黄 宁

广州海洋地质调查局，广东广州 510075

0 引言

随着信息通信技术和海洋产业的发展，人们对水下资源探索要求也不断增长。水声同步定位技术一直是当前各国研究的热点。传统的水声定位系统是利用声信号的回波进行水下物体的定位，但容易出现多径效应、码间干扰和多普勒频域，这严重影响了定位系统的精度和应用范围。采用单载波通信技术的水声同步定位系统具备克服多径效应、码间干扰和多普勒频域等优点，定位精度高，应用范围广。它把时间戳作为数据帧的标记号，引入到水声通信中，有效解决了水下距离模糊和收发数据时序性差的缺点。将单载波通信技术和时间戳机制结合，能有效应对复杂水声信道的问题，对水下通信环境要求低。本文简要概述了水声通信和定位技术的发展状况，并详细探讨了水声单载波通信技术的主要特性，最后分析了水声定位系统的模型和工作原理，有一定的参考意义。

1 单载波通信技术简介

水声定位系统涉及多个学科领域，如信号处理、传感器、海洋学、数学建模等等。在水下通信环境下，利用OFDM 技术SC/FDE 技术构建水声信道，实现水下环境的高速通信，完成系统定位要求。OFDE（正交频分技术）是近年来无线通信领域的研究重点，代表着无线通信领域的发展方向，它能有效应对频率选择衰减的技术难题。OFDM 可以将频带分解成多个子信道，每个子信道相互正交，然后将高速串流码调制到子信道载波上，降低码速率和提高频谱利用率。系统通过简单的信道均衡技术，就能有效克服由于信号多径效应带来的码间串通。然而，OFDM 技术存在峰平均功率比(PAR)高和对Doppler 频偏敏感等缺点。

在单载波传输系统中，通过均衡器来补偿码间串扰。单载波频域均衡系统融合了OFDM 和单载波时域均衡系统的优点，是宽带无线传输中应对多径的有效方法。SC/FDE 降低了频偏敏感性和峰平均功率。此外，它还减少了功放元件的成本，对系统的实际应用很有好处。其次，SC/FDE 能实现多径扩散和复杂度的对数成正比。也不需要使用信道编码技术来降低频率选择性衰落的影响。

目前，大家对单载波频域均衡技术的研究主要集中在陆地的无线通信上，SC/FDE 技术初步在水声通信中展示出独有的优势，特别是应对水下定位误差和水声多径干扰带来的影响。SC/FDE 独有的水声定位优势，吸引了各国科研工作者在这方面的进一步研究。

2 单载波水声定位系统定位原理分析

基于单载波的水声定位系统一般由三种同步定时方式：有线同步定时、GPS 同步定时和激光同步定时。有线同步定时就是利用电缆将水声定位信号把信号接收端和发射端连接起来。信号发射时间点以电脉冲的形式告知接收端，实现接发两端的时间同步。此种方式应用范围有线，设备的安装和维护成本较高。

GPS 系统利用全球的卫星系统实现同步定位，采用的信息传输方式是无线电磁传播。基于卫星定位系统的水声定位系统，需要在接收端安装信号接收机，接收GPS 信号。该系统利用卫星实现无线信号的同步精准授时。该通信定位方式要求较高，且设备的安装和维护工作量大。

激光同步定时的方式越来越受到人们的关注，它同步时间误差小，定位测量精度高，有很好的应用前景。图1 为某激光同步定时发射接收装置，它采用蓝绿激光同步定时，可穿透水体介质，提高系统定位和跟踪精度。

图1 蓝绿激光同步定时发射接收装置

3 单载波水声同步定位系统结构分析

单载波水声同步定位系统包含三个单元模块：控制中心、信息处理中心和声纳装置。控制中心是系统的控制源，负责声纳装置信号帧收发、定位计算等，保障系统定位工作有序进行。信息处理中心负责数据处理、信号接收，并将信号发送到水声信道，同时将目标反射信息帧送如数据处理单元，进行信息融合和获取定位信息，是整个系统的核心单元。

图2 为单载波水声同步定位系统的结构流程图。数据处理单元每隔一时间间隔，生成一个时间戳，时间戳信息通过计算值来表示对应的参考时钟。在信息头部插入CP 循环前缀，形成单载波发射信息帧，其中，循环CP 前缀要大于信道时延长度，同时具备很好的相关性和平稳的频率响应。声纳接受装置接受反射信号，经调解和同步处理，去掉CP 循环前缀，通过频域均衡和判决处理，准确提取对于的时间戳信息。同时，利用信息帧提取的时间信计算定位信息。融合先前连续信息帧的定位信息，可有效获取目标位置运动状态下的定位信息。

图2 单载波水声同步定位系统结构流程图

4 结论

随着我国经济发展和海洋开发的需要，人们水声定位及数据传输的要求越来越高。我们要加大科研力度，开发出更先进的水下定位技术，更好的为我国海洋资源的开发服务。

[1]刘开宇.扩频通信技术在经纬仪对外通信中的应用[J].光机电信息，2011(12).

[2]何水原.水声通信在水下定位中的应用研究[D].华南理工大学，2012.

[3]张益德.OFDM水声通信系统中的多普勒频移补偿方法研究[D].中国海洋大学，2011.