（水声工程专业论文）无线电水声浮标阵多目标跟踪定位系统.pdf

哈尔滨工程大学博士学位论文 计了通信协议。通信距离是系统设计时需重点考虑的问题之一，通过理论分 析、仿真和海上拉距的实验结果，证实所设计的通信系统可以达到1 5 k m 的通 信距离( 基站与浮标间) ，这也是保证系统跟踪范围的一个重要依据。 最后，本文对系统的湖试、海试作了介绍，系统的各项优良性能在实验 中得到了充分的体现。 关键词：水声定位系统：浮标；微波通信；无线局域网；d g p s ；。；。莲彗皇童墨薹l l 篓耋垦堡墼毖毖堡至篁； ； ； a b s t r a c t a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e mh a sw i d ea p p l i c a t i o ni no c e a ns c i e n t i f i cf i e l d h o w e v e r , e x i s t i n gs y s t e m s h a v e d i s a d v a n t a g e so f b u l k i n e s s ，p e r p l e x i n go p e r a t i o n ， l i m i t e d p o s i t i o nr a n g e a n dl o wp r e c i s i o n ，r e s u l t i n gi nt h e i r i n c o m p e t e n c eo f s a r i s f y i n gm a n ya p p l i c a t i o nn e e d s w i t h t h ed e v e l o p m e n to fa c o u s t i c sa n d s i g n a l p r o c e s s i n gt h e o r y , 猫w e l la st h a to f d s pa n dd g p s t e c h n o l o g y , i ti sp o s s i b l ef o r u st od e v e l o pm o r ea d v a n c e d p o s i t i o n i n gs y s t e m s 。 t h em a i nw o r ko f t h i st h e s i si n c l u d e s ：s y s t e ml e v e ld e s i g na n d i m p l e m e n t t a - t i o no fa nu n d e r w a t e r m u l t i p l et a r g e t st r a c k i n g ( u m t t ) s y s t e m ，u s e o ft h e e m b e d d e dd g p sr e c e i v e ri nb u o y , m i g r a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m o n o c e a n ，a n dp e r f o r m a n c ev e i l f i c a t i o nb ye x p e r i m e n t s ， s y s t e ma r c k t e c t u r ed e s i g ni sc r u c i a lt oas y s t e m sp e r f o r m a n c e o u rs y s t e m i sc o m p o s e do f d i s p l a ya n dc o n t r o ls u b s y s t e mo i lb o a t ，r e l a ys t a t i o n ，a n db u o y s ， a m o n go t h e r s ，b u o y - s t y l es t r u c t u r ei so n e o fi t si n n o v a t i o n s ，w h i c he n a b l e si tt o t r a c ka n dp o s i t i o nt a r g e t si nw i d e r a n g ew i t hh i g hp c i s i n n t h i st h e s i si n t r o d u c e s t h ed e s i g nm o d eo ft h es y s t e m ，a c o u s t i cs i g n a ld e t e c t i o na n de s t i m a t i o nm e t h o d s ， h o wt op o s i t i o na n ds o l v e ，e t c 。