史 博，宋泓儒，陳 琳，馬旭卓，戴憲邦

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；4. 上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

隨著人類海洋科學(xué)探索的不斷深入，水聲學(xué)與水下定位技術(shù)在海洋開發(fā)應(yīng)用、海軍裝備建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮作用[1]，逐漸變?yōu)槿藗兲剿魑磥淼闹攸c，此項技術(shù)已經(jīng)被人們廣泛應(yīng)用在海事偵察、航空航天等軍事領(lǐng)域或目標(biāo)識別[2]、定位導(dǎo)航等民用領(lǐng)域[3]。因此水下目標(biāo)感知與海洋信息獲取技術(shù)變得尤為重要，本文主要圍繞某型水下航行平臺實時性、高精度、便攜式定位需求，設(shè)計一種新型海洋信息采集平臺，基于FPGA邏輯單元的控制處理，搭配高精度GPS定位技術(shù)、對時技術(shù)，高速率無線傳輸技術(shù)，將所設(shè)計的平臺安放長基線浮標(biāo)單元，進行系統(tǒng)化、集成化的數(shù)據(jù)傳輸，為后續(xù)浮標(biāo)基線大范圍定位起到促進作用。

1 新型海洋信息采集平臺概述

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

新型海洋信息采集平臺組成架構(gòu)如圖1所示。主要由電子艙、電源模塊、蓄電池、GPS接收機、無線數(shù)字傳輸電臺等幾部分組成。利用FPGA總控處理板進行平臺主控單元的數(shù)據(jù)解析與接口配置，單節(jié)點可通過GPS模塊實時獲取自身位置信息，水下航行平臺在開始工作時將其內(nèi)部的時統(tǒng)系統(tǒng)與GPS模塊進行對時，保證系統(tǒng)處于同步工作的狀態(tài)；無線數(shù)字通信電臺用于各節(jié)點與總控單元的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig. 1 Overall system architecture

在進行海洋定位通信平臺的設(shè)計過程中，各個分系統(tǒng)之間的通信方式與鏈路結(jié)構(gòu)具有差異性。比如在浮標(biāo)濕端與水下航行平臺之間采用水聲通信，船載數(shù)據(jù)接收端與船載顯控平臺端采用有線網(wǎng)絡(luò)通信，水面浮標(biāo)干端與船載測控平臺、陸地岸站之間采用無線電通信。與此同時，各個分系統(tǒng)之間都有其對應(yīng)的鏈路組成與結(jié)構(gòu)劃分，進而實現(xiàn)水下航行平臺的定位校準功能。圖2為海洋定位通信平臺的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖2 定位通信系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Topological structure of positioning communication system

1.2 無線電臺基本原理與選型

在遼闊的海面上，要實現(xiàn)水下聲信息與GPS定位信息的實時上傳，無線數(shù)字電臺的超長距離傳輸功能可以實現(xiàn)上述方案。如表1所示，無線電臺近幾年隨著發(fā)展逐步由模擬電臺向數(shù)字電臺方向靠攏[4]，數(shù)字傳輸電臺在一定程度上很好的彌補了速率差、精度低等缺點。按照項目需求與實際調(diào)研情況對比，選擇4種國內(nèi)外相關(guān)數(shù)字傳輸電臺[5]。

通過表1和實際調(diào)研情況，選擇Microhard無線數(shù)傳電臺模塊作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其主要性能有以下特點：

最高速率高達345 kbps；四級電路濾波提供極佳的噪聲和干擾抑制；一對一、一對多網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)；極小的封裝 26.5*33*3.5 mm；與Microhard n920 F兼容；可以實現(xiàn)6 km以上數(shù)據(jù)傳輸，功耗低。

表1 國內(nèi)外無線電臺對比[6]Tab. 1 Comparison of radio stations at home and abroad

1.3 GPS模塊基本原理與選型

GPS定位原理是測量待測物體與定位衛(wèi)星之間的實際距離，根據(jù)其他衛(wèi)星進行綜合判斷，最后確定準確坐標(biāo)位置[7]。一般情況下，人們使用天線來接收，對接收到的信號進行數(shù)字化翻譯，最后運用定位算法將其得到的數(shù)據(jù)進行處理，解算對應(yīng)經(jīng)緯度信息。

