蔡新梅

（遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

UWB 技術(shù)在船舶避碰系統(tǒng)中的應(yīng)用

蔡新梅

（遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

在NLOS環(huán)境下分析了超寬帶（UWB）信號及信道傳輸特性，針對信號的傳播特性給出了UWB信號應(yīng)用于船舶避碰的工作原理，確定合適的接收設(shè)備以實現(xiàn)信號的可靠接收，從而對兩船之間的距離及方向進(jìn)行實時監(jiān)測，使工作人員根據(jù)判斷結(jié)果采取一定的避碰措施，保證船舶航行安全。

UWB 船舶避碰 NLOS

0 引言

船舶避碰是未來航海領(lǐng)域研究的重要課題，有效地采用新技術(shù)，彌補當(dāng)前避碰技術(shù)的不足可以減少船舶避碰，對海洋環(huán)境、河道環(huán)境、人身財產(chǎn)安全有重大作用。目前應(yīng)用較多的避碰措施ARPA、AIS、GPS等系統(tǒng)在船舶的避碰問題上都作出很大貢獻(xiàn), 但也存在一些不足，如易受到干擾、誤報警、通信頻譜受限、定位不準(zhǔn)確等缺陷[1]。

UWB信號具有多徑分辨率高、通信頻譜廣泛、不易受到干擾、較低速率時可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c[2], 利用UWB技術(shù)的避碰系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)時航向上的最近目標(biāo)實時計算安全航速，并能提供可靠的、精確的船舶位置及動向信息，結(jié)合本船舶的基本信息和航行信息，經(jīng)系統(tǒng)處理后，通過專有信道自動播發(fā)安全警告或駕駛建議，從而避免發(fā)生碰撞，保證航行船舶正常運行。

1 UWB

1.1 UWB信號

美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）對超寬帶有如下定義：

Br為信號的相對帶寬，fH、fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時對應(yīng)的高端頻率和低端頻率。

FCC規(guī)定室內(nèi)使用的UWB頻率范圍為3.1～10.6 GHz。超寬帶具有傳輸速率高、成本低、功耗小、多徑分辨率高和系統(tǒng)安全性能好等特點。應(yīng)用UWB技術(shù)的船舶避碰系統(tǒng)可減少發(fā)射、接受設(shè)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(zhǔn)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)。

1.2 信號波形的選取

在UWB通信系統(tǒng)中，可以采用高斯波形，基本高斯波形時域表達(dá)式為[3]：

但此單脈沖的頻譜在低頻段分量很大，會對現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)生干擾，實際中可以采用高階高斯波形，以改變頻譜結(jié)構(gòu)，減少對外干擾，n階高斯脈沖導(dǎo)數(shù)的遞推公式為：

對上式進(jìn)行傅立葉變換，得其幅度譜為：

歸一化功率譜密度為：

則發(fā)射信號的功率譜密度為：

式中，Amax是FCC規(guī)定的允許功率譜密度峰值。為了滿足FCC頻譜和功率限制要求，選擇階數(shù)n= 5,σ=51,fL=5.25 GHz，fH=8.92 GHz，fM=7.01 GHz，功率譜密度如圖1所示。

2 UWB信道模型

超寬帶信道具有帶寬大，時間分辨率高，多徑分量多等特點，準(zhǔn)確的信道可以保證信號在信道中的傳播特性，還可用于優(yōu)化接收機的設(shè)計。由于信號是應(yīng)用于船舶避碰的，所以信號是在一個復(fù)雜的環(huán)境中傳輸?shù)模烧J(rèn)為是一種多徑信號，并且信號不是按著固定的速率均勻到達(dá)接收機，信號傳輸認(rèn)為是NLOS環(huán)境。信道模型采用S-V/IEEE 802.15.3a的修正模型，信號以雙簇形式到達(dá)接收機。每一簇UWB信號服從泊松隨機分布，每一簇信號路徑增益統(tǒng)計獨立。雙簇信號之間存在一定的幅度差和時差，多徑信號的平均功率隨多徑到達(dá)時間呈不同衰減指數(shù)的指數(shù)衰減，幅度呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布。因此構(gòu)建信道模型為:

根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)信道模型，在充分考慮到實際因素的情況下，在實際仿真中本文考慮了CM3信道環(huán)境，即NLOS(4-10 m)的非視距信道，其信道的沖激響應(yīng)仿真結(jié)果如圖2所示。

由上圖可知，CM3信道沖激響應(yīng)的信號成簇出現(xiàn)，幅度呈指數(shù)衰減，在150 ns以后，信號衰減基本為零，與實測信道結(jié)果相近。

