侯旭濤 李青松 何程 張弛 郝軼萌

(1 天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300000)(2 航天恒星科技有限公司，北京 100095)(3 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)(4 國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)是一種新型船舶防碰撞系統(tǒng)[1]，工作在160 MHz左右的VHF頻段，采用TDMA通信協(xié)議。岸基的AIS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)近岸接收天線視距覆蓋區(qū)內(nèi)船舶航行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)近遠(yuǎn)海船舶航行狀態(tài)及突發(fā)事件報(bào)警監(jiān)視。為此，國(guó)際上提出了星地一體化AIS系統(tǒng)[2]，通過(guò)AIS載荷(SAT-AIS)大覆蓋特點(diǎn)解決岸基AIS系統(tǒng)監(jiān)視范圍受限問(wèn)題，提供覆蓋全球的實(shí)時(shí)船舶運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，為航道管理、漁業(yè)管理、應(yīng)急搶險(xiǎn)、船舶追蹤等提供信息支撐。

國(guó)外對(duì)星載AIS研究較早[3]，并啟動(dòng)了基于衛(wèi)星星座的AIS全球星基監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)[4-5]。隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及海洋戰(zhàn)略地位的提升，開(kāi)展星地一體化AIS系統(tǒng)建設(shè)掌握自主可控的全球AIS數(shù)據(jù)獲取渠道意義重大，我國(guó)先后發(fā)射了搭載AIS載荷的“天拓”、“精致”、海洋一號(hào)C/D(HY-1C/D)[6]、海洋二號(hào)B等衛(wèi)星，但是這些衛(wèi)星由于平臺(tái)電磁干擾、覆蓋區(qū)內(nèi)AIS信號(hào)碰撞嚴(yán)重等因素，在軌偵聽(tīng)效能受到限制[7-8]。常規(guī)消除或降低衛(wèi)星平臺(tái)電子設(shè)備對(duì)AIS干擾問(wèn)題處理方式包括：實(shí)施衛(wèi)星平臺(tái)電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)與包裹屏蔽，整星電纜包裹，整星結(jié)構(gòu)孔縫封堵屏蔽等。如HY-1C/D衛(wèi)星對(duì)新研單機(jī)的電磁兼容(EMC)指標(biāo)加嚴(yán)，對(duì)整星69根電纜進(jìn)行屏蔽包裹，對(duì)星體23處孔、縫進(jìn)行了封堵[9]，工程實(shí)施代價(jià)較大、處理流程繁雜，且無(wú)法適應(yīng)不同的衛(wèi)星平臺(tái)。

常規(guī)解決近海海域AIS信號(hào)接收效能下降問(wèn)題處理方式為：提升解調(diào)算法性能降低解調(diào)信噪比要求，采用復(fù)雜度較高的處理算法估計(jì)碰撞信號(hào)特征，提升碰撞信號(hào)解調(diào)能力[10-15]等。經(jīng)驗(yàn)證，該處理方式對(duì)船舶密度較低的遠(yuǎn)海區(qū)域AIS信號(hào)接收效能有較明顯提升作用，對(duì)船舶密度較大的近海海域AIS信號(hào)接收效能提升有限。

為保證海洋二號(hào)(HY-2C)衛(wèi)星AIS載荷在軌效能，本文對(duì)衛(wèi)星電子設(shè)備電磁干擾特點(diǎn)、船舶密度較大區(qū)域AIS信號(hào)碰撞特點(diǎn)進(jìn)行了分析，實(shí)施了包含衛(wèi)星電子設(shè)備EMC控制、衛(wèi)星AIS頻段電磁干擾屏蔽、AIS載荷天線設(shè)計(jì)及基帶處理設(shè)計(jì)優(yōu)化的系統(tǒng)性優(yōu)化措施，提升AIS載荷對(duì)衛(wèi)星電磁環(huán)境適應(yīng)能力，降低衛(wèi)星在AIS頻段電磁處理工程化代價(jià)，提升AIS載荷近海海域在軌偵聽(tīng)效能。

1 HY-2C衛(wèi)星AIS載荷需要解決的問(wèn)題

HY-2C衛(wèi)星要求AIS載荷靈敏度為-111 dBm且需突破中國(guó)近海海域信號(hào)接收屏障，主要性能要求見(jiàn)表1，AIS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表2。HY-2C衛(wèi)星運(yùn)行在約970 km高度軌道，接收地面A/B類船舶發(fā)送的AIS報(bào)文，其信噪比較低，因此衛(wèi)星電子設(shè)備AIS頻段干擾、覆蓋區(qū)內(nèi)AIS信號(hào)碰撞等極易導(dǎo)致AIS載荷出現(xiàn)誤捕獲、漏捕獲。