o t h e r sd i s c u s s e di nt h et h e s i si n c l u d es o l o , r a r ea n d h a r d w a r er e a l i z a t i o no f b u o ye l e c t r i c a lp l a t f o r ma n db a s es t a t i o ns y n t h e s i z e r , a n d m o d u l ed e s i g no f c o n t r o l l i n g a p p l i c a t i o n a c c o r d i n g t op o s i t i o np r i n c i p l e ，i ti sn e c e s s a r yt og e tb u o y s l o c a t i o nb e s i d e s t a r g e t s a c o u s t i ci n f o r m a t i o n 。f o r t u n a t e l y , d ( 接sh a sm a d es u c hp r o b l e me a s yt o b es o l v e d 。w i 氇d g p se m b e d d e di nb u o ye l e e t t c a lp l a t f o r m a c c u r a t el o c a t i o no f b u o yc a r lb ed y n a m i c a l l ya c q u i r e d i na d d i t i o n ，n o d e si nt h es y s t e mn e e db e s y n c h r o n i z e dp e r i o d i c a l l yt op r o p e r l yw o r k ，w h e r ed 礤sa l s op l a y sa ni m p o r t a n t r o l e t h ei p p s ( o n ep u l s ep e rs e c o n d ) s i g n a lo u t p u tf r o md g p s p r o v i d e sa ne a s y w a yt oa c c u r a t e l yt i m eu s i n ga no r d i n a r yc l o c k i t s u s ea n ds y n c h r o n i z a t i o n 哈尔滨工程大学博士学位论文 m e t h o d sa r ep r e s e n t e di nt h et h e s i s ， m e a s u r e m e n td a t ao f b u o y si sc o l l e c t e df o rm a s t e rc o m p u t e r , w h e r et a r g e t p o s i t i o n s a r eo b t a i n e d b ys y n t h e s i z i n g d a t aa n d r e s o l v i n ge q u a t i o n s d a t a e x c h a n g eb e t w e e nb u o y sa n dc o m p u t e rc o m e st r u e w i t ht h eh e l po fw i r e l e s s m i c r o w a v es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi saw i r e l e s sl a n c o m p r i s i n gb u o y s ，r e l a ya n db a s es t n i o ns y n t h e s i z e ra n du t i l i z i n g2 4g h z b a n d w i t hb i tr a t e u pt o 1m b p s a sw ek n o w , s s u e hw i r e l e s s d i g i t a l m i c r o w a v e c o n m a u n i c a t i o ni ss e l d o mp u ti n t oa c t i o no no c e a n ，a n dt h e no f f e r sa c h a l l e n