Статья: Разработка гидроакустического сигнала системы подводной навигации

Разработка гидроакустического сигнала системы подводной навигации

Д.С. Непогодин. ОАО “Российский институт радионавигации и времени”

В рамках задачи обеспечения координатно-временного и навигационного обеспечения подводных объектов (ПО) возникает необходимость использования дополнительных систем позиционирования наряду с глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС. В настоящее время большим спросом пользуются навигационные гидроакустические системы, предназначенные для определения координат надводных и подводных объектов в системе координат, связанной с гидроакустическим маяком, либо в географической системе координат, когда координаты постановки маяка известны. В частности, при использовании радиогидроакустического буя для определения координат установленная на нем аппаратура ГНСС ГЛОНАСС вырабатывает информацию о географических координатах, точном времени и пр., которые могут быть переданы на ПО по гидроакустическому каналу.

Параметры и требования к разрабатываемому сигналу устанавливаются следующим заданием:

1. В зависимости от гидрологии конкретного района, а также расстояния объекта от отражающей (рассеивающей) поверхности задержка второго энергозначимого луча (многолучевой помехи) относительно основного лежит в диапазоне от 1 до 500-600 мс, при этом отношение энергий первого и второго лучей может составлять 3-10 дБ;

2. Значение приемлемой несущей частоты сигнала , определяемое в первую очередь затуханием в среде, составляет кГц и кГц для дистанций 500-1500 м и 2000-12000 м соответственно;

3. Приемлемая относительная ширина спектра сигнала , определяемая возможностями излучающего тракта, а также полосой пропускания гидроакустического канала , равна примерно 3 и 9 кГц для несущих 10 и 30 кГц соответственно;

4. Отношение сигнал-шум в полосе сигнала дБ;

5. Необходимая скорость передачи информации кбит/с.

Поскольку передача информации с буя осуществляется в ответ на запрос ПО, общая архитектура гидроакустического сигнала типична для любых систем пакетной связи. Предметом предлагаемого доклада является оценка необходимых энергозатрат на передаче и оптимизация преамбульной и информационной частей сигнала гидроакустического буя. Также рассмотрен вопрос помехоустойчивого кодирования передаваемых данных и сформирован перечень канальных кодов, позволяющих минимизировать ошибки в информационном потоке символов.

Энергетика канала. Выясним, какие энергозатраты на передающей стороне потребуются для поддержания указанного в задании отношения сигнал-шум на приеме, для чего выполним энергетический расчет цифровой гидроакустической линии связи.

Согласно известному уравнению дальности связи мощность сигнала на входе приемника дается выражением [1]:

где - передаваемая мощность, - коэффициент направленного действия (КНД) антенны передатчика, - эффективная площадь приемной антенны, - расстояние между передатчиком и приемником, - коэффициент, учитывающий потери энергии сигнала в среде за счет поглощения, обычно полагаемый экспоненциально зависящим от расстояния [1]:

где - погонное затухание на единицу дальности.

После ряда несложных преобразований получим итоговое выражение для :

,

что после перехода к децибелам примет вид

.

Теперь для мощности передатчика имеем

,

куда в качестве принятой мощности следует подставить (см. [1])

,

так что

.

При этом для погонного затухания акустического сигнала в воде можно воспользоваться аппроксимацией [1]

[дБ/км],

в которой должно выражаться в килогерцах. Будем ориентироваться на наименее благоприятный с точки зрения энергетики случай передающей и приемной антенн, освещающих соответственно нижнюю и верхнюю полусферы: 3 дБ; 3 дБ. Кроме того, если частота выражена в килогерцах, примем для коэффициентов и приближения [1]

;

и оценим мощность передатчика, необходимую для достижения верхнего предела из задания (10 дБ) на максимальной дальности (12 км) при волнении моря в 10 баллов (). Данные расчета приведены таблице 1. Полученный результат подтверждает реалистичность указанных в задании значений отношения сигнал-шум на приеме: в наиболее энергетически напряженном сценарии мощность передатчика составит не более 44 Вт, что, очевидно, вполне приемлемо.

