基于多普勒測向和信號強(qiáng)度測距原理的艦員落水報警定位裝置

，，

(1.海軍工程大學(xué) 艦船綜合試驗訓(xùn)練基地，武漢 430033；2.海軍東海艦隊，浙江 寧波 315812)

水面艦艇飛行甲板空間狹小，單位作業(yè)空間人員利用率高，需完成艦載機(jī)起飛、降落、再次出動保障等。多艦員、多裝備、高強(qiáng)度并行作業(yè)，艦員在不經(jīng)意間易發(fā)生落水事故，而由于單個艦員相對于飛行甲板體積小，發(fā)生落水事故后不易被察覺和發(fā)現(xiàn)。此外，當(dāng)水面艦艇發(fā)生災(zāi)害事故時，更容易發(fā)生落水事故[1-3]。針對上述問題，設(shè)計了一種由落水信號發(fā)射器、無線信號接收器和信號定位器組成，實(shí)現(xiàn)信號發(fā)送、狀態(tài)顯示和信號定位等功能，保障艦員落水快速援救的艦員落水報警定位裝置。

1 總體設(shè)計

裝置的整體結(jié)構(gòu)見圖1。當(dāng)甲板艦員落水后，攜帶在艦員身上的發(fā)射器在海水或手動驅(qū)動的作用下迅速發(fā)射無線信號，安裝在艦橋的接收器啟動并發(fā)出聲音報警信號，LED屏上顯示發(fā)射器的初始信息，確定艦員落水的ID號及身份，安裝在艦橋甲板上的定位天線接收信號后也迅速在定位器上顯示艦員落水的定位信息，救援隊員通過定位器實(shí)施定位搜救。

圖1 裝置的整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 信號發(fā)射器

圖2 落水信號發(fā)射器工作原理

2.2 信號接受器

落水信號接收器的高頻通信模塊將無線信號進(jìn)行解調(diào)，形成數(shù)字信號，經(jīng)微處理器模塊向落水信號接收器主機(jī)輸出人員代碼信息，落水信號接收器主機(jī)實(shí)現(xiàn)報警信息的顯示[7-8]。工作原理見圖3。

圖3 信號接受器工作原理

落水信號接收器由天線、信號轉(zhuǎn)換盒、主機(jī)(含液晶顯示器)、電源轉(zhuǎn)換器組成。當(dāng)接收器接收到發(fā)射器的信號后，壓電蜂鳴器將發(fā)出報警信號，信號強(qiáng)度為100 dB；當(dāng)發(fā)射器關(guān)閉或者發(fā)射器發(fā)送“清除”指令到接收器，或者操作者在LED屏上啟動“靜音”按鈕后，壓電蜂鳴器自動關(guān)閉。液晶顯示屏是救援艦員和艦員落水間的直接交互界面(見圖4)，分為待機(jī)狀態(tài)和工作狀態(tài)兩種工作模式。待機(jī)狀態(tài)是指落水事故發(fā)生前，接收器時刻處于警戒搜索的狀態(tài)，工作狀態(tài)是指落水事故發(fā)生后，接收器搜索工作狀態(tài)；此時液晶顯示屏上顯示失事艦艇的信息，包括艦艇舷號，落水人員的姓名、軍銜以及接受信號的計時等。如果是多艘艦艇編隊航行，相鄰艦艇也可搜索到失事艦艇艦員落水人員的信息，在本艦的接收器上顯示相關(guān)信息。無論是失事艦艇還是相鄰艦艇的接收器液晶顯示屏上都有兩個輔助信息：發(fā)射器電源電量信息和接收信號強(qiáng)度指示信息。若艦船已經(jīng)接入GPS或北斗信號，則界面將顯示接入GPS或北斗信號人員落水信息界面。