g ef o r u s n e x t ，t h et h e s i si l l u s t r a t e st h ef e a t u r eo ft r a n s c e i v e ra n dh o w t oc o m m u n i c a t e ， a n d d e s i g n s c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l o nt h eb a s i so fp r a c t i c a l w o r k i n g e n v i r o n m e n t c o m m u n i c a t i o na c c e p t a n c er a n g ei so n eo ft h ei m p o r t a n ti s s u e st o b ec o n s i d e r e dd u r i n gd e s i g n t h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t o no c e a n ，r e l i a b l ec o m m u n i c a f t o nc a l lb ea c h i e v e da sd i s t a n c eb e t w e e nb a s e s t a t i o na n db u o yi n c r e a s i n gu pt o1 5k i l o m e t e r , w h i c hg u a r a n t e e st h es y s t e m s t r a c k i n gr a n g e l a s t l y , t h i st h e s i sg i v e sd e t a i li n f o r m a t i o na b o u te x p e r i m e n t sb o t ho nl a k e a n do no c e a n ，i nw h i c hm a n y h i g hp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m h a sf u l l ye m b o d i e d k e y w o r d s ：a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m ；b u o y ；m i e r o w a v ec o m m u n i c a t i o n ；w i r e l e s sl a n d g p s 第l 章绪论 。 礴究背景稻意义 第l 章绪论 它在哪里? 这是一个最蒸举的问题，但针对水下目标回答这个问题并不 容易。从十五世纪开始人们就开始尝试寻找有效的探测手段，人擞缝历了一 个5 0 0 多年极其漫长豹探索过程，直到世界大战。藏争使a 3 认谈到了水下 蠢糠韵掇淄帮铡薰酶重要髅，并开蘩致力予这方蘸敬研究，穗定了运薅东声 技术褥决遮一闻题酶方法。簿二次世器太袋乏矮水声技术才开拣褥戮了浃速 的发展剩应用“】。在军事方阐，精确的导航定靛系统是潜艇从事水下活动的 耳目，也是检验水下制导撼器性能的必要手段。在民用方面，海滞资源的开 发，以及汪河湖海中广泛滋帮救助打捞、海洋勘搽、辩学考察、海上石油开 发等酃离不嚣对零下或末嚣叠器定经或荨靛。水下佟叠装鍪蕊磅制已被蚕 歹为篡髓敞旗意义懿秘磷诗裂之孛。鋈外邑裔嘏多梳稳在姨事予遮穷箍豁工 作，研制出了用于不同场合的水声定位跟踪系统。以满足军事、民用需求。 谶年来，我国海军水中兵器有了较快的缴燧，照雷武器系统的渤力航程、 自导佟髑距离、航速和攻击题标豹能力都大大提高，这对海军靶场的实验测 试髭力提惠了菱塞匏要求。靶秘必矮建设蕊藐嚣焱浆溅试设备，鬟蛰辩高速、 大靛禚遥禄鳃赢稽凄辘逑溅量熊力，竣满足耨爨装备静实验鉴定锰务。褥裂 是担熊鞘场重要职能的水下目标跟踪系统的敬谶和提高，不仅要求测蘑设备 能及时凇确地捕捉和跟踪目标，而且要求测爨的范围大、精度高，并要求有 多目标测整功能。 本漾题稳选题泉源予海攀糕臻懿工程设备项强，是菜鼗备实验蕊定苓霹 缺少鹣灞控设备+ 主要锤努建精确跟踪窝定侥热装合 窜声学蔫梅懿多令承下 目标的运动轨迹。这一项黼对保证完成海军慧点武器装备实验鉴患镊务、提 高水中兵器靶场的综合实验测量能力具有重嚣懑义。 此外，水声定位系统在民用方面也有广泛的需求。当前随着人类在各种 哈尔滨一1 2 程大学| 尊士学位论文 水域( 包括海洋和内陆江河、湖泊) 活动的不断加强，诸如碰撞、触礁、倾覆 等事故| j ， | 有发生，事故发生后为了救援和寻求事故原因常常需要对水下沉没 目标进行勘测定位。