UWB技術在船舶避碰領域中的應用?

（渤海船舶職業學院 葫蘆島 125005）

1 引言

船舶海上航行安全一直是航海學術長期關注的課題，海上安全關鍵是船舶間避碰和定位技術發展狀況。為了避免海上危險因素的發生，就要準確地及時掌握各種信息。雖然近些年海上航行安全設備日趨完善，但多數設備受海洋惡劣氣候環境的影響，都存在著抗干擾能力差、精度不高、信息處理量少等缺陷。超寬帶UWB 設備與其他無線通信設備不同，它不需要載波，具有傳輸速率快、頻帶寬、功率損耗小、多徑分辨率高等特點，使其能應用于船舶航行中，并擁有良好的發展前景。

2 UWB技術自身發展狀況

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術出現在上個世紀60年代，率先應用于軍事。2002年美國聯邦通信委員會（FCC）批準將UWB技術用于民用產品。歐洲國家由ITU 小組對UWB進行的研究、試驗，標準由ETSI起草，ETSI標準制定的原則是依據不同的使用及其頻率范圍而制定的各種測試標準。但關于UWB的測試規范于2008年正式頒布，雖然頒布時間比美國ETSI標準稍晚些，但對UWB技術使用中的無線頻譜發射限值更加嚴格［1］。

近年來民用UWB 技術發展中，UWB 以其獨特的技術特點在各行領域取得長足的進步。現在有很多大型的公司推出了UWB芯片，這種芯片應用于無線通信、網絡、圖像處理系統和定位系統中。在UWB的技術革新中，在很多領域應用各種算法和仿真模型，如遺傳算法、退火算法、捕獲算法等，為UWB技術后續研究設計提供了良好基礎。

3 UWB技術在船舶避碰領域中的應用分析

UWB技術在無線通信實踐領域中已經取得重大成就，在航海領域里也能夠帶來新希望。尤其針對海上船舶間點對點的長／短距離通信，及時準確地確定對方方位、距離，并做出避碰預案及措施，進而提高船舶海上航行安全。

3．1 UWB收／發機基本結構

UWB的發射系統與接收系統結構簡單，UWB技術的發射與接收不經過中頻處理，直接進入脈沖調制發送信號，通信過程簡化一些過程。圖1所示為UWB技術的硬件發射與接收的結構。在發射過程中，信號由數字信號處理器完成編碼、交織處理，數字信號通過D／A 轉換后經過濾波、放大，脈沖發射出去。相反，在接收過程中，回波信號經過天線匹配、濾波、放大后進行A／D 轉換，然后再傳入基帶信號處理中接收、譯碼等進入數字信號處理器，最終顯示在顯示器上［2］。從圖1可以看出，UWB技術結構簡單、精確度高、信息吞吐量大，非常適合船舶在海上交通日益繁雜的海域航行。

圖1 UWB收／發機原理圖

3．2 UWB技術在船舶避碰中的應用優勢

雖然海上應用的防避碰和定位的設備多種多樣，如雷達、電子海圖、VTS、AIS，但每個設備都有它的局限性。雷達發射的是一種模擬信號，容易受到外界干擾，精確度不高，而且在氣象條件復雜情況下雜波較大。電子海圖的海圖格式支持受限，使用的海圖不能及時更新。VTS 的缺點是VTS 利用VHF-DF 人工船位報告識別信息有限，有一定的局限性。AIS功能雖然強大，但只能作用于安裝AIS船舶之間，而且可顯示的船舶數量有限。以上四種海上航行設備在應用時多少受到一定限制。為了不斷提高海上航行安全，就必須加強海上航行的技術更新，UWB技術發射的是沖激脈沖信號，因而寬帶容量大。這使其具有對信道衰落弱、系統結構簡單、發射信號功耗低、抗干擾能力強、定位準確性高（厘米級）等優點。根據仙農信道容量理論，UWB技術比一般信號通信數據吞吐量大，非常適合海上航行大容量的技術分析［3］。

4 UWB技術通信應用在船舶避碰領域中的可行性、可靠性、可操作性

4．1 UWB技術通信應用在船舶避碰領域中的可行性

在船舶航行中會應用多種通信設備來保障海上航行安全，如GPS、VHF、地面站和導航雷達等，這幾種通信設備所占的頻段不在UWB 信號規定范圍內，如表1所示，這就可以完全避免或減小相互間的干擾問題，達到預期工作目的。在海上通信中抗干擾和抗截獲能力是信號傳輸非常重要的能力，UWB 技術顯然更加適合船舶間或船舶內部的相互通信，能夠完全發揮特有能力［4～5］。因此，UWB技術應用船舶領域中具備可行性、合理性。

表1 船舶通信設備頻段分析

4．2 UWB技術通信應用在船舶避碰領域中的可靠性

現代海運航行中，解決船舶間的避碰問題應用較多的是雷達、VHF、電子海圖、AIS 以及設備間的兼容組合。由于UWB技術應用的是沖擊脈沖，具備的多種技術優勢主要體現在海上定位領域和海上避碰領域［6］。