圖4 落水接收器液晶顯示屏工作界面

2.3 信號定位器

信號定位器有固定式和便攜式兩種。固定式安裝在艦艇駕駛室，便攜式由救援艦員便攜手持。信號工作原理見圖5。定位器高頻解調(diào)板解調(diào)方位天線收到的載波信號，由信號定位器核心處理板分析解調(diào)信號。如果信號中包含滿幅載波，則表明有人落水，此時定位器核心處理板控制天線電磁轉(zhuǎn)動，以獲得確切的方位和距離信號，并將此信號處理成可供顯示板顯示的信號送其顯示。此外，解調(diào)信號中還包含求救報警聲音信號，定位器核心處理板將其信號放大處理后驅(qū)動報警喇叭。

圖5 信號定位器工作原理

信號定位器的操作在主機(jī)面板上進(jìn)行，主機(jī)面板上有：方位測向(DF)顯示器、頻率選擇鍵、揚(yáng)聲器音量調(diào)節(jié)、接收信號強(qiáng)度指示器、靠近目標(biāo)信號指示器、復(fù)原按鈕、頻率信號檢測鍵、開/關(guān)、船艏指向箭頭等，提供顯示和艦員操作。

1)方位測向顯示器，顯示落水人員的方向。

2)頻率選擇鍵，選擇信標(biāo)頻率。

驅(qū)動形式 ....................................................中置后驅(qū)

3)揚(yáng)聲器音量調(diào)節(jié)鍵，調(diào)節(jié)聲音的大小。

4)接收信號強(qiáng)度指示器，指示離落水艦員的大致距離。

5)靠近目標(biāo)信號指示器，指示已經(jīng)靠近落水艦員。

6)復(fù)原按鈕，搜救結(jié)束后恢復(fù)初始設(shè)定數(shù)值。

7)頻率信號檢測鍵， 檢測收到的信號是否為本系統(tǒng)的落水信號發(fā)射器發(fā)出的信號。

8)電源開/關(guān)，開啟關(guān)閉主機(jī)和LED亮度調(diào)節(jié)。

9)艦艏指向，標(biāo)識船艏方向。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括4個部分，艦員代碼通信系統(tǒng)軟件的設(shè)計和編程，落水信號發(fā)射器軟件的設(shè)計和編程，落水信號接收器軟件的設(shè)計和編程，信號定位器軟件的設(shè)計和編程。核心是信號定位器軟件設(shè)計，其采用IARFORNEC作為開發(fā)環(huán)境，采用C語言編制，用于接收顯示落水信號發(fā)射器發(fā)來的定位定向信號信息，設(shè)計流程見圖6。

圖6 信號定位器軟件設(shè)計流程

4 測向和定位算法

4.1 多普勒測向算法

多普勒測向機(jī)是指由單一天線旋轉(zhuǎn)，利用接收機(jī)產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行測向的設(shè)備[9-10]。如果天線沿著一個直徑D的圓形軌道運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)角頻率為ω的多普勒測向機(jī)，瞬時輸出電壓u(t)。

u(t)=A(t)cos[ωct+φ(t)+ηcos(ωRt-θ)]

(1)

式中：A(t)為接收信號的幅度；ωc為載波信號頻率；φ(t)為調(diào)制信號的瞬時相位；η=(πDcosγ)/λ，γ為仰角，λ為波長；ωR為測向天線旋轉(zhuǎn)的角頻率；θ為方位角。對于窄帶信號，特別是A(t)=A，φ(t)=φT，使用一個頻率解調(diào)器進(jìn)行處理，解調(diào)器的輸出信號φ(t)。

φ(t)=ωct+φT(t)+ηcos(ωRt-θ)

(2)

在理想的頻率調(diào)制時，通過相位輸出信號φ(t)求時間導(dǎo)數(shù)，可求解瞬時頻率ω(t)。

(3)

濾除直流分量ωc后得到的解調(diào)信號SD(t)。

SD(t)=-ηωRsin(ωRt-θ)

(4)