表1 HY-2C衛(wèi)星對(duì)AIS載荷主要要求Table 1 Main requirements for AIS onboard HY-2C satellite

表2 AIS標(biāo)準(zhǔn)要求Table 2 Requirement of AIS standardization

1)衛(wèi)星電磁干擾導(dǎo)致AIS載荷效能下降問(wèn)題

AIS系統(tǒng)使用幀的概念，一幀為1 min，每分鐘劃分成2250個(gè)通信時(shí)隙。使用能量檢測(cè)方式來(lái)進(jìn)行AIS信號(hào)到達(dá)判斷容易因衛(wèi)星電磁干擾導(dǎo)致信號(hào)誤捕獲，造成以信號(hào)捕獲時(shí)刻作為起始時(shí)間的通信時(shí)隙浪費(fèi)。衛(wèi)星AIS頻段電磁干擾特點(diǎn)為單頻點(diǎn)或多頻點(diǎn)干擾，若不進(jìn)行衛(wèi)星電磁環(huán)境優(yōu)化及AIS載荷抗衛(wèi)星電磁干擾適應(yīng)性提升。HY-2C衛(wèi)星優(yōu)化前EMC試驗(yàn)AIS保護(hù)頻段內(nèi),存在多個(gè)單頻點(diǎn)干擾強(qiáng)度超出5 dBμV/m電磁輻射強(qiáng)度限制，則AIS接收靈敏度將低于-108 dBm，無(wú)法滿足衛(wèi)星對(duì)AIS載荷靈敏度-111 dBm要求。

2)AIS信號(hào)碰撞導(dǎo)致AIS載荷效能下降

AIS通信體制為基于TDMA的自組織網(wǎng)絡(luò)(SOTDMA)協(xié)議，單個(gè)SOTDMA小區(qū)半徑約50 km，AIS載荷天線可同時(shí)覆蓋多個(gè)自組網(wǎng)小區(qū)(Cell)。如圖1所示。在船舶密度較大區(qū)域，不同Cell內(nèi)船舶發(fā)射同時(shí)隙AIS報(bào)文將導(dǎo)致時(shí)隙碰撞，不同通信時(shí)隙、不同Cell內(nèi)船舶發(fā)送AIS報(bào)文可能因傳輸延遲導(dǎo)致相鄰時(shí)隙碰撞。若AIS不具備時(shí)隙內(nèi)沖突信號(hào)處理能力，則AIS效能將受到較大影響。

圖1 不同自組織區(qū)域信號(hào)同時(shí)到達(dá)碰撞示意圖Fig.1 Coverage of SAT-AIS antenna

2 AIS效能提升優(yōu)化設(shè)計(jì)

從衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)上加強(qiáng)衛(wèi)星電子設(shè)備電磁兼容約束，對(duì)AIS頻段無(wú)意電場(chǎng)輻射發(fā)射下凹進(jìn)行限制，同時(shí)要求AIS載荷提升對(duì)衛(wèi)星電磁干擾工況適應(yīng)能力，共同保證AIS載荷對(duì)衛(wèi)星電磁環(huán)境適應(yīng)性，確保AIS載荷效能。同時(shí)，研究分析了星載AIS近海海域接收效能提升可行性措施，實(shí)施了AIS天線設(shè)計(jì)優(yōu)化、AIS基帶處理算法優(yōu)化，有效提升星載AIS效能。

1)衛(wèi)星電子設(shè)備在AIS頻帶電磁輻射控制

衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)增加對(duì)衛(wèi)星電子設(shè)備AIS頻段電磁輻射強(qiáng)約束，AIS頻段無(wú)意電場(chǎng)輻射發(fā)射下凹要求見(jiàn)表3。針對(duì)存在技術(shù)狀態(tài)變動(dòng)的設(shè)備，研制過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)制電磁兼容要求，如散射計(jì)，研制過(guò)程中通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)AIS頻段電磁輻射強(qiáng)度進(jìn)行了有效控制。針對(duì)技術(shù)狀態(tài)較成熟設(shè)備，通過(guò)設(shè)備EMC試驗(yàn)進(jìn)行AIS工作頻段電磁泄露分析，針對(duì)EMC超差設(shè)備，通過(guò)試驗(yàn)明確干擾消除/減弱處理措施，同時(shí)組織開(kāi)展與AIS載荷聯(lián)試分析評(píng)估對(duì)AIS載荷影響，評(píng)估干擾影響可接受程度。

