基于單載波通信技術的水聲同步定位研究

黃 寧

廣州海洋地質調查局，廣東廣州 510075

0 引言

隨著信息通信技術和海洋產業的發展，人們對水下資源探索要求也不斷增長。水聲同步定位技術一直是當前各國研究的熱點。傳統的水聲定位系統是利用聲信號的回波進行水下物體的定位，但容易出現多徑效應、碼間干擾和多普勒頻域，這嚴重影響了定位系統的精度和應用范圍。采用單載波通信技術的水聲同步定位系統具備克服多徑效應、碼間干擾和多普勒頻域等優點，定位精度高，應用范圍廣。它把時間戳作為數據幀的標記號，引入到水聲通信中，有效解決了水下距離模糊和收發數據時序性差的缺點。將單載波通信技術和時間戳機制結合，能有效應對復雜水聲信道的問題，對水下通信環境要求低。本文簡要概述了水聲通信和定位技術的發展狀況，并詳細探討了水聲單載波通信技術的主要特性，最后分析了水聲定位系統的模型和工作原理，有一定的參考意義。

1 單載波通信技術簡介

水聲定位系統涉及多個學科領域，如信號處理、傳感器、海洋學、數學建模等等。在水下通信環境下，利用OFDM 技術SC/FDE 技術構建水聲信道，實現水下環境的高速通信，完成系統定位要求。OFDE（正交頻分技術）是近年來無線通信領域的研究重點，代表著無線通信領域的發展方向，它能有效應對頻率選擇衰減的技術難題。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制到子信道載波上，降低碼速率和提高頻譜利用率。系統通過簡單的信道均衡技術，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。

在單載波傳輸系統中，通過均衡器來補償碼間串擾。單載波頻域均衡系統融合了OFDM 和單載波時域均衡系統的優點，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，對系統的實際應用很有好處。其次，SC/FDE 能實現多徑擴散和復雜度的對數成正比。也不需要使用信道編碼技術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的研究主要集中在陸地的無線通信上，SC/FDE 技術初步在水聲通信中展示出獨有的優勢，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定位原理分析

基于單載波的水聲定位系統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射端連接起來。信號發射時間點以電脈沖的形式告知接收端，實現接發兩端的時間同步。此種方式應用范圍有線，設備的安裝和維護成本較高。

GPS 系統利用全球的衛星系統實現同步定位，采用的信息傳輸方式是無線電磁傳播。基于衛星定位系統的水聲定位系統，需要在接收端安裝信號接收機，接收GPS 信號。該系統利用衛星實現無線信號的同步精準授時。該通信定位方式要求較高，且設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射接收裝置，它采用藍綠激光同步定時，可穿透水體介質，提高系統定位和跟蹤精度。

圖1 藍綠激光同步定時發射接收裝置

3 單載波水聲同步定位系統結構分析

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

圖2 為單載波水聲同步定位系統的結構流程圖。數據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 循環前綴，形成單載波發射信息幀，其中，循環CP 前綴要大于信道時延長度，同時具備很好的相關性和平穩的頻率響應。聲納接受裝置接受反射信號，經調解和同步處理，去掉CP 循環前綴，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。融合先前連續信息幀的定位信息，可有效獲取目標位置運動狀態下的定位信息。

圖2 單載波水聲同步定位系統結構流程圖

4 結論

隨著我國經濟發展和海洋開發的需要，人們水聲定位及數據傳輸的要求越來越高。我們要加大科研力度，開發出更先進的水下定位技術，更好的為我國海洋資源的開發服務。

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