路、谐振发射部分后发射出去，同样数据接收端也工作在谐振状态，数据接收后经过信号调理电路送入数据处理器进行数据处理，经解调后将所需信息送入人机交互界面部分，最后落水位置和时间经显示屏显示结果供测量人员记录数据。

本发明利用了ASK调制技术通过对GPS信息进行调制，并通过超声波的形式将信息发送，由此解决了黑匣子求救信号无数字信息量的问题。大大缩减了黑匣子搜寻时间，提高了工作效率。同时本设计也适用于大功率、高穿透、超远距离的水下通信实验。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。