基于超宽带技术的船舶避碰系统研究

蔡新梅



基于超宽带技术的船舶避碰系统研究

蔡新梅

（辽宁省葫芦岛市渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125005）

为了有效地减少船舶碰撞，本文提出了采用UWB技术结合编程芯片的一种新型船舶避碰系统设计方案，为船舶导航提供可靠的信息，以确保船舶安全航行。

船舶避碰 超宽带技术 PPM

0 引言

船舶避碰问题是21世纪重要的航海研究课题。现有的船舶测距、测向系统及辨识系统均为各种导航设备以及GPS等卫星定位系统，同时结合陆地指挥和船舶协调，可以实现船舶避碰，成为现有船舶避碰技术。但也存在信息输入不及时、误报警率高、抗干扰能力弱、通信频谱受到限制等缺陷，无法完全避免船舶危险接近。另外，船舶趋于大型化、快速化，各航道通航密度逐年增加，预防船舶碰撞已经成为制约航运业发展的重要问题[1]。利用UWB信号多径分辨率高、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，采用UWB通信技术配合计算机技术设计船舶避碰系统将弥补上述不足。

利用UWB技术实现的船舶避碰系统可检测其他船舶的位置信息、航速信息及方向信息，结合本船的基本信息和航行信息，经处理后，将安全警告或驾驶建议通过特有信道实现自动发送，从而避免发生碰撞。

1 超宽带技术（UWB）技术

超宽带技术( UWB: Ultra Wide Band)不同于其他无线通信技术。它不需要使用载波，而是通过发送纳秒级脉冲来传输数据，在非常宽的带宽内，发送噪音功率电平以下的低功率信号，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。UWB 技术所具有的众多特点符合未来船舶应用要求，但UWB 技术现在还处于研发阶段，相关理论及各项技术仍有待深入探讨。对通信距离的延伸、干扰等问题的更深入研究，将使得UWB 技术可以更好、更快地应用于船舶中。可以预计UWB 技术在未来船舶应用系统中前景广阔。2002年2月，美国FCC(美国联邦通讯委员会)批准了UWB技术用于民用，UWB的发展步伐开始逐步加快[2]。

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。

2 系统总体方案关键模块实现

基于UWB的船舶避碰系统主要是利用UWB技术进行船舶的定位、测速及测距，通过处理器计算航行是否安全并在可能发生碰撞之前报警是防撞系统的最基本的设计方案，如果系统介入到船舶自动航行系统可以实现船舶自主避碰。

2.1 总体设计方案

本课题具体研究的内容有：USB信号源的理论设计、天线的理论设计、微型处理器的选择与软件的实现。

图1 基于UWB的船舶避碰系统构成

由图1可知，系统核心处理器为应用于UWB无线通信的FPGA处理器，前端为UWB信号处理模块，将接收到的信号送给中央处理器，并能将处理器所发信息通过UWB发送模块进行发送，后端为报警模块和显示模块。系统的主要功能由FPGA处理器来完成。其中，UWB 信号模块是本设计的关键，正是由UWB的精确定位，为处理器提供信号源，同时使得主处理模块获得有效的采样信号从而计算距离、判定目标以及实现报警。本系统也可由处理器发出控制信号，驱动自动控制系统以实现自动避碰。

2.2 信号源模块设计

根据FCC对UWB 的定义可知：

H和L分别为功率较峰值功率下降10 dB时所对应的上限频率和下限频率;0为载波频率。此时信号带宽至少为500 MHz。FCC 规定UWB 所使用的频率范围为3. 1~ 10. 6 GHz，由此可见，该脉冲比传统脉冲窄得多，本系统中信号源采用高斯脉冲序列[3]：

脉冲幅度=5，脉冲宽度因子=109，标准差=0.2，脉冲重复周期=10-6s，即可满足要求。

2.3 UWB收发模块

UWB的接收、发信机的结构如图2所示。在接收端，天线获取的信号经低噪声放大器放大后通过匹配滤波处理，再经解调电路恢复原来信息。信号的发送端，从控制器得到的有用信息经调制器进行调制生成适合的UWB信号由天线发送出去。

图2 UWB的接收、发信机的结构

系统中的调制方式采用的是脉冲位置调制PPM（Pulse Position Modulation），PPM是利用脉冲的相对位置来传递信息的一种调制方式，它仅需根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调，PPM信号的调制和接收对通信系统的性能起很大作用[4]。在FPGA上实现的PPM调制解调系统与传统实现方法相比提高了设计效率，并且提高了PPM调制解调系统的工作效率。

2.4 天线

UWB天线的设计应满足天线的输入阻抗及其相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致，从而确证信号的有效发射和接收。为此选用印制偶极子天线，其特点是高灵敏度是通过有效的信号积分和高的检测效率获得的。这种方法可将反射信号加以平均，并能有效地抑制外来噪声，提高接收器的信噪比，提高增益的稳定性[5]。设计时如需要提高检测效率，要准确地延迟取样脉冲。如需提高分辨率，则要求取样脉冲宽度就必须很窄，一般是PRI 的10- 3~ 10- 6倍，典型值是5 ps 到5 ns。

3.5 处理器

将采集到的UWB信号进行处理和测距、及判断识别、报警处理是本系统的核心。本文采用Altera公司的高密度数字信号处理器Stratix III器件，这是一款基于FPGA系统，适合本系统采用的PPM调制技术，该系列具有业界高密度、高性能可编程逻辑器件中最低的功耗。图3给出了具体的软件实现流程图。

图3 处理器软件实现控制流程图

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许多挑战，还有许多技术问题需要研究解决，诸如需要更好地理解UWB传播信道的特点，建立信道模型，解决多径传播等问题；进行高速脉冲收发电路的设计与实现，如高精度的匹配滤波、UWB天线、板上微控制器噪声的处理、抗电磁波干扰等。

3 结束语

利用UWB信号多径分辨率高、较低速率时可以远距离传输、强抗干扰能力、高定位能力、强穿透性、使用频谱广泛、工程实现成本低等特点，采用UWB技术配合计算机技术设计船舶避碰是一种新型的船舶避碰技术，可实现船舶的自主避碰，有效解决现有船舶碰撞系统的诸多缺点。其在船舶避碰技术手段系统中具有广阔的发展前途，将是未来开发设计船舶避碰系统是一个技术热点，这也是未来避碰系统的发展方向，极有可能成为新一代的船舶避碰技术。

[1] 宋超, 王静, 李伟伟, 郭耀奎. 超宽带技术在船舶系统中的应用前景[J].世界海运, 2007.2: 38-39.

[2] 葛利嘉, 曾凡鑫, 刘郁林. 超宽带无线通信[ M] . 北京: 国防工业出版社, 2005.

[3] 胥杰, 赵尚弘, 李云霞, 周万银. UWB信号对GPS 干扰研究[J].现代电子技术，2005.7: 14-16.

[4] 刘己斌，赵惠昌.PPM伪随机码及其应用[J]．现代雷达，2004.2:23-26.

[5] 陈克难,王欣,刘文红.超宽带UWB天线设计[J]. 核电子学与探测技术2009.2: 376-378.

Study on Ship Collision Avoidance System Based on Ultra Wide Band

Cai Xinmei

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

TP206

A

1003-4862（2013）04-0034-03

2012-08-29

辽宁省教育厅科技研究项目资助(L2012485)

蔡新梅（1979-），女，硕士，讲师。研究方向：船舶电子设备与通信技术。