某型水下定位信標(biāo)裝置設(shè)計

葉連鳳，周迪鋒

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌 443000）

0 引言

進入21世紀(jì)，世界主要大國將目光投向資源豐富的海洋。各國加大了對海洋勘探開發(fā)技術(shù)的投入，其中以UUV技術(shù)尤為矚目。目前，UUV主要包括有纜ROV或者無纜AUV。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，UUV在水下工作時，很可能會遭遇通訊中斷的情況，導(dǎo)致母船工作人員失去對UUV的跟蹤，因此，一般在UUV上安裝有信標(biāo)定位裝置，以便在應(yīng)急情況下，獲取UUV在水下位置。本文提出了一種安裝在UUV上的水下定位信標(biāo)裝置。

1 技術(shù)參數(shù)

1.1 主要功能

（1）最大工作水深：300米；

（2）最大定位距離（斜距）：1 200米，定位精度優(yōu)于5‰斜距；

（3）具有兼容聲觸發(fā)和電觸發(fā)兩種工作模式的功能；

（4）在無外部電源供電情況下，可由充電電池供電正常工作，工作時間≥24 h。

1.2 物理參數(shù)

（1）最大外形尺寸：φ60 mm×100 mm；

（2）空氣中重量：2 kg，水中重量：1.5 kg。

2 主要組成

水下定位信標(biāo)裝置主要由聲學(xué)換能器、信號處理電路板、電池和水密殼體四部分組成。聲學(xué)換能器主要實現(xiàn)電聲和聲電的信號轉(zhuǎn)換。信號處理板用來處理接收到的聲信號。電池是維持水下定位信標(biāo)裝置電路正常工作的能源。水密殼體為整個裝置提供一個水密空間，能承受水壓作用。

信號處理板作為核心部件，本文對其做主要介紹。其由收發(fā)合置開關(guān)、發(fā)射模塊、接收機采集模塊、深度測量模塊、守時模塊、處理器模塊機、外設(shè)與接口模塊、電源管理模塊等組成，見圖1。

圖1 信號處理板組成框圖

信號處理電路板對接收到的微弱信號進行不失真放大濾波和數(shù)字化之后送給處理器模塊。深度測量模塊包括壓力傳感器和壓力采集器，采集深度數(shù)據(jù)并送給處理器模塊，實現(xiàn)標(biāo)示器的深度測量。守時模塊包括高精度時鐘及校準(zhǔn)算法，接收GPS時間信息和秒脈沖，自動對系統(tǒng)時鐘進行同步對時和糾偏，實現(xiàn)標(biāo)示器和定位系統(tǒng)的同步。處理器模塊是標(biāo)示器的核心，它控制各個模塊完成相應(yīng)的功能，實現(xiàn)信號產(chǎn)生、同步管理、詢問信號檢測和參數(shù)估計、與計算機通信等功能。電源管理模塊包括電源變換、UPS電池和電源監(jiān)測，為各個模塊提供了高效的電源，內(nèi)置的UPS電池保證標(biāo)示器在沒有外接電源的情況下能正常工作。

2.1 接收機模塊設(shè)計

水聲信道具有多途效應(yīng)強、環(huán)境噪聲高、傳輸損耗大、頻帶資源極為有限等特性，從而使水聲信號經(jīng)歷時間和頻率選擇性衰落，導(dǎo)致了嚴(yán)重的碼間干擾和信號衰落[3]。信號經(jīng)水聲信道傳輸后，其信號幅度是十分微弱的，而且夾雜著噪聲，因此，要想從噪聲中提取出有用信號，對接收信號進行模擬調(diào)理是必不可少的。接收機的作用就是對接收到的信號進行模擬調(diào)理。本系統(tǒng)接收機主要是對信號進行放大濾波，使信號的帶寬限制在需要的范圍內(nèi)，并使信號的幅度與ADC采集器的量程相匹配。經(jīng)過以上處理后，信號被送入采樣保持器進行采樣，然后被模／數(shù)轉(zhuǎn)換器量化；量化后的數(shù)據(jù)送入處理器模塊以供處理。接收機模塊框圖如圖2所示。

圖2 接收機框圖

2.2 發(fā)射級模塊設(shè)計

為了提高發(fā)射機的效率，采用了D類功率放大器，發(fā)射機結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

發(fā)射機可以分成驅(qū)動級、功率放大級和匹配網(wǎng)絡(luò)。輸出脈沖信號直接由處理機（DSP）生成，經(jīng)過驅(qū)動級去驅(qū)動功放管的開關(guān)，以提高發(fā)射機的輸出功率。匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了換能器和功率放大器之間的阻抗匹配，同時提高了整個發(fā)射機的效率。