如表2所示，在GPS接收機的選型方面，本文也進行了大量的調(diào)研對比。國內(nèi)外定位接收機在市場上種類繁多[8]。其中，UB4B0M雖然通道數(shù)相對較多，定位速度較快，但是其功耗在靜態(tài)已經(jīng)高達2.8 W，不適用于浮標(biāo)等獨立單元的工作；SUM六頻與北斗星通定位模塊精度達不到亞米級的要求；superstar、OEMstar等定位芯片用戶測試與第三方評估效果還在考察中，K700定位模塊的接收衛(wèi)星類型種類相對較少，導(dǎo)致定位精度有一小部分偏差，最終選擇Trimble（天寶）910定位芯片[9]。

表2 國內(nèi)外定位模塊功能表Tab. 2 Function table of positioning module at home and abroad

Trimble（天寶）910定位芯片采用美國Trimble（天寶）公司的一款性價比非常高的具有定位功能的板卡。此種類的接收機提供多衛(wèi)星系統(tǒng)同時實現(xiàn)定位功能，并且在任何環(huán)境下都可以提供超高的定位精度，是一款性能較高、效果較好、能夠?qū)崿F(xiàn)單點定位精度達到1 m以下，符合項目指標(biāo)的BDS/GPS/GLONASS三種衛(wèi)星定位接收機[10]。

2 新型海洋信息采集平臺設(shè)計

2.1 電源電路設(shè)計

海洋定位通信平臺在進行多節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚工作的過程中，系統(tǒng)能夠有效的供電是聲吶數(shù)據(jù)上傳的重要保證。在整個模塊電路中，邏輯主控單元FPGA核心板的工作電壓為5 V，GPS模塊電壓為3.3 V，無線數(shù)字傳輸電臺電壓為12 V，所以該平臺需要3.3 V，5 V，12 V三種，在確定各模塊電壓后，對每個器件的功耗進行簡單估計，表3為功耗統(tǒng)計結(jié)果。

表3 系統(tǒng)模塊功耗統(tǒng)計表Tab. 3 Power consumption statistics of system modules

根據(jù)表內(nèi)的信息以及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)系統(tǒng)輸入12 V直流電壓時，電臺模塊可以正常工作，但是定位模塊與FPGA核心板需要進行降壓才能供電。根據(jù)大量的選型和論證，為了提高電壓轉(zhuǎn)換效率，選擇MP1584電壓轉(zhuǎn)化模塊，其具有低功耗、高轉(zhuǎn)化率等優(yōu)點。

MP1584是一款高頻開關(guān)降壓穩(wěn)壓模塊，其內(nèi)部集成了高壓MOSFET系統(tǒng)使電路更加完善。其可以承受外部輸入4.5～28 V寬度的直流電壓，100 μA的靜態(tài)工作電流[11]，可以允許多種電池供電。為了減少開關(guān)驅(qū)動對電路造成的損耗，此芯片設(shè)計了內(nèi)部高功率相互轉(zhuǎn)化模式，有助于防止電流失控，提高轉(zhuǎn)換效率與容錯率。

2.2 無線數(shù)據(jù)上傳格式設(shè)計

聲吶數(shù)據(jù)通信協(xié)議主要包括下行數(shù)據(jù)協(xié)議和上行數(shù)據(jù)協(xié)議兩大類，下行數(shù)據(jù)主要指測控平臺下發(fā)控制指令；上行數(shù)據(jù)主要指自檢響應(yīng)指令、浮標(biāo)上傳數(shù)據(jù)及定位測距聲吶船載測控平臺上傳至水上主控單元數(shù)據(jù)。浮標(biāo)單元工作開始之后，當(dāng)系統(tǒng)檢測到浮標(biāo)電子倉內(nèi)接收機已經(jīng)接收到聲吶時延信號時，聲吶時延數(shù)據(jù)通過無線電臺上傳母船。

2.3 系統(tǒng)邏輯控制程序設(shè)計

圖3為新型海洋信息采集平臺的時續(xù)邏輯流程圖。本系統(tǒng)的工作以GPS輸出的1PPS脈沖信號為基準，開機后檢測開始工作指令，當(dāng)開始工作指令達到后，每次GPS數(shù)據(jù)到達時，都詢問聲吶數(shù)據(jù)是否到達，當(dāng)聲吶數(shù)據(jù)到達時，將聲吶數(shù)據(jù)通過無線電臺發(fā)送給船載測控平臺。當(dāng)聲吶數(shù)據(jù)沒有到達時，繼續(xù)將GPS位置信息通過無線電通信系統(tǒng)發(fā)送給母船。通常收到同步脈沖信號（1 pps信號）頻率要小于收到GPS實時定位數(shù)據(jù)的頻率，即收到一個PPS信號，收到幾個GPS數(shù)據(jù)。

