曾曉敏

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)院，湖北 武漢 430051)

0 引 言

導(dǎo)航在船舶行業(yè)尤為重要，隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星的不斷成熟，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)截獲船舶無(wú)線信號(hào)越來(lái)越常見(jiàn)，但是仍然缺乏對(duì)系統(tǒng)分類、總結(jié)以及性能的了解。所以可以通過(guò)研究全球衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展中遇到的問(wèn)題以及成就尋找突破口，從而深入研究我國(guó)船舶無(wú)線信號(hào)截獲的問(wèn)題[1-3]。

船舶無(wú)線通信受到諸多因素的影響，尤其是大氣中的干擾信號(hào)以及噪聲環(huán)境的影響，導(dǎo)致通信設(shè)備有時(shí)無(wú)法穩(wěn)定正常工作，傳統(tǒng)的截獲方法獲取的無(wú)線通信質(zhì)量較低，因?yàn)闊o(wú)法專業(yè)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，所以會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)在進(jìn)行跟蹤和分離的過(guò)程中，不能有效地獲得正確的計(jì)算結(jié)果。為此，不僅需要了解衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的概念、算法，還要考慮其設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用原理，需要對(duì)無(wú)線電截獲所受到的各種因素進(jìn)行分析。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基于一顆或多顆衛(wèi)星，可全天候?yàn)槭褂谜咛峁┚_的三維坐標(biāo)及相關(guān)配套信息。如今，國(guó)際上的衛(wèi)星導(dǎo)航定位也隨著時(shí)代的發(fā)展，成為衡量綜合國(guó)力的重要因素。通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展船舶行業(yè)，為海上崛起提供強(qiáng)大的支撐力。

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅在航天領(lǐng)域得到了應(yīng)用，目前在船舶海洋工程領(lǐng)域也取得了不小的成績(jī)。

目前，我國(guó)與美國(guó)、俄羅斯、在國(guó)際上具有技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。其中，美國(guó)的GPS 系統(tǒng)是最早發(fā)展起來(lái)的，其具有以下特點(diǎn)：連續(xù)實(shí)時(shí)全天的定位，精確度高，功能多、應(yīng)用廣泛。較早通過(guò)導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶遠(yuǎn)洋過(guò)程中無(wú)線電信號(hào)的截獲。俄羅斯的“格洛納斯”系統(tǒng)，其精確度較低但是抗干擾性較強(qiáng)。我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是我國(guó)自主建立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，其不僅可以實(shí)現(xiàn)雙向授權(quán)，并且也在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航仿真系統(tǒng)中的模型及計(jì)算分析

目前衛(wèi)星導(dǎo)航仿真系統(tǒng)模型分為衛(wèi)星信道模型、衛(wèi)星力學(xué)模型以及衛(wèi)星中差模型3 種。

針對(duì)衛(wèi)星信道模型需要探討幾個(gè)重點(diǎn)：1）不同鏈路衛(wèi)星。如圖1 所示，終端的不同也會(huì)形成不同的電波，而這些電波又會(huì)因?yàn)榇碍h(huán)境的不同以及頻率的不同出現(xiàn)不同的特性，所以衛(wèi)星鏈路的不同是研究的一個(gè)主要方面。

圖1 不同鏈路衛(wèi)星示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellites with different links

2）衛(wèi)星通信鏈路的傳播。其中建模常用的概率分布主要有3 種：

① Rayleigh 分布

② Rician 分布

③ Log normal 正態(tài)分布

3）衛(wèi)星移動(dòng)信道建模常用的統(tǒng)計(jì)模型分為L(zhǎng)OO 模型、Suzuki 模型、Corazza 模型、Abdi 模型。

1.3 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模型設(shè)計(jì)原理

對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬的設(shè)計(jì)原理，主要是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)模擬和仿真建立相關(guān)的模型，并以此模型來(lái)對(duì)相關(guān)功能和指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，這也是獲取衛(wèi)星導(dǎo)航信息的主要方式。通過(guò)這種方式比較成功實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的模擬，這項(xiàng)技術(shù)也對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用，是所研究的3 個(gè)基礎(chǔ)產(chǎn)品之一。

導(dǎo)航的研究要從起點(diǎn)開(kāi)始，而該起點(diǎn)就是航行體的起點(diǎn)。因此在這一過(guò)程中，首先要了解目的點(diǎn)的位置、起始點(diǎn)的位置，以及如何確定自身的位置，以此來(lái)對(duì)最終的路線和方向進(jìn)行確定。

衛(wèi)星導(dǎo)航運(yùn)作的關(guān)鍵是確定自身的位置，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠給船體提供自身位置、航行速度以及航行方向等多個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息，而且該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息是實(shí)時(shí)的。所以，經(jīng)常將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)稱作衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

