羅蘭C磁天線在魚雷導航定位中的應用

崔國恒, 許江寧, 曹可勁

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羅蘭C磁天線在魚雷導航定位中的應用

崔國恒, 許江寧, 曹可勁

(海軍工程大學 管理工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了探討魚雷使用羅蘭C磁天線實現水下導航定位的可行性, 介紹了羅蘭C全向磁天線的工作原理, 分析了羅蘭C信號在傳播過程中磁場信號和電場信號的場強衰減規律, 并進行了數學仿真。結果表明, 在1 000 km距離上, 利用磁天線在海水中4~5 m深度接收信號具有較高的信噪比, 能夠滿足水下定位解算要求。試驗也驗證了魚雷在淺層水域(深度小于5 m)水下接收羅蘭C信號實現定位解算是可行的, 進一步證明了仿真結果的正確性。本文研究可為羅蘭C磁天線在魚雷淺層水域水下導航定位提供理論依據。

魚雷; 磁天線; 羅蘭C信號; 水下導航

0 引言

羅蘭C導航系統是一種中遠程低頻無線電導航系統, 工作頻率為100 kHz, 屬于陸基、脈沖相位調制導航方式。目前全球工作的羅蘭C共有30 多個臺鏈, 覆蓋了北半球大部分地區, 國際研究的熱點主要集中在羅蘭C磁天線的研究, 以減小天線體積, 實現同其他導航天線的組合[1]。

羅蘭C的使用主要集中在水面船舶導航中, 而水下接收羅蘭C信號在國內尚無資料可查。

羅蘭C的工作頻率較低, 在理論上具有一定的入水深度, 研究其信號水下傳播特性, 設計高性能羅蘭C全向磁天線, 對實現淺層水域水下定位導航具有重要意義, 可以為解決魚雷水下導航定位問題提供一種新思路。

1 全向磁天線工作原理

1.1 磁天線原理

磁天線的本質是一種環形天線, 可用來接收電磁波信號中的磁場分量[2]。它是由一個鐵氧體磁棒和線圈組成, 對電磁波的吸收能力很強, 其外形如圖1所示。

圖1 單棒磁天線外觀

單棒磁天線感應電壓可由下式給出[3]

式中:為相對磁導率;為信號頻率;為磁場強度;為磁棒的橫截面積;為線圈匝數;為來波方向與磁棒的夾角。

可見, 磁天線接收信號的能力與磁芯材料的相對磁導率、線圈的匝數和線圈的截面積相關。采用高相對磁導率的磁性材料, 線圈的匝數越多, 線圈的截面越大, 其接收信號能力就越強, 靈敏度就高。然而, 受磁性材料的性能、磁棒強度和天線體積限制, 磁天線的接收性能同電天線相比, 只能達到一個較好的水平。

1.2 磁天線原理結構設計

全向磁天線原理結構見圖2[4]。2根正交放置的單棒磁天線感應到的信號經前置低噪聲放大器放大、模擬帶通濾波器濾波、自動增益放大器放大等信號調理過程后, 對2個通道的模擬信號進行模數轉換, 完成雙通道信號的數字量化; 數字量化后的兩路數字信號由高性能可編程邏輯器件(field programmable gate array, FPGA)進行處理, 分別完成信號的數字濾波、數字陷波及數字移相及兩路信號的數字調理過程; 通過FPGA器件的控制和處理, 對兩路信號進行搜索和識別, 完成兩路信號的合成; 最后將合成后的信號進行數模轉換供給羅蘭C接收機進行定位解算。

1.3 羅蘭C信號的相位編碼特點

對羅蘭C脈沖組信號中的每個脈沖載頻起始相位進行嚴格規定, 使其按照一定的格式排列, 稱為脈沖組相位編碼。通過相位編碼, 可實現羅蘭C系統全自動接收并可有效抑制天波干擾。羅蘭C脈沖群中各脈沖的相位編碼如表1所列[5-6]。

