水面無人艇遠距離通信系統設計與實現

李雪，胡海駒，王偉平，陳焱琨，鄭兵，董超

（1. 國家海洋局南海調查技術中心，廣東 廣州 510300； 2. 自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室，廣東 廣州 510300； 3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519080； 4. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

1 引言

隨著無人艇技術的發展[1-2]，無人艇的應用越來越廣泛，其數據傳輸技術也備受關注，大帶寬、遠距離、低時延、低能耗的數據鏈對無人艇拓展應用范圍至為重要[3]。無線電波在水面的通信特性和在陸地上有很大區別。海上障礙物遮擋比較少，電波傳播余隙大，繞射損耗比陸地上小，但電波反射波比陸地大。另外海面高濕、高霧環境還存大氣吸收衰減、云霧衰減以及雨衰等不利因素。

無人艇天線高度一般不高，貼近水面，發射的無線電波通過海浪、島嶼、船舶障礙物之間，其接收信號的強度，將由各直射波和反射波疊加合成，形成多徑效應，引起信號衰落[4]。各條路徑的電長度會隨時間而變化，故到達接收點的各分量場之間的相位關系也是隨時間而變化的。這些分量場的隨機干涉，形成總的接收場的衰落。各分量之間的相位關系對不同的頻率是不同的，干涉效果也因頻率而異。由于不同路徑有不同時延，同一時刻發出的信號因分別沿著不同路徑而在接收點前后散開，而窄脈沖信號則前后重疊，造成數據無法解析。

改革開放后，我國農村社會結構發生了變遷：人口老齡化、村莊空心化、鄰里關系冷漠化。歷史遺留問題、自然災害、勞動力外流、生產生活方式突變等都容易造成農村社會的不穩定性。怎樣帶動鄰里交往、增強村民凝聚力？建筑師從不同的角度切入，提供了多種可行之路。

針對海面無人艇遠距離通信的需求，目前常用的有短波通信和衛星通信。短波通信具備通信距離遠、通信電臺簡單、占用空間等優點，但是其通信速率慢，易受電離層變化影響[5]；衛星通信具有通信頻帶寬、信號覆蓋范圍廣等優點，但是衛星通信時延長，無法實時傳輸圖像、雷達等環境數據[6]。一種新型的利用平流層的氣象穩定的特性，將通信設備放在飛艇、飛船等平臺長期駐留平流層中，實現水面艇的超遠距離通信[7]，該技術多應用于軍事方面。

為實現無人艇遠距離穩定通信，本文采取系留無人機作為通信中繼，為了通信系統的多徑效應，保證圖像信號可靠傳輸，采用OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）[8-9]傳輸體制，OFDM技術的基本思路是把高速數據流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使各子載波符號速率大幅度降低。用多個較低速率的正交子載波組合，傳輸高速數據流，具有很強的抗符號干擾、抗多徑衰落能力，適合在復雜的無線信道中傳輸高速的數據業務。

通信鏈路的關鍵參數設計指標見表1，為了驗證本文設計的無人艇遠距離通信系統，分別在珠海萬山海域和青島黃海海域進行本通信系統的寬帶測試和窄帶測試。測試過程采用系留無人機搭載地面通信設備升到高空，無人艇上加裝艇端通信設備，由母船拖曳無人艇的方式逐漸遠離地面通信站，每間隔5 km，記錄一次監控軟件的實時帶寬數據。

2 無人艇遠距離通信系統設計

艇載通信設備由艇載全向天線、艇載定向天線、導航定位設備、天線座和伺服機構和艇載收發組合組成。艇載全向天線和定向天線采用一體化設計，通過控制信號實現天線切換。導航定位設備提供艇載通信設備的經緯高數據，用于艇載定向天線的數引跟蹤。天線座具備基于數引的天線對準與跟蹤能力，具備通過電子陀螺儀進行姿態保持的能力，保證艇載天線在船只航行或海風、海浪影響下始終對準地面天線。艇載收發組合由L波段收發信機、L終端處理單元和網絡接口單元組成。L波段收/發信機包括射頻前端、本振和上下變頻模塊，L終端處理單元完成艇載通信設備的調制解調、頻道控制等。網絡接口板完成無線通信設備與外部以太網設備之間的數據轉換，其組成如圖7所示。

