楊樹樹，徐 寧，侯文棟，宋海偉，田 達，冀貞海

（中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟一體化的進程，航運業(yè)蓬勃發(fā)展，在航海安全、航海自動化、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋科學(xué)研究以及航海通信等領(lǐng)域?qū)Ω呖煽啃院Ｉ蠠o線通信的需求愈加強烈。船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）是國際海事組織大力推廣的一種海事交通管制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)船岸間以及船舶之間的交管通信。隨著近年AIS 設(shè)備的廣泛應(yīng)用和航海自動化、智能化的推進，現(xiàn)有的AIS系統(tǒng)信道帶寬窄、信息傳輸可靠性低、通信距離有限等應(yīng)用瓶頸日益顯現(xiàn)［1］。

針對上述問題，國際電信聯(lián)盟（ITU）、國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）和國際海事組織（IMO）分別從頻點、應(yīng)用和規(guī)則層面對現(xiàn)有AIS 系統(tǒng)進行“升級”的可行性研究。2013年，IALA 首次提出下一代的海事通信系統(tǒng)——VDES 發(fā)展建議，作為AIS 的全面升級系統(tǒng)，VDES 將引入衛(wèi)星海事移動通信技術(shù)實現(xiàn)通信距離拓展，有望解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的各方面問題［2］。相比于AIS 系統(tǒng)，VDES 系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)種類更加豐富，在原來廣播信道基礎(chǔ)上增加了特殊應(yīng)用報文（ASM）和寬帶甚高頻數(shù)據(jù)交換（VDE）的通信信道，三者共同配合來提高海事船舶通信的數(shù)據(jù)傳輸能力［3］。

VDES 是一項正在發(fā)展中的技術(shù)，國內(nèi)外都在積極參與和推動相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定和系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)工作；開展天基VDES 載荷技術(shù)研究對保障海上航行安全、全球航海信息資源利用與共享、海上經(jīng)濟發(fā)展、國防建設(shè)服務(wù)等方面具有重要的意義。本文主要對天基VDES 載荷技術(shù)進行研究，簡要介紹了VDES 的系統(tǒng)主要特點，對衛(wèi)星環(huán)境下VDES 載荷面臨的特殊問題進行分析，在此基礎(chǔ)上提出了小衛(wèi)星VDES 載荷系統(tǒng)初步方案。

1 VDES 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

VDES 主要實現(xiàn)天基、地（岸）基、船舶3 大部分之間的信息傳輸與交換，極大地拓展了海事通信信息傳輸能力。VDES 采用了“天地?！币惑w化的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。其中，“天”指由衛(wèi)星空間段作為主要節(jié)點的天基網(wǎng)絡(luò)；“地”是指由地面基站、衛(wèi)星地面站、信息服務(wù)中心等節(jié)點組成的岸基網(wǎng)絡(luò)；“?！笔侵复昂透?biāo)等各類終端節(jié)點組成的海上網(wǎng)絡(luò)［4］。

在此系統(tǒng)架構(gòu)下，船舶可以廣播自身位置信息，并與在通信范圍內(nèi)的其他船舶交換數(shù)據(jù)信息。此外，船舶還可通過與附近的浮標(biāo)通信，獲取直接通聯(lián)范圍之外的船舶分布情況。當(dāng)船舶距陸地較遠時，可以通過衛(wèi)星來實現(xiàn)與岸站之間或遠距離船間的通信。

1.2 功能和頻率規(guī)劃

ITU 根據(jù)IALA 在2013年提出 發(fā)展VDES 建議的基礎(chǔ)上，于2015年10月正式發(fā)布了VDES 推薦標(biāo)準(zhǔn)ITU-R M.2092-0 建議書——《VHF 水上移動頻段中VDES 的技術(shù)特性》，提出了如圖2 所示的VDES 系統(tǒng)功能和頻率使用規(guī)劃［5］。

