【摘 要】為了提高水下GPS系統的定位精度并克服多徑和多普勒頻移的影響，擴頻數據包采用線性調頻信號完成距離測量，并為后續m編碼的地址碼提供同步頭，利用碼分多址原理克服碼元干擾，為解決低信噪比條件下多目標信號檢測的關鍵問題提供了一種有效的方法。

【關鍵詞】線性調頻信號；碼分多址；多目標定位

1引言
水下GPS定位導航系統主要由四個子系統組成：GPS浮標系統、水下信標機、數據控制中心與差分基準站。系統的工作原理是利用空間DGPS測量技術實時測定浮標的位置，實現不同浮標的時鐘同步，進而由多枚浮標組成的浮標陣，構成水下定位導航的海面測量基準。另外，水下信標向各浮標發射水聲定位信號，由船基數據控制中心根據信號的抵達時間與發射時間之差，來確定水下信標至各浮標之間的距離，從而在多枚浮標適當布陣的情況下，解算出水下信標的位置，實現水下目標的跟蹤，定位。
本文主要討論水聲定位信號的生成以及浮標系統對多個水下信標的識別。

2水聲定位信號設計

水下信標機在水下時，不間斷的向浮標系統發出定位信號。由于需要對多個水下信標機進行定位，這就需要知道每一個水下信標機的設備編號，即其唯一的地址碼。因此浮標系統與水下信標機通信鏈路要實現目的為：
1）水下信標機到浮標系統的精確測時；

2）水下信標機的地址碼的正確識別。
     通信鏈路主要利用擴頻方式進行通信，最大程度上降低系統功耗并提高系統的測距精度，具體采用線性調頻(Linear Frequency Modulation)信號同步引導，m碼調制地址碼的復合信號，結合高速實時信號處理技術進行定位識別。
水下環境的復雜，導致了水聲信道的復雜性。水聲信道的主要特點有：①帶寬受限②嚴重的多徑效應③快衰落④高噪聲。由于水聲信道的以上特點，水聲定位信號可以采用線性調頻(Linear Frequency Modulation)信號，又稱Chirp信號，是一類通過非線性相位調制獲得時變信號，其占用的頻帶寬度遠大于信息寬度，從而也可獲得很大的處理增益。相對于FSK調制信號的突出優點是匹配濾波器對信號的多普勒頻移不敏感，大大簡化了信號處理系統，因此在雷達目標、聲納、地震勘探和通信對抗等方面有著廣泛的應用。
在本系統中水聲定位信號采用線性調頻信號，其表達式為)]187500t18750t(2[sinf2+=π (1)

    其波形圖如圖(1)所示，本系統線性調頻信號采用的是碎發通信形式，時隙較短，LFM的脈沖寬度為20ms，因此可以認為信道短時平穩，發送數據的同步信息也可以一次確定，而且也可認為多徑的每條路徑上的時延也基本是恒定，只需由前導序列一次確定相關同步信息。由于LFM信號對水聲信道上的多徑傳輸和多普勒擴展造成的衰落和失真均不敏感，因此可利用線性調頻信號作為幀同步信號，接收端利用匹配濾波器進行信號處理，對水下信標機精確測距，并同時為后續地址碼的處理提供了同步頭信息。

水下定位系統的高精度測距對水下信標機回波信號形式以及浮標系統的數據處理方法提出了較高的要求，本系統主要采用擴頻調制方式來降低水下信標機發射功耗，降低接收機噪聲并提高其信噪比，同時有效克服多徑效應、海底泥沙的干擾以及多普勒頻移現象。

     CDMA(Code Division Multiple Access)通信是利用相互正交(或盡可能正交)的不同編碼分配給不同用戶調制信號，實現多用戶同時使用同一頻率接入系統和和網絡的通信，即碼分多址通信。由于利用相互正交(或盡可能正交)的編碼去調制信號，會將原信號的信號頻譜帶寬擴展。因此，對這種調制方式的通信，又稱為擴展頻譜通信。

碼分多址運用擴頻碼序列互不干擾的原理來實現多址通信，有多少個互為正交的碼序列，就可以有多少個水下信標機同時在一片水域上通信。CDMA常用的地址碼主要有：Walsh碼、m序列碼和Gold碼�？紤]到本系統的水下信標機的數目，可采用r=4的線性移位寄存器構成碼長為16的m碼作為地址碼，其本原多項式為
f(x)=1+x+x4，f(x)=1+x4 (2)
中心頻率為18.75 kHz。其波形圖如圖(2)所示。

水下信標機發射信號數據包結構如圖（3）所示，線性調頻信號做同步引導脈沖，延遲己知時間T后跟隨m編碼的地址碼信息。接收機利用線性調頻信號的匹配濾波器處理，將相關峰出現的時刻作為幀同步時刻，然后按照延遲時間T轉入對m信息碼的處理過程。采集并存儲完m碼后系統重新進入線性調頻信號的搜索過程，不斷循環，直至數據采集結束，然后進入m碼的地址匹配處理，最終完成水下信標機信息識別。這里時延T的插入是為了讓接收機不至于受到線性調頻信號時延多徑的影響，同時也是接收機進行匹配濾波所需要的時間延遲要求。

在線性調頻信號已同步的基礎上,對地址碼的處理就相對簡單了。利用一一匹配濾波并與門限相比較的方法,檢測出地址碼信息。該方法信噪比要求低,并具有很高的抗干擾性,在多信號情況下也能檢測出信息。

3浮標系統對多目標的識別

浮標系統用于接收水下信標發出的定位信號，并對水聲定位信號的到達時間進行精確測量。信號接收示意的圖如圖(4)所示,
浮標系統要從接收信號中識別出地址碼信息，首先需要建立接收信號同步，這是整個擴頻系統中非常重要的環節，信號同步圖如圖(5)所示。如何可靠的實現擴頻序列的快速捕獲是影響系統性能的關鍵，常用的同步捕獲方法有滑動相關法、跳頻同步法、發射參考信號法、匹配濾波同步法等，這里選用匹配濾波器進行同步處理。實現匹配濾波的方法主要有三種：專用無源器件如聲表面波濾波器、專用數字處理芯片、通用數字處理芯片如FPGA、DSP等。通過水聽器及信號預處理電路后，DSP對接收后的數據先進行IIR濾波處理，然后對線性調頻信號進行加窗卷積運算，搜尋同步頭。

根據同步頭的位置，系統對固定時延后的m碼信息進行存儲，然后再次轉入對同步頭的搜索。當完成的數據采集后，便進入地址碼的識別，在m碼已經同步的基礎上對其進行匹配濾波就相當簡便，m碼信息與采樣波形一一相乘，相關峰值大于設定門限的該組即為水下信標機的地址碼信息。

4結束語

     本文介紹了水下定位的具體原理，然后結合惡劣的水下通信信道，提出了一種通信測距方案。主要利用擴頻方式進行通信，最大程度上降低系統功耗并提高系統的測距精度，具體采用LFM信號同步引導，m碼調制地址碼的復合信號，結合高速實時信號處理技術進行定位識別。