系統開機上電后，艇載通信設備和地面通信設備都采用全向天線，在近距離鏈路建立后，通過數據鏈將地面通信設備的經度、緯度、海拔等位置信息傳至艇載通信設備。艇載通信設備采集艇載天線的經度、緯度、海拔等位置信息，經過計算將艇載定向天線對準地面天線。通信距離超出全向天線覆蓋范圍后，將艇載天線切換為定向天線，提高鏈路電平儲備。遠距離通信時，如果天線跟蹤丟失，則通過旋轉天線轉臺，對地面站信號進行搜索，實現天線重新對準。

艇端通信設備由艇載天線組合和艇載收發組合組成。艇載天線組合包括全向天線和定向天線；艇載收發組合集成了L波段收發信機、L終端處理單元和網絡接口板。L波段收發信機能夠工作在TDD模式，L終端處理單元完成艇上設備的調制解調、天線控制、資源分配、接口控制和頻率控制等功能。

地面通信設備由地面全向天線、地面收發組合和計算機系統組成。地面收發組合中包含L波段收發信機、L終端處理單元和網絡接口板組成。L波段收發信機工作在TDD模式，L終端處理單元實現地面通信設備的調制解調、鏈路控制、接口控制和頻率控制等功能。用戶計算機通過網口與地面收發組合連接，其安裝應用軟件和鏈路監控軟件。應用軟件實現用戶界面和業務數據的管理。鏈路監控軟件負責通信子系統的鏈路管理功能，包括鏈路質量監控、鏈路資源分配、設備狀態控制和回報等功能。

無人艇遠距離通信系統主要組成如圖1所示。

垂直流人工濕地（VF）具有垂直狀態的水流方向特征，水流自上而下流動，一般將人工濕地底部安裝出水裝置。該技術可以提高氧與基質層之間的轉移效率，在表層通暢放置砂層，這主要考慮到砂層具有良好的通透性，可實現間歇性進水的效果。當污水處在砂石床之上時，會逐步向垂直層滲透，并由安裝在底部的集水管網對其進行收集，最后直至排出至污水處置系統。可在下次進水的間隙，考慮投配，此舉可以使污水與空氣進行有效接觸，進而實現高氧轉移效率，大氣中氧氣可以通過灌溉期的排水、停灌期的通風和植物傳輸進入人工濕地污水處理系統，由此來提高BOD去除和氨氮硝化的效果。濕地植物也會通過根向根區轉移一部分氧。

圖1 無人艇遠距離通信系統主要組成

2.1 地面通信系統設計

地面通信設備由地面全向天線、地面收/發組合、導航定位設備和鏈路監控軟件組成。地面收發組合由L波段收發信機、L終端處理單元和網絡接口單元組成。L波段收發信機包括射頻前端、本振和上下變頻模塊，L終端處理單元完成地面通信設備的調制/解調、頻道控制、網絡資源管理等。網絡接口單元完成無線通信設備與外部以太網設備之間的數據轉換。導航定位設備提供地面通信設備的經緯高數據，用于船載定向天線的數引跟蹤。鏈路監控軟件安裝在情報控制席位上，負責鏈路控制和鏈路狀態的顯示，如圖2所示。

圖2 地面通信設備組成

2.1.1 地面全向天線設計

地面全向天線采用了有一定增益的L波段全向天線，天線設計為半波長對稱陣子形式，長度為324 mm，直徑為37 mm，如圖3所示。

上個世紀60至80年代產生后現代女權主義，它的產生應該和兩個因素相關。其中一個因素是60年代的"性解放"和將男女對立起來的女權思想，后現代女權主義導致了不可計數的家庭破裂，還有出現更多的單身母親、問題兒童，以及愛滋病盛行，然后社會的人們在思考：社會是否值得去為“性”的解放和女權主義付出如此大的代價？另一個因素是80年代后，女性在政府、企業、學校和媒體的領導地位的人數不斷加速上升，于是，后現代女權主義應運而生。

圖3 地面全向天線示意圖

2.1.2 地面收發組合設計

（1）L波段收發信機

收發信機發射通道包括輸入SPDT、兩路完全一樣的射頻鏈路，射頻鏈路包含驅動放大器、功率放大器、環形器和雙工器。輸入頻率為載有調制信息的L波段射頻信號，經SPDT給任意一路驅動放大后，最后經功率放大器進行功率放大輸出60 W的載波信號給天線單元。

接收通道包括輸入雙工器、雙節隔離器、限幅低噪放、下變頻、跳頻本振和中頻放大濾波等部分。接收端輸入的信號頻率為L波段信號經低噪聲放大器放大，經帶通濾波器濾波后輸入混頻單元，同時輸出頻率為1 225～1 295 MHz和1 465～1 505 MHz本振信號經隔離放大器、濾波器后也輸入混頻單元，進行下變頻處理，下變頻單元輸出頻率為205 MHz中頻信號，最后，205 MHz中頻信號進行中頻放大和濾波處理輸出給終端板。

