武宏勛，黃宛寧，苗景剛，申 戈

(1.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 航空宇航學(xué)院，北京 100049)

0 引言

我國(guó)是個(gè)海洋大國(guó)，海洋在帶來(lái)豐富資源的同時(shí)，也給我們帶來(lái)了海洋監(jiān)控方面的巨大挑戰(zhàn)。高頻地波雷達(dá)(HFSWR，high frequency surface wave radar)是一種探測(cè)海面和低空目標(biāo)的技術(shù)手段，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，又可以跟蹤運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，通過(guò)分析回傳的信號(hào)，來(lái)得到距離、位置以及船只航行的方向和速度、甚至是其大小及形狀[1]。

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS，auto identification system)是一種船舶通信導(dǎo)航系統(tǒng)。航向的船只通過(guò)配備的AIS設(shè)備，來(lái)主動(dòng)向外界廣播帶有本船呼號(hào)、船名的航行信息(包括目前所在經(jīng)緯度、航向方向及速度等)。以及航次相關(guān)信息和安全信息[2]。AIS具有受位置、天氣影響小，導(dǎo)航精度高的優(yōu)點(diǎn)[3-5]，利用AIS可以對(duì)船只等目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)[6]。

AIS可以作為發(fā)展HFSWR技術(shù)的評(píng)估手段和驗(yàn)證工具[7]，目前提供AIS數(shù)據(jù)的方式有兩種，一種是靠船載AIS設(shè)備接收AIS數(shù)據(jù)，雖然能夠?yàn)镠FSWR提供實(shí)時(shí)的船舶信息，但由于其天線(xiàn)架設(shè)高度(約15 m)以及設(shè)備自身的限制，僅能接收到較近范圍內(nèi)船只發(fā)來(lái)的AIS報(bào)文；另一種是利用星載AIS來(lái)獲取船舶信息，目前應(yīng)用的多是低軌衛(wèi)星平臺(tái)，受限于過(guò)境時(shí)間，不能為HFSWR提供長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)船舶信息[8]。

系留氣球是一種定點(diǎn)駐空觀測(cè)平臺(tái)，具有載重量大、駐空時(shí)間長(zhǎng)、使用效費(fèi)比高、保障要求低的特點(diǎn)，通過(guò)在船基系留氣球上搭載AIS接收設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)附近較廣海域船只的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

本文根據(jù)HFSWR的性能評(píng)估需求，設(shè)計(jì)了基于船載系留氣球平臺(tái)的AIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)海上試驗(yàn)獲取了大量的AIS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和分析，該系統(tǒng)具有接收數(shù)據(jù)范圍廣，實(shí)時(shí)性高，漏報(bào)率低等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 船基系留氣球平臺(tái)

系留氣球主要包括氣球本體、系纜、錨泊系統(tǒng)3部分。氣球通過(guò)將內(nèi)部的軟式氣囊中充入氦氣或氫氣來(lái)產(chǎn)生浮力，從而實(shí)現(xiàn)在空中駐留。氣球上搭載電子通信設(shè)備來(lái)為預(yù)警雷達(dá)、各種相機(jī)提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的監(jiān)視探測(cè)等目標(biāo)。系纜可以承受高強(qiáng)度的拉力，以實(shí)現(xiàn)約束氣球駐留在目標(biāo)高度，大多數(shù)系纜內(nèi)部有電線(xiàn)與光纖，前者可以為氣球的艇載計(jì)算機(jī)以及搭載的雷達(dá)、相機(jī)等載荷設(shè)備供電，后者以實(shí)現(xiàn)艇載計(jì)算機(jī)與地面設(shè)備之間高速的信息傳輸，如相機(jī)拍攝到的實(shí)時(shí)畫(huà)面、各類(lèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)、雷達(dá)收到的實(shí)時(shí)信息以及地面的遙控指令等。系纜內(nèi)部的電線(xiàn)保證了地面的電能能夠源源不斷地供給給正在高空駐留的系留氣球，因此使得其能夠擺脫能源的限制，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)駐留[9]。錨泊系統(tǒng)配備有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收放系纜。通過(guò)控制電機(jī)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)系留氣球駐空高度的調(diào)整以及發(fā)放與回收。此外，錨泊系統(tǒng)可以通過(guò)手動(dòng)控制，以應(yīng)對(duì)如通信中斷、設(shè)備失控等突發(fā)情況。系留氣球的優(yōu)點(diǎn)除了任務(wù)載荷可按需靈活搭載，其布設(shè)平臺(tái)的彈性也很大，在陸地、船舶上都可布放[10]。

