UWB技术在船舶避碰领域中的应用❋

（渤海船舶职业学院 葫芦岛 125005）

1 引言

船舶海上航行安全一直是航海学术长期关注的课题，海上安全关键是船舶间避碰和定位技术发展状况。为了避免海上危险因素的发生，就要准确地及时掌握各种信息。虽然近些年海上航行安全设备日趋完善，但多数设备受海洋恶劣气候环境的影响，都存在着抗干扰能力差、精度不高、信息处理量少等缺陷。超宽带UWB 设备与其他无线通信设备不同，它不需要载波，具有传输速率快、频带宽、功率损耗小、多径分辨率高等特点，使其能应用于船舶航行中，并拥有良好的发展前景。

2 UWB技术自身发展状况

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术出现在上个世纪60年代，率先应用于军事。2002年美国联邦通信委员会（FCC）批准将UWB技术用于民用产品。欧洲国家由ITU 小组对UWB进行的研究、试验，标准由ETSI起草，ETSI标准制定的原则是依据不同的使用及其频率范围而制定的各种测试标准。但关于UWB的测试规范于2008年正式颁布，虽然颁布时间比美国ETSI标准稍晚些，但对UWB技术使用中的无线频谱发射限值更加严格［1］。

近年来民用UWB 技术发展中，UWB 以其独特的技术特点在各行领域取得长足的进步。现在有很多大型的公司推出了UWB芯片，这种芯片应用于无线通信、网络、图像处理系统和定位系统中。在UWB的技术革新中，在很多领域应用各种算法和仿真模型，如遗传算法、退火算法、捕获算法等，为UWB技术后续研究设计提供了良好基础。

3 UWB技术在船舶避碰领域中的应用分析

UWB技术在无线通信实践领域中已经取得重大成就，在航海领域里也能够带来新希望。尤其针对海上船舶间点对点的长／短距离通信，及时准确地确定对方方位、距离，并做出避碰预案及措施，进而提高船舶海上航行安全。

3．1 UWB收／发机基本结构

UWB的发射系统与接收系统结构简单，UWB技术的发射与接收不经过中频处理，直接进入脉冲调制发送信号，通信过程简化一些过程。图1所示为UWB技术的硬件发射与接收的结构。在发射过程中，信号由数字信号处理器完成编码、交织处理，数字信号通过D／A 转换后经过滤波、放大，脉冲发射出去。相反，在接收过程中，回波信号经过天线匹配、滤波、放大后进行A／D 转换，然后再传入基带信号处理中接收、译码等进入数字信号处理器，最终显示在显示器上［2］。从图1可以看出，UWB技术结构简单、精确度高、信息吞吐量大，非常适合船舶在海上交通日益繁杂的海域航行。

图1 UWB收／发机原理图

3．2 UWB技术在船舶避碰中的应用优势

虽然海上应用的防避碰和定位的设备多种多样，如雷达、电子海图、VTS、AIS，但每个设备都有它的局限性。雷达发射的是一种模拟信号，容易受到外界干扰，精确度不高，而且在气象条件复杂情况下杂波较大。电子海图的海图格式支持受限，使用的海图不能及时更新。VTS 的缺点是VTS 利用VHF-DF 人工船位报告识别信息有限，有一定的局限性。AIS功能虽然强大，但只能作用于安装AIS船舶之间，而且可显示的船舶数量有限。以上四种海上航行设备在应用时多少受到一定限制。为了不断提高海上航行安全，就必须加强海上航行的技术更新，UWB技术发射的是冲激脉冲信号，因而宽带容量大。这使其具有对信道衰落弱、系统结构简单、发射信号功耗低、抗干扰能力强、定位准确性高（厘米级）等优点。根据仙农信道容量理论，UWB技术比一般信号通信数据吞吐量大，非常适合海上航行大容量的技术分析［3］。

4 UWB技术通信应用在船舶避碰领域中的可行性、可靠性、可操作性

4．1 UWB技术通信应用在船舶避碰领域中的可行性

在船舶航行中会应用多种通信设备来保障海上航行安全，如GPS、VHF、地面站和导航雷达等，这几种通信设备所占的频段不在UWB 信号规定范围内，如表1所示，这就可以完全避免或减小相互间的干扰问题，达到预期工作目的。在海上通信中抗干扰和抗截获能力是信号传输非常重要的能力，UWB 技术显然更加适合船舶间或船舶内部的相互通信，能够完全发挥特有能力［4～5］。因此，UWB技术应用船舶领域中具备可行性、合理性。

表1 船舶通信设备频段分析

4．2 UWB技术通信应用在船舶避碰领域中的可靠性

现代海运航行中，解决船舶间的避碰问题应用较多的是雷达、VHF、电子海图、AIS 以及设备间的兼容组合。由于UWB技术应用的是冲击脉冲，具备的多种技术优势主要体现在海上定位领域和海上避碰领域［6］。