另一方面，我国对海洋资源的开发和保护越来越重视， 如目前兴起的水下考古研究，各种海洋工程的建设、海洋油气和深海矿产资 源的调查和_ 丌发等方面的投入日益加大，因而对海洋调查测量的精度和手段 的要求也越来越高，高精度的定位系统是获取各种高精度测量数据的最基本 保证。 水声定位系统具有广泛的用途，较大的需求，从事这一研究不仅可以促 进我国定位和水声技术的发展，也会改变我国在该技术上主要依靠进口设备 的现状，产生良好的经济效益。 1 2 水声定位系统研究概况 科研人员希望能够从声、光或电磁波中找到一种在海水介质中具有理想 传播性能的方式。而声波在海水、海底介质中的吸收衰减远小于光波、电磁 波，可以在海洋中传播最远。因此水声技术是当前海洋科学中的主要研究手 段“。 但有些人并不满足于此，因为海洋介质的不均匀性和多变性导致声速分 布规律非常复杂，还受到多静因素的制约聃3 。这样声纳在进行水下探测、定 位时，有时会造成较大的定位和测向偏差。1 9 6 3 年，s a s u l l i a n 及s q d i m t 一 1 e v 等人在研究光波在海洋中的传播特性时，发现海水对0 4 5 o 5 5 微米波 段内的蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多，利用工作在蓝绿光波 段的激光器可研制出基于新的物理机理的水下目标探测、控制、通信等新型 装各啪瑚3 。一些发达国家如美国、加拿大、澳大利亚、瑞典、意大利、日本 和法国都建立了各自的水下光电探测研究系统。一些激光水下探测系统，如 美国卡曼航空公司的m a g i cl a n t e r n 9 0 、美国西屋电气总公司的s m 2 0 0 0 以及 加拿大l u c i e 等已投入使用，这些系统大多以搜索沿海潜艇、小型潜艇和水 雷为目的，或是声纳探测的一种辅助手段，且现阶段也只局限于目标的探测， 至于蓝绿激光技术的更广泛应用尚处于概念阶段或实验阶段”“3 3 。 尽管海洋环境复杂多变，但经过几十年的研究，声波在水中的传播规律、 第l 章绪论 声辐射、反射、目标特性以及水下噪声、水声信号处理等都已基本形成了成 熟的理论，因此水声技术目前仍是水下目标定位的最有效方法。 水声定位系统是利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲间的时问差或相 位差对水面、水中目标定位的仪器系统。水声定位系统按定位基线长度可分 成三类：长基线( l o n g b a s e l i n e p o s i t i o n i n g s y s t e m ) 、短基线( s h o r t b a s e l i n e p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、超短基线( u l t r as h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m ) ， 表l _ l 列出这三种定位系统的典型基线长度”1 。 表1 1 水声定位系统的分类 定位类型基线长度简称 长基线1 0 0 m 6 0 0 0 m l b l 短基线1 m 5 0 ms b l 超短基线小于0 5 mu s b l 、s s b l 也可将几种方式结合使用，称为组合定位系统，组合定位系统分4 种： 长基线超短基线( l u s b l ) 、长基线短基线( l s b l ) 、短基线超短基线( s u s b l ) 、 长基线短基线超短基线( l s u s b l ) 等组合定位系统。 一般来说，l b l 系统在海底较远距离按一定的几何形状布设应答器阵， 相邻三个或四个应答器构成一基阵。布设基阵后先要确定基元位置，测量方 法为由母船上的应答器发射询问脉冲，多次变换母船位置后，利用声学原理 解算迭代方程得到基元的相对位置坐标。基元位置坐标确定后，可以用解析 法得出目标的位置。通过测量应答器器发射询问信号到接收到应答信号的时 延差，可以得到目标到各个应答器间的斜距值，从而建立球面方程组，计算 目标位置。l b l 系统多是大型固定安装系统，跟踪范围达数百平方公里。主 要优点是精度高、可靠性好。 s b l 系统基线长度较短。相对位置固定，常装在船舶或平台上，它的水 听器基阵由四个成直角坐标配置的水听器组成，工作原理同长基线定位“。 与l b l 系统相比，s b l 系统跟踪范围较小。可以通过增加基阵的数目来扩大 跟踪范围。短基线系统是目前鱼雷靶场广泛使用的一种三维跟踪系统。 哈自；滨： 稃火学博士学位论文 u s b l 系统是由s b l 系统中用相位方法测量目标的系统发展而来的。它的 基线长度小于半波长，可以很精确、很方便地安装成一个平面测量阵，由船 舶或平台放入水中。