某型水下定位信標裝置設計

葉連鳳，周迪鋒

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌 443000）

0 引言

進入21世紀，世界主要大國將目光投向資源豐富的海洋。各國加大了對海洋勘探開發技術的投入，其中以UUV技術尤為矚目。目前，UUV主要包括有纜ROV或者無纜AUV。由于海洋環境復雜，UUV在水下工作時，很可能會遭遇通訊中斷的情況，導致母船工作人員失去對UUV的跟蹤，因此，一般在UUV上安裝有信標定位裝置，以便在應急情況下，獲取UUV在水下位置。本文提出了一種安裝在UUV上的水下定位信標裝置。

1 技術參數

1.1 主要功能

（1）最大工作水深：300米；

（2）最大定位距離（斜距）：1 200米，定位精度優于5‰斜距；

（3）具有兼容聲觸發和電觸發兩種工作模式的功能；

（4）在無外部電源供電情況下，可由充電電池供電正常工作，工作時間≥24 h。

1.2 物理參數

（1）最大外形尺寸：φ60 mm×100 mm；

（2）空氣中重量：2 kg，水中重量：1.5 kg。

2 主要組成

水下定位信標裝置主要由聲學換能器、信號處理電路板、電池和水密殼體四部分組成。聲學換能器主要實現電聲和聲電的信號轉換。信號處理板用來處理接收到的聲信號。電池是維持水下定位信標裝置電路正常工作的能源。水密殼體為整個裝置提供一個水密空間，能承受水壓作用。

信號處理板作為核心部件，本文對其做主要介紹。其由收發合置開關、發射模塊、接收機采集模塊、深度測量模塊、守時模塊、處理器模塊機、外設與接口模塊、電源管理模塊等組成，見圖1。

圖1 信號處理板組成框圖

信號處理電路板對接收到的微弱信號進行不失真放大濾波和數字化之后送給處理器模塊。深度測量模塊包括壓力傳感器和壓力采集器，采集深度數據并送給處理器模塊，實現標示器的深度測量。守時模塊包括高精度時鐘及校準算法，接收GPS時間信息和秒脈沖，自動對系統時鐘進行同步對時和糾偏，實現標示器和定位系統的同步。處理器模塊是標示器的核心，它控制各個模塊完成相應的功能，實現信號產生、同步管理、詢問信號檢測和參數估計、與計算機通信等功能。電源管理模塊包括電源變換、UPS電池和電源監測，為各個模塊提供了高效的電源，內置的UPS電池保證標示器在沒有外接電源的情況下能正常工作。

2.1 接收機模塊設計

水聲信道具有多途效應強、環境噪聲高、傳輸損耗大、頻帶資源極為有限等特性，從而使水聲信號經歷時間和頻率選擇性衰落，導致了嚴重的碼間干擾和信號衰落[3]。信號經水聲信道傳輸后，其信號幅度是十分微弱的，而且夾雜著噪聲，因此，要想從噪聲中提取出有用信號，對接收信號進行模擬調理是必不可少的。接收機的作用就是對接收到的信號進行模擬調理。本系統接收機主要是對信號進行放大濾波，使信號的帶寬限制在需要的范圍內，并使信號的幅度與ADC采集器的量程相匹配。經過以上處理后，信號被送入采樣保持器進行采樣，然后被模／數轉換器量化；量化后的數據送入處理器模塊以供處理。接收機模塊框圖如圖2所示。

圖2 接收機框圖

2.2 發射級模塊設計

為了提高發射機的效率，采用了D類功率放大器，發射機結構框圖如圖3所示。

發射機可以分成驅動級、功率放大級和匹配網絡。輸出脈沖信號直接由處理機（DSP）生成，經過驅動級去驅動功放管的開關，以提高發射機的輸出功率。匹配網絡實現了換能器和功率放大器之間的阻抗匹配，同時提高了整個發射機的效率。

