水聲定位系統(tǒng)中無線電通信鏈的設(shè)計(jì)?

羅 坤 劉百峰

（1.91388部隊(duì)96分隊(duì) 湛江 524022）（2.91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

水下目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)是用于對(duì)水下機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位的測(cè)量設(shè)備，可用于精確跟蹤和定位加裝合作聲學(xué)信標(biāo)的多個(gè)水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡［1］。水下目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)由海上浮標(biāo)分系統(tǒng)、中繼站、船載跟蹤顯控分系統(tǒng)等部分組成。浮標(biāo)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)水下目標(biāo)信號(hào)參數(shù)的聲學(xué)測(cè)量；顯控分系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)解算并顯示目標(biāo)的參數(shù)，監(jiān)控全系統(tǒng)的工作狀態(tài)。兩分系統(tǒng)之間通過無線電通信鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。無線電通信鏈?zhǔn)怯苫竞透?biāo)中的通信部分構(gòu)成。

被測(cè)目標(biāo)發(fā)射的同步（或非同步）聲脈沖被浮標(biāo)水聲系統(tǒng)檢測(cè)并記錄到達(dá)時(shí)刻與參考時(shí)刻的差，浮標(biāo)位置由DGPS系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，上述信息通過無線通信鏈匯總到基站計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)對(duì)浮標(biāo)陣單元中的三個(gè)（或四個(gè)）浮標(biāo)數(shù)據(jù)采用球面交匯技術(shù)（或雙曲面交匯技術(shù)）解算出目標(biāo)位置［2］。

圖1 水下目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成

無線數(shù)據(jù)通信鏈（包括浮標(biāo)中的通信模塊、基站綜合處理機(jī)）是水下目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。方案采用擴(kuò)頻通信和時(shí)分多址技術(shù)，具有保密性能好、抗干擾性強(qiáng)和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 無線電通信鏈和DGPS分系統(tǒng)組成及框圖

無線通信鏈分系統(tǒng)包括船載跟蹤顯控系統(tǒng)中的綜合處理機(jī)及海上浮標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信模塊等。船載跟蹤顯控系統(tǒng)中的綜合處理機(jī)是通信系統(tǒng)中的核心，簡(jiǎn)稱基站。它擔(dān)負(fù)全系統(tǒng)的指揮調(diào)度和傳送DGPS差分修正信息的功能。

圖2 無線通信鏈和DGPS分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各浮標(biāo)內(nèi)的通信模塊平臺(tái)（簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn)）主要完成水聲換能器數(shù)據(jù)的收集、整理和發(fā)送任務(wù)。以通信平臺(tái)、核心處理器及DGPS模塊為核心，所以本系統(tǒng)將直接序列擴(kuò)頻通信平臺(tái)（簡(jiǎn)稱DSSS模塊）、高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）系統(tǒng)及DGPS接收機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)DSP+DSSS+DGPS結(jié)構(gòu)。

3 無線電通信鏈的系統(tǒng)組成

無線電通信鏈的主要功能是數(shù)據(jù)傳輸，基站、浮標(biāo)之間是通過擴(kuò)頻通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信DSP板的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 通信DSP板結(jié)構(gòu)框圖

4 微波特性和海上通信試驗(yàn)研究

假設(shè)海面平穩(wěn)的開闊地帶，微波直線傳輸。因此在接收點(diǎn)收到的電波主要是由直達(dá)波和海面反射波合成的。所以影響電波在海上的傳播主要考慮兩方面的因素。第一，自由空間損耗；第二，多徑傳播的影響［3］。

4.1 微波在海上的傳播特性

對(duì)于全向發(fā)射天線而言，自由空間損耗就是球面擴(kuò)散所引起的損耗為［4］

其中：Lfs指?jìng)鞑p耗，λ為電波的波長(zhǎng)，Gc、Gm分別是基站和移動(dòng)臺(tái)的天線的增益。假定Gc=Gm=1，用分貝表示則有：

式中：d為發(fā)射天線到接收天線的距離，單位是m；dkm為發(fā)射天線到接收天線的距離，單位是km；λ為無線電波的波長(zhǎng)，單位是m；fMHz為無線電波的頻率，單位是MHz。

反射波的影響相對(duì)于其它諸如散射波就要大得多。接收點(diǎn)收到的信號(hào)可以看成是直達(dá)波和反射波的矢量和，接收點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為［5］

