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摘 要：海上事故发生后，第一时间需要确认的就是遇难人员无线电求救信号的具体位置，再进一步展开救援。由于海上不可控因素的影响，我们无法直接获取落水人员的具体位置。简单无线电测向仅知道求救信号的方向而不知道距离，我们很难得知遇难人员的准确方位。本文通过利用HMC5883L电子罗盘和ATGM336HGPS定位模块与无线电测向接收机的结合，对接收到发射信号后实现精准定位进而实现高效搜救。
关键词：海上搜救 无线电测向 电子罗盘 HMC5883L GPS模块 ATGM336H
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（c）-0030-03
Abstract： After the maritime accident， the first thing to be confirmed is the specific location of the radio distress signal of the victims， and then further rescue. Due to the influence of uncontrollable factors at sea， we are unable to directly obtain the specific location of the person falling into the water. Simple radio direction finding only knows the direction of the distress signal but not the distance. It is difficult for us to know the exact orientation of the victims. Through the combination of HMC5883L electronic compass， ATGM336HGPS positioning module and radio direction finding receiver， this paper realizes accurate positioning after receiving the transmitted signal， so as to realize efficient search and rescue.
Key Words： Maritime search and rescue; Radio DF; Electronic compass; HMC5883L; GPS module; ATGM336H
由于海上气候的多变以及很多不可控的因素存在，导致许多海难发生，如何快速且正确地进行人员搜救成为了现阶段我们最大的难题[1]。海上工作人员在出海作业时常常配备无线电台，一般都是通过它进行呼救。但是由于接收机为单值无线电测向设备，只知道方向，不能够确定距离，因此在接收端还需要利用MEMS、GPS等技术对求救者位置进行定位。
1 无线电测向的三角定位原理
无线电测向是通过电磁波的传输来判定信号的传输方向的[2]，利用具有强方向性的接收天线来判定无线电波的来波方向，并用电子罗盘测定其与正北的的夹角，结合GPS接收机给出赶去救援的接收机的两点坐标，就能唯一确定求救信号的位置，原理如图1所示。
在A點转动接收机时，发现当接收机沿AC方向探测时信号最强，利用指南针测量出此时的方向夹角，即AC与正北方向的夹角α，同时生成此处的地理坐标并记录下来。转动指南针，保持搜救方沿偏离AC夹角为θ的方向前行（0<θ<90°），行使一段距离后再次记录地理坐标位置，此处记为B，利用GPS检测出的数据计算出AB的距离。在B点同样测量出与正北方向的夹角，记为η，β=360°-η，现在已知α、β、θ和AB的距离，我们可以通过三角形正弦定理计算出此时搜救方与落难方的距离，如图1所示。
2 基于GPS的自动化定位技术
2.1 HMC5883L电子罗盘
霍尼韦尔HMC5883L是三轴地磁传感器，在实验模拟海上搜救时，忽略外界干扰因素，假设HMC5883L电子罗盘时刻保持水平，当转动接收机收到一个最大值时保持不动，测量出此时的接收方向与地磁北极之间的夹角记为α，如图2所示。随着搜救方在海上沿直线行驶一段距离后，再利用HMC5883L测出行驶后的偏向角记为β，再利用三角形定理进行后续的推算。
2.2 ATGM336H
ATGM336H[4]是中科微的第四代低功耗单芯片北斗卫星导航系统，而我们所用的AT6558分布到32个通道实现跟踪获取消息，联合在一起实现共同定位，在同时接收从6个不同卫星发射而来的信号的情况下，做到互不干扰，充分体现了这一系列产品灵敏度高、成本投入低且性价比高的优势，如图3所示。
实验时将Arduino电路板与ATGM336H相连，GPS原始数据从串口RX读取出来，经过TX串口发送给电脑，能够将GPS的原始帧数据显示出来。通过解析得到定位点的UTC时间，定位状态是处于定位还是导航，此时所处的经纬度以及方向，对地航速以及对地航向等。
