UWB 技术在船舶避碰系统中的应用

蔡新梅

（辽宁省葫芦岛市渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125005）

UWB 技术在船舶避碰系统中的应用

蔡新梅

（辽宁省葫芦岛市渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125005）

在NLOS环境下分析了超宽带（UWB）信号及信道传输特性，针对信号的传播特性给出了UWB信号应用于船舶避碰的工作原理，确定合适的接收设备以实现信号的可靠接收，从而对两船之间的距离及方向进行实时监测，使工作人员根据判断结果采取一定的避碰措施，保证船舶航行安全。

UWB 船舶避碰 NLOS

0 引言

船舶避碰是未来航海领域研究的重要课题，有效地采用新技术，弥补当前避碰技术的不足可以减少船舶避碰，对海洋环境、河道环境、人身财产安全有重大作用。目前应用较多的避碰措施ARPA、AIS、GPS等系统在船舶的避碰问题上都作出很大贡献, 但也存在一些不足，如易受到干扰、误报警、通信频谱受限、定位不准确等缺陷[1]。

UWB信号具有多径分辨率高、通信频谱广泛、不易受到干扰、较低速率时可以远距离传输的特点[2], 利用UWB技术的避碰系统可以根据当时航向上的最近目标实时计算安全航速，并能提供可靠的、精确的船舶位置及动向信息，结合本船舶的基本信息和航行信息，经系统处理后，通过专有信道自动播发安全警告或驾驶建议，从而避免发生碰撞，保证航行船舶正常运行。

1 UWB

1.1 UWB信号

美国联邦通信委员会（FCC）对超宽带有如下定义：

Br为信号的相对带宽，fH、fL分别为功率较峰值功率下降10 dB时对应的高端频率和低端频率。

FCC规定室内使用的UWB频率范围为3.1～10.6 GHz。超宽带具有传输速率高、成本低、功耗小、多径分辨率高和系统安全性能好等特点。应用UWB技术的船舶避碰系统可减少发射、接受设备的数量及成本，从而减少整个避碰系统的成本。其穿透能力强大，定位准确，可以弥补GPS等卫星定位系统存在抗干扰能力弱等固有缺点，可以成为一种可靠的补充定位系统。

1.2 信号波形的选取

在UWB通信系统中，可以采用高斯波形，基本高斯波形时域表达式为[3]：

但此单脉冲的频谱在低频段分量很大，会对现有设备产生干扰，实际中可以采用高阶高斯波形，以改变频谱结构，减少对外干扰，n阶高斯脉冲导数的递推公式为：

对上式进行傅立叶变换，得其幅度谱为：

归一化功率谱密度为：

则发射信号的功率谱密度为：

式中，Amax是FCC规定的允许功率谱密度峰值。为了满足FCC频谱和功率限制要求，选择阶数n= 5,σ=51,fL=5.25 GHz，fH=8.92 GHz，fM=7.01 GHz，功率谱密度如图1所示。

2 UWB信道模型

超宽带信道具有带宽大，时间分辨率高，多径分量多等特点，准确的信道可以保证信号在信道中的传播特性，还可用于优化接收机的设计。由于信号是应用于船舶避碰的，所以信号是在一个复杂的环境中传输的，可认为是一种多径信号，并且信号不是按着固定的速率均匀到达接收机，信号传输认为是NLOS环境。信道模型采用S-V/IEEE 802.15.3a的修正模型，信号以双簇形式到达接收机。每一簇UWB信号服从泊松随机分布，每一簇信号路径增益统计独立。双簇信号之间存在一定的幅度差和时差，多径信号的平均功率随多径到达时间呈不同衰减指数的指数衰减，幅度呈现对数正态分布。因此构建信道模型为:

根据IEEE标准信道模型，在充分考虑到实际因素的情况下，在实际仿真中本文考虑了CM3信道环境，即NLOS(4-10 m)的非视距信道，其信道的冲激响应仿真结果如图2所示。