船基系留氣球是一種裝載在艦船上，可集成光電/紅外傳感器、雷達(dá)等任務(wù)載荷的系留氣球。其留空時(shí)間長(zhǎng)、探測(cè)范圍廣、部署方便、使用效費(fèi)比高，能廣泛應(yīng)用于360度全方位持續(xù)偵察監(jiān)視，是執(zhí)行來(lái)往船只跟蹤、重點(diǎn)海域巡查和環(huán)境監(jiān)測(cè)等任務(wù)的特種裝備[11]。

船基球載AIS系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)包括：

1)適合機(jī)動(dòng)部署，便于運(yùn)輸，700噸以上的船只即可裝載下整套系統(tǒng)。

2)操作簡(jiǎn)單便捷，擁有電源、網(wǎng)絡(luò)、通信等標(biāo)準(zhǔn)化接口，設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)了模塊化組裝，普通人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可完成操作。

3)架設(shè)快速，部署靈活，系統(tǒng)充氣完成后，可在15 min 內(nèi)升空至最高300 m高度，進(jìn)入工作狀態(tài)，能夠滿(mǎn)足多種場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

4)系統(tǒng)擴(kuò)展性極強(qiáng)，球載吊艙內(nèi)為任務(wù)載荷預(yù)留了安裝空間，預(yù)留有任務(wù)載荷的供電接口和光纖接口，且可根據(jù)不同載荷的結(jié)構(gòu)和電氣特點(diǎn)，進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，形成快速切換方案，滿(mǎn)足不同載荷設(shè)備的集成和適配需求。

5)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)充分考慮了高低溫、振動(dòng)、防水、防塵、系留線(xiàn)纜抗拉力等因素影響，覆蓋范圍靈活可調(diào)，用戶(hù)能夠根據(jù)保障需求和應(yīng)用場(chǎng)景自由改變升空高度，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足各類(lèi)海上預(yù)警監(jiān)視，應(yīng)急通信，中繼通信等需求。

6)續(xù)航時(shí)間和滯空工作時(shí)間超長(zhǎng)，通過(guò)系留線(xiàn)纜可以確保電源供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸不間斷；系統(tǒng)采用工業(yè)用電或發(fā)電機(jī)供電，在地面供電不中斷的情況下，系留氣球平臺(tái)能夠長(zhǎng)時(shí)間在空中飛行，具備超長(zhǎng)的續(xù)航能力，能夠 24 h 不間斷空中作業(yè)，滿(mǎn)足了長(zhǎng)時(shí)間工作的場(chǎng)景需求。

7)與系留無(wú)人機(jī)相比，系留氣球系統(tǒng)因?yàn)椴恍枰w行動(dòng)力系統(tǒng)，系統(tǒng)功耗低，噪音小，可靠性高，更適合長(zhǎng)時(shí)間駐空飛行。

8)系統(tǒng)的最大升限為300 m，可在5～300 m 之間可任意調(diào)節(jié)高度。在不同高度工作時(shí)，收放纜等性能均能支持系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間高可靠運(yùn)行，保證產(chǎn)品能夠靈活適應(yīng)不同的工作高度場(chǎng)景。

9)載重量大，30 kg 的凈載重能力(不含系留線(xiàn)纜及備用電池)可確保系統(tǒng)能夠適配基站設(shè)備、通信中繼等多種任務(wù)載荷，形成不同行業(yè)的應(yīng)用解決方案。

