搖傾角對浮標通信強度的作用機理研究

摘要：海上浮標受海浪影響，通信天線會產生橫搖傾角，嚴重威脅著通信成功率。為提高浮標無線通信的成功率，保證數據傳輸的可靠性，通過分析浮標結構特性與我國海區波浪特性，建立浮標在海浪中的橫搖模型，得出浮標在不同海況下的橫搖傾角。通過結合浮標的橫搖模型和電磁通信模型，在Unity3D平臺中仿真獲得了接收點場強隨橫搖傾角與通信距離的變化機理關系，仿真結果驗證了分析的正確性，該研究可為浮標結構或通信協議優化提供具體參考指導，具有一定的實際應用價值。

為保障我國海洋經濟、社會經濟平穩健康發展，需要發展針對海洋環境的監測技術。利用浮標監測海洋環境是目前海洋監測技術的主流方式[1]。在海浪作用下，浮標具有不規則的運動現象，其晃動將造成數據傳輸中斷，極大地限制了浮標通信效率和設備的安全性[2]。橫搖性能是評價浮標在海上運動穩定性的重要參數之一，它直接影響浮標在海中漂浮的姿態和對天線束寬的要求，這對于無線通信浮標尤為關鍵[3]。因此，研究海上浮標搖擺模型，在浮標無線通信系統的通信鏈路需求分析及系統設計中具有重要的參考應用價值[1?4]。

國內外針對浮標橫搖模型與天線姿態對通信的影響做了大量研究。文獻[2?5]通過建立浮標在海浪作用下的橫搖模型，得出不同浮標結構參數與不同海況對浮標橫搖傾角的影響。文獻[6]通過使用電磁分析儀，得出不同天線機械傾角下通信基站的電磁輻射強度。文獻[7]提出了一種使用衛星信號模擬源進行天線傾角設計的方法，改進了以往天線傾角僅能依靠經驗進行設計的現狀。文獻[8]設計了一種機械天線穩定器，用來補償浮標的角運動。文獻[9]結合天線傾斜角度與PM波譜，建立海上電磁波譜分布預測模型。文獻[10]提出了一種利用波束形成算法，延長浮標間通信距離。文獻[11]提出了一種最大概率估計方法，通過多用戶設備觀測到的接收信號強度估計基站天線姿態。

不難發現，目前針對浮標無線通信的研究中，橫搖模型與電磁傳播模型的研究是相對獨立的。本文將浮標橫搖模型與電磁傳播模型結合，通過對浮標固有橫搖頻率與我國海浪譜的分析，建立浮標橫搖模型，計算出浮標在不同海況等級下的橫搖傾角。結合電磁傳播模型，分析在不同橫搖傾角下接收點的電磁輻射強度，為我國海域環境中浮標的高效穩定通信狀態提供了橫搖傾角判斷參考。

1 浮標橫搖模型分析

1.1 浮標的固有橫搖頻率

以課題組研制的浮標為研究對象，如圖1所示。浮標在靜水中的固有橫搖頻率為：

式中：W為空氣中浮標總重量，為30kg；----gm為重心到穩心的距離，又稱初穩性高度，為17cm；Iv為轉動慣量，由整個浮標繞中心軸的慣性矩I 和附加質量引起的慣性矩I′組成[3]。

