水聲定位系統中無線電通信鏈的設計?

羅 坤 劉百峰

（1.91388部隊96分隊 湛江 524022）（2.91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

水下目標跟蹤系統是用于對水下機動目標進行跟蹤定位的測量設備，可用于精確跟蹤和定位加裝合作聲學信標的多個水下目標的運動軌跡［1］。水下目標跟蹤系統由海上浮標分系統、中繼站、船載跟蹤顯控分系統等部分組成。浮標分系統負責水下目標信號參數的聲學測量；顯控分系統負責實時解算并顯示目標的參數，監控全系統的工作狀態。兩分系統之間通過無線電通信鏈進行數據交換。無線電通信鏈是由基站和浮標中的通信部分構成。

被測目標發射的同步（或非同步）聲脈沖被浮標水聲系統檢測并記錄到達時刻與參考時刻的差，浮標位置由DGPS系統進行連續監測，上述信息通過無線通信鏈匯總到基站計算機。

計算機對浮標陣單元中的三個（或四個）浮標數據采用球面交匯技術（或雙曲面交匯技術）解算出目標位置［2］。

圖1 水下目標跟蹤系統構成

無線數據通信鏈（包括浮標中的通信模塊、基站綜合處理機）是水下目標跟蹤系統的關鍵技術之一。方案采用擴頻通信和時分多址技術，具有保密性能好、抗干擾性強和擴展性強等優點。

2 無線電通信鏈和DGPS分系統組成及框圖

無線通信鏈分系統包括船載跟蹤顯控系統中的綜合處理機及海上浮標系統中的數據通信模塊等。船載跟蹤顯控系統中的綜合處理機是通信系統中的核心，簡稱基站。它擔負全系統的指揮調度和傳送DGPS差分修正信息的功能。

圖2 無線通信鏈和DGPS分系統結構框圖

各浮標內的通信模塊平臺（簡稱節點）主要完成水聲換能器數據的收集、整理和發送任務。以通信平臺、核心處理器及DGPS模塊為核心，所以本系統將直接序列擴頻通信平臺（簡稱DSSS模塊）、高速數字信號處理器（DSP）系統及DGPS接收機系統相結合，從而實現DSP+DSSS+DGPS結構。

3 無線電通信鏈的系統組成

無線電通信鏈的主要功能是數據傳輸，基站、浮標之間是通過擴頻通信進行數據傳輸。通信DSP板的結構框圖如圖3所示。

圖3 通信DSP板結構框圖

4 微波特性和海上通信試驗研究

假設海面平穩的開闊地帶，微波直線傳輸。因此在接收點收到的電波主要是由直達波和海面反射波合成的。所以影響電波在海上的傳播主要考慮兩方面的因素。第一，自由空間損耗；第二，多徑傳播的影響［3］。

4.1 微波在海上的傳播特性

對于全向發射天線而言，自由空間損耗就是球面擴散所引起的損耗為［4］

其中：Lfs指傳播損耗，λ為電波的波長，Gc、Gm分別是基站和移動臺的天線的增益。假定Gc=Gm=1，用分貝表示則有：

式中：d為發射天線到接收天線的距離，單位是m；dkm為發射天線到接收天線的距離，單位是km；λ為無線電波的波長，單位是m；fMHz為無線電波的頻率，單位是MHz。

反射波的影響相對于其它諸如散射波就要大得多。接收點收到的信號可以看成是直達波和反射波的矢量和，接收點的電場強度為［5］

其中：Pc是基站的發射功率，Gc為基站天線的增益，d為基站到接收點的距離。該式中還含有兩個未知數：R和Δd。

R為反射系數，它與接地角，電場的極化方向，介電常數，地表特性和發射頻率有關。對于垂直極化的天線而言，R可表示為

式（5）中的 ε'，σ 是與地表特性有關的常數，對于海水介質，兩者的典型取值是ε'=81，σ=5.0。

Δd為反射路徑和直達路徑的差。

dc，dm分別是發射天線和接收天線到折射點的距離。hc，hm分別是發射天線和接收天線的高度，K是考慮了地球表面的彎曲和空氣折射的影響后取常數4/3。當入射角較小時，可以認為R=1（完全反射），θ=π［7］。于是，由于直達波和反射波在接收點的干涉疊加，接收點的場強為

于是可得接收點收到的功率為［8］

對頻率為2.41GHz的微波在海面上的傳播特性作了計算機仿真，圖4給出了在不同的發射/接收高度條件下，接收天線收到的功率（dBm）和發射/接收天線的距離曲線。圖中H表示基站的天線高度，h表示浮標天線的高度。

圖4 接收功率與距離的關系曲線

圖5 直達波與反射波的相位差與距離的關系

仿真參數是基站的發射功率為0.5W，發射/接收天線的增益都為3dBm。電臺的接收靈敏度為-92dBm。

式（10）中，Rp，dBm為接收功率（dBm）。GT，GR分別為發射/接收天線的增益（dBm）。根據所選用的天線和式（10）以及圖4就可以預估出基站和浮標能夠正常通信的距離［9］。例如假設發射和接收都是用增益為3dBm的全向天線，則由式（10）可以知道當Rp，dBm≥-98 dBm時電臺能夠正常工作，于是從圖4可以查出在H=27m，h=4.5m時，基站和浮標能夠正常通信的距離大約是15.6km。對比圖4和圖5可以看出，在直達波與反射波的相位差為1800時，接收點的信號深度衰落［10］。

4.2 海試數據處理

由于考慮浮標研制時的穩定性和可操作性，一般浮標的天線距海面為2.2m～2.8m為最優距離，因此在海上以通信拉距進行微波通信試驗，測試在不同的天線高度條件下，基站與浮標之間的通信能力以及在不同的距離上通信的誤碼率。浮標的天線高度采用了在海上使用的2.2m。

實驗內容：基站和浮標通信試驗；H=27m，h=2.2m。

實驗方式：基站輪詢，浮標應答。

圖6 基站和浮標相對運動軌跡

圖7 誤碼率與距離的關系曲線

由圖7可以看出來，當浮標的天線高度為2.2m時，基站和浮標之間誤碼率通信的距離是10km左右，略小于理論值11km。由于海上涌浪影響，使得浮標不是靜止的，天線會有搖擺，導致了直達波和反射波的相位差的隨機性，在高質量通信的區域降低了通信的質量，在強反射干涉區避免了持續誤碼［10］。

5 結語

通過對直達波和一個反射波的矢量合成作為接收點的接收波形為信道建立了傳播仿真模型，并給出了仿真結果。通過在海上對適合的浮標高度進行拉距試驗并和仿真結果進行了分析，結果表明試驗和理論差距不大，為后續的浮標天線設計打下了堅實的基礎。