圖2 VDES 系統(tǒng)功能和頻率使用規(guī)劃

VDES 劃分了18 個海上通信信道：2 個AIS信道、2 個ASM信道、12個VDE信道和2個衛(wèi)星監(jiān)測AIS 信道。AIS 信道繼續(xù)承擔(dān)與航行安全相關(guān)的消息的傳輸；ASM 信道用于傳輸特殊應(yīng)用報文，諸如水紋、天氣和危險貨物指示等；VDE 信道按照鏈路方向可分為上行鏈路和下行鏈路，其中每個方向鏈路又分為4 個25 kHz（可合并為100 kHz）的VDE1信道和2個25 kHz（可合并為50 kHz）的VDE2信道；衛(wèi)星監(jiān)測AIS 信道主要用于傳輸遠距離的AIS 報文。

為了提高單位頻帶的通信傳輸速率并適應(yīng)不同業(yè)務(wù)特點，VDES 采用GMSK、QPSK、8PSK、16QAM等相結(jié)合的調(diào)制方式，在不顯著增加信道帶寬的情況下，實現(xiàn)了9.6～307.2 kbps 的通信速率，最高通信速率為AIS 系統(tǒng)的32 倍，可而滿足海上用戶的不同需求。

VDES 頻率使用和相關(guān)技術(shù)特性如表1 所示。

表1 VDES 頻率使用和技術(shù)特性

2 天基VDES 系統(tǒng)面臨的特殊問題

天基VDES 載荷主要實現(xiàn)地/海面AIS（包括遠距離AIS）、ASM、VDE 上行信號接收以及VDE 下行信號發(fā)射。與地面VDES 系統(tǒng)處理不同，天基VDES 系統(tǒng)必須考慮同信道干擾、多普勒效應(yīng)、傳輸延時、極化旋轉(zhuǎn)、地面無線電干擾、發(fā)射干擾抑制等特殊問題。

2.1 同信道干擾

VDES 是一種采用TDMA 現(xiàn)代通訊技術(shù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用UTC 時間同步，將每分鐘劃分為2 250 個時隙，每個時隙為26.67 ms，不同船舶占據(jù)不同時隙進行通信（TDMA），如圖3 所示。

圖3 VDES 系統(tǒng)的TDMA 數(shù)據(jù)幀時序關(guān)系

衛(wèi)星VDES 系統(tǒng)覆蓋范圍廣，通常包含多個TDMA 子網(wǎng)絡(luò)，來自不同子網(wǎng)絡(luò)的多個信號有可能在同一時隙到達衛(wèi)星接收機，從而產(chǎn)生信號碰撞現(xiàn)象；船舶密度越高、衛(wèi)星接收天線波束越寬，發(fā)生碰撞的概率越高，這些時隙碰撞信號形成了同信道干擾，導(dǎo)致接收機解調(diào)時的幀錯誤率大大增加，以致丟失船舶信息。

2.2 多普勒效應(yīng)

在VDES 的衛(wèi)星鏈路中，船舶與衛(wèi)星之間的高速相對運動使得衛(wèi)星接收信號產(chǎn)生較為顯著的多普勒頻移，從而給接收機帶來載頻同步問題。對于典型LEO 軌道，VDES 信號的多普勒頻偏在±4 kHz 以內(nèi)，遠遠超出地面接收的頻偏范圍，這意味著在衛(wèi)星接收VDES 信號必須具有較大的頻偏適應(yīng)能力。圖4 為典型LEO 軌道不同仰角時的頻偏曲線。

圖4 典型LEO 軌道多普勒效應(yīng)

2.3 傳輸延時

衛(wèi)星軌道高度決定了地面信號的傳輸距離，對一個600 km 軌道高度的LEO 而言，最小距離等于軌道高度，即最小距離為600 km，最大距離為衛(wèi)星與地球的切線方向，最大距離為2 830 km；傳輸距離決定了信號的傳輸延時，對于典型600 km 軌道高度的衛(wèi)星，VDES 信號的傳輸延時范圍為2～9.4 ms，如圖5 所示。與地面應(yīng)用相比，衛(wèi)星接收系統(tǒng)的突發(fā)捕獲窗時間會更長。

圖5 傳輸延時

2.4 極化旋轉(zhuǎn)

由于VHF 頻段星地鏈路傳輸?shù)姆ɡ谛?yīng)顯著，法拉第旋轉(zhuǎn)角度與頻率的關(guān)系如表2 所示。地面VDES 系統(tǒng)發(fā)射線極化信號經(jīng)電離層傳播至衛(wèi)星接收天線，極化方向偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的不確定性，因此難以實現(xiàn)極化匹配接收，衛(wèi)星接收系統(tǒng)的靈敏度設(shè)計必須考慮極化損耗。

