UWB技術(shù)在船舶避碰領(lǐng)域中的應(yīng)用?

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院 葫蘆島 125005）

1 引言

船舶海上航行安全一直是航海學(xué)術(shù)長期關(guān)注的課題，海上安全關(guān)鍵是船舶間避碰和定位技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。為了避免海上危險因素的發(fā)生，就要準(zhǔn)確地及時掌握各種信息。雖然近些年海上航行安全設(shè)備日趨完善，但多數(shù)設(shè)備受海洋惡劣氣候環(huán)境的影響，都存在著抗干擾能力差、精度不高、信息處理量少等缺陷。超寬帶UWB 設(shè)備與其他無線通信設(shè)備不同，它不需要載波，具有傳輸速率快、頻帶寬、功率損耗小、多徑分辨率高等特點，使其能應(yīng)用于船舶航行中，并擁有良好的發(fā)展前景。

2 UWB技術(shù)自身發(fā)展?fàn)顩r

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)出現(xiàn)在上個世紀(jì)60年代，率先應(yīng)用于軍事。2002年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準(zhǔn)將UWB技術(shù)用于民用產(chǎn)品。歐洲國家由ITU 小組對UWB進(jìn)行的研究、試驗，標(biāo)準(zhǔn)由ETSI起草，ETSI標(biāo)準(zhǔn)制定的原則是依據(jù)不同的使用及其頻率范圍而制定的各種測試標(biāo)準(zhǔn)。但關(guān)于UWB的測試規(guī)范于2008年正式頒布，雖然頒布時間比美國ETSI標(biāo)準(zhǔn)稍晚些，但對UWB技術(shù)使用中的無線頻譜發(fā)射限值更加嚴(yán)格［1］。

近年來民用UWB 技術(shù)發(fā)展中，UWB 以其獨特的技術(shù)特點在各行領(lǐng)域取得長足的進(jìn)步。現(xiàn)在有很多大型的公司推出了UWB芯片，這種芯片應(yīng)用于無線通信、網(wǎng)絡(luò)、圖像處理系統(tǒng)和定位系統(tǒng)中。在UWB的技術(shù)革新中，在很多領(lǐng)域應(yīng)用各種算法和仿真模型，如遺傳算法、退火算法、捕獲算法等，為UWB技術(shù)后續(xù)研究設(shè)計提供了良好基礎(chǔ)。

3 UWB技術(shù)在船舶避碰領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

UWB技術(shù)在無線通信實踐領(lǐng)域中已經(jīng)取得重大成就，在航海領(lǐng)域里也能夠帶來新希望。尤其針對海上船舶間點對點的長／短距離通信，及時準(zhǔn)確地確定對方方位、距離，并做出避碰預(yù)案及措施，進(jìn)而提高船舶海上航行安全。

3．1 UWB收／發(fā)機基本結(jié)構(gòu)

UWB的發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，UWB技術(shù)的發(fā)射與接收不經(jīng)過中頻處理，直接進(jìn)入脈沖調(diào)制發(fā)送信號，通信過程簡化一些過程。圖1所示為UWB技術(shù)的硬件發(fā)射與接收的結(jié)構(gòu)。在發(fā)射過程中，信號由數(shù)字信號處理器完成編碼、交織處理，數(shù)字信號通過D／A 轉(zhuǎn)換后經(jīng)過濾波、放大，脈沖發(fā)射出去。相反，在接收過程中，回波信號經(jīng)過天線匹配、濾波、放大后進(jìn)行A／D 轉(zhuǎn)換，然后再傳入基帶信號處理中接收、譯碼等進(jìn)入數(shù)字信號處理器，最終顯示在顯示器上［2］。從圖1可以看出，UWB技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、信息吞吐量大，非常適合船舶在海上交通日益繁雜的海域航行。

