蔡新梅

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基于超寬帶技術(shù)的船舶避碰系統(tǒng)研究

蔡新梅

（遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學院，遼寧葫蘆島 125005）

為了有效地減少船舶碰撞，本文提出了采用UWB技術(shù)結(jié)合編程芯片的一種新型船舶避碰系統(tǒng)設計方案，為船舶導航提供可靠的信息，以確保船舶安全航行。

船舶避碰 超寬帶技術(shù) PPM

0 引言

船舶避碰問題是21世紀重要的航海研究課題。現(xiàn)有的船舶測距、測向系統(tǒng)及辨識系統(tǒng)均為各種導航設備以及GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，同時結(jié)合陸地指揮和船舶協(xié)調(diào)，可以實現(xiàn)船舶避碰，成為現(xiàn)有船舶避碰技術(shù)。但也存在信息輸入不及時、誤報警率高、抗干擾能力弱、通信頻譜受到限制等缺陷，無法完全避免船舶危險接近。另外，船舶趨于大型化、快速化，各航道通航密度逐年增加，預防船舶碰撞已經(jīng)成為制約航運業(yè)發(fā)展的重要問題[1]。利用UWB信號多徑分辨率高、通信頻譜廣泛、不易受到干擾、較低速率時可以遠距離傳輸?shù)奶攸c，采用UWB通信技術(shù)配合計算機技術(shù)設計船舶避碰系統(tǒng)將彌補上述不足。

利用UWB技術(shù)實現(xiàn)的船舶避碰系統(tǒng)可檢測其他船舶的位置信息、航速信息及方向信息，結(jié)合本船的基本信息和航行信息，經(jīng)處理后，將安全警告或駕駛建議通過特有信道實現(xiàn)自動發(fā)送，從而避免發(fā)生碰撞。

1 超寬帶技術(shù)（UWB）技術(shù)

超寬帶技術(shù)( UWB: Ultra Wide Band)不同于其他無線通信技術(shù)。它不需要使用載波，而是通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，在非常寬的帶寬內(nèi)，發(fā)送噪音功率電平以下的低功率信號，具有傳輸速率高、成本低、功耗小、多徑分辨率高和系統(tǒng)安全性能好等特點。UWB 技術(shù)所具有的眾多特點符合未來船舶應用要求，但UWB 技術(shù)現(xiàn)在還處于研發(fā)階段，相關(guān)理論及各項技術(shù)仍有待深入探討。對通信距離的延伸、干擾等問題的更深入研究，將使得UWB 技術(shù)可以更好、更快地應用于船舶中。可以預計UWB 技術(shù)在未來船舶應用系統(tǒng)中前景廣闊。2002年2月，美國FCC(美國聯(lián)邦通訊委員會)批準了UWB技術(shù)用于民用，UWB的發(fā)展步伐開始逐步加快[2]。

應用UWB技術(shù)的船舶避碰系統(tǒng)可減少發(fā)射、接受設備的數(shù)量及成本，從而減少整個避碰系統(tǒng)的成本。其穿透能力強大，定位準確，可以彌補GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)存在抗干擾能力弱等固有缺點，可以成為一種可靠的補充定位系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體方案關(guān)鍵模塊實現(xiàn)

基于UWB的船舶避碰系統(tǒng)主要是利用UWB技術(shù)進行船舶的定位、測速及測距，通過處理器計算航行是否安全并在可能發(fā)生碰撞之前報警是防撞系統(tǒng)的最基本的設計方案，如果系統(tǒng)介入到船舶自動航行系統(tǒng)可以實現(xiàn)船舶自主避碰。

2.1 總體設計方案

本課題具體研究的內(nèi)容有：USB信號源的理論設計、天線的理論設計、微型處理器的選擇與軟件的實現(xiàn)。

圖1 基于UWB的船舶避碰系統(tǒng)構(gòu)成

由圖1可知，系統(tǒng)核心處理器為應用于UWB無線通信的FPGA處理器，前端為UWB信號處理模塊，將接收到的信號送給中央處理器，并能將處理器所發(fā)信息通過UWB發(fā)送模塊進行發(fā)送，后端為報警模塊和顯示模塊。系統(tǒng)的主要功能由FPGA處理器來完成。其中，UWB 信號模塊是本設計的關(guān)鍵，正是由UWB的精確定位，為處理器提供信號源，同時使得主處理模塊獲得有效的采樣信號從而計算距離、判定目標以及實現(xiàn)報警。本系統(tǒng)也可由處理器發(fā)出控制信號，驅(qū)動自動控制系統(tǒng)以實現(xiàn)自動避碰。

2.2 信號源模塊設計

根據(jù)FCC對UWB 的定義可知：

H和L分別為功率較峰值功率下降10 dB時所對應的上限頻率和下限頻率;0為載波頻率。此時信號帶寬至少為500 MHz。FCC 規(guī)定UWB 所使用的頻率范圍為3. 1~ 10. 6 GHz，由此可見，該脈沖比傳統(tǒng)脈沖窄得多，本系統(tǒng)中信號源采用高斯脈沖序列[3]：