工作时，母船的应答器发射询问信号，根据目标的应答 时间测出水下目标的距离，同时利用到达各阵元的应答信号相位差测出目标 的方位，从而得到目标的位置。u s b l 系统的设备更为简单，在其适用的场合 表现出很好的灵活性。主要缺点是其定位精度较低，目前国际上此类的定位 精度在2 5 左右，国内在3 左右。要进步提高其精度，必须进一步研究 精度高的接收阵，较大幅度地增加系统的输入信噪比等技术【1 9 j 。 国外有很多公司看好开发海上作业设备这一广阔市场，并已形成专业化、 产业化，研制出了一系列的产品。表i 2 列出了国外一些从事水声定位系统 生产的公司及其产品类型。 表i 2 从事水声定位系统生产的外国公司 t a b l e1 2 f o r e i g nc o m p a n ye n g a g i n gi na c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m 、产品类型超短基线短基线定长基线定组合定 岔司 定位系统位系统位系统位系统 k o n g s b e r gs i m r a d s o n a r d y n e n a u t r o n i x o c e a n ot e c h o l o g i e s o r e b e n t h o s e d g e t e c h ( e g & g ) i m e t r i x s o n a t e c h o r c a p m e s 国外对声学定位系统研究较早的是挪威k o n g s b e r gs i m r a d 公司c i a l 已 有近3 0 年的研究、丌发历史。该公司掌握了三种定位技术，有一系列成熟的 产品投入到军方及民用，已经成为该项技术的标准。特别是该公司于1 9 9 7 年推出了世界领先水平的高精度长程超短基线定位系统- - h i p a p 3 5 0 ，作用距 4 第1 章绪论 离可达3 0 0 0 米，距离测量精度优于2 0 c m ，随后推出h i p a p s 0 0 ，作用水深达 4 0 0 0 m ，测距精度优于2 0 c m ，新近推出的h j p a p 7 0 0 ，作用水深达1 0 0 0 0 米， 测距精度优于5 0 c m ，也是世界上唯一工作水深上万米的长程超短基线定位系 统；h i p a p 7 0 0 的换能器出5 0 个声学单元组成，采用7 5 。的窄波束方式提高 了换能器的指向性和信噪比，工作频率1 3 k h z ，能同时跟踪5 个以上的目标： h i p a p 系列水下定位系统，同时具有长基线定位功能，而且在同一工作船上 可以安装2 个换能器、一套收发系统工作，进一步提高定位精度，截至2 0 0 1 年底，h i p a p 系列在全球已经销售2 0 0 多套。 法国o c e a n o t e c h n o l o g i e s 公司“2 1 i n 3 ( 原m o r s 公司) 推出的p o s i d o n i a 6 0 0 0 长程超短基线定位系统，工作水深6 0 0 0 m ，屉大作用距离8 0 0 0 m ，在6 0 0 0 m 水深3 0 0 开角范围内，测距精度为0 5 ，询问频率为8 o 1 4 k h z ，应答频率 为1 4 1 8 k h z ，该系统已经成功推向市场。 此外，英国的s o n a r d y n e 公司。“”姗是一家专门从事生产水下声学仪器 设备的厂家，它几乎涉足了海上作业所需的所有设备。该公司生产的l b l 系 统克服了传统l b l 系统的布设和校准应答器阵列需要花费大量时间的局限 性，开发了智能型c o m p a t t 应答器，进行各对应答器之间的直接基线测量。 系统的基本部件包括海底计算和遥测应答器组c o m p a t t s 和船载可编程声学 航行器p a n 等。其l b l 系统的性能列于表1 3 。 表1 3s o n a r d y n el b l 系统性能 t a b l e1 3t h ep e r f o r m a n c eo fs o n a r d y n e sl b l 频道( k h z )最大距离( k m )定位精度( m ) 低频( l f ) 7 5 1 5 1 0 0 5 2 中频( m f ) 1 8 3 6 3 0 1 5 l 极高频( e h f ) 5 0 1 1 0 h ，h ，电波投射到海面上的射线仰角很小，因此可作以下近似： 一是认为在接收点处直射波电场强度和反射波电场强度在极化方向上是一致 的；二是发射天线在直射波方向和反射波方向上的辐射强度一致，或增益系 数一致。 