圖1 UWB收／發(fā)機原理圖

3．2 UWB技術(shù)在船舶避碰中的應(yīng)用優(yōu)勢

雖然海上應(yīng)用的防避碰和定位的設(shè)備多種多樣，如雷達(dá)、電子海圖、VTS、AIS，但每個設(shè)備都有它的局限性。雷達(dá)發(fā)射的是一種模擬信號，容易受到外界干擾，精確度不高，而且在氣象條件復(fù)雜情況下雜波較大。電子海圖的海圖格式支持受限，使用的海圖不能及時更新。VTS 的缺點是VTS 利用VHF-DF 人工船位報告識別信息有限，有一定的局限性。AIS功能雖然強大，但只能作用于安裝AIS船舶之間，而且可顯示的船舶數(shù)量有限。以上四種海上航行設(shè)備在應(yīng)用時多少受到一定限制。為了不斷提高海上航行安全，就必須加強海上航行的技術(shù)更新，UWB技術(shù)發(fā)射的是沖激脈沖信號，因而寬帶容量大。這使其具有對信道衰落弱、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)射信號功耗低、抗干擾能力強、定位準(zhǔn)確性高（厘米級）等優(yōu)點。根據(jù)仙農(nóng)信道容量理論，UWB技術(shù)比一般信號通信數(shù)據(jù)吞吐量大，非常適合海上航行大容量的技術(shù)分析［3］。

4 UWB技術(shù)通信應(yīng)用在船舶避碰領(lǐng)域中的可行性、可靠性、可操作性

4．1 UWB技術(shù)通信應(yīng)用在船舶避碰領(lǐng)域中的可行性

在船舶航行中會應(yīng)用多種通信設(shè)備來保障海上航行安全，如GPS、VHF、地面站和導(dǎo)航雷達(dá)等，這幾種通信設(shè)備所占的頻段不在UWB 信號規(guī)定范圍內(nèi)，如表1所示，這就可以完全避免或減小相互間的干擾問題，達(dá)到預(yù)期工作目的。在海上通信中抗干擾和抗截獲能力是信號傳輸非常重要的能力，UWB 技術(shù)顯然更加適合船舶間或船舶內(nèi)部的相互通信，能夠完全發(fā)揮特有能力［4～5］。因此，UWB技術(shù)應(yīng)用船舶領(lǐng)域中具備可行性、合理性。

表1 船舶通信設(shè)備頻段分析

4．2 UWB技術(shù)通信應(yīng)用在船舶避碰領(lǐng)域中的可靠性

現(xiàn)代海運航行中，解決船舶間的避碰問題應(yīng)用較多的是雷達(dá)、VHF、電子海圖、AIS 以及設(shè)備間的兼容組合。由于UWB技術(shù)應(yīng)用的是沖擊脈沖，具備的多種技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在海上定位領(lǐng)域和海上避碰領(lǐng)域［6］。

UWB技術(shù)應(yīng)用到船舶海上定位領(lǐng)域。目前，海上定位系統(tǒng)應(yīng)用的是AIS 系統(tǒng)的GPS 技術(shù)、Bluetooth技術(shù)，但GPS 和Bluetooth 的精準(zhǔn)性不如UWB技術(shù)。GPS定位精度在5m～20m，Bluetooth大約3m，UWB 定位精度在15cm［7］。UWB技術(shù)可以精確地測出當(dāng)時船舶間的方位、距離、航速、航向，實時計算出安全航速，觀察海上船舶間的航行密度調(diào)整自身航行狀態(tài)及安全航速的計算時間，最終為航海人員提供安全駕駛措施，可以大大減少海上事故發(fā)生。