表2 法拉第旋轉(zhuǎn)角度與頻率的關(guān)系

2.5 地面無線電干擾

VDES 信號到達衛(wèi)星接收機時，容易受到地面VHF 頻段無線電的干擾，如海事移動業(yè)務(wù)VHF 公用通信站、陸基移動電臺等鄰近信道的大功率輻射的能量綜合疊加，要求衛(wèi)星接收系統(tǒng)具有更好的線性和頻率選擇性。

2.6 發(fā)射干擾抑制

衛(wèi)星VDES 系統(tǒng)的VDE 下行發(fā)射信道與AIS/ASM 上行接收信道相鄰，VDES 具體信道分配見表1。如果VDE 下行發(fā)射的帶外抑制不達標(biāo)，雜散電平不能得到有效控制，就容易造成接收通道的阻塞，使得AIS/ASM 接收通道不能正常工作，發(fā)射機鄰信道干擾抑制及雜散要求如表3 所示，因此衛(wèi)星VDES 系統(tǒng)必須考慮鄰近信道發(fā)射干擾抑制的問題。

3 天基VDES 載荷系統(tǒng)初步設(shè)想

小衛(wèi)星平臺對有效載荷技術(shù)提出了較高的要求，在確保系統(tǒng)總體性能指標(biāo)的前提下，盡可能采用小型化、輕型化設(shè)計，提高電路設(shè)備集成度以及模塊的復(fù)用性，減小有效載荷的體積、質(zhì)量，以滿足平臺的需要。

針對天基VDES 系統(tǒng)面臨的特殊問題以及載荷輕小型的設(shè)計要求，載荷樣機采用軟件無線電設(shè)計思路，采用射頻直接帶通采樣方案，減少變頻環(huán)節(jié)及由此帶來的非線性效應(yīng)，降低射頻前端復(fù)雜度，進而降低載荷的體積、質(zhì)量。天基VDES 載荷組成如圖6 所示，主要包括AIS/ASM 寬波束接收天線、VDE 高增益收/發(fā)天線、射頻前端、多功能VDES 收/發(fā)處理單元。

圖6 天基VDES 載荷組成

3.1 天線

為了保證AIS/ASM 上行接收與VDE 通信同時工作，載荷采用2 副天線。AIS/ASM 天線采用常規(guī)的鞭狀天線，VDE 天線采用圓極化八木天線。VDE 天線指向地球切線方向，如圖7 所示，可實現(xiàn)低仰角覆蓋，同時降低了對星上發(fā)射功率的需求。

圖7 VDE 收/發(fā)天線指向

3.2 射頻前端

射頻前端提供2 路的接收通道以及1 路發(fā)射通道，實現(xiàn)對上行接收信號的濾波、放大等調(diào)理，以及對下行發(fā)射信號的濾波、功率放大。射頻前端設(shè)計中需要重點關(guān)注系統(tǒng)噪聲系數(shù)、收發(fā)通道隔離度、帶外干擾信號抑制、電路的小型化設(shè)計等方面。

3.3 多功能VDES 收/發(fā)處理單元

多功能VDES 收/發(fā)處理單元采用一體化設(shè)計，能夠同時實現(xiàn)對AIS、ASM，VDE 上行信號的接收處理，以及實現(xiàn)VDE 下行發(fā)射信號的信道編碼、基帶調(diào)制；并且能夠根據(jù)具體任務(wù)需求在軌重構(gòu)，實現(xiàn)算法軟件的在軌升級。

4 結(jié)束語

未來涉?；顒訉⒏宇l繁，對海上安全通信及信息保障的需求將越來越旺盛，研究天基VDES 載荷技術(shù)對發(fā)展新型衛(wèi)星偵察裝備、全面提升空間信息獲取能力具有重要意義。本文對天基VDES 系統(tǒng)面臨的特殊問題進行分析，對天基VDES 載荷進行了初步設(shè)計。相信隨著技術(shù)不斷發(fā)展、研究工作不斷深入，VDES 監(jiān)視衛(wèi)星應(yīng)用裝備的建設(shè)水平必將大幅提高?！?/p>