接收点厅处直射波的场强8 1 ( ，f ) 为自由空间传播时的电场强度，即 巳( _ ，f ) = e oc o s ( ( d t 一励) ( 3 1 0 ) 式中：一直射波的路径长度； ，仃 卢一自由空间的相移常数，= 等： e 一直射波电场强度的幅值； 对于反射波，由于经过海面反射至接收点，因此反射波电场强度是直射 波的幅值乘以海面反射系数模值ir j ， 而相位是在直射波的基础上再加上由 于路径差而引入的相位延迟卢( 眨- r t ) 以及由于海面反射点处而引入的附加 相位西，即 吃( 吒，t ) = 1 r l e oz o s a ) t 一_ + ( 妒一p i r ) ( 3 一】) 式中：巧一反射波的路径长度； r 一反射波的路径长度和直射波的路径长度之差； f 一海面反射系数，f = l t i e 一，其中l f l 是反射系数的模值，妒是 反射系数的相位。r 与反射界面的电参数、电波频率c o 、极化形式以及电波 投射到海面时的角度有关。 接收点处总电场强度是直射波和海面反射波的合成场，因此， e ( t ) = e i ( r l ，f ) + 8 2 ( 吒，t ) ( 3 1 2 ) 合成场的幅值f 为： e = ) i = l e l ( ，f ) + e 2 ( r 2 ，f ) i = e 0 2 + e 0 2 1 r 1 2 - 2 e 0 2 i r l c o s 万一( 一肚r ) 】 ( 3 1 3 ) r 一 = 磊l + l r j 2 + 2 l r l c o s ( 矿一? a r ) 哈尔滨工程大学博士学位论文 定义传播电路的衰落因子矿，接收点的实际电场强度幅值e 和自由空间 电场强度幅值反之比，即 v ：旦 ( 3 1 4 ) 若用分贝表示，则矿为： = 2 0 1 9 ( 3 一1 5 ) b 0 矿= 2 0 l g f f l + l f l 2 + 2 l r i c o s ( 一，8 ，) ( 3 一1 6 ) 对于垂直极性天线而言，r 可表示为： r =( 3 一l7 ) s ：= s - j ( 1 9 0 0 0 a ) 缸 ( 3 一1 8 ) 式中的s ，盯是与地表特性有关的常数，对于海水介质两者的典型取值是： s = 8 1 ，盯= 5 0 ，驴为海面入射角。 此外，式( 3 1 1 ) 中的r 的计算方式为： a r = 2 乓砬d ( 3 1 9 ) 式中爿成分别是发射天线和接收天线的有效高度，其数值服从以下表达式： 啊= 一蔫，呓= 一蔫 ( 3 - 2 。) 值取为常数4 3 。 综合以上分析可以得到接收点处的收信电平为： b = 耳+ g r + g 一三厅一三斤一t 十y 0 ( d b m ) ( 3 2 1 ) 其中：只为收信机的接收电平，b 为发信机的输出电平，g r ，g r 分别为收、 发天线的增益，l 。，工n 分别代表收、发两端的馈线损耗，t 为自由空间损 耗。 各通信节点的最大发射功率为2 8 d b m ；各通信节点均使用全向天线，天 线增益为8 d b i ：馈线的损耗为每百米6 d b ，基站馈线长度为3 5 m ，中继馈线 长度约为7 m ，浮标馈线长度约为浮标天线的出水高度。收发信机的正常接收 电平为一9 2 d b m ，而接收门限电平为一9 7 d b m ( 误码率1 0 e 一6 ) 。设定不同的天线 高度及不同的通信距离，仿真可以得到不同通信距离下接收点功率的理论曲 躇 一一+ 妒一缈 n n虬一龇 q一， 第3 章海面信道微波传播特性 线( 见图3 5 3 7 ) 。 _ 3 0 4 0 5 0 5 0 ，、 董7 0 i b 0 脚 篓- 卯 1 一1 1 0 - 1 2 0 曲线a ( 实纠 l 曲线b ( 虚甥 、 曲线c ( 点翅 豁融 曲戋d ( 点 w i 繇 ”i ；o 一“l ，、 、，飞、 “ f - 弋、 -、。 ， b、d c 、 ，：， 、? 、j - 3 0 4 0 印 6 0 盖- 7 0 3 * _ 8 0 越 篓+ 9 0 1 叩 一”0 1 2 0 1 舶 倒线a ( 实g i 曲线b ( 虚 是 。百 弧 一r 一? 、 文” b 弋 ，p # 3 么 - - ) ：九= 2 2 m 一) ：氟= 4 m ； 通信跨离承m ) 图3 6 髓= 2 2 m 时收信点的接收电平 f i g u r e3 6r e c e i v e dl e v e lo f r e c e i v e r w h e n 危2 2 2 m 3 7 哈尔滨工程大学博七学位论文 菇险蘸誊j；|；jj；|；三； 盘1 1 0 二二：圭二二攀：翥玩量童 舶。 _ 喜 广荽喜_ 3 3 4 微波传播的大气效应 大气中的气体和云雾等对电波传播是有影响的“。其影响在于大气成分 中的氧气、水蒸气以及由后者凝聚而成的云、雾、雨、雪能从电磁波中吸收 第3 章海面信道微波传播特性 能量，产生吸收衰落。