基于單載波通信技術(shù)的水聲同步定位研究

黃 寧

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 510075

0 引言

隨著信息通信技術(shù)和海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對水下資源探索要求也不斷增長。水聲同步定位技術(shù)一直是當前各國研究的熱點。傳統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)是利用聲信號的回波進行水下物體的定位，但容易出現(xiàn)多徑效應、碼間干擾和多普勒頻域，這嚴重影響了定位系統(tǒng)的精度和應用范圍。采用單載波通信技術(shù)的水聲同步定位系統(tǒng)具備克服多徑效應、碼間干擾和多普勒頻域等優(yōu)點，定位精度高，應用范圍廣。它把時間戳作為數(shù)據(jù)幀的標記號，引入到水聲通信中，有效解決了水下距離模糊和收發(fā)數(shù)據(jù)時序性差的缺點。將單載波通信技術(shù)和時間戳機制結(jié)合，能有效應對復雜水聲信道的問題，對水下通信環(huán)境要求低。本文簡要概述了水聲通信和定位技術(shù)的發(fā)展狀況，并詳細探討了水聲單載波通信技術(shù)的主要特性，最后分析了水聲定位系統(tǒng)的模型和工作原理，有一定的參考意義。

1 單載波通信技術(shù)簡介

水聲定位系統(tǒng)涉及多個學科領(lǐng)域，如信號處理、傳感器、海洋學、數(shù)學建模等等。在水下通信環(huán)境下，利用OFDM 技術(shù)SC/FDE 技術(shù)構(gòu)建水聲信道，實現(xiàn)水下環(huán)境的高速通信，完成系統(tǒng)定位要求。OFDE（正交頻分技術(shù)）是近年來無線通信領(lǐng)域的研究重點，代表著無線通信領(lǐng)域的發(fā)展方向，它能有效應對頻率選擇衰減的技術(shù)難題。OFDM 可以將頻帶分解成多個子信道，每個子信道相互正交，然后將高速串流碼調(diào)制到子信道載波上，降低碼速率和提高頻譜利用率。系統(tǒng)通過簡單的信道均衡技術(shù)，就能有效克服由于信號多徑效應帶來的碼間串通。然而，OFDM 技術(shù)存在峰平均功率比(PAR)高和對Doppler 頻偏敏感等缺點。

在單載波傳輸系統(tǒng)中，通過均衡器來補償碼間串擾。單載波頻域均衡系統(tǒng)融合了OFDM 和單載波時域均衡系統(tǒng)的優(yōu)點，是寬帶無線傳輸中應對多徑的有效方法。SC/FDE 降低了頻偏敏感性和峰平均功率。此外，它還減少了功放元件的成本，對系統(tǒng)的實際應用很有好處。其次，SC/FDE 能實現(xiàn)多徑擴散和復雜度的對數(shù)成正比。也不需要使用信道編碼技術(shù)來降低頻率選擇性衰落的影響。

目前，大家對單載波頻域均衡技術(shù)的研究主要集中在陸地的無線通信上，SC/FDE 技術(shù)初步在水聲通信中展示出獨有的優(yōu)勢，特別是應對水下定位誤差和水聲多徑干擾帶來的影響。SC/FDE 獨有的水聲定位優(yōu)勢，吸引了各國科研工作者在這方面的進一步研究。

2 單載波水聲定位系統(tǒng)定位原理分析

基于單載波的水聲定位系統(tǒng)一般由三種同步定時方式：有線同步定時、GPS 同步定時和激光同步定時。有線同步定時就是利用電纜將水聲定位信號把信號接收端和發(fā)射端連接起來。信號發(fā)射時間點以電脈沖的形式告知接收端，實現(xiàn)接發(fā)兩端的時間同步。此種方式應用范圍有線，設(shè)備的安裝和維護成本較高。

GPS 系統(tǒng)利用全球的衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)同步定位，采用的信息傳輸方式是無線電磁傳播?；谛l(wèi)星定位系統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)，需要在接收端安裝信號接收機，接收GPS 信號。該系統(tǒng)利用衛(wèi)星實現(xiàn)無線信號的同步精準授時。該通信定位方式要求較高，且設(shè)備的安裝和維護工作量大。

激光同步定時的方式越來越受到人們的關(guān)注，它同步時間誤差小，定位測量精度高，有很好的應用前景。圖1 為某激光同步定時發(fā)射接收裝置，它采用藍綠激光同步定時，可穿透水體介質(zhì)，提高系統(tǒng)定位和跟蹤精度。

圖1 藍綠激光同步定時發(fā)射接收裝置

3 單載波水聲同步定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

單載波水聲同步定位系統(tǒng)包含三個單元模塊：控制中心、信息處理中心和聲納裝置。控制中心是系統(tǒng)的控制源，負責聲納裝置信號幀收發(fā)、定位計算等，保障系統(tǒng)定位工作有序進行。信息處理中心負責數(shù)據(jù)處理、信號接收，并將信號發(fā)送到水聲信道，同時將目標反射信息幀送如數(shù)據(jù)處理單元，進行信息融合和獲取定位信息，是整個系統(tǒng)的核心單元。

圖2 為單載波水聲同步定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程圖。數(shù)據(jù)處理單元每隔一時間間隔，生成一個時間戳，時間戳信息通過計算值來表示對應的參考時鐘。在信息頭部插入CP 循環(huán)前綴，形成單載波發(fā)射信息幀，其中，循環(huán)CP 前綴要大于信道時延長度，同時具備很好的相關(guān)性和平穩(wěn)的頻率響應。聲納接受裝置接受反射信號，經(jīng)調(diào)解和同步處理，去掉CP 循環(huán)前綴，通過頻域均衡和判決處理，準確提取對于的時間戳信息。同時，利用信息幀提取的時間信計算定位信息。融合先前連續(xù)信息幀的定位信息，可有效獲取目標位置運動狀態(tài)下的定位信息。

圖2 單載波水聲同步定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

4 結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和海洋開發(fā)的需要，人們水聲定位及數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笤絹碓礁摺Ｎ覀円哟罂蒲辛Χ?，開發(fā)出更先進的水下定位技術(shù)，更好的為我國海洋資源的開發(fā)服務。

[1]劉開宇.擴頻通信技術(shù)在經(jīng)緯儀對外通信中的應用[J].光機電信息，2011(12).

[2]何水原.水聲通信在水下定位中的應用研究[D].華南理工大學，2012.

[3]張益德.OFDM水聲通信系統(tǒng)中的多普勒頻移補償方法研究[D].中國海洋大學，2011.