圖3 FPGA邏輯框圖Fig. 3 FPGA logic block diagram

如圖4所示，灰色模塊代表GPS的定位數(shù)據(jù)，白色模塊表示水下聲吶的時延數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)開始正常工作時，F(xiàn)PGA檢測到GPS數(shù)據(jù)到達而聲吶時延數(shù)據(jù)未到時，將GPS數(shù)據(jù)通過無線電臺上傳給船載測控平臺，當(dāng)FPGA檢測到聲吶時延數(shù)據(jù)已經(jīng)到達后，將聲吶數(shù)據(jù)上傳，由于FPGA自帶并行邏輯處理功能，因此可以在每次GPS數(shù)據(jù)到達之后詢問聲吶時延數(shù)據(jù)，這樣既保證數(shù)據(jù)運算處理迅速，又可以使系統(tǒng)定位精度提高。

圖4 FPGA時序邏輯圖Fig. 4 FPGA timing logic diagram

3 海洋定位通信平臺測試與驗證

3.1 實驗室測試驗證

在檢查電臺模塊所有部位都已正常連接完畢后，進行上電測試，首先選擇第1個場景：2個電臺之間的通信距離為80.18 m，兩電臺之間均正常工作，測試時長為30 min，通信數(shù)據(jù)誤碼率為0%。

選擇第2個測試地點，2個電臺之間的通信距離為371.90 m。兩電臺之間均正常工作，測試時長20 min，通信數(shù)據(jù)誤碼率為0%。

上述2個測試為檢測無線電臺模塊內(nèi)部電路是否有故障發(fā)生，當(dāng)有故障存在時，電臺會處在不工作狀態(tài)，當(dāng)2個電臺均正常工作時，說明無線電模塊性能完好，并且已經(jīng)可以實現(xiàn)當(dāng)聲吶數(shù)據(jù)上傳時，系統(tǒng)可以完成檢測功能，并將數(shù)據(jù)實時回傳，具備在外場進行拉距測試實驗。

3.2 外場拉距測試驗證

在完成實驗室聯(lián)調(diào)與測試之后，根據(jù)定位測距聲吶項目需求，保證聲吶時延數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)能夠通過無線電通信系統(tǒng)上傳給6 km外的船載測控平臺，為此展開無線電臺外場拉距測試實驗[12]，確定目前已有的2個無線電臺最大通信距離與傳輸誤碼率。

表4為誤碼率與試驗拉距距離數(shù)據(jù)記錄表。

表4 系統(tǒng)定位誤碼率數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab. 4 Statistical table of system positioning error rate data

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)與分析結(jié)果可以得出，隨著拉距距離的不斷增大，周圍環(huán)境樓宇、樹木等對于無線電信號的干擾也隨之加大，如果在湖面或海面實驗，傳輸效果將會有明顯提高。當(dāng)系統(tǒng)在7.895 km以內(nèi)時，誤碼率很小，數(shù)據(jù)傳輸效果良好，滿足項目指標(biāo)6 km傳輸距離的要求。

由此可見，浮標(biāo)定位通信系統(tǒng)的傳輸距離可達6 km以上，滿足系統(tǒng)通信距離需求。在實際應(yīng)用中，如果基線長度增大，系統(tǒng)傳輸距離不滿足要求時，可以利用增加通信浮標(biāo)作為中繼端。通過此方法保證浮標(biāo)陣元、船載測控平臺與水下協(xié)作目標(biāo)之間穩(wěn)定、有效的工作，實現(xiàn)基線長度的可延展性。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)項目需求論證水下高精度定位系統(tǒng)的具體組成方案，完成GPS接收機與無線傳輸電臺的選型；在完成硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上編寫了海洋定位通信平臺聲吶數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)的時序邏輯，并通過FPGA平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳；初步測試了無線電通信模塊的最大傳輸距離。經(jīng)過多次驗證，所設(shè)計的通信系統(tǒng)傳輸距離在7 km以內(nèi)，誤碼率為1.5%，達到預(yù)期設(shè)計要求且滿足設(shè)計指標(biāo)。