UWB技术应用到船舶海上定位领域。目前，海上定位系统应用的是AIS 系统的GPS 技术、Bluetooth技术，但GPS 和Bluetooth 的精准性不如UWB技术。GPS定位精度在5m～20m，Bluetooth大约3m，UWB 定位精度在15cm［7］。UWB技术可以精确地测出当时船舶间的方位、距离、航速、航向，实时计算出安全航速，观察海上船舶间的航行密度调整自身航行状态及安全航速的计算时间，最终为航海人员提供安全驾驶措施，可以大大减少海上事故发生。

UWB技术应用到船舶海上避碰领域。目前，海上防碰撞的设备主要应用通信技术和探测目标技术。在通信技术方面，就是应用通信技术手段获取对方船舶信息和操作意图，但人工完成的通信方式往往会效率较低、沟通不畅通，可能导致双方操船意图不协调，发生误差的可能性远大于UWB技术。如果遇到海上水文气象不稳定时，大多数回波信号可能受到不同程度的干扰而失真。尽管AIS设备能够克服天气不良现象，但面对信息传输量大的AIS设备也不能完全支持。而UWB 技术信号传输具有非常强的穿透力，能够穿透树叶、土地、液体，可以抵抗雨、雪、冰雹等不良天气的影响而正常工作。UWB技术的传输特性决定设备可靠性，应用UWB技术可使海上航行中人和设备系统完全受到差错和操作使用环境因素的影响大大降低。因此，采用UWB技术应用船舶海上航行的可靠性要强于其他设备［8］。

由图2所示，UWB 技术应用船舶海上航行设计目标：能够使船舶在恶劣气候条件下完成海上航行安全，并且UWB技术最大限度地应用于海上船舶定位和避碰领域。工作过程：UWB发射／接收模块与UWB信号模块把接收到的信号经过处理，再由数字信号处理器把采样的信号经过目标判别，并测出目标距离和方位，最终提取显示信号和报警信号。

图2 UWB技术应用船舶海上航行系统设计方案

4．3 UWB技术通信应用在船舶领域中的可操作性

UWB技术比其他多数无线通信技术手段更加先进，在UWB技术应用中，以提高定位和避碰水平的信号处理、目标识别、警报运行算法已经取得较大的进展。目前，UWB 技术已经应用到汽车避碰系统，并取得良好的效果［9］。

式中，V为船与船间的相对运动速度，tr为船与船间的相对运动时间。

从公式可以看出，通过准确距离定位，能够给出合理船舶间运动速度，可以根据预测最佳时间来采取必要措施，避免船舶间碰撞事故发生。另外，按照国际对通行的UWB定义分析，信号能量带宽与中心频率的比值大于20%，或绝对带宽超过500MHz的信号为UWB 信号。因此，UWB 技术不仅精准地判断距离、方位，还拥有较大的带宽而进行大量的数据传输，能够在海上航行的可操作性中具体实现［10］。

在船舶海上航行应用UWB 技术时也应该重点两方面改进：一方面，要改进目标的方位角定位信息的精确性，这对海上航行非常关键。而且海上杂波噪声干扰远大于陆地，在技术上也要注重去除虚警，避免造成航行中的误判。另一方面，针对海上气候特点设计出抗干扰性能强的复杂发射信号，配合实时高效的信号处理和目标检测算法，准确发现周边多个目标。

5 结语

虽然UWB技术现在还处于研发阶段，相关理论及各项技术有待探讨，但UWB技术设计应用船舶定位和避碰系统是海运安全领域的技术热点，日后会产生良好的市场效应。另外，如果船舶在海上航行中，根据船舶间距离、方位、速度、海况等信息，与决策支持系统中的案例库（CBR）相结合，将能够产生更加人性化的决策方案，这也是海运安全领域的技术革新。

［1］陶洪波．超宽带无线电UWB无线技术频谱管理及应用［J］．电子技术应用，2008（12）：11-13．

［2］魏为民，唐振军．UWB 超宽带无线通信技术研究［J］．计算机工程与设计，2008（11）：2748-2750．

［3］郭锋，戴迎珺，吴耀辉．一种新的UWB脉冲设计方法与通信性能分析［J］．微波学报，2008（6）：92-96．

［4］宋超，王静，李伟伟，等．超宽带技术在船舶系统中的应用前景［J］．海运世界，2007（1）：38-39．

［5］王波．浅谈UWB 定位技术［J］．中国新技术新产品，2011（23）：47．

［6］陈维富，林基明，樊孝明．高速UWB信号的设计与实现［J］．微波学报，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．