1.2 浮標在海浪中的橫搖特性

海浪是海洋中由風產生的波浪，由于海浪的波浪參數的影響因素較多且隨時間隨機變化，難以用固定的數學公式表達，所以在理論建模中，可用二元不規則波近似代替。

海浪的波浪特性函數Y(t)可用傅里葉級數近似表達：

每一個相加子式可看作頻率確定的規則波：

式（3）中，規則波的頻率ω是確定的，相位εi在（0，2π）之間隨機分布，所以波浪特性函數是一個隨機函數。海浪中某一固定規則波的能量為：

式中ρ為海水密度，取值為1025kg/m3。

所以，子波頻率在ω~ω+dω范圍內的規則波能量為：

波浪的能量密度函數為：

依據我國沿海波浪的統計分析，國家海洋局建議的海浪譜波能公式為[4]：

式中u為風速。各等級海況下的平均風速、平均波高和周期如表1所示。

浮標在波浪中的運動特性為：

式中；γ0=ωω0，表示頻率比，ω0為浮標在靜水中的固有橫搖頻率；a0為浮標尺寸修正與吃水系數；u0為海水阻尼系數。

根據式（7）和式（8），可求得浮標的橫搖特性為：

從而求得浮標橫搖傾角的方差為：

2 天線電磁傳播模型分析

海浪中天線的電磁傳播路徑如圖2所示。在發射天線傾斜（橫搖傾角大于 0°）、接收天線固定不動的情況下，天線距海面高度為HRA，天線長度為LRA，通信距離為L，發射天線傾角為φ T′A，使發射天線通過直射到達接收天線的傾角為有效直射角φEDA，使發射天線通過海面反射到達接收天線的傾角為有效反射角φERA，φEDA和φERA范圍內的射線為有效射線。實際情況中，由于浮標天線出水高度較小，且通信距離遠大于天線出水高度，發射天線的反射作用可忽略。

有效直射角φEDA的表達式如下：

發射天線通過直射作用在接收天線的場強 E為：

式中：PT為發射天線的輻射功率；GT 為發射天線的增益；r 為發射天線到接收點的距離，可近似為L-LT′A，單位為km；F (β)為發射天線的天線方向圖比例系數。

從式（12）中可以看出，在輻射功率 PT與天線增益GT一定的情況下，場強E與有效直射角φEDA成正比，與通信距離 L成反比，天線方向圖比例系數F(β )起決定作用。

3 仿真分析和結果討論

3.1 浮標的橫搖特性仿真

參照表1中各級海況的風速，結合浮標橫搖模型，利用Unity3D仿真軟件可模擬出不同海況下浮標的橫搖傾角，見圖3。

三級海況下浮標橫搖傾角集中在±4°，最大橫搖傾角為18°；五級海況下浮標橫搖傾角集中在±9°，最大橫搖傾角為26°；海況達到七級時，橫搖傾角集中在±15°，最大橫搖傾角可達36°。

3.2 浮標通信場強作用因素仿真

通信天線選用鞭狀天線，因其結構簡單、便于攜帶，常被用于無線移動通信，其天線方向圖如圖4所示。

將電磁傳播模型和浮標模型導入Unity3D仿真平臺，調整海況等級使浮標產生相應的橫搖傾角，仿真計算出船體接收天線中心點（半徑為0.05 m 的接收圓）的電場強度，仿真場景如圖5所示。

根據浮標無線通信模型的固有特性，設定發射天線的輻射功率為30dBm，發射天線增益為2dB,發射天線與接收天線高度均為1m,浮標橫搖傾角分別設置為-40°,-30°,-20°,-10°,0°,10°,20°,30°,40°。通信距離分別取20m，40m，60m，80m，100m。

在仿真平臺中改變浮標的橫搖傾角，得出不同通信距離L下接收點的電場強度E。

圖6表示隨著通信距離L的變化，接收點場強E在不同橫搖傾角下的變化規律。

可以看出：在相同通信距離L下，浮標橫搖傾角在-40°~10°時，接收點場強E 隨橫搖傾角增大而增加；橫搖傾角在10°~40°時，接收點場強E隨橫搖傾角增大而減??；橫搖傾角為10°時，接收點場強E最大；橫搖傾角為-40°時，接收點場強E最小。

進一步地，為獲取浮標通信距離L、橫搖傾角和場強E的作用關系，在Unity3D仿真平臺中仿真了浮標橫搖傾角從-40°~40°，通信距離L在20~100m 變化時接收點場強 E的關系曲線，仿真結果如圖7所示。

從圖7可以看出：在相同橫搖傾角下，通信距離L在20~100m 范圍內，隨著通信距離L的增大，接收點場強E隨之減??；通信距離L在80~100m 范圍內，場強E減小趨勢明顯變緩。

4 結 論

針對浮標無線通信受海浪波動影響，接收點場強強度變低而導致的通信不穩定和失敗率高等問題，本文推導計算出浮標橫搖模型和電磁傳播模型。在Unity3D仿真平臺中獲取了通信系統接收點在不同橫搖傾角與不同通信距離下的電磁場強變化規律，為浮標在海浪中的無線電傳播提供了理論依據。以文中的浮標天線方向圖為例，浮標最佳通信橫搖傾角為10°，最佳通信距離為20m。在海浪等級較大時，可通過調整浮標結構、搭建增穩平臺減小橫搖傾角，也可通過優化通信協議提高通信效率。

審核編輯 ：李倩