國(guó)外方面，美國(guó)最早開(kāi)展了船載系留氣球領(lǐng)域的研究[12-13]，并一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位，比較著名的是美國(guó)海軍空中中繼系統(tǒng)MARTS，它是一種系留氣球通信中繼系統(tǒng)，主要用于保持美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)與指揮中心之間的通信聯(lián)系。MARTS所采用的是TCOM的海用系留氣球，長(zhǎng)32米，體積1 800 m3，有效載荷275 kg，升空高度900 m，正常工作抗風(fēng)能力達(dá)到80 km/h。該系統(tǒng)還能夠有效的監(jiān)測(cè)海上目標(biāo)，并形成空中和海面預(yù)警，同時(shí)也可攜帶相關(guān)專(zhuān)用載荷用以反潛。洛克希德馬丁公司的56 K系留平臺(tái)也在海上多次開(kāi)展了探測(cè)和監(jiān)視任務(wù)，氣球長(zhǎng)度33.4 m，體積1 600 m3，有效載荷225 kg，升空高度760 m。該系統(tǒng)可作為海上雷達(dá)站，對(duì)低空飛機(jī)、和用于突防的巡航導(dǎo)彈開(kāi)展俯視偵察。

美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)(USCG)MIST(移動(dòng)攔截與偵察)系統(tǒng)基于TCOM的船基系留氣球，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始用于進(jìn)行東南沿海毒販和非法移民的監(jiān)控。在檢測(cè)到可能的威脅后，信息將傳至巡邏隊(duì)進(jìn)行確認(rèn)和攔截。使用該系統(tǒng)后，非法海事活動(dòng)明顯下降。

美國(guó)海軍還曾使用雙體高速運(yùn)輸艦“雨燕”號(hào)(HSV 2)，搭載TIF-25K型系留氣球開(kāi)展了代號(hào)為“Martillo”的軍事行動(dòng)，目的在于在海上打擊有組織的跨國(guó)犯罪。

國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院近些年多次赴西沙、南沙、舟山、三亞、青島公海開(kāi)展船載系留氣球作業(yè)，主要用途為科學(xué)考察，海上應(yīng)急通信試驗(yàn)，非法越界船只監(jiān)控試驗(yàn)等，填補(bǔ)了我國(guó)船基系留氣球應(yīng)用空白，見(jiàn)圖 1。

圖1 中科院空天院的船載系留氣球系統(tǒng)

本次試驗(yàn)的AIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系留氣球平臺(tái)采用了體積為150 m3的KX15小型系留氣球作為升空載體，其船載型主要特點(diǎn)為主要的錨泊裝置，包括側(cè)臂、側(cè)絞盤(pán)、鼻塔、鼻栓、鼻絞盤(pán)、液壓系統(tǒng)、電滑環(huán)、電氣控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、纜繩防護(hù)裝置、導(dǎo)線(xiàn)輪裝置及其他輔助裝置全部集成在在一個(gè)20 GP的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，便于在船上安裝部署及轉(zhuǎn)運(yùn)。

其主要性能指標(biāo)如表 1所示。KX15型系留氣球已經(jīng)在陸地車(chē)載、海島和艦船上完成過(guò)十幾次飛行任務(wù)，技術(shù)狀態(tài)成熟可靠。

表1 船載系留氣球性能指標(biāo)

2 AIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AIS采集系統(tǒng)由接收AIS信號(hào)的球載吊艙(包括AIS接收機(jī)、測(cè)控計(jì)算機(jī)、球載光端機(jī))，用于處理和轉(zhuǎn)發(fā)AIS報(bào)文的地面光端機(jī)、地面任務(wù)處理計(jì)算機(jī)、交換機(jī)及用于和HFSR共享AIS信息的數(shù)據(jù)融合處理計(jì)算機(jī)組成[14-16]，如圖2所示。

圖2 AIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件連接圖

AIS接收機(jī)安裝在系留氣球吊艙內(nèi)部，天 線(xiàn)裝在吊艙下部無(wú)遮擋的位置。接收到的AIS信號(hào)經(jīng)解調(diào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送給球載光端機(jī)。球載光端機(jī)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，經(jīng)過(guò)主系纜中的光纖下傳給地面光端機(jī)，后者還原為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)RJ45網(wǎng)口傳輸給地面任務(wù)處理計(jì)算機(jī)。地面AIS數(shù)據(jù)采集軟件接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解碼，顯示，存儲(chǔ)等操作。球載的AIS數(shù)據(jù)信息同時(shí)也發(fā)送了一份給數(shù)據(jù)融合處理計(jì)算機(jī)，用于船載HFSWR探測(cè)信息的融合和比對(duì)。

球載AIS接收機(jī)用于接收海上船舶發(fā)出的AIS信息并解調(diào)為數(shù)字報(bào)文，而AIS數(shù)據(jù)采集軟件則是對(duì)所收的AIS報(bào)文進(jìn)行解碼，顯示，存儲(chǔ)等，以下對(duì)這兩部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 AIS接收機(jī)