以当前位置为例，通过解析数据计算出此时的地理坐标，latitude代表纬度，longitude代表经度[5]。为了计算地球上两点的距离，我们需要利用我们接收的GPS数据，将其转化成度分秒的形式，以纬度为例，假设我们此时收到的GPS数据为：
3 计算两点距离
当我们计算地球表面上2个较近的点之间的距离时，使用Great-circle distance公式会用到大量的余弦函数，这样计算出的cos值为0.9999....无限循环，接近于1，导致误差很大。而haver sin公式（即半正矢公式，意思为sin的一半）采用的是正弦函数，计算出的距离相较于余弦函数精确很多。 R是地球半径，取值近似于6371km;ω1和ω2分别为2个点的纬度;Δτ为2个点经度的差。
将平面图放置在地球模型来看，假设地球半径为R，O是球心，我们需要计算出A、B两个点的距离。在地球的北半球模拟A、B两个点，坐标用经纬度表示出来，记为A（α1，β1），B（α2，β2）。两条经度线β1，β2相交于北极N，EF所在的线是纬度为0的赤道。分别在β1，β2两条经线上找到同一纬度的2个点记为C（α2，β1），D（α1，β2），由此构成了一个平面上的等腰梯形ABCD，AC和DB的弦在图上没有画出[6]。
由图4可知，角EOF和角AOC可用经纬度之差来表示，即∠EOF=β2-β1=δ=∠COB=∠APD，∠AOC=α1-α2=γ。由此得出：，
A、D两点同处于半径AP所在的同一纬度α1， ∠AOE=∠OAP=α1。H为A点向OE做的垂线，OH= AP=cos（α1）。故：，。
在等腰梯形ABCD中，由A点向BC做一条垂线，记AQ⊥BC。利用勾股定理推导得出：
AB2=AC2+AD×CB
将AC、AD、CB的值代入公式：
現在我们得到的是AB的弦长，而地球表面的真实距离为对应弧长，所以我们还需要确定∠AOB的大小。将△AOB放在一个平面中，根据推导得到：
4 结语
本文通过利用HMC5883L电子罗盘和ATGM336H定位系统的结合，精准且快速地将落水者的位置确定下来。当有多个遇难者同时求救时，可以唯一确定求救信号的准确方位，提高海上救援工作的效率。
参考文献
[1] 李苯帅.基于最优搜寻理论的海上搜救方案规划方法研究[D].济南：山东科技大学，2020.
[2] 夏阳.无线电通信技术发展与创新思考[J].科技创新导报，2019，16（14）：233-234.
[3] 孔令棚，林浩涛，吴淑桦.STC15W4K58S4的机械手无线控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（7）：86-89.
[4] 舒秀兰，郑旭斌，李泽森，等.ATGM336H+ESP01S的室内定位系统设计[J].电子世界，2021：184-185.
[5] Hongsheng Xu. Charging Route Planning for Wireless Rechargeable Sensor Networks[J]. World Scientific Research Journal，2021，7（6）.
[6] 刘力荣，李菡.GPS坐标与方向、距离相互转换的计算公式推导[J].南方农机，2018，49（14）：106.
关键词：海上搜救 无线电测向 电子罗盘 HMC5883L GPS模块 ATGM336H
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（c）-0030-03
Abstract： After the maritime accident， the first thing to be confirmed is the specific location of the radio distress signal of the victims， and then further rescue. Due to the influence of uncontrollable factors at sea， we are unable to directly obtain the specific location of the person falling into the water. Simple radio direction finding only knows the direction of the distress signal but not the distance. It is difficult for us to know the exact orientation of the victims. Through the combination of HMC5883L electronic compass， ATGM336HGPS positioning module and radio direction finding receiver， this paper realizes accurate positioning after receiving the transmitted signal， so as to realize efficient search and rescue.