UWB技術(shù)應(yīng)用到船舶海上避碰領(lǐng)域。目前，海上防碰撞的設(shè)備主要應(yīng)用通信技術(shù)和探測目標(biāo)技術(shù)。在通信技術(shù)方面，就是應(yīng)用通信技術(shù)手段獲取對方船舶信息和操作意圖，但人工完成的通信方式往往會效率較低、溝通不暢通，可能導(dǎo)致雙方操船意圖不協(xié)調(diào)，發(fā)生誤差的可能性遠(yuǎn)大于UWB技術(shù)。如果遇到海上水文氣象不穩(wěn)定時，大多數(shù)回波信號可能受到不同程度的干擾而失真。盡管AIS設(shè)備能夠克服天氣不良現(xiàn)象，但面對信息傳輸量大的AIS設(shè)備也不能完全支持。而UWB 技術(shù)信號傳輸具有非常強的穿透力，能夠穿透樹葉、土地、液體，可以抵抗雨、雪、冰雹等不良天氣的影響而正常工作。UWB技術(shù)的傳輸特性決定設(shè)備可靠性，應(yīng)用UWB技術(shù)可使海上航行中人和設(shè)備系統(tǒng)完全受到差錯和操作使用環(huán)境因素的影響大大降低。因此，采用UWB技術(shù)應(yīng)用船舶海上航行的可靠性要強于其他設(shè)備［8］。

由圖2所示，UWB 技術(shù)應(yīng)用船舶海上航行設(shè)計目標(biāo)：能夠使船舶在惡劣氣候條件下完成海上航行安全，并且UWB技術(shù)最大限度地應(yīng)用于海上船舶定位和避碰領(lǐng)域。工作過程：UWB發(fā)射／接收模塊與UWB信號模塊把接收到的信號經(jīng)過處理，再由數(shù)字信號處理器把采樣的信號經(jīng)過目標(biāo)判別，并測出目標(biāo)距離和方位，最終提取顯示信號和報警信號。

圖2 UWB技術(shù)應(yīng)用船舶海上航行系統(tǒng)設(shè)計方案

4．3 UWB技術(shù)通信應(yīng)用在船舶領(lǐng)域中的可操作性

UWB技術(shù)比其他多數(shù)無線通信技術(shù)手段更加先進(jìn)，在UWB技術(shù)應(yīng)用中，以提高定位和避碰水平的信號處理、目標(biāo)識別、警報運行算法已經(jīng)取得較大的進(jìn)展。目前，UWB 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到汽車避碰系統(tǒng)，并取得良好的效果［9］。

式中，V為船與船間的相對運動速度，tr為船與船間的相對運動時間。

從公式可以看出，通過準(zhǔn)確距離定位，能夠給出合理船舶間運動速度，可以根據(jù)預(yù)測最佳時間來采取必要措施，避免船舶間碰撞事故發(fā)生。另外，按照國際對通行的UWB定義分析，信號能量帶寬與中心頻率的比值大于20%，或絕對帶寬超過500MHz的信號為UWB 信號。因此，UWB 技術(shù)不僅精準(zhǔn)地判斷距離、方位，還擁有較大的帶寬而進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸，能夠在海上航行的可操作性中具體實現(xiàn)［10］。

在船舶海上航行應(yīng)用UWB 技術(shù)時也應(yīng)該重點兩方面改進(jìn)：一方面，要改進(jìn)目標(biāo)的方位角定位信息的精確性，這對海上航行非常關(guān)鍵。而且海上雜波噪聲干擾遠(yuǎn)大于陸地，在技術(shù)上也要注重去除虛警，避免造成航行中的誤判。另一方面，針對海上氣候特點設(shè)計出抗干擾性能強的復(fù)雜發(fā)射信號，配合實時高效的信號處理和目標(biāo)檢測算法，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)周邊多個目標(biāo)。

5 結(jié)語

雖然UWB技術(shù)現(xiàn)在還處于研發(fā)階段，相關(guān)理論及各項技術(shù)有待探討，但UWB技術(shù)設(shè)計應(yīng)用船舶定位和避碰系統(tǒng)是海運安全領(lǐng)域的技術(shù)熱點，日后會產(chǎn)生良好的市場效應(yīng)。另外，如果船舶在海上航行中，根據(jù)船舶間距離、方位、速度、海況等信息，與決策支持系統(tǒng)中的案例庫（CBR）相結(jié)合，將能夠產(chǎn)生更加人性化的決策方案，這也是海運安全領(lǐng)域的技術(shù)革新。

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