2.3 電源管理模塊設計

由于水下定位信標裝置在沒有外部電源時，采用了UPS電池供電，因此對功耗的要求很嚴，電壓管理電路設計的優劣直接影響整個系統的功耗。除了選用低功耗器件以降低功耗外，電源的轉換效率也是影響系統功耗的一個重要因素，因此在本設計中大量采用了高轉換效率的開關電源。為了提高整個電源的使用效率以延長系統的工作時間，系統采用了單電源工作模式，由多節聚合物鋰電池串并聯供電。單電源供電方便了電源管理，同時只需要一個充電接口，降低了系統和充電器的復雜程度，提高了系統的可靠性。

圖3 發射機結構示意圖

2.4 處理器模塊設計

處理器模塊核心由一塊DSP組成，是整個水聲定位信標裝置的系統中樞，實現壓力數據采集、電源狀態檢測、發射機控制、完成內外同步等功能。主控DSP選用了Blackfin533，Blackfin533是ADI公司推出的高性能、低功耗的新一代DSP處理器．采用ADI與Intel共同開發的MSA(微信號結構)體系結構[4]，主頻高達600 MHz[5]。其主要特點如下：（1）16位定點DSP內核，可以實現最高600 MHz的持續工作；（2）2個16位乘法累加器（MAC），2個40位算術邏輯單元（ALU），在600 MHz速度下，可達到1.2 GMACS的運算速度；（3）靈活的軟件控制動態電源管理，支持4種運行模式；（4）SRAM組成其中1個16 kB可配置成Cache；（5）內存管理單元提供內存保護。

2.5 深度測量模塊

系統采用水密壓力傳感器控制系統發射，構成壓力開關。當超過規定深度時，系統進入聲脈沖發射狀態。深度數據采集是對壓力傳感器輸出的深度信息（電壓）進行采集。這里選用了A/D轉換芯片ADS8320，它是一款16bit低功耗的A/D轉換芯片，通過SPORT1和DSP相連。ADS8320具有同步串行SPI接口，因而占用微處理器的端口較少，其差動輸入信號范圍為500 mV～VCC(工作電源)；采用8引腳MSOP小體積封裝。基于以上特點ADS8320非常適用于便攜式電池供電系統[6]。

3 樣機定位驗證試驗

根據設計方案，加工出了試驗樣機并對其定位距離及精度進行了試驗研究。將水下定位信標裝置布放到水底，定位系統安裝在躉船的旋轉平臺上，試驗過程水平旋轉定位基陣一圈。試驗過程中大地坐標系下基陣與信標的相對位置情況如下所示，其中紅色的點代表基陣的實時軌跡，黑色的點代表聲信標的真實位置。

根據設計方案，加工出了試驗樣機并對其定位距離及精度進行了試驗研究。將水下定位信標裝置布放到水底，定位系統安裝在躉船的旋轉旋轉平臺上，試驗過程水平旋轉定位基陣一圈。試驗過程中大地坐標系下基陣與信標的相對位置情況如圖4所示，其中紅色的點代表基陣的實時軌跡，黑色的點代表聲信標的真實位置。

圖4 大地坐標系下基陣和信標的真實位置

定位系統測量得到的聲信標斜距如圖5所示。圖5、圖6中的紅色點代表測量得到的聲信標位置（即定位結果），藍色菱形點代表定位結果收斂中心點，外圍圓圈是以信標真值位置為圓心、以25 m為半徑畫出的圓。

圖5 定位系統測量得到的目標斜距

圖6 大地坐標系下聲信標定位結果

上述結果圖均是以水下定位信標裝置的真值位置作為坐標轉換原點。對定位數據進行統計得到如下結果：定位數據共802點，有效數據點數795點，檢測概率為99.1%，有效定位數據的均方根誤差為4.79 m，收斂中心點與水下定位信標裝置真值位置之間的偏差為：0.5 m。試驗結果滿足指標要求：有效距離不小于1 000 m，定位精度優于5‰斜距。

4 結論

本文提出了一種適用于水下機器人的水下定位信標定位裝置。從方案上論述了信標定位裝置的實現途徑。根據設計方案，加工出了試驗樣機并進行了水下定位距離及精度試驗。試驗結果表明該型水下定位裝置設計合理，達到了預期的指標要求，為下一步在水下機器人上的應用奠定了基礎。