AIS接收機(jī)模塊的設(shè)計(jì)，依照ITU-R M.1371-4建議書(shū)標(biāo)準(zhǔn)[17]，射頻接收頻率覆蓋156.025～162.025 MHz，信道間隔25 kHz，編碼方式采用NRZI，調(diào)制方式為半雙工GMSK/FM。整個(gè)接收過(guò)程的原理如圖3所示，采用標(biāo)準(zhǔn)的雙信道接收工作模式：AIS 1(信道87B，161.975 MHz)，AIS 2(信道88B，162.025 MHz)。因此AIS接收機(jī)模塊內(nèi)部包含兩套TDMA接收通道，信道接入在兩個(gè)并列信道上是各自獨(dú)立進(jìn)行的。兩條接收鏈路，在IF之前共用天線(xiàn)、低通濾波、I級(jí)聲表帶通濾波、低噪放、II級(jí)聲表帶通濾波等射頻單元，IF之后則單獨(dú)使用各自的頻率綜合單元、混頻器，轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)后各自解調(diào)解碼，獲得兩路接收的報(bào)文。

基帶處理后的AIS報(bào)文，將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口以TCP協(xié)議發(fā)送到上位機(jī)中。

AIS接收機(jī)的性能參數(shù)如下所示：

1)最大功耗<5 W；

2)接收靈敏度：優(yōu)于-112 dBm；

3)天線(xiàn)典型駐波比：1.2：1@ 156.8 MHz；

4)天線(xiàn)極化方式：垂直極化；

5)天線(xiàn)方向性：全向；

6)天線(xiàn)增益：3 dBi。

圖3 AIS接收機(jī)模塊原理框圖

2.2 AIS數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件的主要功能是解碼收到的AIS報(bào)文，并將主要的信息顯示在前面板上并存儲(chǔ)。

AIS語(yǔ)句由語(yǔ)句起始符(“$”或"！")起始，用“，”將語(yǔ)句各部分分隔開(kāi)，以語(yǔ)句結(jié)束符()結(jié)束，語(yǔ)句的長(zhǎng)度不是固定的，最大長(zhǎng)度為82個(gè)字符，超過(guò)此長(zhǎng)度則將該語(yǔ)句分割成幾個(gè)語(yǔ)句進(jìn)行傳輸。

AIS電文分為明碼和暗碼兩類(lèi)。明碼以“$”開(kāi)頭，明碼報(bào)文內(nèi)容可以直接讀取。暗碼以”！“開(kāi)頭，報(bào)文內(nèi)容需要通過(guò)字符轉(zhuǎn)換和格式定義才能讀出。AIS暗碼是經(jīng)過(guò)封裝的語(yǔ)句，以壓縮封裝的方式傳輸信息，主要用于高速傳輸大量信息的場(chǎng)景。海上船舶發(fā)送的AIS報(bào)文為暗碼。故本文主要針對(duì)AIS暗碼進(jìn)行解碼工作。

AIS報(bào)文的暗碼數(shù)據(jù)格式為：！XXYYY，A，B，C，N，Data，V*HH，。

各字段的含義如表2所示。

表2 AIS報(bào)文的暗碼中各字段含義

AIS 報(bào)文從整體上采用了IEC61162-1規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而在其Data部分，則使用了壓縮6 bit的方式。之所以采用內(nèi)外兩層協(xié)議是因?yàn)榧缺ＷC了報(bào)文協(xié)議的兼容性，又實(shí)現(xiàn)了比8 bit的ASCII字符更簡(jiǎn)練的編碼方式，從而保證了數(shù)據(jù)的傳輸速度。對(duì)于有效字符至二進(jìn)制碼地轉(zhuǎn)換可以參看圖4，通過(guò)對(duì)讀進(jìn)來(lái)的Data字符串長(zhǎng)度的判斷來(lái)執(zhí)行加40或加32的操作，最后取其低六位即是所得的二進(jìn)制碼，再按順序保存到8 bit 字節(jié)串中，最后按照 AIS 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議從8 bit 字節(jié)串中提取相應(yīng)的信息[15]。