3 避碰原理

設(shè)UWB發(fā)射機發(fā)射信號的通用表達(dá)式為

式中，A為信號的幅值，ω為發(fā)射信號的角頻率。

當(dāng)t時刻對方船舶以速度v進(jìn)行運動時，則此時兩船距離為：

式中，s0為兩船之間的初始距離。

設(shè)本船接收機接收到的目標(biāo)船的反射信號所需時間為tr, 則反射信號表達(dá)式為

式中，KA為反射波振幅。

將此式代入到反射波信號表達(dá)式，則有

則發(fā)射信號x(t)接收信號xr(t)之間的角頻率差為

則頻率差為

Δf即為多譜勒頻移，當(dāng)目標(biāo)船向本船運動時，取正值，接收信號的頻率高于發(fā)射頻率；反之，取負(fù)值，接收信號的頻率低于發(fā)射信號頻率。

由此可得目標(biāo)船運動速度

同時，可求得兩船之間的距離

根據(jù)上述分析，可得對方船舶的航行速度和兩船之間的距離，從而可以在一定條件下采取必要措施，以防止碰撞[5]。

4 UWB信號接收機

要NLOS環(huán)境下，接收機所接收到的信號多是多徑的，因此采用有效的分集技術(shù)可以提高接收信號的能量[6]，可以有效地收集多徑能量。RAKE接收機中選擇性RAKE(S-RAKE)接收機，它選擇到達(dá)接收端的所有多徑分量中能量最大的L個多徑分量，其多徑接收示意圖如圖3所示，當(dāng)接收器的數(shù)量L一定時，采用這一多徑接收策略的RAKE必然可以收集到最多的能量，從而提高系統(tǒng)的性能[7]。

RAKE接收機的多徑接收RAKE接收機有相干和非相干兩種多徑合并策略，相干合并策略需要對各條多徑信號的相位進(jìn)行估計，并做相位補償，分為等增益合并（EGC）和最大化合并（MRC）；非相干合并策略不對相位進(jìn)行補償，對幅度進(jìn)行估計并做補償，分為絕對值合并（AC）和能量估計絕對值合并（PE+AC）。一般情況下，相干的多徑合并策略對應(yīng)的系統(tǒng)性能比非相干多徑合并策略對應(yīng)的系統(tǒng)性能要好[8]。本文采用相干多徑合并策略系統(tǒng)。

經(jīng)多徑信道后，信號到達(dá)接收機的表達(dá)式為

從圖中可看出，在相同外界條件下，MRC方法比EGC方法系統(tǒng)誤碼性能好，可有效抑制噪聲。

5 結(jié)束語

UWB技術(shù)在船舶避碰系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為目前研究者比較關(guān)注的技術(shù)熱點,從技術(shù)上看UWB有比較廣闊的發(fā)展前景，但是其發(fā)展也面臨著很多技術(shù)挑戰(zhàn)，還有很多技術(shù)問及待解決，比如進(jìn)一步UWB信號傳輸特點，建立合適的信道模型，有效地解決多徑傳播等問題；在相關(guān)電路設(shè)計中，可考慮相應(yīng)的濾波、天線、各種控制系統(tǒng)及抗干擾等。

[1] 崔振剛, 姜弢, 楊欣. UWB技術(shù)在艦船電子系統(tǒng)中的應(yīng)用展望[J]. 艦船電子工程, 2007，(2):28-31.

[2] 李會勇，高昕艷，徐政五.UWB在室內(nèi)高速無線傳輸中的應(yīng)用研究[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報，2003，32（6）：606-607.

[3] 王艷芬.礦井特殊環(huán)境下的超寬帶無線通信信道模型研究[M]. 中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2012,(2)：19-25. [4] 張中兆等.超寬帶通信系統(tǒng)[M].電子工業(yè)出版社,2010, (3):44-47.

[5] 王英, 許可. 基于UWB無線定位的汽車防撞系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版), 2010, (6):804-807 .

[6] Ian Oppermann,Martti Hamalainen and Jari Iinatti.UWB theory and applications. John Wiley&Sons, 2004, (1):94-100.

[7] Cassioli, D., M. Z.Win, F. Vatalaro, and A.F.Molisch. Performance of low-complexity rake reception in a realistic UWB channel.IEEE International Conference on Communications, 2002,2:763-767.

[8] Lei Zhou,S hidong Zhou, Yan Yao. Weighted rake receiver for UWB communications with channel estimation errors, Communications,Circuits and Systems, 2005 International Conference, 2005, 1:437-440.

Application of UWB Technology to Ship Collision Avoidance System

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

In this paper, ultra wide band (UWB) signals and the channel transmission characteristics are analyzed in NLOS environment. The work principle of UWB signal application in ship collision avoidance is proposed on the spreading characteristics of signal, determining suitable equipments to receive signals . The system can real-time monitor the distance and the direction of the two ship in order to taking collision avoidance measures according to judgment results by staff, which guarantees navigation security of the ship.

ultra wide band; ship collision avoidance; non line of sight

TP216

A

1003-4862（2014）03-0008-04

2013-08-17

遼寧省教育廳科技研究項目 (L 2012485)

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