由上图可知，CM3信道冲激响应的信号成簇出现，幅度呈指数衰减，在150 ns以后，信号衰减基本为零，与实测信道结果相近。

3 避碰原理

设UWB发射机发射信号的通用表达式为

式中，A为信号的幅值，ω为发射信号的角频率。

当t时刻对方船舶以速度v进行运动时，则此时两船距离为：

式中，s0为两船之间的初始距离。

设本船接收机接收到的目标船的反射信号所需时间为tr, 则反射信号表达式为

式中，KA为反射波振幅。

将此式代入到反射波信号表达式，则有

则发射信号x(t)接收信号xr(t)之间的角频率差为

则频率差为

Δf即为多谱勒频移，当目标船向本船运动时，取正值，接收信号的频率高于发射频率；反之，取负值，接收信号的频率低于发射信号频率。

由此可得目标船运动速度

同时，可求得两船之间的距离

根据上述分析，可得对方船舶的航行速度和两船之间的距离，从而可以在一定条件下采取必要措施，以防止碰撞[5]。

4 UWB信号接收机

要NLOS环境下，接收机所接收到的信号多是多径的，因此采用有效的分集技术可以提高接收信号的能量[6]，可以有效地收集多径能量。RAKE接收机中选择性RAKE(S-RAKE)接收机，它选择到达接收端的所有多径分量中能量最大的L个多径分量，其多径接收示意图如图3所示，当接收器的数量L一定时，采用这一多径接收策略的RAKE必然可以收集到最多的能量，从而提高系统的性能[7]。

RAKE接收机的多径接收RAKE接收机有相干和非相干两种多径合并策略，相干合并策略需要对各条多径信号的相位进行估计，并做相位补偿，分为等增益合并（EGC）和最大化合并（MRC）；非相干合并策略不对相位进行补偿，对幅度进行估计并做补偿，分为绝对值合并（AC）和能量估计绝对值合并（PE+AC）。一般情况下，相干的多径合并策略对应的系统性能比非相干多径合并策略对应的系统性能要好[8]。本文采用相干多径合并策略系统。

经多径信道后，信号到达接收机的表达式为

从图中可看出，在相同外界条件下，MRC方法比EGC方法系统误码性能好，可有效抑制噪声。

5 结束语

UWB技术在船舶避碰系统中的应用已成为目前研究者比较关注的技术热点,从技术上看UWB有比较广阔的发展前景，但是其发展也面临着很多技术挑战，还有很多技术问及待解决，比如进一步UWB信号传输特点，建立合适的信道模型，有效地解决多径传播等问题；在相关电路设计中，可考虑相应的滤波、天线、各种控制系统及抗干扰等。

[1] 崔振刚, 姜弢, 杨欣. UWB技术在舰船电子系统中的应用展望[J]. 舰船电子工程, 2007，(2):28-31.

[2] 李会勇，高昕艳，徐政五.UWB在室内高速无线传输中的应用研究[J]. 电子科技大学学报，2003，32（6）：606-607.

[3] 王艳芬.矿井特殊环境下的超宽带无线通信信道模型研究[M]. 中国矿业大学出版社，2012,(2)：19-25. [4] 张中兆等.超宽带通信系统[M].电子工业出版社,2010, (3):44-47.

[5] 王英, 许可. 基于UWB无线定位的汽车防撞系统设计[J].重庆邮电大学学报( 自然科学版), 2010, (6):804-807 .

[6] Ian Oppermann,Martti Hamalainen and Jari Iinatti.UWB theory and applications. John Wiley&Sons, 2004, (1):94-100.

[7] Cassioli, D., M. Z.Win, F. Vatalaro, and A.F.Molisch. Performance of low-complexity rake reception in a realistic UWB channel.IEEE International Conference on Communications, 2002,2:763-767.

[8] Lei Zhou,S hidong Zhou, Yan Yao. Weighted rake receiver for UWB communications with channel estimation errors, Communications,Circuits and Systems, 2005 International Conference, 2005, 1:437-440.

Application of UWB Technology to Ship Collision Avoidance System

Cai Xinmei
(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125005, Liaoning, China)

In this paper, ultra wide band (UWB) signals and the channel transmission characteristics are analyzed in NLOS environment. The work principle of UWB signal application in ship collision avoidance is proposed on the spreading characteristics of signal, determining suitable equipments to receive signals . The system can real-time monitor the distance and the direction of the two ship in order to taking collision avoidance measures according to judgment results by staff, which guarantees navigation security of the ship.

ultra wide band; ship collision avoidance; non line of sight

TP216

A

1003-4862（2014）03-0008-04

2013-08-17

辽宁省教育厅科技研究项目 (L 2012485)

蔡新梅（1979-），女，硕士，讲师。研究方向：船舶电子设备与通信技术。