Таблица 1. Мощность передатчика для максимальной дальности при

Структура гидроакустического сигнала. Как результат предварительной проработки можно рекомендовать следующую структуру гидроакустического сигнала системы КВНО ПО. Первым фрагментом структуры служит преамбула в виде псевдослучайной последовательности (ПСП) с хорошими автокорреляционными свойствами, служащая для обнаружения сигнала, измерения времени его прихода и адаптации эквалайзера либо компенсатора, подавляющего многолучевую межсимвольную интерференцию. За преамбулой следует поток цифровой информации, передаваемой с помощью квадратурной фазовой модуляции (КФМ) и канального кода со скоростью 1/2. Рассмотрим эти составляющие более подробно.

Преамбула гидроакустического сигнала. Для преамбулы в соответствии с ее предназначением необходима ПСП с малым уровнем бокового лепестка автокорреляционной функции (АКФ). Будем считать элементарный импульс (чип) прямоугольным. Как уже сказано, одной из задач преамбулы является обучение эквалайзера/компенсатора, для чего необходимы обнаружение и оценка задержки многолучевой помехи. Пусть максимальное запаздывание такой помехи относительно сигнала равно .

Начнем с простейшего варианта структуры преамбулы, представляющей собой некоторый отрезок апериодической ПСП, отделенный паузой длительности , защищающей последующий информационный поток от интерференции со стороны преамбулы. Эпюра гидроакустического сигнала с преамбулой такого вида приведена на рис. 1.

Рисунок 1 - Преамбула с пассивной паузой

Как сказано, помимо обнаружения сигнала преамбула призвана обеспечить возможность измерения временного положения как прямого сигнала, так и многолучевой помехи. Точность измерения запаздывания, как известно, повышается с расширением полосы сигнала [2]. Оценивая последнюю шириной главного лепестка спектра, можно положить , где - длительность чипа преамбулы. Тем самым, для длительности чипа имеем , т.е. мкс при кГц и мкс при кГц.

Следующим принципиальным шагом является выбор длительности преамбулы или, что равносильно, ее длины в числе чипов. При этом следует руководствоваться следующими требованиями:

§ Энергия преамбулы должна быть достаточной для надежного обнаружения не только полезного сигнала, но и многолучевой помехи уровня, указанного в задании;

§ Уровень боковых лепестков апериодической автокорреляционной функции (АКФ) ПСП должен быть достаточно низким, чтобы исключить перепутывание боковых лепестков с основным;

§ АКФ ПСП должна быть настолько хорошей, чтобы основной лепесток многолучевой помехи оговоренной интенсивности был отчетливо различим на фоне боковых лепестков прямого сигнала.

Совместное удовлетворение этих критериев в рамках цифр, установленных заданием, достижимо уже при длине преамбулы порядка чипов. Уточнение длины преамбулы целесообразно связать с выбором конкретной ПСП. Среди обладающих минимально возможным значением бинарных последовательностей к числу наиболее ценных в прикладном плане относятся последовательности Лежандра. Представляется разумным остановить выбор на длине , соответствующей уровню бокового лепестка дБ. Импульсная АКФ предлагаемой ПСП показана на рисунке 2.

Число символов активной части преамбулы целесообразно сохранить одинаковым для обоих предусмотренных заданием номиналов несущей, поскольку отношение сигнал-шум в полосе сигнала остается не меньше нуля дБ на каждой из них, и, значит, накопленное в течение преамбулы отношение сигнал-шум в любом случае не менее 26 дБ.

Рисунок 2 - Апериодическая АКФ ПСП длины

Одинаковой должна быть и продолжительность паузы , устанавливаемая условием неперекрытия символов преамбулы многолучевой помехи с потоком данных . Если согласиться с тем, что максимальная задержка первого луча помехи мс, можно положить мс. В итоге получатся данные таблицы 2, в которой - длительность активной части преамбулы, а - полная длительность преамбулы с учетом пассивной паузы.

