崔國(guó)恒, 許江寧, 曹可勁

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羅蘭C磁天線(xiàn)在魚(yú)雷導(dǎo)航定位中的應(yīng)用

崔國(guó)恒, 許江寧, 曹可勁

(海軍工程大學(xué) 管理工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了探討?hù)~(yú)雷使用羅蘭C磁天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)水下導(dǎo)航定位的可行性, 介紹了羅蘭C全向磁天線(xiàn)的工作原理, 分析了羅蘭C信號(hào)在傳播過(guò)程中磁場(chǎng)信號(hào)和電場(chǎng)信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)衰減規(guī)律, 并進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真。結(jié)果表明, 在1 000 km距離上, 利用磁天線(xiàn)在海水中4~5 m深度接收信號(hào)具有較高的信噪比, 能夠滿(mǎn)足水下定位解算要求。試驗(yàn)也驗(yàn)證了魚(yú)雷在淺層水域(深度小于5 m)水下接收羅蘭C信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位解算是可行的, 進(jìn)一步證明了仿真結(jié)果的正確性。本文研究可為羅蘭C磁天線(xiàn)在魚(yú)雷淺層水域水下導(dǎo)航定位提供理論依據(jù)。

魚(yú)雷; 磁天線(xiàn); 羅蘭C信號(hào); 水下導(dǎo)航

0 引言

羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)是一種中遠(yuǎn)程低頻無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng), 工作頻率為100 kHz, 屬于陸基、脈沖相位調(diào)制導(dǎo)航方式。目前全球工作的羅蘭C共有30 多個(gè)臺(tái)鏈, 覆蓋了北半球大部分地區(qū), 國(guó)際研究的熱點(diǎn)主要集中在羅蘭C磁天線(xiàn)的研究, 以減小天線(xiàn)體積, 實(shí)現(xiàn)同其他導(dǎo)航天線(xiàn)的組合[1]。

羅蘭C的使用主要集中在水面船舶導(dǎo)航中, 而水下接收羅蘭C信號(hào)在國(guó)內(nèi)尚無(wú)資料可查。

羅蘭C的工作頻率較低, 在理論上具有一定的入水深度, 研究其信號(hào)水下傳播特性, 設(shè)計(jì)高性能羅蘭C全向磁天線(xiàn), 對(duì)實(shí)現(xiàn)淺層水域水下定位導(dǎo)航具有重要意義, 可以為解決魚(yú)雷水下導(dǎo)航定位問(wèn)題提供一種新思路。

1 全向磁天線(xiàn)工作原理

1.1 磁天線(xiàn)原理

磁天線(xiàn)的本質(zhì)是一種環(huán)形天線(xiàn), 可用來(lái)接收電磁波信號(hào)中的磁場(chǎng)分量[2]。它是由一個(gè)鐵氧體磁棒和線(xiàn)圈組成, 對(duì)電磁波的吸收能力很強(qiáng), 其外形如圖1所示。

圖1 單棒磁天線(xiàn)外觀(guān)

單棒磁天線(xiàn)感應(yīng)電壓可由下式給出[3]

式中:為相對(duì)磁導(dǎo)率;為信號(hào)頻率;為磁場(chǎng)強(qiáng)度;為磁棒的橫截面積;為線(xiàn)圈匝數(shù);為來(lái)波方向與磁棒的夾角。

可見(jiàn), 磁天線(xiàn)接收信號(hào)的能力與磁芯材料的相對(duì)磁導(dǎo)率、線(xiàn)圈的匝數(shù)和線(xiàn)圈的截面積相關(guān)。采用高相對(duì)磁導(dǎo)率的磁性材料, 線(xiàn)圈的匝數(shù)越多, 線(xiàn)圈的截面越大, 其接收信號(hào)能力就越強(qiáng), 靈敏度就高。然而, 受磁性材料的性能、磁棒強(qiáng)度和天線(xiàn)體積限制, 磁天線(xiàn)的接收性能同電天線(xiàn)相比, 只能達(dá)到一個(gè)較好的水平。