圖2 全向磁天線結構設計圖

表1 羅蘭C信號相位編碼

1.4 全向磁天線象限分布

羅蘭C信號在到達單棒磁天線對立模型波瓣時有一個180°的相位改變, 這種相位特性就要求在設計全向磁天線時, 必須考慮每根單棒磁天線接收信號的相位特性。本文采用十字交叉環路設計磁天線, 其接收信號的全向區域可分為4個象限, 如圖3所示, 處于不同象限的信號在進行信號合成時, 必須進行適當的相位變換。相位變換結果如下[7]: Ⅰ象限:+; Ⅱ象限:-; Ⅲ象限: --; Ⅳ象限: -+。

圖3 全向磁天線象限分布

2 空氣中的電磁波傳播

羅蘭C系統的發射天線設置在緊靠地面上, 采用直立天線, 輻射出垂直極化電磁波, 由于傳播路徑的半導電性質(陸地)或導電性質(海面), 在介質面上會感應出電荷, 產生水平電場, 從而導致波前傾斜, 此時一部分電磁能量沿地球表面傳播, 另一部分向地下傳播。波的結構場如圖4所示。

圖4 波的結構場示意圖

根據文獻[8]可知, 地波傳播過程中, 遠場任意一點接收信號的各個場分量可由下式計算

假設羅蘭C信號在傳播過程中處于均勻球地面模式, 根據地波傳播理論, 垂直電偶極子在接收點的地波場強垂直分量為

式中,是一足夠大正整數, 由級數求和的計算精度而定, 對于羅蘭C信號的傳播距離,取100就能保證級數的計算精度。式中,為歸一化數字距離

式中,為歸一化表面阻抗, 且

其中

3 水中的電磁波傳播

羅蘭C信號穿透海水時, 水平電場、水平磁場不會發生變化, 垂直電場會大大衰減, 因此, 水下接收羅蘭C信號, 一般采用水平電天線或磁天線進行接收。羅蘭C信號在水中傳播時, 其磁場信號的幅度會隨著深度的增加而呈指數規律迅速衰減, 其傳播規律滿足

由式(14)和式(15)推得

4 仿真計算

4.1 地波衰減因子W的計算

羅蘭C導航系統在實際使用中, 主要用于船舶的導航定位, 其信號的傳播途徑既有海水, 又有陸地。因此, 本文在仿真計算中分別采用了海水、陸地及淡水的有關電參數進行計算。根據式(6)～式(13), 取100階進行仿真計算。在不同大地導電參數下, 羅蘭C信號地波衰減因子隨傳播距離的變化情況如圖5所示。圖中,表示大地相對介電常數;表示路徑的大地電導率。

圖5 不同傳播距離下衰減因子的變化規律

4.2 垂直電場的計算

假設羅蘭C導航臺的發射功率為2MW, 輻射效率為80%, 可以計算不同傳播距離時垂直電場的有效值, 計算結果如圖6所示。

圖6 不同傳播距離下垂直電場的變化規律

4.3 水平磁場的計算

根據式(2), 可計算不同距離時水平磁場的有效值, 仿真計算結果如圖7所示。

圖7 不同傳播距離下水平磁場的變化規律

4.4 信噪比計算

微邏輯公司使用的噪音估計法將地球表面粗略分為高、中、低3個緯度區, 各區依簡單的統計給出白天和夜間2個典型的噪音電平[11]。噪聲電平強度參見表2。

表2 噪聲電平強度

當確定了各接收點的噪音電平之后, 只須計算出各接收點的信號場強就能給出SNR。本文以中緯度地區為例, 計算白天和夜間的海面路徑的磁場信號信噪比, 計算結果如圖8所示。

圖8 不同傳播距離下信噪比的變化規律

4.5 水下磁場強度計算

分別計算距離發射臺1 000 km和1 500 km的接收點, 信號穿透海水介質和淡水介質時, 水下磁場強度隨穿透深度的變化規律, 計算結果如圖9, 圖10所示。