表3 海洋二號(hào)C衛(wèi)星AIS頻段無(wú)意電場(chǎng)輻射發(fā)射下凹要求Table 3 Emission concave requirements of unintentional electric field radiation in AIS frequency band of HY-2C satellite

2)整星EMC屏蔽處理

衛(wèi)星EMC試驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)AIS頻帶內(nèi)雜波較大設(shè)備，如高度計(jì)載荷，對(duì)雜波來(lái)源進(jìn)行定位排查，通過(guò)重點(diǎn)干擾設(shè)備接插件屏蔽處理等措施有效降低了在AIS頻段電磁泄漏強(qiáng)度。同時(shí)，為降低衛(wèi)星低頻干擾泄露對(duì)AIS載荷影響，通過(guò)近場(chǎng)嗅探等方式，對(duì)衛(wèi)星電纜、孔縫等主要泄露點(diǎn)進(jìn)行屏蔽、封堵。

實(shí)施EMC處理后的衛(wèi)星底噪測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2，在AIS保護(hù)頻帶內(nèi)底噪可控制在小于-8 dBμV/m，圖2中4個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)分別為AIS正常工作狀態(tài)下4個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)，衛(wèi)星電磁噪聲得到了有效控制。

3)AIS載荷天線優(yōu)化設(shè)計(jì)

提升AIS天線增益可提高AIS載荷接收船舶AIS信號(hào)信噪比從而降低AIS信號(hào)解調(diào)誤碼率。減小AIS天線對(duì)地覆蓋面積可有效降低AIS載荷因覆蓋范圍過(guò)大導(dǎo)致的AIS信號(hào)碰撞概率，同時(shí)，提升AIS天線覆蓋區(qū)對(duì)非覆蓋區(qū)增益梯度，可有效抑制非覆蓋區(qū)AIS信號(hào)對(duì)覆蓋區(qū)AIS信號(hào)接收干擾。

通過(guò)仿真分析，通過(guò)2副單極子天線一體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了較好的∞字型對(duì)地波束覆蓋，減小了對(duì)地探測(cè)范圍、提升了覆蓋區(qū)AIS信號(hào)增益梯度。AIS天線設(shè)計(jì)如圖3所示，AIS天線RM星測(cè)試方向圖如圖4所示。

(1)滿足垂直衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向?qū)Φ胤较?0°<|θ|<50°覆蓋要求同時(shí)，減小了平行衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向?qū)Φ馗采w面積，相比單個(gè)單極子天線等增益覆蓋面積減少40%，可有效緩解AIS信號(hào)碰撞影響。

(2)垂直衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向20°<|θ|<50°；天線增益大于1.5 dBi，|θ|<20°或|θ|>50°方向增益較低且增益下降較快，有效增益梯度最大接近4 dB(圖4中不同曲線表示不同φ對(duì)應(yīng)的增益曲線)，可有效抑制非覆蓋區(qū)AIS信號(hào)干擾。

圖4 AIS天線方向圖RM星162 MHz頻點(diǎn)測(cè)試2D方向圖Fig.4 2-D orientation map of AIS antenna on 162MHz for RM test

4)AIS載荷提升對(duì)衛(wèi)星電磁干擾適應(yīng)性

AIS報(bào)文同步序列由24 bit交替的0、1組成，采用NRZI編碼，同步序列編碼后為00、11……序列，在實(shí)施輸入信號(hào)功率監(jiān)測(cè)同時(shí)，充分挖掘編碼后AIS數(shù)據(jù)4T、2T(T為單bit時(shí)長(zhǎng))周期特性，進(jìn)行功率、4T周期、2T周期聯(lián)合判決，全部通過(guò)后判定AIS信號(hào)捕獲。因衛(wèi)星單頻點(diǎn)、多頻點(diǎn)電磁干擾不具備自相關(guān)性，可有效降低AIS載荷因衛(wèi)星平臺(tái)電磁干擾導(dǎo)致的誤捕獲概率。

AIS載荷抗衛(wèi)星電磁干擾單次信號(hào)捕獲流程如圖5，采樣數(shù)據(jù)依次通過(guò)功率判決、周期判決、半周期判決后，進(jìn)入訓(xùn)練序列起始位置判定與采樣數(shù)據(jù)輸出流程。