Таблица 2. Параметры преамбулы с пассивной паузой

Как видно, продолжительность пассивного участка преамбулы оказалась существенно больше, чем активного. Естественно возникает вопрос, не лучше ли заполнить паузу каким-либо подходящим сигналом, использовав его энергию для повышения надежности обнаружения преамбулы и оценки задержки прямого и многолучевого сигналов. Если адаптацию эквалайзера/компенсатора можно выполнить достаточно быстро, а именно до начала информационного потока, межсимвольная интерференция будет устранена и нужда в паузе отпадет. Это соображение лежит в основе альтернативной структуры преамбулы (рис. 3), в которой пауза заменена периодически повторяющейся ПСП. Если исходить из предпосылки завершения настройки эквалайзера/компенсатора за время, меньшее продолжительности прежней паузы , можно просто повторить раз ранее выбранную ПСП, где , а символ отвечает округлению в сторону нуля. В итоге параметры преамбулы этого типа примут значения, сведенные в табл. 3, в которой теперь полная длительность преамбулы . Достоинством предлагаемого варианта преамбулы является то, что отклик согласованного с периодом ПСП фильтра начиная со второго периода преамбулы есть периодическая АКФ последовательности Лежандра, имеющая чрезвычайно малый уровень бокового лепестка . Для дБ, что фактически полностью устраняет влияние прямого сигнала на обнаружение и оценку задержки многолучевой помехи. Сказанное иллюстрируется рис. 4, где показана эпюра отклика согласованного фильтра на преамбулу, соответствующую несущей 10 кГц.

Рисунок 3 - Преамбула с периодической ПСП

Таблица 3. Параметры преамбулы с периодической ПСП

Рисунок 4 - Отклик согласованного фильтра на преамбулу

Информационное сообщение. В качестве способа модуляции гидроакустического сигнала разумно выбрать квадратурную фазовую манипуляцию (КФМ), так как нижнем пределе (0 дБ) КФМ практически не снижает пропускную способность гауссовского канала относительно потенциальной. Вероятность битовой ошибки сигнала с КФМ выражается соотношением [3]:

,

где - дополнение интеграла вероятности до единицы, а - отношение сигнал-шум по мощности на бит.

Повышение требований к скорости и достоверности передачи информации, увеличение протяженности линий связи приводит к необходимости принятия специальных мер, направленных на уменьшение вероятности возникновения ошибок в процессе передачи. Одним из возможных решений указанной задачи служит помехоустойчивое кодирование. Под помехоустойчивыми понимаются коды, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие при передаче из-за воздействия помех.

Существует большой и эффективный класс древовидных или решетчатых кодов, среди которых особый интерес представляют сверточные коды [4]. В работе проанализировано несколько сверточных кодов, в том числе перфорированных [4,5]. На рисунке 5 приведены графики вероятности ошибки на бит для выколотых сверточных кодов с различными кодовыми ограничениями и свободными расстояниями. Для сравнения здесь же (пунктирной линией) показана кривая битовой ошибки для некодированной передачи и кривые помехоустойчивости для ряда сверточных кодов скорости 1/2. Данные о выигрыше от кодирования приведены в таблице 4, где представлены возможные опции при выборе гидроакустического сигнала с модуляцией КФМ.

Рисунок 5 - Верхняя граница вероятности ошибки перфорированных сверточных кодов

Оценим теперь отношение сигнал-шум в полосе сигнала, приняв за ориентир скорость передачи данных 1 кбит/c в доступной полосе 3 кГц. Для этого воспользуемся соотношением, связывающим отношения сигнал-шум на бит и в полосе сигнала :

,

или в децибелах:

.

Как видно из таблицы 4 (строки 3-8), рассмотренные сверточные коды (включая перфорированные) позволяют реализовать передачу со скоростью 1 кбит/с и вероятностью битовой ошибки порядка при отношении сигнал-шум в полосе сигнала заметно ниже оговоренного заданием значения дБ.