圖4 有效字符至二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換流程

系統(tǒng)整體如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)分為T(mén)CP數(shù)據(jù)讀取模塊、報(bào)文拼接模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、參數(shù)解碼模塊、解碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、參數(shù)顯示模塊以及地圖繪制模塊七大模塊。當(dāng)TCP數(shù)據(jù)讀取模塊讀取到數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接操作，然后進(jìn)入系統(tǒng)的核心模塊—參數(shù)解碼模塊，得到船只的各類(lèi)信息，最后把解碼出來(lái)的信息進(jìn)行顯示和繪制在地圖上。

圖5 AIS采集軟件系統(tǒng)框圖

Labview的TCP協(xié)議中對(duì)于TCP消息的讀取動(dòng)作有4種模式分別為：“standard”、“buffered”、“CRLF”以及“Immediate”。其中“CRLF”模式下，模塊等待直到讀取字節(jié)中指定的所有字節(jié)到達(dá)，或直至函數(shù)在讀取字節(jié)指定的字節(jié)數(shù)內(nèi)接收到CR(回車(chē))加上LF(換行)或超時(shí)毫秒用完。該函數(shù)可返回所有的字節(jié)，包括CR和LF。符合AIS報(bào)文的數(shù)據(jù)格式，故采用“CRLF”模式進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)的讀取。

成功讀取TCP報(bào)文后，則進(jìn)入報(bào)文的拼接流程見(jiàn)圖6，收到報(bào)文之后，首先提取報(bào)文中的“消息分解總數(shù)”，來(lái)判斷收到的報(bào)文是否為連續(xù)報(bào)文，如果是，提取“連續(xù)消息標(biāo)識(shí)符”來(lái)判斷當(dāng)前報(bào)文是否與前面的報(bào)文為同一連續(xù)語(yǔ)句，提取報(bào)文中的“語(yǔ)句序號(hào)”，判斷其是否為當(dāng)前進(jìn)行的連續(xù)報(bào)文的最后一條，如果是，則把內(nèi)存中前面拼接的報(bào)文與當(dāng)前的拼接，并取出，否則只進(jìn)行與內(nèi)存中未完成拼接的報(bào)文進(jìn)行拼接。提供此模塊，最終將得到拼接完整的報(bào)文。

圖6 報(bào)文拼接流程

拼接好的報(bào)文送到參數(shù)解碼模塊，參數(shù)解碼模塊根據(jù)消息類(lèi)型，依據(jù)ITU-R M.1371-5 建議書(shū)(02/2014)中消息的規(guī)定，將報(bào)文中指定的起止位置的二進(jìn)制碼提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的ascii碼，然后再將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的含義。提供此模塊將從報(bào)文中解碼出船舶報(bào)告的不同的參數(shù)，得到船舶的航速、航向、目的地、經(jīng)緯度等信息。接下來(lái)，將解碼好的參數(shù)加上制表符(方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理)一并存儲(chǔ)到本地。與此同時(shí)，如圖7所示，將解碼出船舶報(bào)告的自身經(jīng)緯度數(shù)據(jù)送入地圖繪制模塊，首先通過(guò)判斷船舶的MMSI編號(hào)，來(lái)判斷數(shù)據(jù)庫(kù)中是否已經(jīng)建立該船的信息條目，如果有，則對(duì)此船對(duì)于的條目進(jìn)行更新操作，否則創(chuàng)建該船的條目，并將當(dāng)前的信息寫(xiě)入其中。最后顯示模塊根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，將收到的所有船舶的簡(jiǎn)要信息，如MMSI編號(hào)、船舶呼號(hào)、船舶經(jīng)緯度、航向、航速、航向目的地等信息以表格的形式簡(jiǎn)要地顯示在前端的面板上，以方便工作人員對(duì)目前海域地船只實(shí)時(shí)信息進(jìn)行快速地瀏覽。

圖7 地圖繪制流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 理論預(yù)期值

根據(jù)史長(zhǎng)珍[5]、劉媛美[20]、鄧祝森[21]提出的海上信道模型，可以得到關(guān)于傳輸路徑損耗的兩個(gè)公式，根據(jù)這兩個(gè)公式可以求得發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的最大距離。公式(1)是由系統(tǒng)的船載AIS發(fā)射功率、球載AIS接收機(jī)接收靈敏度、天線(xiàn)增益和饋線(xiàn)損耗等決定的鏈路損耗，其中：