（2）L終端處理單元

這樣的教學活動是整體設計、分步實施的．通過這樣的教學活動，不僅能夠讓學生認識和理解數，知道表達自然數的關鍵是10個符號和數位，還能讓學生感悟符號表達的意義；能讓學生知道數量的本質是多少關系，與此對應，數的本質是大小關系，逐漸感悟度量的數學本質和度量單位的重要性．與此同時，通過合適的教學情境，讓學生經歷從感性具體上升到感性一般，從感性一般上升到理性具體的思維過程⑤ ，體驗什么是數學抽象和數學抽象的層次性．這樣的教育就是重視過程的教育，經歷過程有利于培養學生的符號意識，形成數學抽象的核心素養．

終端處理單元在硬件主要由信號處理器、上下變頻器、Flash、電平轉換電路和必要接口部件、本地晶振等組成。

運行結果得系統的傳遞函數為與結構圖化簡所得傳遞函數一致。因此，在教學過程中，課后作業可以提供簡單和較難的題目，要求學生用兩種方法求解和驗證，提高學生的學習主動性。

終端處理單元硬件實現如圖4所示。

圖4 終端處理單元硬件實現

終端處理單元軟件模塊組成如圖5所示。

圖5 終端處理單元軟件模塊組成

終端處理單元中信號處理器是核心器件，集成了ARM處理器內核和FPGA處理單元。其中ARM處理器內核完成數據報文生成、網絡管理、節點隨機接入協議控制、參數注入等功能；FPGA是數字信號處理核心器件，完成數據分接復接、突發信號調制解調、信道編碼、網絡同步、頻率管理和狀態回報功能。

本文通信方案中，地面通信設備以本地時鐘為基準產生幀定時，艇載通信設備解調前向時隙，提取幀定時，獲得網絡同步。地面通信設備上電后，在前向時隙周期性廣播地面遙控數據和時隙分配表，在反向時隙接收艇載通信設備的遙測數據、載荷數據和艇間協同數據，將艇間協同數據通過前向時隙轉發。L終端處理單元完成控制指令譯碼，對射頻單元進行頻道設置，同時完成終端狀態回報。

（3）網絡接口單元

網絡接口單元完成L終端處理單元和用戶計算機之間雙向數據的網絡格式轉換。網絡接口單元和L終端處理單元之間采用高密度接插件，由L終端處理單元向其供電，數據傳輸格式采用LVDS標準。

數據鏈工作在L頻段，一套系統（含一個地面系統和一個艇端系統）收發采用同一個頻率工作，通過時分多址、時分雙工體制，構成一個2個節點的單跳時分網絡，信道傳輸調制體制采用OFDM技術。

系統中1個時幀由2個時隙組成，母船系統占用1個短時隙發送遙控信息，無人艇占用1個長時隙發送遙測信息和圖像信息，1個時幀長度20 ms。單套系統工作，采用一個頻率，構成一個2個節點的網絡；多套系統同時工作，采用頻分多址技術，不同系統采用不同的工作頻率，構成多個異頻的相互之間相互獨立的網絡。

2.1.3 系留無人機通信增程

系留多旋翼無人機系統，在地面利用多旋翼無人機系統搭載數據鏈載荷升空，構建無線電通視的應急通信系統，作為視距通信的輔助拓展，是應急通信保障手段。系留無人機系統使用船載220 V或380 V電壓供電，由交直流變換器變為980 V DC經組合電纜給機體供電，保證機上功率。系留無人機可實現懸停飛行、隨行伴飛，操作簡便，訓練保障要求低，故障率低，維護保養容易。

電阻率值為2.64～12.14 Ωm，聲波時差為280.50～397.45 μs/m。從電測曲線來看，深層電阻率值整體先逐漸降低，在1338.5 m達到最低，之后逐漸上升。

艇載天線面板設計如圖8所示，由全向天線、定向天線、安裝支架和航插及射頻接口組成。

經濟犯罪案件現場勘查的目標是經濟犯罪案件的現場重建。所謂的犯罪現場重建是指偵查人員在現場勘查中，依法運用各種科學手段、方法分析犯罪行為，在思維中、在實物模型中去構建或模擬一個犯罪現場，重新認識犯罪行為，得出新的偵查思路的偵查(或勘查)行為。［7］