2.3 電源管理模塊設(shè)計

由于水下定位信標(biāo)裝置在沒有外部電源時，采用了UPS電池供電，因此對功耗的要求很嚴(yán)，電壓管理電路設(shè)計的優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的功耗。除了選用低功耗器件以降低功耗外，電源的轉(zhuǎn)換效率也是影響系統(tǒng)功耗的一個重要因素，因此在本設(shè)計中大量采用了高轉(zhuǎn)換效率的開關(guān)電源。為了提高整個電源的使用效率以延長系統(tǒng)的工作時間，系統(tǒng)采用了單電源工作模式，由多節(jié)聚合物鋰電池串并聯(lián)供電。單電源供電方便了電源管理，同時只需要一個充電接口，降低了系統(tǒng)和充電器的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖3 發(fā)射機結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 處理器模塊設(shè)計

處理器模塊核心由一塊DSP組成，是整個水聲定位信標(biāo)裝置的系統(tǒng)中樞，實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)采集、電源狀態(tài)檢測、發(fā)射機控制、完成內(nèi)外同步等功能。主控DSP選用了Blackfin533，Blackfin533是ADI公司推出的高性能、低功耗的新一代DSP處理器．采用ADI與Intel共同開發(fā)的MSA(微信號結(jié)構(gòu))體系結(jié)構(gòu)[4]，主頻高達(dá)600 MHz[5]。其主要特點如下：（1）16位定點DSP內(nèi)核，可以實現(xiàn)最高600 MHz的持續(xù)工作；（2）2個16位乘法累加器（MAC），2個40位算術(shù)邏輯單元（ALU），在600 MHz速度下，可達(dá)到1.2 GMACS的運算速度；（3）靈活的軟件控制動態(tài)電源管理，支持4種運行模式；（4）SRAM組成其中1個16 kB可配置成Cache；（5）內(nèi)存管理單元提供內(nèi)存保護。

2.5 深度測量模塊

系統(tǒng)采用水密壓力傳感器控制系統(tǒng)發(fā)射，構(gòu)成壓力開關(guān)。當(dāng)超過規(guī)定深度時，系統(tǒng)進入聲脈沖發(fā)射狀態(tài)。深度數(shù)據(jù)采集是對壓力傳感器輸出的深度信息（電壓）進行采集。這里選用了A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8320，它是一款16bit低功耗的A/D轉(zhuǎn)換芯片，通過SPORT1和DSP相連。ADS8320具有同步串行SPI接口，因而占用微處理器的端口較少，其差動輸入信號范圍為500 mV～VCC(工作電源)；采用8引腳MSOP小體積封裝?；谝陨咸攸cADS8320非常適用于便攜式電池供電系統(tǒng)[6]。

3 樣機定位驗證試驗

根據(jù)設(shè)計方案，加工出了試驗樣機并對其定位距離及精度進行了試驗研究。將水下定位信標(biāo)裝置布放到水底，定位系統(tǒng)安裝在躉船的旋轉(zhuǎn)平臺上，試驗過程水平旋轉(zhuǎn)定位基陣一圈。試驗過程中大地坐標(biāo)系下基陣與信標(biāo)的相對位置情況如下所示，其中紅色的點代表基陣的實時軌跡，黑色的點代表聲信標(biāo)的真實位置。

根據(jù)設(shè)計方案，加工出了試驗樣機并對其定位距離及精度進行了試驗研究。將水下定位信標(biāo)裝置布放到水底，定位系統(tǒng)安裝在躉船的旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平臺上，試驗過程水平旋轉(zhuǎn)定位基陣一圈。試驗過程中大地坐標(biāo)系下基陣與信標(biāo)的相對位置情況如圖4所示，其中紅色的點代表基陣的實時軌跡，黑色的點代表聲信標(biāo)的真實位置。

圖4 大地坐標(biāo)系下基陣和信標(biāo)的真實位置

定位系統(tǒng)測量得到的聲信標(biāo)斜距如圖5所示。圖5、圖6中的紅色點代表測量得到的聲信標(biāo)位置（即定位結(jié)果），藍(lán)色菱形點代表定位結(jié)果收斂中心點，外圍圓圈是以信標(biāo)真值位置為圓心、以25 m為半徑畫出的圓。

圖5 定位系統(tǒng)測量得到的目標(biāo)斜距

圖6 大地坐標(biāo)系下聲信標(biāo)定位結(jié)果

上述結(jié)果圖均是以水下定位信標(biāo)裝置的真值位置作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原點。對定位數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計得到如下結(jié)果：定位數(shù)據(jù)共802點，有效數(shù)據(jù)點數(shù)795點，檢測概率為99.1%，有效定位數(shù)據(jù)的均方根誤差為4.79 m，收斂中心點與水下定位信標(biāo)裝置真值位置之間的偏差為：0.5 m。試驗結(jié)果滿足指標(biāo)要求：有效距離不小于1 000 m，定位精度優(yōu)于5‰斜距。

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于水下機器人的水下定位信標(biāo)定位裝置。從方案上論述了信標(biāo)定位裝置的實現(xiàn)途徑。根據(jù)設(shè)計方案，加工出了試驗樣機并進行了水下定位距離及精度試驗。試驗結(jié)果表明該型水下定位裝置設(shè)計合理，達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)要求，為下一步在水下機器人上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。