此外，雨雾的小水滴会引起电磁波能量的散射，从而 引起电磁波能量的散射而产生散射衰减。本系统通常应避免在降雨时1 作， 因为系统没有避雷击措施。 对于2 4 g h z 的微波信号而言，由于信号的波长比起组成这些物体的颗粒 的尺寸要大得多，这些东西实质上是透明的，同自由空间损耗相比，这种衰 减程度对系统只产生一些微小的影响，在设计中只需留有一定的电平余量。 3 3 5 电波传播的衰落特性 在微波通信的传播路径中，经常会出现大气的不均匀结构。因大气中有 对流、平流、湍流以及雨雾等影响，再加上少许的海面反射波，就会使收信 点的场强不断地起伏变化，引起电波的衰落，这种衰落具有随机变化的特点。 衰落对视距传播的影响主要有两个方面：一是接收电平下降；二是由于 衰落的频率选择性而引起传输波形的失真。由于本系统中信号传输带宽较窄， 可以忽略频率选择性的影响，认为在信号传输带宽内具有相同的电平衰落深 度，这种衰落为平衰落，多径效应是引起此种衰落的主要因素”“1 。 由于衰落具有随机性，只能分析它的统计特性。平衰落的概率分布趋于 瑞利概率分布，但这种衰落的概率还与当时当地的气象、季节、地理环境等 因素有关，不同国家和地区的计算公式是不同的。我国有如下经验公式： p = k d 厂“2 d 。- 1 0 ”一( 3 - 2 2 ) f 3 9 1 0 - k d = j 1 0 - 9 【9 9 1 0 。8 4 8 + 红 式中：d 一站距( k ) ： f 一工作频率( g h z ) 5 足一环境条件因子： q 一地形条件因子； 只一衰落深度 3 9 ( 山区、丘陵) ( 平原) ( 3 2 3 ) ( 海面、湖泊、沼泽) 哈尔滨工程大学博士学位论文 衰落深度又称衰落储备，是正常收信电平与门限电平的差值，本系统的 衰落深度为5 d b 。表3 1 给出了几种不同距离、不同天线高度情况下的衰落 概率值。 表3 1 衰落概率 矗( m ) h 2 ( 皿) d ( k i n )p 2 82 21 56 7 e 一0 0 4 2 8 4 1 56 5 e - 0 0 4 2 8 2 22 21 9 e - 0 0 3 2 2 2 2 l l2 5 e 一0 0 4 2 241 12 4 e - 0 0 4 系统通信协议中设计的重发机制，一定程度的中断不会影响系统正常通 信。此外，扩频通信方式可以抗平衰落。利用扩频码序列之间的相关特性， 可以在接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把 多个路径来的同一码序列的波形相加合成，从而克服衰落现象。收发信机中 中频放大器的自动增益控制( a g e ) 电路也具有抗衰落的能力。 3 3 6 天线姿态对通信的影响 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1 m 处，可以近似看做为浮标天线姿态变化情况，图3 8 为三 缴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9 5 以上。此种摇摆程度对浮标天线有效高度的影响并不大。 第3 章海面信道微波传播特性 一 v 忙 求 褂 赛 浮标的横摇角( 度) 图3 8 浮标漂浮状态下的姿态变化 f i g u r e3 8b u o y sp i t c hi nf l o a ts t a t e 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 9 所示，其水平波束宽度为3 6 0 。，一3 d b 垂直波束宽度为1 5 。 图3 9 天线垂直波束图 f i g u r e3 9a n t e n n ab e a m 4 哈尔溟工程大学博士学位论文 天线姿态5 。的变化可能会使天线的增益损失2 5 3 d b 。仿真分析了天 线增益改变时，通信作用距离的变化，见图3 1 0 。站i 的天线高度均为危= 2 8 m ，图左为站2 天线高度h ，= 2 2 m ，图右为站2 天线高度 ，= 4 m 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8 、7 、6 、 5 d b i 时的收信电平。可以看出，天线增益损失l d b i ，则通信距离将缩短l k m 。 天线姿态对通信距离有很重要的影响。 三 已 l 斗 删 坦 掣 重 3 斗 锄 坦 罄 i 。 i 随 p 惑 蕊j 躐。 螭一f n 驴 影 01 02 03 0 通信距离( k m ) 图3 1 0 天线增益对通信距离的影响 f i g u r e3 10a n t e n n a g a i n se f f e c to nc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e 3