北斗三号终端设备在西藏高寒、
高海拔地区的应用
文| 李刚 杨双
深圳市远东华强导航定位有限公司
摘要：西藏自治区边境线绵长，而边境线地区人口稀少、经济欠发达。同时西藏国家级及自治区级自然保护区数量众多，面积辽阔，目前的信息化水平给监管保护带来一定困难。西藏地广人稀，地质灾害频发，公网通信基础设施建设相对滞后，严重影响西藏地区社会经济发展。本文根据西藏自治区独特的地理位置、气候条件、环境特征、资源现状，解决已有的救援设备与方法价格昂贵、操作复杂、环境要求苛刻的问题，研究了性能可靠、操作简单、价格合理、能适应各种复杂环境的北斗三号系列终端产品，为西藏边民和巡检人员提供精准定位和紧急救援服务。最后对北斗三号终端设备在高寒、高海拔地区的应用前景进行了展望。
关键词：北斗三号卫星导航；一卡双模技术；数据压缩处理技术；应用
一、引言
高寒地区是指常年低温、冻土常年不化的地区。高寒地区通常还伴随着高海拔或高纬度，地形复杂、气候恶劣且变化无常，主要特点是气温低且持续时间长。冬季最低气温可达-40℃，昼夜温差较大。高海拔地区，还存在空气密度低、日照时间长、紫外线辐射强烈、气候干燥等环境特点。在西藏高寒高海拔等复杂环境下，大范围采用传统的方式开展巡检工作需要大量的人力、物力、财力。目前随着北斗技术的成熟，北斗系统已广泛应用于边境巡检、地质灾害监测、减灾救灾等方面，并取得了显著成效。
北斗系统作为国家重要基础设施，在我国经济社会发展和国防建设中都发挥着重要作用，也是推动我国信息化建设的重要力量。2020年北斗卫星导航系统全面建设完成，向全球提供服务。北斗卫星导航系统自主可控，稳定可靠，覆盖范围大，无通信盲区，架设与维护简单，特别适合大范围监控管理和数据采集传输等应用。西藏高寒高海拔地区人员巡检或地质灾害监测运用北斗卫星导航系统，有很高的安全度和可靠性，而且可以对其他地区进行推广，推动北斗在各行各业的大规模化应用。
本文以西藏为例，阐述北斗三号终端设备在高寒、高海拔地区的应用。
二、西藏高寒高海拔地区北斗终端
需求现状
1.信息化巡检手段不足
西藏自治区环境恶劣，地广人稀，经济发展相对落后，天气多变，诸如暴雪、冰雹、强降雨导致
（b）村民外出作业（a）边境巡检任务
（c）地质灾害监测
图1  北斗三号终端产品应用场景
图2  北斗民用指挥机
图3  北斗车载终端及配套APP 软件
（a）北斗车载终端 图4  北斗数传终端
北斗手机号定位（b）配套APP 软件
2. 北斗车载终端
终端（图3）具备北斗三号民用换4G 和北斗两种通信方式。该终端体积小、安装方便、可作为偏远地区独立使通过宽温电池供电，能够在支持在5000m 以上的高原通信。
4. 北斗三号手持终端
北斗三号手持机是一款具有北斗定位和通信的加固型便携综合信息处理终端，支持通用移动通信（2G/3G/4G）、WIFI、蓝牙等无线通信模式，结合移动语音通信、多种数据采集传感器功能，安装部署北斗终端APP应用软件，可将外出巡检人员的实时位置上报到监控平台，并通过北斗短报文与监控平台实现信息互通。该终端体积小、携带方便，内置低温电池，能够在-40℃低温环境使用，支持在5000m以上的高原通信。
5. 北斗伴侣终端
