UWB技術在船舶避碰領域中的應用?

（渤海船舶職業(yè)學院 葫蘆島 125005）

1 引言

船舶海上航行安全一直是航海學術長期關注的課題，海上安全關鍵是船舶間避碰和定位技術發(fā)展狀況。為了避免海上危險因素的發(fā)生，就要準確地及時掌握各種信息。雖然近些年海上航行安全設備日趨完善，但多數(shù)設備受海洋惡劣氣候環(huán)境的影響，都存在著抗干擾能力差、精度不高、信息處理量少等缺陷。超寬帶UWB 設備與其他無線通信設備不同，它不需要載波，具有傳輸速率快、頻帶寬、功率損耗小、多徑分辨率高等特點，使其能應用于船舶航行中，并擁有良好的發(fā)展前景。

2 UWB技術自身發(fā)展狀況

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術出現(xiàn)在上個世紀60年代，率先應用于軍事。2002年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準將UWB技術用于民用產品。歐洲國家由ITU 小組對UWB進行的研究、試驗，標準由ETSI起草，ETSI標準制定的原則是依據(jù)不同的使用及其頻率范圍而制定的各種測試標準。但關于UWB的測試規(guī)范于2008年正式頒布，雖然頒布時間比美國ETSI標準稍晚些，但對UWB技術使用中的無線頻譜發(fā)射限值更加嚴格［1］。

近年來民用UWB 技術發(fā)展中，UWB 以其獨特的技術特點在各行領域取得長足的進步?，F(xiàn)在有很多大型的公司推出了UWB芯片，這種芯片應用于無線通信、網絡、圖像處理系統(tǒng)和定位系統(tǒng)中。在UWB的技術革新中，在很多領域應用各種算法和仿真模型，如遺傳算法、退火算法、捕獲算法等，為UWB技術后續(xù)研究設計提供了良好基礎。

3 UWB技術在船舶避碰領域中的應用分析

UWB技術在無線通信實踐領域中已經取得重大成就，在航海領域里也能夠帶來新希望。尤其針對海上船舶間點對點的長／短距離通信，及時準確地確定對方方位、距離，并做出避碰預案及措施，進而提高船舶海上航行安全。

3．1 UWB收／發(fā)機基本結構

UWB的發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)結構簡單，UWB技術的發(fā)射與接收不經過中頻處理，直接進入脈沖調制發(fā)送信號，通信過程簡化一些過程。圖1所示為UWB技術的硬件發(fā)射與接收的結構。在發(fā)射過程中，信號由數(shù)字信號處理器完成編碼、交織處理，數(shù)字信號通過D／A 轉換后經過濾波、放大，脈沖發(fā)射出去。相反，在接收過程中，回波信號經過天線匹配、濾波、放大后進行A／D 轉換，然后再傳入基帶信號處理中接收、譯碼等進入數(shù)字信號處理器，最終顯示在顯示器上［2］。從圖1可以看出，UWB技術結構簡單、精確度高、信息吞吐量大，非常適合船舶在海上交通日益繁雜的海域航行。

圖1 UWB收／發(fā)機原理圖

3．2 UWB技術在船舶避碰中的應用優(yōu)勢

雖然海上應用的防避碰和定位的設備多種多樣，如雷達、電子海圖、VTS、AIS，但每個設備都有它的局限性。雷達發(fā)射的是一種模擬信號，容易受到外界干擾，精確度不高，而且在氣象條件復雜情況下雜波較大。電子海圖的海圖格式支持受限，使用的海圖不能及時更新。VTS 的缺點是VTS 利用VHF-DF 人工船位報告識別信息有限，有一定的局限性。AIS功能雖然強大，但只能作用于安裝AIS船舶之間，而且可顯示的船舶數(shù)量有限。以上四種海上航行設備在應用時多少受到一定限制。為了不斷提高海上航行安全，就必須加強海上航行的技術更新，UWB技術發(fā)射的是沖激脈沖信號，因而寬帶容量大。這使其具有對信道衰落弱、系統(tǒng)結構簡單、發(fā)射信號功耗低、抗干擾能力強、定位準確性高（厘米級）等優(yōu)點。根據(jù)仙農信道容量理論，UWB技術比一般信號通信數(shù)據(jù)吞吐量大，非常適合海上航行大容量的技術分析［3］。

4 UWB技術通信應用在船舶避碰領域中的可行性、可靠性、可操作性

4．1 UWB技術通信應用在船舶避碰領域中的可行性

在船舶航行中會應用多種通信設備來保障海上航行安全，如GPS、VHF、地面站和導航雷達等，這幾種通信設備所占的頻段不在UWB 信號規(guī)定范圍內，如表1所示，這就可以完全避免或減小相互間的干擾問題，達到預期工作目的。在海上通信中抗干擾和抗截獲能力是信號傳輸非常重要的能力，UWB 技術顯然更加適合船舶間或船舶內部的相互通信，能夠完全發(fā)揮特有能力［4～5］。因此，UWB技術應用船舶領域中具備可行性、合理性。

表1 船舶通信設備頻段分析

4．2 UWB技術通信應用在船舶避碰領域中的可靠性

現(xiàn)代海運航行中，解決船舶間的避碰問題應用較多的是雷達、VHF、電子海圖、AIS 以及設備間的兼容組合。由于UWB技術應用的是沖擊脈沖，具備的多種技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在海上定位領域和海上避碰領域［6］。