圖6 艇載通信設備

2.2 艇端通信系統設計

無人艇遠距離通信系統由地面站和艇載通信設備組成，地面通信設備安裝全向天線，向艇載通信設備發送前向數據并接收反向數據。艇載通信設備安裝定向天線，通過數字引導的方式指向地面通信設備。

圖7 艇載通信設備組成

艇載通信設備主要功能為調制解調、天線對準和跟蹤、分接復接、設備狀態控制和回報以及以太網格式轉換。

2.2.1 艇載天線系統設計

系留多旋翼無人機系統由六旋翼機體、纜繩收放器、地面站和數據鏈終端組成，其組成如圖6所示。

圖8 艇載天線面板設計

由于天線負載需要指北功能和對岸基天線的搜索，需要對負載在指北方位進行測量。考慮環境適應性，本文采用差分GPS的形式對負載的指北方位進行測量，設計伺服系統自動對天線進行指向操作。

考慮實際情況中，海平面水汽衰減、海雜波干擾等因素的干擾會影響數據傳輸質量，造成通信衰減，衰減系數k按式（2）計算。

地球半徑R=6 370 km，h1、h2都遠小于R，故視距d0=TC+CR 。由三角計算關系TC2=(R+h1)2?R2≈2Rh1，同理CR2=2Rh2，則無線電視距計算如式（1）所示。

圖9 艇載天線系統設計

2.2.2 艇載收發組合設計

艇載收發組合的硬件形式與地面收發組合相同，軟件上艇載通信設備相比地面通信設備有3點不同，分別為：增加了天線伺服控制功能；作為網絡從節點通過接收地面通信設備的發送信號提取網絡定時，占用自己的發射時隙實現載荷數據的反向傳輸；網絡接口板用于傳輸載荷數據且對外端口定義與地面不同。

地面架高平臺上安裝地面天線和地面收發組合，通過網線與監控計算機連接，地面通信設備安裝如圖10所示。

圖10 地面通信設備安裝示意圖

艇載定向天線和艇載收發組合安裝在無人艇，收發組合通過網線與艇上交換機連接，如圖11所示。

圖11 艇載通信設備安裝示意圖

3 無人艇遠距離通信系統測試

3.1 無線電視距計算

本文通信系統選用的射頻為微波頻段，是直線傳播方式，繞射能力較差，不能在通視視距之外通信。因此受地球曲率的影響，無線電作用距離越遠，要求兩點間高度越高。數據鏈的作用距離受到無線電視距的限制，考慮各種地形、地貌、氣候對電波傳播的影響，其電磁波發射從T點經地表C點到R點，如圖12所示。

圖12 視距傳播示意圖

艇載天線系統設計如圖9所示。

其中，h1為母船天線工作時距地面高度（m）；h2為無人艇天線工作時距地面高度（m）；d0為直視距離（km）。

3.2 系統測試與結果分析

江西省南昌大都市區的規劃包括南昌市在內的五個城市，輻射范圍覆蓋了整個省份三分之一的地區。江西省奉新縣正處于規劃區域中。從地理位置上看，地處九嶺山脈；從行政規劃看，屬于宜春市，縣域周圍附近有高安縣等六個縣城；從人口看，屬于Ⅰ型小城市。縣域面積1642平方千米，地勢地貌多樣，山地、丘陵、平原各具特色。在規劃區中，奉新縣位于南昌市的西邊，位置優越，交通發達，距離省會南昌市不到1小時的高速公路車程，距離昌北機場僅1小時車程，離港口城市九江僅2小時車程。境內主要依靠314省道與高速公路等交通。經濟方面，第一、二、三產業分別占比17%、64%、19%。財政收入主要來源于農業和工業。

表1 通信鏈路關鍵參數指標

萬山寬帶通信拉距測試中，為增加通信距離，岸端通信設備采用系留無人機升高至129 m，艇端通信設備距離水面最大高度為8 m，當艇端通信設備離水面8 m時，寬帶通信拉距增程測試的結果見表2。

A股市場2018年慘淡收官，上證指數全年下跌24.59%，在A股28年的歷史上名列跌幅第二，僅次于2008年，逢八魔咒再次上演。小市值股票成為重災區，中小板指下跌37.75%，創業板指下跌28.65%，全部市場下跌中位數33.5%，在市場一片慘綠中，有一抹紅色特別顯眼，這就是水電板塊的上市公司。