圖9 海水中水下磁場強度的變化規律

圖10 淡水中水下磁場強度的變化規律

磁天線水下接收羅蘭C信號的能力主要取決于水中的噪聲強度和電路的噪聲強度。由仿真計算結果分析可知, 在海水環境中, 距離發射臺 1000 km的地點, 結合水中的噪聲強度和電路的噪聲強度(一般不超過100μv/m), 采用微弱信號檢測技術, 完全可以實現水下4~5m深度接收信號; 在淡水環境中, 距離發射臺1 000 km的地點, 可以實現水下40~50 m深度接收信號。

5 實測數據分析

圖11 海面信號幅度波形圖

將磁天線放入海水中, 深度為2 m時, 采集到該臺信號如圖12所示。將磁天線放入海水中, 深度為4 m時, 采集到該臺信號如圖13所示。

從試驗結果來看, 羅蘭C磁信號入水時信號幅度沒有衰減, 但在水中傳播時衰減較大; 信號入水后, 信號信噪比維持不變, 隨著入水深度的增加, 信號幅度劇烈衰減, 電路噪聲逐漸占主導地位; 水下接收信號的信噪比主要受電路噪聲影響。

從信號定位解算過程來看, 羅蘭C磁天線在水下4m內接收的信號具有較強的信噪比, 可以實現定位解算; 深度超過4m時, 信號的信噪比較低, 搜索跟蹤時間太長, 第3周期過零點跟蹤不太準確, 定位誤差較大。

圖12 水下2 m處信號幅度波形圖

圖13 水下5 m處信號幅度波形圖

6 結論

本文從理論上研究了羅蘭C信號的水下傳播特征, 分析了水下磁場信號和電場信號的場強傳播衰減規律, 進行了仿真計算。仿真結果表明:

1) 利用磁天線可在淺層水域接收羅蘭C信號以實現水下定位;

2) 利用全向磁天線進行水下接收羅蘭C磁信號的定點試驗, 可以發現羅蘭C磁信號入水時信號幅度沒有衰減, 但在水中傳播時衰減較大;

3) 信號入水后, 信號信噪比維持不變, 隨著入水深度的增加, 信號幅度劇烈衰減, 電路噪聲逐漸占主導地位;

4) 水下接收信號的信噪比主要受電路噪聲影響。因此, 魚雷在淺層水域水下接收羅蘭C信號實現定位解算是可行的。

文章未對羅蘭C信號入水時的相位變化規律及水下信號包絡變化展開研究, 這將是下一步的研究重點。

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by H-field Antenna to Underwater Navigation Localization of Torpedo

CUI Guo-heng, XU Jiang-ning, CAO Ke-jin

(Department of Management Science, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )

For arguing the feasibility of torpedo underwater localization and navigation with Loran-C signal received by H-field antenna, the principle of omnidirectional H-field antenna is introduced, the field intensity attenuation laws of the H-field and E-field signals in propagation of Loran-C signal are analyzed. Simulation results indicate that H-field antenna can receive Loran-C signals with high signal-to-noise ratio(SNR), meeting the requirements of underwater localization solution. Experimental results show that H-field antenna can receive the signals with higher SNR at the depth of 4~5 m underwater over a distance of 1 000 km. Test confirms that the localization solution can be obtained with Loran-C signal received by H-field antenna in the depth less than 5 m underwater, which verifies the correctness of the simulation. This study may provide a theoretical basis for torpedo underwater navigation with H-field antenna.

torpedo; H-field antenna; Loran-C signal; underwater navigation

TJ630.33

A

1673-1948(2013)02-0120-06

2012-05-04;

2012-09-03.

國家自然科學基金項目(61004126).

崔國恒(1981-), 男, 博士, 講師, 研究方向為無線電導航和軍事航海技術.

(責任編輯: 楊力軍)