北斗伴侣终端，具备北斗三号RSMC短报文通信、北斗三号和GPS双模混合定位功能。具备蓝牙通信、OLED屏幕显示及按键操作、一键报警、TYPE-C接口充电功能。终端内部设计集成度高、功耗低，选用低仰角性能较好的多频一体天线，可满足用户在各种极端条件下对北斗卫星通信和北斗定位的需求。具备OLED屏幕显示及按键操作，在紧急情况下可一键SOS报警，该设备可手持，可壁挂，可通过蓝牙直接升级。该终端主要以电池作为工作能源，可在-40℃连续工作6小时，支持在5000m以上的高原通信。
四、北斗终端设备在高寒高海拔地区
环境适应性设计
1. 高寒高海拔产品设计需要考虑的问题
1）海拔越高气压越低，随着海拔的增高，大气压力呈线性降低。低气压会增大有腔体器件的内外压差，引起外观变形、爆裂，因此用于高寒高海拔的产品要适当调整密封体内的压力；
2）海拔增高，空气密度降低，使以空气对流为主要散热方式的产品散热困难，温升增加，因此用于高寒高海拔的产品要考虑散热设计；
3）高寒高海拔地区的昼夜温差大，较大的温度变化使产品机械结构变形、开裂，破坏结构的密封，造成涂层开裂脱落等。频繁的热胀冷缩，会加速原材料老化，缩短使用寿命[2]。
2. 北斗终端设备设计措施
（1）元材料选型
北斗终端设备长时间工作在昼夜温差大的环境下，其电子元器件短时间内会频繁地热胀冷缩，寿命受到影响。为了提高元器件使用寿命，北斗终端设备使用的电子元器件均为-40℃~85℃的工业级元器件。印制板采用TG值较高的板材，物理性能更好，减小由于温差导致的形变，保证板上元器件的可靠工作。
（2）终端低功耗设计
北斗终端设备高度集成，采用低功耗设计，产生的热量可及时传导到外部环境中。
（3）外壳结构设计
北斗车载、数传、手持等终端外壳结构的开口处设计有密封圈保证其密闭性，在腔体和天线罩、腔体和SIM卡盖之间均有防水圈。终端底部设计有可平衡内外气压的防水透气阀，保证设备在温度变化大、设备内外存在气压差的环境下的防护稳定性。设备的功耗小，且金属外壳可导出绝大部分热量，不会因为热量堆积影响设备运行，避免了低气压空气散热效率低的影响。设备板卡的元器件均采用对气压不敏感、高绝缘强度型号，保证了设备在低气压环境下元器件工作的稳定性。
五、北斗终端在西藏高寒高海拔地区
的应用案例
目前西藏地区平均海拔4000m以上，且昼夜温差20℃左右，部分地区最低气温-40℃。通信基础设施落后，无法保证巡检人员、车辆与指挥中心的全时通信，需要借助北斗卫星导航系统实现全天候、全天时的通信。北斗终端设备体积小、功耗低、稳定可靠，且使用环境复杂多样，包括高寒、高湿、高海拔和高温等各种恶劣环境。
图5  北斗车载终端在巡检中的应用
6  北斗数传终端在地质灾害监测应用
昌都市八宿县邦达镇是川藏南线和北线的交汇4300m，属峡谷温暖带和高原寒冷带气候，-20℃以下。图6为北斗数传终端在邦达镇地质灾害监测应用。将崩塌监测设备、滑坡监测设备定时上报的各类传感器的各项指标组包链路上报到监测数据处理软件，实现了对滑坡、崩塌等地质灾害的实时监测预警，减少
地质灾害发生时造成的损失。经过实际测试，北斗数传终端工作稳定，能够实时将采集的数据上报到监控中心。
庞达村是我国西藏日喀则市亚东县下亚东乡辖行位于亚东县南部，属高原山地气候，高寒高旱，2000m 的边境村。图和北斗三号手持终端在地质灾害监测和巡检中的应用。
图7  北斗伴侣终端、北斗三号手持终端在地质灾害和生态保护巡检中的应用