其中：Pc是基站的發(fā)射功率，Gc為基站天線的增益，d為基站到接收點(diǎn)的距離。該式中還含有兩個(gè)未知數(shù)：R和Δd。

R為反射系數(shù)，它與接地角，電場(chǎng)的極化方向，介電常數(shù)，地表特性和發(fā)射頻率有關(guān)。對(duì)于垂直極化的天線而言，R可表示為

式（5）中的 ε'，σ 是與地表特性有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于海水介質(zhì)，兩者的典型取值是ε'=81，σ=5.0。

Δd為反射路徑和直達(dá)路徑的差。

dc，dm分別是發(fā)射天線和接收天線到折射點(diǎn)的距離。hc，hm分別是發(fā)射天線和接收天線的高度，K是考慮了地球表面的彎曲和空氣折射的影響后取常數(shù)4/3。當(dāng)入射角較小時(shí)，可以認(rèn)為R=1（完全反射），θ=π［7］。于是，由于直達(dá)波和反射波在接收點(diǎn)的干涉疊加，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為

于是可得接收點(diǎn)收到的功率為［8］

對(duì)頻率為2.41GHz的微波在海面上的傳播特性作了計(jì)算機(jī)仿真，圖4給出了在不同的發(fā)射/接收高度條件下，接收天線收到的功率（dBm）和發(fā)射/接收天線的距離曲線。圖中H表示基站的天線高度，h表示浮標(biāo)天線的高度。

圖4 接收功率與距離的關(guān)系曲線

圖5 直達(dá)波與反射波的相位差與距離的關(guān)系

仿真參數(shù)是基站的發(fā)射功率為0.5W，發(fā)射/接收天線的增益都為3dBm。電臺(tái)的接收靈敏度為-92dBm。

式（10）中，Rp，dBm為接收功率（dBm）。GT，GR分別為發(fā)射/接收天線的增益（dBm）。根據(jù)所選用的天線和式（10）以及圖4就可以預(yù)估出基站和浮標(biāo)能夠正常通信的距離［9］。例如假設(shè)發(fā)射和接收都是用增益為3dBm的全向天線，則由式（10）可以知道當(dāng)Rp，dBm≥-98 dBm時(shí)電臺(tái)能夠正常工作，于是從圖4可以查出在H=27m，h=4.5m時(shí)，基站和浮標(biāo)能夠正常通信的距離大約是15.6km。對(duì)比圖4和圖5可以看出，在直達(dá)波與反射波的相位差為1800時(shí)，接收點(diǎn)的信號(hào)深度衰落［10］。

4.2 海試數(shù)據(jù)處理

由于考慮浮標(biāo)研制時(shí)的穩(wěn)定性和可操作性，一般浮標(biāo)的天線距海面為2.2m～2.8m為最優(yōu)距離，因此在海上以通信拉距進(jìn)行微波通信試驗(yàn)，測(cè)試在不同的天線高度條件下，基站與浮標(biāo)之間的通信能力以及在不同的距離上通信的誤碼率。浮標(biāo)的天線高度采用了在海上使用的2.2m。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：基站和浮標(biāo)通信試驗(yàn)；H=27m，h=2.2m。

實(shí)驗(yàn)方式：基站輪詢，浮標(biāo)應(yīng)答。

圖6 基站和浮標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7 誤碼率與距離的關(guān)系曲線

由圖7可以看出來，當(dāng)浮標(biāo)的天線高度為2.2m時(shí)，基站和浮標(biāo)之間誤碼率通信的距離是10km左右，略小于理論值11km。由于海上涌浪影響，使得浮標(biāo)不是靜止的，天線會(huì)有搖擺，導(dǎo)致了直達(dá)波和反射波的相位差的隨機(jī)性，在高質(zhì)量通信的區(qū)域降低了通信的質(zhì)量，在強(qiáng)反射干涉區(qū)避免了持續(xù)誤碼［10］。

5 結(jié)語

通過對(duì)直達(dá)波和一個(gè)反射波的矢量合成作為接收點(diǎn)的接收波形為信道建立了傳播仿真模型，并給出了仿真結(jié)果。通過在海上對(duì)適合的浮標(biāo)高度進(jìn)行拉距試驗(yàn)并和仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明試驗(yàn)和理論差距不大，為后續(xù)的浮標(biāo)天線設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。