水聲定位系統(tǒng)中無線監(jiān)測浮標(biāo)天線設(shè)計?

劉百峰 羅 坤

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

目前，能用于水下潛艇位置監(jiān)測的長基線水聲定位系統(tǒng)有兩種［1］，分別是浮標(biāo)式和潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)。潛標(biāo)式水聲定位系統(tǒng)由聲學(xué)應(yīng)答器分系統(tǒng)、浮標(biāo)中繼站分系統(tǒng)、基站分系統(tǒng)等三部分組成的。聲學(xué)應(yīng)答器分系統(tǒng)負(fù)責(zé)水下目標(biāo)位置的聲學(xué)測量；加裝了合作信標(biāo)的水下被測目標(biāo)在陣內(nèi)運動時，發(fā)射單頻信號。聲學(xué)應(yīng)答器中的水聽器接收到水聲信號，送往水聲信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，得到并記錄到達(dá)時刻與參考時刻的差［3］；主控計算機(jī)對布放的聲學(xué)應(yīng)答器陣單元中的三個（或四個）潛標(biāo)的數(shù)據(jù)采用球面交匯技術(shù)（或雙曲面交匯技術(shù)）解算出目標(biāo)位置。為了擴(kuò)大監(jiān)測范圍引入了中繼監(jiān)測浮標(biāo)，中繼監(jiān)測浮標(biāo)同時接收到聲學(xué)應(yīng)答器的應(yīng)答信號經(jīng)無線電轉(zhuǎn)發(fā)，監(jiān)測母船通過船載基站接收監(jiān)測浮標(biāo)接收轉(zhuǎn)發(fā)的聲學(xué)信號實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離潛標(biāo)的信號監(jiān)測，從而達(dá)到擴(kuò)大監(jiān)測區(qū)域的目的。本文主要討論的是影響中繼浮標(biāo)與船載基站分系統(tǒng)無線通信質(zhì)量的因素，集中討論了菲尼爾球面損失和海上涌浪對浮標(biāo)姿態(tài)影響，并且對天線高度進(jìn)行合理設(shè)計。

2 繞射損耗

電波傳播時，主要能量是集中在以發(fā)射點和接收點為焦點的橢圓球面所包圍的空間區(qū)域內(nèi)。使反射波與直射波行程差為λ2整數(shù)倍的所有反射點形成的面為菲涅爾橢球面，菲涅爾區(qū)邊界某點到傳播路徑的垂直距離稱為菲涅爾半徑。菲涅爾半徑與路徑余隙的關(guān)系將會對電波的傳播產(chǎn)生影響。

第一菲涅爾區(qū)半徑：

式中：d為兩通信站間距離；d1，d2為分別為站1和站2距反射點的距離；

最小菲涅爾區(qū)半徑F0：

微波的傳播是在一定的空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，要求傳播路徑有一個一定大小的截面，否則就有可能使接收點的場強(qiáng)大大下降，這就是路徑余隙。根據(jù)反射點的位置可以計算出路徑余隙：

式中：Hc為路徑余隙；Hb為等效地球凸起高度；Hs為反射點處海拔高度；h1，h2為站1，站2天線高度；

等效地球凸起高度的表達(dá)式為

當(dāng)k=4/3時，要保證接收點的接收場強(qiáng)不小于自由空間場強(qiáng)，則傳播余隙Hc至少要等于或大于最小菲涅爾區(qū)半徑F1，即

暫且假設(shè)反射點處無障礙物，則不同天線高度和通信距離條件下仿真得到HcF1值的變化情況，見圖1。站1的天線高度h1＝28m，站2天線高度分別為h2＝2.2m，h2＝4m，h2＝18m，h2＝22m時得到仿真曲線a～d（實線）；站1的天線高度h1＝22m，站2天線高度分別為h2＝2.2m，h2＝4m時得到仿真曲線e～f（點線）；站1的天線高度h1＝18m，站2天線高度分別為h2＝2.2m，h2＝4m時得到仿真曲線g～h（虛線）。