表2 寬帶通信拉距增程測試結果

表2中，通信帶寬在距離35～40 km時發生驟降，在50 km時被中斷，帶寬變化劇烈，這是由于地面作為主節點提供全網定時，按照自身時間基準 周期性發射下行信號，無人艇作為從節點接收主節點信號并恢復定時基準再占用自己分配的時隙發送上行寬帶信號。如果通信距離超過保護間隔，電磁波傳輸時間增加，從節點收到主節點的信號后，發送信號再到達主節點的時間超過保護間隔，此時主節點開始發射后，就不會再接收未到達的上行信號，數據傳輸達到設計時間間隔臨界，導致部分數據無法被接收而丟失，表現為數據速率驟降。

青島窄帶通信拉距測試中，岸端通信設備采用系留無人機升高至180 m，艇端天線距離水面高度最大高度為8 m，當艇端天線距離水面8 m時，窄帶通信拉距增程測試的結果見表3。

表3 窄帶通信拉距增程測試結果

伺服系統可分為固定座組件、方位回轉組件、俯仰回轉組件3部分。主要功能為：固定座組件，完成與基座的連接功能；方位回轉組件相對于基座進行方位回轉運動，完成伺服系統的方位運動功能；俯仰回轉組件相對于基座進行俯仰回轉運動，完成伺服系統的俯仰運動功能。

依據式（2）的衰減系數計算，在無人艇艇端天線處于不同的高度，其理論通視距離和實際測量通視距離測試結果見表4。

表4 理論通視距離和實際測量通視距離測試結果

從表3測試結果可以看出：（1）岸端天線越高，通信視距越遠；（2）艇端天線越高，通信視距越遠；（3）岸端天線利用系留無人機升高至129 m，艇端天線架高8 m時，最大寬帶通信距離可達45 km，艇端天線架高2 m時，寬帶通信距離可達40 km；（4）岸端天線利用系留無人機升高至180 m，艇端天線架高8 m時，最大窄帶通信距離為50 km，當艇端天線架高2 m時，最大窄帶通信距離為46 km；（5）考慮實際情況中合理的衰減，本文研制的無人艇遠距離通信系統通信質量穩定可靠，達到設計預期效果。

4 結束語

針對目前無人艇通信距離短的問題，本文設計一種適應無人艇的遠距離通信系統，系統由地面通信設備和艇端通信設備組成，其中地面設備又包括地面全向天線和地面收發組合；艇端通信設備包括艇載天線設備和艇端收發組合，在系留無人機的通信增程輔助下，在海洋真實環境對該系統進行了測試，在地面設備升高到129 m，寬帶通信可達40 km，岸端設備升高180 m，窄帶通信可達50 km，測試過程中，無人艇與地面設備通信穩定可靠，滿足無人艇遠距離通信系統的需求。

與海面蒸發波導通信相比，本文通信系統數據傳輸更穩定，傳輸距離更遠。海面蒸發波導作為一種新的傳輸媒介，可實現海上超視距傳輸，傳輸速率可達數十至數百Mbit/s級，但是一方面海面蒸發波導隨經緯度、季節變化，可被利用的波導高度受到限制，導致傳輸不穩定；另一方面，海面蒸發波導通信的發射天線須位于大氣波導層內，發射天線的高度受到限制，這也限制海面蒸發波導通信的傳輸距離。

本文從烘干工藝、浮選藥劑性能及尾氣排放處置方式等方面進行分析研究，找出解決問題的方法。實踐證明，間接烘干—組合式濕式除臭除塵工藝流程，既能滿足鈦精礦產品市場的對干燥的需求，又能達到除塵、降低尾氣異味、完全滿足環保及人們生活的要求。

本文的通信系統設計雖達到無人艇遠距離通信的要求，但是艇載寬帶通信系統設備相對較大，在無人艇上加裝比較困難，未來艇載遠距離通信系統的小型化、輕型化是進一步研究的方向。

為深入了解郵政企業黨員黨章意識狀況，課題組采取抽樣調查的方法，在中國郵政集團公司所屬東部、中部、西部三個區域，選取福建、湖北、寧夏三省（區）郵政企業黨員，以無記名形式從理想信念、黨的意識、宗旨觀念、精神狀態、道德行為、組織紀律觀念等23個方面進行了問卷調查。此次調查共收回有效問卷2637份，占被調查企業黨員人數的76%。從調查情況看，參加本次調查的黨員主要三個特點：一是以中青年為主，45周歲以下的黨員占75.77%；二是黨齡相對不長，10年以下黨齡的黨員占58.81%；三是文化層次較高，大學（含大專）以上學歷的黨員占92.90%。