UWB 技術在船舶避碰系統中的應用

蔡新梅

（遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島 125005）

UWB 技術在船舶避碰系統中的應用

蔡新梅

（遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島 125005）

在NLOS環境下分析了超寬帶（UWB）信號及信道傳輸特性，針對信號的傳播特性給出了UWB信號應用于船舶避碰的工作原理，確定合適的接收設備以實現信號的可靠接收，從而對兩船之間的距離及方向進行實時監測，使工作人員根據判斷結果采取一定的避碰措施，保證船舶航行安全。

UWB 船舶避碰 NLOS

0 引言

船舶避碰是未來航海領域研究的重要課題，有效地采用新技術，彌補當前避碰技術的不足可以減少船舶避碰，對海洋環境、河道環境、人身財產安全有重大作用。目前應用較多的避碰措施ARPA、AIS、GPS等系統在船舶的避碰問題上都作出很大貢獻, 但也存在一些不足，如易受到干擾、誤報警、通信頻譜受限、定位不準確等缺陷[1]。

UWB信號具有多徑分辨率高、通信頻譜廣泛、不易受到干擾、較低速率時可以遠距離傳輸的特點[2], 利用UWB技術的避碰系統可以根據當時航向上的最近目標實時計算安全航速，并能提供可靠的、精確的船舶位置及動向信息，結合本船舶的基本信息和航行信息，經系統處理后，通過專有信道自動播發安全警告或駕駛建議，從而避免發生碰撞，保證航行船舶正常運行。

1 UWB

1.1 UWB信號

美國聯邦通信委員會（FCC）對超寬帶有如下定義：

Br為信號的相對帶寬，fH、fL分別為功率較峰值功率下降10 dB時對應的高端頻率和低端頻率。

FCC規定室內使用的UWB頻率范圍為3.1～10.6 GHz。超寬帶具有傳輸速率高、成本低、功耗小、多徑分辨率高和系統安全性能好等特點。應用UWB技術的船舶避碰系統可減少發射、接受設備的數量及成本，從而減少整個避碰系統的成本。其穿透能力強大，定位準確，可以彌補GPS等衛星定位系統存在抗干擾能力弱等固有缺點，可以成為一種可靠的補充定位系統。

1.2 信號波形的選取

在UWB通信系統中，可以采用高斯波形，基本高斯波形時域表達式為[3]：

但此單脈沖的頻譜在低頻段分量很大，會對現有設備產生干擾，實際中可以采用高階高斯波形，以改變頻譜結構，減少對外干擾，n階高斯脈沖導數的遞推公式為：

對上式進行傅立葉變換，得其幅度譜為：

歸一化功率譜密度為：

則發射信號的功率譜密度為：

式中，Amax是FCC規定的允許功率譜密度峰值。為了滿足FCC頻譜和功率限制要求，選擇階數n= 5,σ=51,fL=5.25 GHz，fH=8.92 GHz，fM=7.01 GHz，功率譜密度如圖1所示。

2 UWB信道模型

超寬帶信道具有帶寬大，時間分辨率高，多徑分量多等特點，準確的信道可以保證信號在信道中的傳播特性，還可用于優化接收機的設計。由于信號是應用于船舶避碰的，所以信號是在一個復雜的環境中傳輸的，可認為是一種多徑信號，并且信號不是按著固定的速率均勻到達接收機，信號傳輸認為是NLOS環境。信道模型采用S-V/IEEE 802.15.3a的修正模型，信號以雙簇形式到達接收機。每一簇UWB信號服從泊松隨機分布，每一簇信號路徑增益統計獨立。雙簇信號之間存在一定的幅度差和時差，多徑信號的平均功率隨多徑到達時間呈不同衰減指數的指數衰減，幅度呈現對數正態分布。因此構建信道模型為:

根據IEEE標準信道模型，在充分考慮到實際因素的情況下，在實際仿真中本文考慮了CM3信道環境，即NLOS(4-10 m)的非視距信道，其信道的沖激響應仿真結果如圖2所示。

由上圖可知，CM3信道沖激響應的信號成簇出現，幅度呈指數衰減，在150 ns以后，信號衰減基本為零，與實測信道結果相近。

3 避碰原理

設UWB發射機發射信號的通用表達式為

式中，A為信號的幅值，ω為發射信號的角頻率。

當t時刻對方船舶以速度v進行運動時，則此時兩船距離為：

式中，s0為兩船之間的初始距離。

設本船接收機接收到的目標船的反射信號所需時間為tr, 則反射信號表達式為

式中，KA為反射波振幅。

將此式代入到反射波信號表達式，則有

則發射信號x(t)接收信號xr(t)之間的角頻率差為

則頻率差為

Δf即為多譜勒頻移，當目標船向本船運動時，取正值，接收信號的頻率高于發射頻率；反之，取負值，接收信號的頻率低于發射信號頻率。

由此可得目標船運動速度

同時，可求得兩船之間的距離

根據上述分析，可得對方船舶的航行速度和兩船之間的距離，從而可以在一定條件下采取必要措施，以防止碰撞[5]。

4 UWB信號接收機

要NLOS環境下，接收機所接收到的信號多是多徑的，因此采用有效的分集技術可以提高接收信號的能量[6]，可以有效地收集多徑能量。RAKE接收機中選擇性RAKE(S-RAKE)接收機，它選擇到達接收端的所有多徑分量中能量最大的L個多徑分量，其多徑接收示意圖如圖3所示，當接收器的數量L一定時，采用這一多徑接收策略的RAKE必然可以收集到最多的能量，從而提高系統的性能[7]。

RAKE接收機的多徑接收RAKE接收機有相干和非相干兩種多徑合并策略，相干合并策略需要對各條多徑信號的相位進行估計，并做相位補償，分為等增益合并（EGC）和最大化合并（MRC）；非相干合并策略不對相位進行補償，對幅度進行估計并做補償，分為絕對值合并（AC）和能量估計絕對值合并（PE+AC）。一般情況下，相干的多徑合并策略對應的系統性能比非相干多徑合并策略對應的系統性能要好[8]。本文采用相干多徑合并策略系統。

經多徑信道后，信號到達接收機的表達式為

從圖中可看出，在相同外界條件下，MRC方法比EGC方法系統誤碼性能好，可有效抑制噪聲。

5 結束語

UWB技術在船舶避碰系統中的應用已成為目前研究者比較關注的技術熱點,從技術上看UWB有比較廣闊的發展前景，但是其發展也面臨著很多技術挑戰，還有很多技術問及待解決，比如進一步UWB信號傳輸特點，建立合適的信道模型，有效地解決多徑傳播等問題；在相關電路設計中，可考慮相應的濾波、天線、各種控制系統及抗干擾等。

[1] 崔振剛, 姜弢, 楊欣. UWB技術在艦船電子系統中的應用展望[J]. 艦船電子工程, 2007，(2):28-31.

[2] 李會勇，高昕艷，徐政五.UWB在室內高速無線傳輸中的應用研究[J]. 電子科技大學學報，2003，32（6）：606-607.

[3] 王艷芬.礦井特殊環境下的超寬帶無線通信信道模型研究[M]. 中國礦業大學出版社，2012,(2)：19-25. [4] 張中兆等.超寬帶通信系統[M].電子工業出版社,2010, (3):44-47.

[5] 王英, 許可. 基于UWB無線定位的汽車防撞系統設計[J].重慶郵電大學學報( 自然科學版), 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

遼寧省教育廳科技研究項目 (L 2012485)

蔡新梅（1979-），女，碩士，講師。研究方向：船舶電子設備與通信技術。