脈沖幅度=5，脈沖寬度因子=109，標準差=0.2，脈沖重復周期=10-6s，即可滿足要求。

2.3 UWB收發(fā)模塊

UWB的接收、發(fā)信機的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在接收端，天線獲取的信號經(jīng)低噪聲放大器放大后通過匹配濾波處理，再經(jīng)解調(diào)電路恢復原來信息。信號的發(fā)送端，從控制器得到的有用信息經(jīng)調(diào)制器進行調(diào)制生成適合的UWB信號由天線發(fā)送出去。

圖2 UWB的接收、發(fā)信機的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中的調(diào)制方式采用的是脈沖位置調(diào)制PPM（Pulse Position Modulation），PPM是利用脈沖的相對位置來傳遞信息的一種調(diào)制方式，它僅需根據(jù)數(shù)據(jù)符號控制脈沖位置，不需要進行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復雜度實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，PPM信號的調(diào)制和接收對通信系統(tǒng)的性能起很大作用[4]。在FPGA上實現(xiàn)的PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實現(xiàn)方法相比提高了設計效率，并且提高了PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的工作效率。

2.4 天線

UWB天線的設計應滿足天線的輸入阻抗及其相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致，從而確證信號的有效發(fā)射和接收。為此選用印制偶極子天線，其特點是高靈敏度是通過有效的信號積分和高的檢測效率獲得的。這種方法可將反射信號加以平均，并能有效地抑制外來噪聲，提高接收器的信噪比，提高增益的穩(wěn)定性[5]。設計時如需要提高檢測效率，要準確地延遲取樣脈沖。如需提高分辨率，則要求取樣脈沖寬度就必須很窄，一般是PRI 的10- 3~ 10- 6倍，典型值是5 ps 到5 ns。

3.5 處理器

將采集到的UWB信號進行處理和測距、及判斷識別、報警處理是本系統(tǒng)的核心。本文采用Altera公司的高密度數(shù)字信號處理器Stratix III器件，這是一款基于FPGA系統(tǒng)，適合本系統(tǒng)采用的PPM調(diào)制技術(shù)，該系列具有業(yè)界高密度、高性能可編程邏輯器件中最低的功耗。圖3給出了具體的軟件實現(xiàn)流程圖。

圖3 處理器軟件實現(xiàn)控制流程圖

從技術(shù)上看UWB有比較廣闊的發(fā)展前景，但是其發(fā)展也面臨著許多挑戰(zhàn)，還有許多技術(shù)問題需要研究解決，諸如需要更好地理解UWB傳播信道的特點，建立信道模型，解決多徑傳播等問題；進行高速脈沖收發(fā)電路的設計與實現(xiàn)，如高精度的匹配濾波、UWB天線、板上微控制器噪聲的處理、抗電磁波干擾等。

3 結(jié)束語

利用UWB信號多徑分辨率高、較低速率時可以遠距離傳輸、強抗干擾能力、高定位能力、強穿透性、使用頻譜廣泛、工程實現(xiàn)成本低等特點，采用UWB技術(shù)配合計算機技術(shù)設計船舶避碰是一種新型的船舶避碰技術(shù)，可實現(xiàn)船舶的自主避碰，有效解決現(xiàn)有船舶碰撞系統(tǒng)的諸多缺點。其在船舶避碰技術(shù)手段系統(tǒng)中具有廣闊的發(fā)展前途，將是未來開發(fā)設計船舶避碰系統(tǒng)是一個技術(shù)熱點，這也是未來避碰系統(tǒng)的發(fā)展方向，極有可能成為新一代的船舶避碰技術(shù)。

[1] 宋超, 王靜, 李偉偉, 郭耀奎. 超寬帶技術(shù)在船舶系統(tǒng)中的應用前景[J].世界海運, 2007.2: 38-39.

[2] 葛利嘉, 曾凡鑫, 劉郁林. 超寬帶無線通信[ M] . 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005.

[3] 胥杰, 趙尚弘, 李云霞, 周萬銀. UWB信號對GPS 干擾研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005.7: 14-16.

[4] 劉己斌，趙惠昌.PPM偽隨機碼及其應用[J]．現(xiàn)代雷達，2004.2:23-26.

[5] 陳克難,王欣,劉文紅.超寬帶UWB天線設計[J]. 核電子學與探測技術(shù)2009.2: 376-378.

Study on Ship Collision Avoidance System Based on Ultra Wide Band

Cai Xinmei

(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125005, Liaoning, China)

TP206

A

1003-4862（2013）04-0034-03

2012-08-29

遼寧省教育廳科技研究項目資助(L2012485)

蔡新梅（1979-），女，碩士，講師。研究方向：船舶電子設備與通信技術(shù)。