1.2 磁天線(xiàn)原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全向磁天線(xiàn)原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2[4]。2根正交放置的單棒磁天線(xiàn)感應(yīng)到的信號(hào)經(jīng)前置低噪聲放大器放大、模擬帶通濾波器濾波、自動(dòng)增益放大器放大等信號(hào)調(diào)理過(guò)程后, 對(duì)2個(gè)通道的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換, 完成雙通道信號(hào)的數(shù)字量化; 數(shù)字量化后的兩路數(shù)字信號(hào)由高性能可編程邏輯器件(field programmable gate array, FPGA)進(jìn)行處理, 分別完成信號(hào)的數(shù)字濾波、數(shù)字陷波及數(shù)字移相及兩路信號(hào)的數(shù)字調(diào)理過(guò)程; 通過(guò)FPGA器件的控制和處理, 對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行搜索和識(shí)別, 完成兩路信號(hào)的合成; 最后將合成后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換供給羅蘭C接收機(jī)進(jìn)行定位解算。

1.3 羅蘭C信號(hào)的相位編碼特點(diǎn)

對(duì)羅蘭C脈沖組信號(hào)中的每個(gè)脈沖載頻起始相位進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定, 使其按照一定的格式排列, 稱(chēng)為脈沖組相位編碼。通過(guò)相位編碼, 可實(shí)現(xiàn)羅蘭C系統(tǒng)全自動(dòng)接收并可有效抑制天波干擾。羅蘭C脈沖群中各脈沖的相位編碼如表1所列[5-6]。

圖2 全向磁天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

表1 羅蘭C信號(hào)相位編碼

1.4 全向磁天線(xiàn)象限分布

羅蘭C信號(hào)在到達(dá)單棒磁天線(xiàn)對(duì)立模型波瓣時(shí)有一個(gè)180°的相位改變, 這種相位特性就要求在設(shè)計(jì)全向磁天線(xiàn)時(shí), 必須考慮每根單棒磁天線(xiàn)接收信號(hào)的相位特性。本文采用十字交叉環(huán)路設(shè)計(jì)磁天線(xiàn), 其接收信號(hào)的全向區(qū)域可分為4個(gè)象限, 如圖3所示, 處于不同象限的信號(hào)在進(jìn)行信號(hào)合成時(shí), 必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔蛔儞Q。相位變換結(jié)果如下[7]: Ⅰ象限:+; Ⅱ象限:-; Ⅲ象限: --; Ⅳ象限: -+。

圖3 全向磁天線(xiàn)象限分布

2 空氣中的電磁波傳播

羅蘭C系統(tǒng)的發(fā)射天線(xiàn)設(shè)置在緊靠地面上, 采用直立天線(xiàn), 輻射出垂直極化電磁波, 由于傳播路徑的半導(dǎo)電性質(zhì)(陸地)或?qū)щ娦再|(zhì)(海面), 在介質(zhì)面上會(huì)感應(yīng)出電荷, 產(chǎn)生水平電場(chǎng), 從而導(dǎo)致波前傾斜, 此時(shí)一部分電磁能量沿地球表面?zhèn)鞑? 另一部分向地下傳播。波的結(jié)構(gòu)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 波的結(jié)構(gòu)場(chǎng)示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知, 地波傳播過(guò)程中, 遠(yuǎn)場(chǎng)任意一點(diǎn)接收信號(hào)的各個(gè)場(chǎng)分量可由下式計(jì)算

假設(shè)羅蘭C信號(hào)在傳播過(guò)程中處于均勻球地面模式, 根據(jù)地波傳播理論, 垂直電偶極子在接收點(diǎn)的地波場(chǎng)強(qiáng)垂直分量為

式中,是一足夠大正整數(shù), 由級(jí)數(shù)求和的計(jì)算精度而定, 對(duì)于羅蘭C信號(hào)的傳播距離,取100就能保證級(jí)數(shù)的計(jì)算精度。式中,為歸一化數(shù)字距離