圖5 使用同步序列捕獲流程Fig.5 Flowchart of acquisition of training sequence

設(shè)單次信號(hào)捕獲搜索長(zhǎng)度范圍為N，利用信號(hào)功率及同步序列進(jìn)行信號(hào)達(dá)到判決過(guò)程如下。

(1)功率判決

判決方法如下：

(1)

(2)

SN>X×MN

(3)

式中：SN為連續(xù)Nbit長(zhǎng)度序列的累加功率；MN為連續(xù)Nbit長(zhǎng)度序列的最大功率點(diǎn)；X為判決閾值；xI為采樣信號(hào)實(shí)部；xQ為采樣信號(hào)虛部。

(2)4T周期判決

判決方法如下：

(4)

h4=g4,I2+g4,Q2

(5)

h4>Y×SN2

(6)

式中：g4為連續(xù)Nbit長(zhǎng)度信號(hào)與延遲4T周期信號(hào)共軛相乘累加結(jié)果；h4為AIS信號(hào)在4T碼元間隔下第一相關(guān)信號(hào)能量，Y為其判決閾值；g4,I為4T周期抽樣信號(hào)實(shí)部；g4,Q為4T周期抽樣信號(hào)虛部。

(3)2T周期判決

判決方法如下：

(7)

h2=g2,I2+g2,Q2

(8)

(9)

式中：g2為連續(xù)Nbit長(zhǎng)度信號(hào)與延遲2T周期信號(hào)共軛相乘累加結(jié)果，h2為AIS信號(hào)在2T碼元間隔下第一相關(guān)信號(hào)能量，Z為其判決閾值；g2,I為2T周期抽樣信號(hào)實(shí)部；g2,Q為2T周期抽樣信號(hào)虛部。

聯(lián)合判決相比單獨(dú)功率判決，AIS載荷抗衛(wèi)星電磁干擾性能提升優(yōu)于3 dB。

5)AIS載荷提升近海海域解調(diào)能力

在諸如中國(guó)東南海等船舶密度大的近海區(qū)域，船舶AIS信號(hào)碰撞嚴(yán)重，若同一個(gè)通信時(shí)隙內(nèi)同時(shí)收到來(lái)自多個(gè)自組織區(qū)域的多條AIS信號(hào)，且某條信號(hào)功率較高，其它信號(hào)功率較低，則較高功率信號(hào)解調(diào)概率大于其它信號(hào)，因此，需具備高功率信號(hào)捕獲能力并優(yōu)先進(jìn)行解調(diào)。

基于連續(xù)捕獲設(shè)計(jì)的AIS信號(hào)接收過(guò)程如圖6所示，設(shè)T0時(shí)刻自組織區(qū)域1報(bào)文1到達(dá)，T1時(shí)刻自組織區(qū)域2報(bào)文1到達(dá)，T2時(shí)刻自組織區(qū)域1報(bào)文2到達(dá)，T3時(shí)刻自組織區(qū)域3報(bào)文1到達(dá)。其中T1=T0+Δt1，T2=T1+Δt2，T3=T2+Δt3。P1為T0、T2時(shí)刻捕獲報(bào)文的功率；P2為T1時(shí)刻捕獲報(bào)文的功率；P3為T3時(shí)刻捕獲報(bào)文的功率。

圖6 AIS信號(hào)連續(xù)捕獲說(shuō)明Fig.6 Flowchart of AIS signal continuous capture

AIS接收機(jī)連續(xù)捕獲處理過(guò)程如下：

(1)T0時(shí)刻捕獲功率為P1自組織區(qū)域1報(bào)文1，但由于與同時(shí)隙內(nèi)功率為P3的自組織區(qū)域3報(bào)文1發(fā)生碰撞，則自組織區(qū)域1報(bào)文1無(wú)法解調(diào)。但當(dāng)自組織區(qū)域3報(bào)文1功率高于自組織區(qū)域1報(bào)文1功率5 dB及以上，則可正常捕獲解調(diào)自組織區(qū)域3報(bào)文1。

(2)T2時(shí)刻捕獲功率為P1自組織區(qū)域1報(bào)文2，但該報(bào)文傳輸時(shí)長(zhǎng)較短，同一時(shí)隙內(nèi)T3時(shí)刻到達(dá)的功率為P2的自組織區(qū)域2報(bào)文1未與自組織區(qū)域1報(bào)文2發(fā)生碰撞，自組織區(qū)域1報(bào)文2可正常解調(diào)。同時(shí)，基于連續(xù)捕獲的接收機(jī)可正常解調(diào)自組織區(qū)域2報(bào)文1。

