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(hào)及信道傳輸特性，針對(duì)信號(hào)的傳播特性給出了UWB信號(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠接收，從而對(duì)兩船之間的距離及方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(lái)航海領(lǐng)域研究的重要課題，有效地采用新技術(shù)，彌補(bǔ)當(dāng)前避碰技術(shù)的不足可以減少船舶避碰，對(duì)海洋環(huán)境、河道環(huán)境、人身財(cái)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(wèn)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(bào)警、通信頻譜受限、定位不準(zhǔn)確等缺陷[1]。

UWB信號(hào)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(shí)可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)[2], 利用UWB技術(shù)的避碰系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)時(shí)航向上的最近目標(biāo)實(shí)時(shí)計(jì)算安全航速，并能提供可靠的、精確的船舶位置及動(dòng)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(guò)專有信道自動(dòng)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(yùn)行。

1 UWB

1.1 UWB信號(hào)

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）對(duì)超寬帶有如下定義：

Br為信號(hào)的相對(duì)帶寬，fH、fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時(shí)對(duì)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(diǎn)。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(gè)避碰系統(tǒng)的成本。其穿透能力強(qiáng)大，定位準(zhǔn)確，可以彌補(bǔ)GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)存在抗干擾能力弱等固有缺點(diǎn)，可以成為一種可靠的補(bǔ)充定位系統(tǒng)。

1.2 信號(hào)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(shí)域表達(dá)式為[3]：

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

對(duì)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(hào)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(shí)間分辨率高，多徑分量多等特點(diǎn)，準(zhǔn)確的信道可以保證信號(hào)在信道中的傳播特性，還可用于優(yōu)化接收機(jī)的設(shè)計(jì)。由于信號(hào)是應(yīng)用于船舶避碰的，所以信號(hào)是在一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境中傳輸?shù)?，可認(rèn)為是一種多徑信號(hào)，并且信號(hào)不是按著固定的速率均勻到達(dá)接收機(jī)，信號(hào)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(hào)以雙簇形式到達(dá)接收機(jī)。每一簇UWB信號(hào)服從泊松隨機(jī)分布，每一簇信號(hào)路徑增益統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。雙簇信號(hào)之間存在一定的幅度差和時(shí)差，多徑信號(hào)的平均功率隨多徑到達(dá)時(shí)間呈不同衰減指數(shù)的指數(shù)衰減，幅度呈現(xiàn)對(duì)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(shí)際因素的情況下，在實(shí)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(hào)成簇出現(xiàn)，幅度呈指數(shù)衰減，在150 ns以后，信號(hào)衰減基本為零，與實(shí)測(cè)信道結(jié)果相近。

3 避碰原理

設(shè)UWB發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的通用表達(dá)式為

式中，A為信號(hào)的幅值，ω為發(fā)射信號(hào)的角頻率。

當(dāng)t時(shí)刻對(duì)方船舶以速度v進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，則此時(shí)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(jī)接收到的目標(biāo)船的反射信號(hào)所需時(shí)間為tr, 則反射信號(hào)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(hào)表達(dá)式，則有

則發(fā)射信號(hào)x(t)接收信號(hào)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(yùn)動(dòng)時(shí)，取正值，接收信號(hào)的頻率高于發(fā)射頻率；反之，取負(fù)值，接收信號(hào)的頻率低于發(fā)射信號(hào)頻率。

由此可得目標(biāo)船運(yùn)動(dòng)速度

同時(shí)，可求得兩船之間的距離

根據(jù)上述分析，可得對(duì)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(hào)接收機(jī)

要NLOS環(huán)境下，接收機(jī)所接收到的信號(hào)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(hào)的能量[6]，可以有效地收集多徑能量。RAKE接收機(jī)中選擇性RAKE(S-RAKE)接收機(jī)，它選擇到達(dá)接收端的所有多徑分量中能量最大的L個(gè)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(shí)，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(jī)的多徑接收RAKE接收機(jī)有相干和非相干兩種多徑合并策略，相干合并策略需要對(duì)各條多徑信號(hào)的相位進(jìn)行估計(jì)，并做相位補(bǔ)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(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)幅度進(jìn)行估計(jì)并做補(bǔ)償，分為絕對(duì)值合并（AC）和能量估計(jì)絕對(duì)值合并（PE+AC）。一般情況下，相干的多徑合并策略對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)性能比非相干多徑合并策略對(duì)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(hào)到達(dá)接收機(jī)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(yǔ)

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(diǎn),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(wèn)及待解決，比如進(jìn)一步UWB信號(hào)傳輸特點(diǎn)，建立合適的信道模型，有效地解決多徑傳播等問(wèn)題；在相關(guān)電路設(shè)計(jì)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(huì)勇，高昕艷，徐政五.UWB在室內(nèi)高速無(wú)線傳輸中的應(yīng)用研究[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（6）：606-607.

[3] 王艷芬.礦井特殊環(huán)境下的超寬帶無(wú)線通信信道模型研究[M]. 中國(guó)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(wú)線定位的汽車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)( 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(xiàng)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)。