可以看出，若不計障礙影響，在最小通信距離內(nèi)，給出的天線高度設(shè)計均能保證通信路徑有足夠的余隙。

3 通信距離與天線高度

系統(tǒng)中基站被高架在船只的桅桿上，在現(xiàn)有設(shè)備條件下，基站、浮標(biāo)可以設(shè)計的區(qū)間天線高度分別為20m～30m、2m～6m，根據(jù)需求可以通過添加延伸桿來調(diào)節(jié)天線的高度。設(shè)計時首先需要考慮浮標(biāo)的天線高度所能達(dá)到的通信視距［6］。天線高度與視線距離之間的關(guān)系為

式中：d0為視線距離，km；k為等效地球半徑系數(shù)；h1，h2為分別為通信站1和站2的天線高度，m；R0為地球半徑，6370km。

用等效地球半徑取代地球半徑，取K=4/3。按各通信節(jié)點天線的最小高度計算，可以分別得到視線距離，當(dāng)視距超過了最小通信距離的需求，通信距離得到了基本的保證。

4 浮標(biāo)姿態(tài)控制

涌浪使浮標(biāo)搖擺，從而會改變天線的姿態(tài)。海試中對浮標(biāo)的搖擺情況做了測試，浮標(biāo)電子艙內(nèi)放置一姿態(tài)儀，將姿態(tài)儀數(shù)據(jù)實時傳送至測控船，由于電子艙在水下1m處，可以近似看做為浮標(biāo)天線姿態(tài)變化情況，圖2為三級海況時浮標(biāo)搖擺角的海試實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，搖擺角服從正態(tài)分布，浮標(biāo)在±5°范圍內(nèi)搖擺占95%以上。此種搖擺程度對浮標(biāo)天線有效高度的影響并不大。

然而，浮標(biāo)的搖擺將改變天線姿態(tài)，進(jìn)而影響天線的波束指向。天線的指向性圖如圖3所示，其水平波束寬度為360°，-3dB垂直波束寬度為15°。

天線姿態(tài)±5°的變化可能會使天線的增益損失2.5dB～3dB。仿真分析了天線增益改變時，通信作用距離的變化，見圖4。站1的天線高度均為h1＝28m，圖左為站2天線高度h2＝2.2m，圖右為站2天線高度h2＝4m時的仿真圖形，圖中曲線a～d（從左至右的四條曲線）分別對應(yīng)天線增益為8dBi、7dBi、6dBi、5dBi時的收信電平。可以看出，天線增益損失1dBi，則通信距離將縮短1km。天線姿態(tài)對通信距離有很重要的影響。

5 試驗

為了檢驗通信系統(tǒng)的通信能力，確定合理的天線高度設(shè)計，在南海做了海上通信拉距試驗。基站天線架設(shè)在船的桅桿上，高度為h1＝28m，為了保障浮標(biāo)的實用性和可操作性，浮標(biāo)天線初步設(shè)計為h2=2.2m（出水面高度），實驗海況為三級。

試驗得到如下數(shù)據(jù)：

基站與未加延伸桿浮標(biāo)間的通信距離與誤幀率統(tǒng)計（表1）：

表中可看出由于海面的強(qiáng)反射作用，使得通信距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于視距。除了海面反射的影響，涌浪會影響天線的姿態(tài)，進(jìn)而使天線的波束方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，降低了天線的增益。海況不同，通信距離就會有很大的差異。

表1 基站與天線高度為2.2m浮標(biāo)間的通信距離與誤幀率

6 結(jié)語

經(jīng)過理論分析和海上試驗證明，考慮影響浮標(biāo)與基站通信距離因素，浮標(biāo)天線高度設(shè)計是合理的，對后續(xù)的天線設(shè)計具有借鑒意義。