對式(4)信號在特定時間進(jìn)行A/D采樣，就可計算出仰角γ和來波的方位角θ。

4.2 信號強(qiáng)度測距算法

采用基于信號強(qiáng)度SSOA的測距原理進(jìn)行落水艦員位置定位，然后根據(jù)落水艦員的方位角和艦艇自身的位置坐標(biāo)確定落水艦員的位置范圍。由于海面對電波的傳輸存在干擾，接收信號的強(qiáng)度會受到影響，有時候表現(xiàn)為信號強(qiáng)度加大，有時候則是減弱[11-12]。通過對某一個環(huán)境進(jìn)行多次實(shí)測,得到這一環(huán)境下的傳播距離和路徑損耗的關(guān)系,并且歸納出“距離-損耗”模型,一般形式如下。

(5)

式中：d0為參考距離；P0為距離為d0時接收到的信號強(qiáng)度；d是實(shí)際距離；P為接收信號強(qiáng)度；n為路徑損耗系數(shù)；ξ是遮蔽因子。該因子的均值為0，均方差為σ的正態(tài)隨機(jī)變量，與傳播距離無關(guān)，即相同的傳播距離，可能被測到的損耗完全不同，甚至相差幾倍。因此，對(5)式進(jìn)行修正：

(6)

(7)

由“距離-損耗”模型可以把迭代過程中得到的虛擬的距離轉(zhuǎn)化為虛擬的信號接收強(qiáng)度，正確選擇λ值,可以使估計位置越來越精確。迭代終止的條件為找到最小的自然數(shù)K,使之滿足：

(8)

即落水目標(biāo)和參考點(diǎn)之間的距離收斂，可以用ML算法來進(jìn)行較為準(zhǔn)確的估計，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于計算出的距離存在偏差，故將距離劃分為4個范圍，對應(yīng)4種信號強(qiáng)度范圍，顯示在方位定位器主機(jī)上。

4.3 海試試驗

為測試裝置測向和測距的能力，首先將信號發(fā)生器置于固定位置水域，采用GPS測量出落水信號發(fā)射器和接收機(jī)之間的距離和角度，然后當(dāng)信號發(fā)射器發(fā)射求救信號時，記錄信號發(fā)射器相對接收機(jī)艏向的方向角度和信號強(qiáng)弱度。

4.3.1 試驗環(huán)境要求

落水信號發(fā)射器與測向器之間無連續(xù)建筑物遮擋；落水信號發(fā)射器與測向器之間的海拔高度在±500 m內(nèi)；試驗場地內(nèi)的電磁信號場強(qiáng)≤50 mV/m。

4.3.2 設(shè)備安裝要求

落水信號發(fā)射器安裝載體位移速度5 km/h；報警信號接收器和測向器安裝載體速度≥5 kn；報警信號接收器和測向器的安裝高度≤10 m。海試試驗結(jié)果見表1。

表1 海試試驗結(jié)果

從海試測試結(jié)果看，信號方位測量誤差在1%以內(nèi)，落水報警裝置的最大試驗范圍為6 n mile。

5 結(jié)論

落水報警裝置為國內(nèi)艦船首次采用無線信號發(fā)射器、接收器和定位器閉環(huán)設(shè)計模式，采用基于多普勒測向和信號強(qiáng)度測距原理的數(shù)字編碼和雙頻道通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)報警和定位功能。采用嵌入式軟件架構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)顯示當(dāng)前落水人員的信息，滾動顯示當(dāng)前多個落水人員的信息，查詢注冊艦員的歷史信息，自動判別和顯示收到的頻率信號，具有添加、修改和刪除注冊艦員信息等多項功能。國內(nèi)現(xiàn)裝備在落水人員報警和定位的工作原理上都是采用GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員的報警和定位。該定位信號保密性較差，易暴露搜救船自身的方位，而本裝置采用無線信號被動接受方式，具有較高的隱蔽性，與美國等國家海軍采用同樣的工作原理和方式，作用距離為6 n mile，達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。