Key Words： Maritime search and rescue; Radio DF; Electronic compass; HMC5883L; GPS module; ATGM336H
由于海上气候的多变以及很多不可控的因素存在，导致许多海难发生，如何快速且正确地进行人员搜救成为了现阶段我们最大的难题[1]。海上工作人员在出海作业时常常配备无线电台，一般都是通过它进行呼救。但是由于接收机为单值无线电测向设备，只知道方向，不能够确定距离，因此在接收端还需要利用MEMS、GPS等技术对求救者位置进行定位。
1 无线电测向的三角定位原理
无线电测向是通过电磁波的传输来判定信号的传输方向的[2]，利用具有强方向性的接收天线来判定无线电波的来波方向，并用电子罗盘测定其与正北的的夹角，结合GPS接收机给出赶去救援的接收机的两点坐标，就能唯一确定求救信号的位置，原理如图1所示。
在A點转动接收机时，发现当接收机沿AC方向探测时信号最强，利用指南针测量出此时的方向夹角，即AC与正北方向的夹角α，同时生成此处的地理坐标并记录下来。转动指南针，保持搜救方沿偏离AC夹角为θ的方向前行（0<θ<90°），行使一段距离后再次记录地理坐标位置，此处记为B，利用GPS检测出的数据计算出AB的距离。在B点同样测量出与正北方向的夹角，记为η，β=360°-η，现在已知α、β、θ和AB的距离，我们可以通过三角形正弦定理计算出此时搜救方与落难方的距离，如图1所示。
2 基于GPS的自动化定位技术
2.1 HMC5883L电子罗盘
霍尼韦尔HMC5883L是三轴地磁传感器，在实验模拟海上搜救时，忽略外界干扰因素，假设HMC5883L电子罗盘时刻保持水平，当转动接收机收到一个最大值时保持不动，测量出此时的接收方向与地磁北极之间的夹角记为α，如图2所示。随着搜救方在海上沿直线行驶一段距离后，再利用HMC5883L测出行驶后的偏向角记为β，再利用三角形定理进行后续的推算。
2.2 ATGM336H
ATGM336H[4]是中科微的第四代低功耗单芯片北斗卫星导航系统，而我们所用的AT6558分布到32个通道实现跟踪获取消息，联合在一起实现共同定位，在同时接收从6个不同卫星发射而来的信号的情况下，做到互不干扰，充分体现了这一系列产品灵敏度高、成本投入低且性价比高的优势，如图3所示。
实验时将Arduino电路板与ATGM336H相连，GPS原始数据从串口RX读取出来，经过TX串口发送给电脑，能够将GPS的原始帧数据显示出来。通过解析得到定位点的UTC时间，定位状态是处于定位还是导航，此时所处的经纬度以及方向，对地航速以及对地航向等。
以当前位置为例，通过解析数据计算出此时的地理坐标，latitude代表纬度，longitude代表经度[5]。为了计算地球上两点的距离，我们需要利用我们接收的GPS数据，将其转化成度分秒的形式，以纬度为例，假设我们此时收到的GPS数据为：
3 计算两点距离
当我们计算地球表面上2个较近的点之间的距离时，使用Great-circle distance公式会用到大量的余弦函数，这样计算出的cos值为0.9999....无限循环，接近于1，导致误差很大。而haver sin公式（即半正矢公式，意思为sin的一半）采用的是正弦函数，计算出的距离相较于余弦函数精确很多。 R是地球半径，取值近似于6371km;ω1和ω2分别为2个点的纬度;Δτ为2个点经度的差。
将平面图放置在地球模型来看，假设地球半径为R，O是球心，我们需要计算出A、B两个点的距离。在地球的北半球模拟A、B两个点，坐标用经纬度表示出来，记为A（α1，β1），B（α2，β2）。两条经度线β1，β2相交于北极N，EF所在的线是纬度为0的赤道。分别在β1，β2两条经线上找到同一纬度的2个点记为C（α2，β1），D（α1，β2），由此构成了一个平面上的等腰梯形ABCD，AC和DB的弦在图上没有画出[6]。
由图4可知，角EOF和角AOC可用经纬度之差来表示，即∠EOF=β2-β1=δ=∠COB=∠APD，∠AOC=α1-α2=γ。由此得出：，
A、D两点同处于半径AP所在的同一纬度α1， ∠AOE=∠OAP=α1。H为A点向OE做的垂线，OH= AP=cos（α1）。故：，。
在等腰梯形ABCD中，由A点向BC做一条垂线，记AQ⊥BC。利用勾股定理推导得出：
AB2=AC2+AD×CB
将AC、AD、CB的值代入公式：
現在我们得到的是AB的弦长，而地球表面的真实距离为对应弧长，所以我们还需要确定∠AOB的大小。将△AOB放在一个平面中，根据推导得到：
4 结语
本文通过利用HMC5883L电子罗盘和ATGM336H定位系统的结合，精准且快速地将落水者的位置确定下来。当有多个遇难者同时求救时，可以唯一确定求救信号的准确方位，提高海上救援工作的效率。
参考文献
[1] 李苯帅.基于最优搜寻理论的海上搜救方案规划方法研究[D].济南：山东科技大学，2020.
[2] 夏阳.无线电通信技术发展与创新思考[J].科技创新导报，2019，16（14）：233-234.
[3] 孔令棚，林浩涛，吴淑桦.STC15W4K58S4的机械手无线控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（7）：86-89.
[4] 舒秀兰，郑旭斌，李泽森，等.ATGM336H+ESP01S的室内定位系统设计[J].电子世界，2021：184-185.
[5] Hongsheng Xu. Charging Route Planning for Wireless Rechargeable Sensor Networks[J]. World Scientific Research Journal，2021，7（6）.
[6] 刘力荣，李菡.GPS坐标与方向、距离相互转换的计算公式推导[J].南方农机，2018，49（14）：106.