Lpath=PT-LB+GT+GR-LR-PR

(1)

式中，Lpath為鏈路損耗，PT為船載AIS設(shè)備的發(fā)射功率；LB為船載AIS饋線(xiàn)損耗；GT為船載AIS天線(xiàn)增益；GR為球載AIS接收機(jī)天線(xiàn)增益；LR為球載AIS接收機(jī)饋線(xiàn)損耗；PR為球載AIS接收機(jī)接收靈敏度。

對(duì)于A類(lèi)船載AIS設(shè)備來(lái)說(shuō)，功率為12.5 W，相當(dāng)于有40.98 dBm的輸出，天線(xiàn)增益為6 dBi，線(xiàn)損和接頭插損大約為2 dBm；對(duì)于球載AIS來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)增益取3 dBi，線(xiàn)損和接頭插損取2 dBm，接收靈敏度取-112 dBm來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中，d為目標(biāo)船只距離母艦距離(km)；ht為船載AIS天線(xiàn)的高度(m)；hr為球載AIS天線(xiàn)的高度(m)；f為載波頻率(MHz)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的情況，假設(shè)被測(cè)船載AIS天線(xiàn)高度為15～20 m，發(fā)射信號(hào)的頻率為162 MHz左右。將上述數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算可得表3。

表3 AIS接收機(jī)升空高度與對(duì)應(yīng)的接收距離

3.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

本文中，選取2022年二月下旬在青島大公島附近海域的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本次出海試驗(yàn)為期三天，KX15系留氣球系統(tǒng)搭載向陽(yáng)紅9號(hào)科考船開(kāi)展海上試驗(yàn)，試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖8。在試驗(yàn)中，AIS采集系統(tǒng)收到了海量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)船載HFSWR也開(kāi)機(jī)對(duì)周邊海域船只進(jìn)行多次航跡跟蹤試驗(yàn)。

圖8 船基球載AIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)海上試驗(yàn)示意圖

系統(tǒng)的主要工作流程主要分為部署和準(zhǔn)備階段和升空作業(yè)兩個(gè)階段。

在部署和準(zhǔn)備階段首先要將錨泊集裝箱吊裝到甲板上，固定好箱角。氦氣儲(chǔ)裝置放在船上，確定好安放位置后，進(jìn)行兩級(jí)固定。然后進(jìn)行系留氣球，氦氣存儲(chǔ)裝置，錨泊設(shè)施、載荷設(shè)備的狀態(tài)檢查和單機(jī)功能測(cè)試。確認(rèn)無(wú)誤后可進(jìn)行設(shè)備聯(lián)合測(cè)試，確認(rèn)供電和光路通信均正常。

系統(tǒng)狀態(tài)檢查完畢可以進(jìn)行出海作業(yè)。在到達(dá)制定海域后，可進(jìn)行系留氣球充氣和升空操作，根據(jù)需要駐空在一定高度持續(xù)接收附近的AIS信息。

本系統(tǒng)的目的是通過(guò)系留氣球搭載AIS天線(xiàn)，使得能夠收到更遠(yuǎn)范圍船只信息，為HFSWR提供豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能評(píng)估。在此，定義了一個(gè)能夠表示接收范圍的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)std：

dboati=2arcsin

*REarth

(3)

(4)

式中，lonmy、latmy是本船的經(jīng)緯度，lonboati、latboati是收到的第i艘船的經(jīng)緯度，REarth是地球半徑，取6 371 km，dboati為船只i距離母艦的距離，μ為dboati的平均值，numboat為該統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)所收到的船只數(shù)量。

首先根據(jù)AIS報(bào)文解碼出來(lái)的他船的經(jīng)緯度，由公式(3)得出距離母艦的距離，再對(duì)本時(shí)間段內(nèi)所有的船只距離母艦的距離做均方差如式(4)所示，得到的std能夠表征球載AIS天線(xiàn)的接收范圍。

在此對(duì)今年二月下旬在青島大公島附近海域的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以下選取了系留氣球錨泊在h1(24 m)、h2(68.6 m)、h3(84 m)、h4(120 m)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