UWB技術應用到船舶海上定位領域。目前，海上定位系統(tǒng)應用的是AIS 系統(tǒng)的GPS 技術、Bluetooth技術，但GPS 和Bluetooth 的精準性不如UWB技術。GPS定位精度在5m～20m，Bluetooth大約3m，UWB 定位精度在15cm［7］。UWB技術可以精確地測出當時船舶間的方位、距離、航速、航向，實時計算出安全航速，觀察海上船舶間的航行密度調整自身航行狀態(tài)及安全航速的計算時間，最終為航海人員提供安全駕駛措施，可以大大減少海上事故發(fā)生。

UWB技術應用到船舶海上避碰領域。目前，海上防碰撞的設備主要應用通信技術和探測目標技術。在通信技術方面，就是應用通信技術手段獲取對方船舶信息和操作意圖，但人工完成的通信方式往往會效率較低、溝通不暢通，可能導致雙方操船意圖不協(xié)調，發(fā)生誤差的可能性遠大于UWB技術。如果遇到海上水文氣象不穩(wěn)定時，大多數(shù)回波信號可能受到不同程度的干擾而失真。盡管AIS設備能夠克服天氣不良現(xiàn)象，但面對信息傳輸量大的AIS設備也不能完全支持。而UWB 技術信號傳輸具有非常強的穿透力，能夠穿透樹葉、土地、液體，可以抵抗雨、雪、冰雹等不良天氣的影響而正常工作。UWB技術的傳輸特性決定設備可靠性，應用UWB技術可使海上航行中人和設備系統(tǒng)完全受到差錯和操作使用環(huán)境因素的影響大大降低。因此，采用UWB技術應用船舶海上航行的可靠性要強于其他設備［8］。

由圖2所示，UWB 技術應用船舶海上航行設計目標：能夠使船舶在惡劣氣候條件下完成海上航行安全，并且UWB技術最大限度地應用于海上船舶定位和避碰領域。工作過程：UWB發(fā)射／接收模塊與UWB信號模塊把接收到的信號經過處理，再由數(shù)字信號處理器把采樣的信號經過目標判別，并測出目標距離和方位，最終提取顯示信號和報警信號。

圖2 UWB技術應用船舶海上航行系統(tǒng)設計方案

4．3 UWB技術通信應用在船舶領域中的可操作性

UWB技術比其他多數(shù)無線通信技術手段更加先進，在UWB技術應用中，以提高定位和避碰水平的信號處理、目標識別、警報運行算法已經取得較大的進展。目前，UWB 技術已經應用到汽車避碰系統(tǒng)，并取得良好的效果［9］。

式中，V為船與船間的相對運動速度，tr為船與船間的相對運動時間。

從公式可以看出，通過準確距離定位，能夠給出合理船舶間運動速度，可以根據(jù)預測最佳時間來采取必要措施，避免船舶間碰撞事故發(fā)生。另外，按照國際對通行的UWB定義分析，信號能量帶寬與中心頻率的比值大于20%，或絕對帶寬超過500MHz的信號為UWB 信號。因此，UWB 技術不僅精準地判斷距離、方位，還擁有較大的帶寬而進行大量的數(shù)據(jù)傳輸，能夠在海上航行的可操作性中具體實現(xiàn)［10］。

在船舶海上航行應用UWB 技術時也應該重點兩方面改進：一方面，要改進目標的方位角定位信息的精確性，這對海上航行非常關鍵。而且海上雜波噪聲干擾遠大于陸地，在技術上也要注重去除虛警，避免造成航行中的誤判。另一方面，針對海上氣候特點設計出抗干擾性能強的復雜發(fā)射信號，配合實時高效的信號處理和目標檢測算法，準確發(fā)現(xiàn)周邊多個目標。

5 結語

雖然UWB技術現(xiàn)在還處于研發(fā)階段，相關理論及各項技術有待探討，但UWB技術設計應用船舶定位和避碰系統(tǒng)是海運安全領域的技術熱點，日后會產生良好的市場效應。另外，如果船舶在海上航行中，根據(jù)船舶間距離、方位、速度、海況等信息，與決策支持系統(tǒng)中的案例庫（CBR）相結合，將能夠產生更加人性化的決策方案，這也是海運安全領域的技術革新。

［1］陶洪波．超寬帶無線電UWB無線技術頻譜管理及應用［J］．電子技術應用，2008（12）：11-13．

［2］魏為民，唐振軍．UWB 超寬帶無線通信技術研究［J］．計算機工程與設計，2008（11）：2748-2750．

［3］郭鋒，戴迎珺，吳耀輝．一種新的UWB脈沖設計方法與通信性能分析［J］．微波學報，2008（6）：92-96．

［4］宋超，王靜，李偉偉，等．超寬帶技術在船舶系統(tǒng)中的應用前景［J］．海運世界，2007（1）：38-39．

［5］王波．淺談UWB 定位技術［J］．中國新技術新產品，2011（23）：47．

［6］陳維富，林基明，樊孝明．高速UWB信號的設計與實現(xiàn)［J］．微波學報，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．