UWB技術應用到船舶海上定位領域。目前，海上定位系統應用的是AIS 系統的GPS 技術、Bluetooth技術，但GPS 和Bluetooth 的精準性不如UWB技術。GPS定位精度在5m～20m，Bluetooth大約3m，UWB 定位精度在15cm［7］。UWB技術可以精確地測出當時船舶間的方位、距離、航速、航向，實時計算出安全航速，觀察海上船舶間的航行密度調整自身航行狀態及安全航速的計算時間，最終為航海人員提供安全駕駛措施，可以大大減少海上事故發生。

UWB技術應用到船舶海上避碰領域。目前，海上防碰撞的設備主要應用通信技術和探測目標技術。在通信技術方面，就是應用通信技術手段獲取對方船舶信息和操作意圖，但人工完成的通信方式往往會效率較低、溝通不暢通，可能導致雙方操船意圖不協調，發生誤差的可能性遠大于UWB技術。如果遇到海上水文氣象不穩定時，大多數回波信號可能受到不同程度的干擾而失真。盡管AIS設備能夠克服天氣不良現象，但面對信息傳輸量大的AIS設備也不能完全支持。而UWB 技術信號傳輸具有非常強的穿透力，能夠穿透樹葉、土地、液體，可以抵抗雨、雪、冰雹等不良天氣的影響而正常工作。UWB技術的傳輸特性決定設備可靠性，應用UWB技術可使海上航行中人和設備系統完全受到差錯和操作使用環境因素的影響大大降低。因此，采用UWB技術應用船舶海上航行的可靠性要強于其他設備［8］。

由圖2所示，UWB 技術應用船舶海上航行設計目標：能夠使船舶在惡劣氣候條件下完成海上航行安全，并且UWB技術最大限度地應用于海上船舶定位和避碰領域。工作過程：UWB發射／接收模塊與UWB信號模塊把接收到的信號經過處理，再由數字信號處理器把采樣的信號經過目標判別，并測出目標距離和方位，最終提取顯示信號和報警信號。

圖2 UWB技術應用船舶海上航行系統設計方案

4．3 UWB技術通信應用在船舶領域中的可操作性

UWB技術比其他多數無線通信技術手段更加先進，在UWB技術應用中，以提高定位和避碰水平的信號處理、目標識別、警報運行算法已經取得較大的進展。目前，UWB 技術已經應用到汽車避碰系統，并取得良好的效果［9］。

式中，V為船與船間的相對運動速度，tr為船與船間的相對運動時間。

從公式可以看出，通過準確距離定位，能夠給出合理船舶間運動速度，可以根據預測最佳時間來采取必要措施，避免船舶間碰撞事故發生。另外，按照國際對通行的UWB定義分析，信號能量帶寬與中心頻率的比值大于20%，或絕對帶寬超過500MHz的信號為UWB 信號。因此，UWB 技術不僅精準地判斷距離、方位，還擁有較大的帶寬而進行大量的數據傳輸，能夠在海上航行的可操作性中具體實現［10］。

在船舶海上航行應用UWB 技術時也應該重點兩方面改進：一方面，要改進目標的方位角定位信息的精確性，這對海上航行非常關鍵。而且海上雜波噪聲干擾遠大于陸地，在技術上也要注重去除虛警，避免造成航行中的誤判。另一方面，針對海上氣候特點設計出抗干擾性能強的復雜發射信號，配合實時高效的信號處理和目標檢測算法，準確發現周邊多個目標。

5 結語

雖然UWB技術現在還處于研發階段，相關理論及各項技術有待探討，但UWB技術設計應用船舶定位和避碰系統是海運安全領域的技術熱點，日后會產生良好的市場效應。另外，如果船舶在海上航行中，根據船舶間距離、方位、速度、海況等信息，與決策支持系統中的案例庫（CBR）相結合，將能夠產生更加人性化的決策方案，這也是海運安全領域的技術革新。

［1］陶洪波．超寬帶無線電UWB無線技術頻譜管理及應用［J］．電子技術應用，2008（12）：11-13．

［2］魏為民，唐振軍．UWB 超寬帶無線通信技術研究［J］．計算機工程與設計，2008（11）：2748-2750．

［3］郭鋒，戴迎珺，吳耀輝．一種新的UWB脈沖設計方法與通信性能分析［J］．微波學報，2008（6）：92-96．

［4］宋超，王靜，李偉偉，等．超寬帶技術在船舶系統中的應用前景［J］．海運世界，2007（1）：38-39．

［5］王波．淺談UWB 定位技術［J］．中國新技術新產品，2011（23）：47．

［6］陳維富，林基明，樊孝明．高速UWB信號的設計與實現［J］．微波學報，2009（1）：87-91．

［7］XIAO H，ROKLIN N，YARVIN N．Prolate spheroidal wave functions，quadrature and interpolation［J］．Inverse Problems，2001，17：805-838．

［8］J Metola III．Cognitive Radio：An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio［M］．Stockholm：Royal Institute of Technology（KTH），2000．

［9］SLEPIAN D．Sone asymptotic expansions for prolate spheroidal wave functions［J］．J．Math．Phys．，1965，44（2）：99-140．

［10］Chen Ruming．Broadband Wireless Mobile Communications Development and UWB Frequency Planning in China［C］／／2008 3rd CJK-WPAN／WBAM Wo rkshop，Dec．2008，Yokosuka，Japan．