2 船舶無(wú)線通信信號(hào)

2.1 無(wú)線干擾信號(hào)截獲實(shí)現(xiàn)流程

科技的不斷進(jìn)步，帶動(dòng)無(wú)線通信的發(fā)展。然而也造成目前世界上的各種無(wú)線電頻率發(fā)生干擾，最終使得部分船舶在進(jìn)行信息傳遞及獲取的過(guò)程中，受到來(lái)自多方無(wú)線通信的干擾。因此，如何擺脫傳統(tǒng)的截獲方法，探索出一個(gè)適應(yīng)于我國(guó)船舶的信息截獲手段顯得尤為重要。本文研究將流程大致分為以下步驟：1）干擾信號(hào)檢測(cè)；2）干擾信號(hào)識(shí)別；3）干擾信號(hào)跟蹤；4）干擾信號(hào)分離。

2.2 基于噪聲環(huán)境下的船舶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)截獲方法

在噪聲環(huán)境下，經(jīng)常使用的系統(tǒng)是岸基AIS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)于在噪聲環(huán)境下的傳輸具有良好的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)主要有AIS 主機(jī)、通信航標(biāo)以及眾多的行駛船構(gòu)成。

這些結(jié)構(gòu)都有各自的分工，最主要的是輸送無(wú)線通信信號(hào)，這個(gè)主要是由AIS 岸臺(tái)來(lái)完成。岸基AIS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 岸基AIS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of shore-based AIS system

針對(duì)岸基AIS 系統(tǒng)還需要結(jié)合MITS 通信平臺(tái)進(jìn)行合作完成信息的傳輸，船舶無(wú)線通信信號(hào)如果在噪聲環(huán)境中連續(xù)傳播，則需要形成一種統(tǒng)一的載波應(yīng)用終端，而這一情況需要具體分析是否需要將設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的聯(lián)動(dòng)執(zhí)行，并通過(guò)輸入既定的周期，也就是信號(hào)傳輸定頻|T|。據(jù)此在噪聲環(huán)境下結(jié)合相關(guān)物理量，對(duì)無(wú)線通信信號(hào)載波的功率譜加以分析，如下式：

關(guān)于信號(hào)碼速率計(jì)算，可聯(lián)立式（4）。信號(hào)碼速率計(jì)算下式：

式中，h為船舶MITS 通信平臺(tái)的特征系數(shù)。船舶無(wú)線通信載波的重復(fù)周期方程為：

最終，根據(jù)上述方法研究發(fā)現(xiàn)，在相同噪聲干預(yù)環(huán)境下，基于不同的分組研究結(jié)果，信號(hào)載波通信網(wǎng)絡(luò)圖如圖3 所示。不同調(diào)制方式下的EVM 如圖4 所示，EVM 越大表示信號(hào)的保真度也越高。不同頻率下的EVM 如圖5 所示。

圖3 信號(hào)載波通信網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Signal carrier communication network diagram

圖4 不同調(diào)制方式下的EVMFig.4 EVM under different modulation methods

圖5 不同頻率下的EVMFig.5 EVM at different frequencies

3 船舶無(wú)線通信信號(hào)截獲方法在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可精確地判斷船舶的具體位置以及運(yùn)動(dòng)的基本狀態(tài)，加上船舶無(wú)線通信信號(hào)，可以解決其他無(wú)線電干擾和在噪聲下無(wú)線電正常通信的問(wèn)題，這樣使得船舶在航行中可以更加精確地反映出船舶運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和出現(xiàn)的狀況。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如圖6 所示。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供更多的幫助，無(wú)論氣候環(huán)境的變化，時(shí)間的推移，都能提供導(dǎo)航服務(wù)。而正因?yàn)樵撓到y(tǒng)的高效、精確、實(shí)時(shí)性，讓無(wú)線通信信號(hào)發(fā)射源更加清晰，無(wú)線信號(hào)自身的發(fā)展也可以消除一定復(fù)雜環(huán)境的影響。通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以更快速地查找出其他干擾信號(hào)的信息，以及復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測(cè)，由此，船舶的無(wú)線信號(hào)更不容易被干擾，可以通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)截獲更準(zhǔn)確的船舶無(wú)信通信信號(hào)。

圖6 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.6 Satellite navigation system

4 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞船舶無(wú)線信號(hào)的接收及截獲，提出通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別、跟蹤、分離，然后完成對(duì)無(wú)線信號(hào)的截獲。而對(duì)于噪聲環(huán)境下，無(wú)線導(dǎo)航系統(tǒng)與岸基AIS 系統(tǒng)需要獲得更加高效的抗干擾能力，以此保證船舶載波信息的穩(wěn)定傳輸，對(duì)船舶的無(wú)線通信信號(hào)截獲也具備較強(qiáng)的應(yīng)用可行性。