式中,為歸一化表面阻抗, 且

其中

3 水中的電磁波傳播

羅蘭C信號(hào)穿透海水時(shí), 水平電場(chǎng)、水平磁場(chǎng)不會(huì)發(fā)生變化, 垂直電場(chǎng)會(huì)大大衰減, 因此, 水下接收羅蘭C信號(hào), 一般采用水平電天線(xiàn)或磁天線(xiàn)進(jìn)行接收。羅蘭C信號(hào)在水中傳播時(shí), 其磁場(chǎng)信號(hào)的幅度會(huì)隨著深度的增加而呈指數(shù)規(guī)律迅速衰減, 其傳播規(guī)律滿(mǎn)足

由式(14)和式(15)推得

4 仿真計(jì)算

4.1 地波衰減因子W的計(jì)算

羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)際使用中, 主要用于船舶的導(dǎo)航定位, 其信號(hào)的傳播途徑既有海水, 又有陸地。因此, 本文在仿真計(jì)算中分別采用了海水、陸地及淡水的有關(guān)電參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)式(6)～式(13), 取100階進(jìn)行仿真計(jì)算。在不同大地導(dǎo)電參數(shù)下, 羅蘭C信號(hào)地波衰減因子隨傳播距離的變化情況如圖5所示。圖中,表示大地相對(duì)介電常數(shù);表示路徑的大地電導(dǎo)率。

圖5 不同傳播距離下衰減因子的變化規(guī)律

4.2 垂直電場(chǎng)的計(jì)算

假設(shè)羅蘭C導(dǎo)航臺(tái)的發(fā)射功率為2MW, 輻射效率為80%, 可以計(jì)算不同傳播距離時(shí)垂直電場(chǎng)的有效值, 計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同傳播距離下垂直電場(chǎng)的變化規(guī)律

4.3 水平磁場(chǎng)的計(jì)算

根據(jù)式(2), 可計(jì)算不同距離時(shí)水平磁場(chǎng)的有效值, 仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同傳播距離下水平磁場(chǎng)的變化規(guī)律

4.4 信噪比計(jì)算

微邏輯公司使用的噪音估計(jì)法將地球表面粗略分為高、中、低3個(gè)緯度區(qū), 各區(qū)依簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)給出白天和夜間2個(gè)典型的噪音電平[11]。噪聲電平強(qiáng)度參見(jiàn)表2。

表2 噪聲電平強(qiáng)度

當(dāng)確定了各接收點(diǎn)的噪音電平之后, 只須計(jì)算出各接收點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)就能給出SNR。本文以中緯度地區(qū)為例, 計(jì)算白天和夜間的海面路徑的磁場(chǎng)信號(hào)信噪比, 計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同傳播距離下信噪比的變化規(guī)律

4.5 水下磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

分別計(jì)算距離發(fā)射臺(tái)1 000 km和1 500 km的接收點(diǎn), 信號(hào)穿透海水介質(zhì)和淡水介質(zhì)時(shí), 水下磁場(chǎng)強(qiáng)度隨穿透深度的變化規(guī)律, 計(jì)算結(jié)果如圖9, 圖10所示。

圖9 海水中水下磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律

圖10 淡水中水下磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化規(guī)律

磁天線(xiàn)水下接收羅蘭C信號(hào)的能力主要取決于水中的噪聲強(qiáng)度和電路的噪聲強(qiáng)度。由仿真計(jì)算結(jié)果分析可知, 在海水環(huán)境中, 距離發(fā)射臺(tái) 1000 km的地點(diǎn), 結(jié)合水中的噪聲強(qiáng)度和電路的噪聲強(qiáng)度(一般不超過(guò)100μv/m), 采用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù), 完全可以實(shí)現(xiàn)水下4~5m深度接收信號(hào); 在淡水環(huán)境中, 距離發(fā)射臺(tái)1 000 km的地點(diǎn), 可以實(shí)現(xiàn)水下40~50 m深度接收信號(hào)。