通過(guò)AIS采集軟件提取出報(bào)文中包含的船只經(jīng)緯度信息，然后將其位置標(biāo)注在地圖上，并實(shí)時(shí)進(jìn)行更新，圖9是系留球錨泊在h1(24 m)、h2(68.6 m)、h3(84 m)、h4(120 m)時(shí)在某時(shí)刻截取的船只分布圖。

圖9 四階段接收船只位置分布圖

根據(jù)公式(6)可以計(jì)算上圖中各船只距離母艦的距離，如圖10中所示，每個(gè)點(diǎn)表示一艘船，點(diǎn)的橫坐標(biāo)是船的序號(hào)(按照程序中其加入位置統(tǒng)計(jì)時(shí)的先后排序)，縱坐標(biāo)即為當(dāng)前該船距離母艦的距離。

圖10 四階段接收距離散點(diǎn)圖

圖11中，為對(duì)應(yīng)4個(gè)階段收到船只的數(shù)量條形圖，可以看到隨著系留球錨泊高度不斷升高，能夠檢測(cè)到的船只數(shù)量也在不斷增加；圖12為對(duì)四階段接收距離散點(diǎn)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析所得的各階段std值的條形圖，std值的大小反映了船只在接受區(qū)域中分散的程度，通過(guò)圖中可以進(jìn)一步分析出，隨著系留球錨泊高度的增加，接收區(qū)域明顯擴(kuò)大。

圖11 4個(gè)階段對(duì)應(yīng)接收船只數(shù)量

圖12 4個(gè)階段對(duì)應(yīng)的std值

由上述分析可得，當(dāng)球升高時(shí)，接收的船只數(shù)量變多、接收船只范圍變廣。其中球高120 m時(shí)可以接收210 km附近海域的船只發(fā)來(lái)的AIS信息。

同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與上述海上無(wú)線(xiàn)電信道模型進(jìn)行對(duì)比可知，當(dāng)球錨泊高度較低時(shí)，受海面復(fù)雜情況的影響(如遮擋、折射等)，AIS信號(hào)接收距離低于信道模型計(jì)算所得的理論值；而當(dāng)球錨泊高度較高時(shí)(大于100 m)，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果較為接近理論值，具體結(jié)果如圖13所示，藍(lán)色和橙色分別對(duì)應(yīng)被測(cè)船只的AIS發(fā)射天線(xiàn)高度為15 m和20 m的情況，圖中的5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)源于出海試驗(yàn)中系留球在5個(gè)不同高度錨泊時(shí)對(duì)船只的監(jiān)測(cè)情況，可以看到當(dāng)船只在120 m，150 m錨泊時(shí)，接收距離幾乎接近于理論計(jì)算值。

圖13 AIS接收距離理論值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

在本次試驗(yàn)中，共計(jì)處理AIS報(bào)文270 580條，收到345條船只的信息。通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的大量數(shù)據(jù)，得到了球高與最遠(yuǎn)接收距離的曲線(xiàn)，對(duì)鄧祝森[13]等人提出的海上信道模型進(jìn)行了充分驗(yàn)證，結(jié)果表明，當(dāng)球高大于100 m時(shí)，該模型在船載系留氣球AIS采集系統(tǒng)上是較為適用的。

當(dāng)系留球錨定在150 m的高空時(shí)，能夠穩(wěn)定地接收到最遠(yuǎn)244 km處的船只所發(fā)來(lái)的AIS報(bào)文，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)船載AIS天線(xiàn)的接收范圍(約20～40 km)，這樣獲得的數(shù)據(jù)能夠相對(duì)接近HFSWR作用的范圍，有利于對(duì)HFSWR性能進(jìn)行全面評(píng)估。

船基球載AIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用系留氣球作為升空平臺(tái)，可在較高高度長(zhǎng)期穩(wěn)定駐留，所獲取的周邊海域船只AIS信息數(shù)據(jù)范圍廣，實(shí)時(shí)性高，漏報(bào)率低，把AIS數(shù)據(jù)作為探測(cè)真值，通過(guò)航跡關(guān)聯(lián)的方式，獲取同一目標(biāo)的信息，這樣就可以更準(zhǔn)確地對(duì)探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)估。因航次和空域限制，本次海上試驗(yàn)中，系留氣球最高升空高度為150 m，并未發(fā)揮出系統(tǒng)最佳性能，在后續(xù)試驗(yàn)中將申請(qǐng)開(kāi)展更高高度的飛行。