水声定位系统中无线监测浮标天线设计∗

2018-11-26刘百峰

舰船电子工程 2018年11期

刘百峰罗坤

（91388部队94分队湛江 524022）

1 引言

目前，能用于水下潜艇位置监测的长基线水声定位系统有两种［1］，分别是浮标式和潜标式水声定位系统。潜标式水声定位系统由声学应答器分系统、浮标中继站分系统、基站分系统等三部分组成的。声学应答器分系统负责水下目标位置的声学测量；加装了合作信标的水下被测目标在阵内运动时，发射单频信号。声学应答器中的水听器接收到水声信号，送往水声信号处理系统进行处理，得到并记录到达时刻与参考时刻的差［3］；主控计算机对布放的声学应答器阵单元中的三个（或四个）潜标的数据采用球面交汇技术（或双曲面交汇技术）解算出目标位置。为了扩大监测范围引入了中继监测浮标，中继监测浮标同时接收到声学应答器的应答信号经无线电转发，监测母船通过船载基站接收监测浮标接收转发的声学信号实现对远距离潜标的信号监测，从而达到扩大监测区域的目的。本文主要讨论的是影响中继浮标与船载基站分系统无线通信质量的因素，集中讨论了菲尼尔球面损失和海上涌浪对浮标姿态影响，并且对天线高度进行合理设计。

2 绕射损耗

电波传播时，主要能量是集中在以发射点和接收点为焦点的椭圆球面所包围的空间区域内。使反射波与直射波行程差为λ2整数倍的所有反射点形成的面为菲涅尔椭球面，菲涅尔区边界某点到传播路径的垂直距离称为菲涅尔半径。菲涅尔半径与路径余隙的关系将会对电波的传播产生影响。

第一菲涅尔区半径：

式中：d为两通信站间距离；d1，d2为分别为站1和站2距反射点的距离；

最小菲涅尔区半径F0：

微波的传播是在一定的空间区域内进行的，要求传播路径有一个一定大小的截面，否则就有可能使接收点的场强大大下降，这就是路径余隙。根据反射点的位置可以计算出路径余隙：

式中：Hc为路径余隙；Hb为等效地球凸起高度；Hs为反射点处海拔高度；h1，h2为站1，站2天线高度；

等效地球凸起高度的表达式为

当k=4/3时，要保证接收点的接收场强不小于自由空间场强，则传播余隙Hc至少要等于或大于最小菲涅尔区半径F1，即

暂且假设反射点处无障碍物，则不同天线高度和通信距离条件下仿真得到HcF1值的变化情况，见图1。站1的天线高度h1＝28m，站2天线高度分别为h2＝2.2m，h2＝4m，h2＝18m，h2＝22m时得到仿真曲线a～d（实线）；站1的天线高度h1＝22m，站2天线高度分别为h2＝2.2m，h2＝4m时得到仿真曲线e～f（点线）；站1的天线高度h1＝18m，站2天线高度分别为h2＝2.2m，h2＝4m时得到仿真曲线g～h（虚线）。

可以看出，若不计障碍影响，在最小通信距离内，给出的天线高度设计均能保证通信路径有足够的余隙。

3 通信距离与天线高度

系统中基站被高架在船只的桅杆上，在现有设备条件下，基站、浮标可以设计的区间天线高度分别为20m～30m、2m～6m，根据需求可以通过添加延伸杆来调节天线的高度。设计时首先需要考虑浮标的天线高度所能达到的通信视距［6］。天线高度与视线距离之间的关系为

式中：d0为视线距离，km；k为等效地球半径系数；h1，h2为分别为通信站1和站2的天线高度，m；R0为地球半径，6370km。

用等效地球半径取代地球半径，取K=4/3。按各通信节点天线的最小高度计算，可以分别得到视线距离，当视距超过了最小通信距离的需求，通信距离得到了基本的保证。

4 浮标姿态控制

涌浪使浮标摇摆，从而会改变天线的姿态。海试中对浮标的摇摆情况做了测试，浮标电子舱内放置一姿态仪，将姿态仪数据实时传送至测控船，由于电子舱在水下1m处，可以近似看做为浮标天线姿态变化情况，图2为三级海况时浮标摇摆角的海试实测统计数据，摇摆角服从正态分布，浮标在±5°范围内摇摆占95%以上。此种摇摆程度对浮标天线有效高度的影响并不大。

然而，浮标的摇摆将改变天线姿态，进而影响天线的波束指向。天线的指向性图如图3所示，其水平波束宽度为360°，-3dB垂直波束宽度为15°。

天线姿态±5°的变化可能会使天线的增益损失2.5dB～3dB。仿真分析了天线增益改变时，通信作用距离的变化，见图4。站1的天线高度均为h1＝28m，图左为站2天线高度h2＝2.2m，图右为站2天线高度h2＝4m时的仿真图形，图中曲线a～d（从左至右的四条曲线）分别对应天线增益为8dBi、7dBi、6dBi、5dBi时的收信电平。可以看出，天线增益损失1dBi，则通信距离将缩短1km。天线姿态对通信距离有很重要的影响。