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖11 海面信號(hào)幅度波形圖

將磁天線(xiàn)放入海水中, 深度為2 m時(shí), 采集到該臺(tái)信號(hào)如圖12所示。將磁天線(xiàn)放入海水中, 深度為4 m時(shí), 采集到該臺(tái)信號(hào)如圖13所示。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看, 羅蘭C磁信號(hào)入水時(shí)信號(hào)幅度沒(méi)有衰減, 但在水中傳播時(shí)衰減較大; 信號(hào)入水后, 信號(hào)信噪比維持不變, 隨著入水深度的增加, 信號(hào)幅度劇烈衰減, 電路噪聲逐漸占主導(dǎo)地位; 水下接收信號(hào)的信噪比主要受電路噪聲影響。

從信號(hào)定位解算過(guò)程來(lái)看, 羅蘭C磁天線(xiàn)在水下4m內(nèi)接收的信號(hào)具有較強(qiáng)的信噪比, 可以實(shí)現(xiàn)定位解算; 深度超過(guò)4m時(shí), 信號(hào)的信噪比較低, 搜索跟蹤時(shí)間太長(zhǎng), 第3周期過(guò)零點(diǎn)跟蹤不太準(zhǔn)確, 定位誤差較大。

圖12 水下2 m處信號(hào)幅度波形圖

圖13 水下5 m處信號(hào)幅度波形圖

6 結(jié)論

本文從理論上研究了羅蘭C信號(hào)的水下傳播特征, 分析了水下磁場(chǎng)信號(hào)和電場(chǎng)信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)傳播衰減規(guī)律, 進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明:

1) 利用磁天線(xiàn)可在淺層水域接收羅蘭C信號(hào)以實(shí)現(xiàn)水下定位;

2) 利用全向磁天線(xiàn)進(jìn)行水下接收羅蘭C磁信號(hào)的定點(diǎn)試驗(yàn), 可以發(fā)現(xiàn)羅蘭C磁信號(hào)入水時(shí)信號(hào)幅度沒(méi)有衰減, 但在水中傳播時(shí)衰減較大;

3) 信號(hào)入水后, 信號(hào)信噪比維持不變, 隨著入水深度的增加, 信號(hào)幅度劇烈衰減, 電路噪聲逐漸占主導(dǎo)地位;

4) 水下接收信號(hào)的信噪比主要受電路噪聲影響。因此, 魚(yú)雷在淺層水域水下接收羅蘭C信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位解算是可行的。

文章未對(duì)羅蘭C信號(hào)入水時(shí)的相位變化規(guī)律及水下信號(hào)包絡(luò)變化展開(kāi)研究, 這將是下一步的研究重點(diǎn)。

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by H-field Antenna to Underwater Navigation Localization of Torpedo

CUI Guo-heng, XU Jiang-ning, CAO Ke-jin

(Department of Management Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )

For arguing the feasibility of torpedo underwater localization and navigation with Loran-C signal received by H-field antenna, the principle of omnidirectional H-field antenna is introduced, the field intensity attenuation laws of the H-field and E-field signals in propagation of Loran-C signal are analyzed. Simulation results indicate that H-field antenna can receive Loran-C signals with high signal-to-noise ratio(SNR), meeting the requirements of underwater localization solution. Experimental results show that H-field antenna can receive the signals with higher SNR at the depth of 4~5 m underwater over a distance of 1 000 km. Test confirms that the localization solution can be obtained with Loran-C signal received by H-field antenna in the depth less than 5 m underwater, which verifies the correctness of the simulation. This study may provide a theoretical basis for torpedo underwater navigation with H-field antenna.

torpedo; H-field antenna; Loran-C signal; underwater navigation

TJ630.33

A

1673-1948(2013)02-0120-06

2012-05-04;

2012-09-03.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61004126).

崔國(guó)恒(1981-), 男, 博士, 講師, 研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航和軍事航海技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)