分析可知，當(dāng)自組織區(qū)域3報(bào)文1功率高于自組織區(qū)域1報(bào)文1功率4 dB及以上時(shí)，基于連續(xù)捕獲接收機(jī)可捕獲、解調(diào)自組織區(qū)域3報(bào)文1、自組織區(qū)域1報(bào)文2、自組織區(qū)域2報(bào)文1。非連續(xù)捕獲接收機(jī)(時(shí)隙接收機(jī))僅可捕獲、解調(diào)自組織區(qū)域1報(bào)文2、自組織區(qū)域2報(bào)文1。

3 驗(yàn)證與應(yīng)用

系統(tǒng)優(yōu)化后衛(wèi)星地面測(cè)試，AIS載荷接收靈敏度優(yōu)于-111 dBm，滿足衛(wèi)星對(duì)AIS載荷指標(biāo)要求。干擾模擬測(cè)試，寬帶噪聲模式下，AIS信號(hào)信噪比大于5 dB，無(wú)誤捕獲發(fā)生。信號(hào)碰撞模式測(cè)試，碰撞信號(hào)功率低于有用信號(hào)功率5 dB時(shí)，有用信號(hào)解調(diào)概率大于85%。

2020年9月25日，HY-2C衛(wèi)星發(fā)射，AIS載荷日均接收全球船舶AIS報(bào)文23.5萬(wàn)條，識(shí)別船舶數(shù)量2.1萬(wàn)艘，全球船舶AIS位置報(bào)告日均接收海圖如圖7所示，每個(gè)點(diǎn)表示一艘船舶位置報(bào)文。其中，在中國(guó)近海、地中海、紅海、波斯灣、孟加拉灣及美洲近海、北歐等船舶密度較大地區(qū)，相比前期衛(wèi)星接收效能具有較大性能提升，如圖8、圖9所示。

圖7 AIS載荷24小時(shí)接收全球船舶位置海圖Fig.7 Global ships map acquired by AIS within one day

圖8 衛(wèi)星中國(guó)近海海域接收效能比對(duì)Fig.8 Comparison of satellite reception performance in China offshore

HY-2C衛(wèi)星AIS載荷可接收全球A、B類船舶位置報(bào)告、助航設(shè)備報(bào)告、船舶靜態(tài)和航行相關(guān)數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)的搜救航空器位置報(bào)告等，用戶對(duì)接收到的AIS報(bào)文按船舶的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼(MMSI)、報(bào)文類別等進(jìn)行分類處理，應(yīng)用于船舶位置定位、航向及航跡追蹤等位置服務(wù)，應(yīng)用于全球船舶密度及航運(yùn)態(tài)勢(shì)分析評(píng)估，應(yīng)用于船舶安全航行交通管理及緊急搜救支援，應(yīng)用于針對(duì)重點(diǎn)船只的遙感類載荷聯(lián)合追蹤及觀測(cè)等。目前HY-2C衛(wèi)星AIS載荷數(shù)據(jù)已納入用戶業(yè)務(wù)化運(yùn)行體制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)HY-2C衛(wèi)星AIS載荷效能提升系統(tǒng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，分析了目前AIS載荷因衛(wèi)星電子設(shè)備電磁干擾導(dǎo)致接收效能下降，和在船舶密度較大的近海區(qū)域無(wú)法接收AIS信號(hào)情況，提出了結(jié)合衛(wèi)星電子設(shè)備無(wú)意輻射控制優(yōu)化、整星屏蔽包裹處理、AIS載荷天線設(shè)計(jì)優(yōu)化、AIS載荷基帶處理算法優(yōu)化等系統(tǒng)優(yōu)化方法，以降低衛(wèi)星EMC處理實(shí)施代價(jià)，并提升AIS載荷綜合效能，AIS載荷抗衛(wèi)星電磁干擾能力提升優(yōu)于3 dB，衛(wèi)星在AIS工作保護(hù)頻段底噪下降10 dBμV/m。

衛(wèi)星入軌后，驗(yàn)證了AIS載荷與衛(wèi)星電磁環(huán)境的兼容性，驗(yàn)證了AIS載荷通過(guò)優(yōu)化天線設(shè)計(jì)減小對(duì)地覆蓋范圍，以及提高增益梯度對(duì)提升船舶密度較大區(qū)域監(jiān)視效能的適應(yīng)性，驗(yàn)證了連續(xù)捕獲設(shè)計(jì)對(duì)提升AIS碰撞信號(hào)解調(diào)的有效性，為后續(xù)AIS載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)及工程上的參考。