星載AIS接收鏈路設(shè)計(jì)與仿真*

何 民1，許 斌2，鐘 杰

(1.海軍裝備部 重慶局，成都 610036；2.海軍裝備部 電子部，北京 100841;3.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)(AIS)是以自組時(shí)分多址(SOTDMA)為核心技術(shù)的用于海上交通安全和調(diào)度指揮的船-岸、船-船之間的通信、定位和輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。AIS系統(tǒng)將船舶的動(dòng)態(tài)信息(船位、航速、航向等)、靜態(tài)信息(船名、識別碼、目的港等)、航次信息和安全短消息等相關(guān)信息用甚高頻(VHF)數(shù)字通信廣播給周圍的其它船舶，以實(shí)現(xiàn)船舶之間的自動(dòng)識別和船舶交通管理中心對船舶的監(jiān)視。

自動(dòng)識別系統(tǒng)(AIS)是國際海事組織(IMO)、國際航標(biāo)協(xié)會(IALA)、國際電信聯(lián)盟(ITU-R)于2000年共同強(qiáng)力推廣的一個(gè)系統(tǒng)，用于岸-船、船-岸以及船-船之間的通信、輔助導(dǎo)航及識別監(jiān)視。為滿足人們對AIS信息的覆蓋范圍和時(shí)效性的要求，一些發(fā)達(dá)國家如美國、挪威、加拿大以及相關(guān)國際組織自2001年以來相繼開展了星載AIS論證、設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，主要內(nèi)容包括可行性分析、仿真評估、衛(wèi)星搭載AIS接收機(jī)試驗(yàn)及最終的商業(yè)化產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)等[1-3]。在國內(nèi)，也引起了有關(guān)從事海事電子技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域人員的高度重視，并積極展開了該領(lǐng)域的廣泛研究[4]。

本文主要對AIS系統(tǒng)在低地球軌道(LEO)衛(wèi)星中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析和論證。

2 星載AIS的分析和設(shè)計(jì)

由于AIS間的有效作用距離大約為20～30 nmile，為了充分利用AIS的相關(guān)信息，理論上可采用一個(gè)或多個(gè)低軌衛(wèi)星來偵測、接收和解碼AIS信息，并通過低軌衛(wèi)星把相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)到固定的地面站上供有關(guān)機(jī)構(gòu)使用。低軌衛(wèi)星的運(yùn)行高度通常在300～1 000 km。

2.1 AIS特征

AIS設(shè)備主要包括:2個(gè)具有信道選擇及切換功能的TDMA接收機(jī)，通常情況下使用87B信道(工作頻率161.975 MHz)以及88B信道(工作頻率162.025 MHz)，也可設(shè)定為其它可用頻段(156.025～162.025 MHz)；1個(gè)具有信道選擇及切換功能的發(fā)射機(jī)。AIS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是所謂的自組織時(shí)分多址(SOTDMA)信道接入技術(shù)。

AIS系統(tǒng)將時(shí)間分成若干超幀，每個(gè)超幀又分成若干時(shí)隙供船舶用戶使用，每個(gè)用戶周期地廣播其當(dāng)前的位置信息及對未來時(shí)隙的預(yù)約信息，以構(gòu)成系統(tǒng)的時(shí)隙狀態(tài)表，這個(gè)時(shí)隙狀態(tài)表反映了所有參與船舶通信的用戶對時(shí)隙動(dòng)態(tài)使用的情況，依據(jù)該時(shí)隙動(dòng)態(tài)表，各船舶用戶可以實(shí)現(xiàn)對信道時(shí)隙的自發(fā)管理。由于這些時(shí)隙資源是由船舶用戶自行管理的，不需要基站的參與，所以被稱為自組織時(shí)分多址。

2.2 相關(guān)分析

在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)行和技術(shù)參數(shù)分析時(shí)，只考慮一個(gè)低軌衛(wèi)星運(yùn)行的情況。下面首先分析低軌衛(wèi)星與船舶的作用距離、低軌衛(wèi)星的運(yùn)行周期、多普勒頻移等幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。

(1)作用距離

假設(shè)一個(gè)低軌衛(wèi)星的運(yùn)行高度為600 km、傾角為98°,該低軌衛(wèi)星的簡單運(yùn)行模型如圖1所示。在圖中定義和描述了有關(guān)船舶笛卡爾坐標(biāo)系和低軌衛(wèi)星笛卡爾坐標(biāo)系。

圖1 低軌衛(wèi)星的運(yùn)行模型

在圖1中，假設(shè)地球表面上船舶的位置由緯度Lship和經(jīng)度lship確定；衛(wèi)星與地球表面垂直交叉點(diǎn)的緯度為Lsat，經(jīng)度為lsat。圖中γ角的計(jì)算公式如下：

cosγ=cosLshipcosLsatcos(lship-lsat)+

sinLshipsinLsat

(1)

通過相關(guān)幾何運(yùn)算，可以推導(dǎo)出低軌衛(wèi)星與船舶的作用距離d為

(2)

式中，re為地球的平均半徑，rs為地球的平均半徑加上低軌衛(wèi)星的運(yùn)行高度。

這樣可以推導(dǎo)出低軌衛(wèi)星與地球表面的切線距離rhorizon為

(3)

從上式可以預(yù)計(jì)低軌衛(wèi)星的最大覆蓋范圍。圖2顯示了低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍。

圖2 低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍

(2)運(yùn)行周期

低軌衛(wèi)星的運(yùn)行周期可通過下式計(jì)算[7]：

(4)

式中，rs是地球的平均半徑加上低軌衛(wèi)星的運(yùn)行高度；R是地球的平均半徑，約為6 370 km；g是重力加速度，約為9.81 m/s2；fr是低軌衛(wèi)星的運(yùn)行頻率,該頻率的倒數(shù)即為低軌衛(wèi)星的運(yùn)行周期。

(3)多普勒頻移

由于低軌衛(wèi)星和目標(biāo)船舶都是處于不斷運(yùn)動(dòng)中，所以需要考慮多普勒效應(yīng)的影響，即衛(wèi)星平臺上的AIS接收機(jī)與船舶間將會產(chǎn)生頻率偏差。有關(guān)多普勒頻移的計(jì)算公式如下[8]：

(5)

由于星載AIS偵察接收機(jī)實(shí)際使用中是多路徑接收，通過計(jì)算，星載AIS偵察接收機(jī)最大頻偏不超過±4.5 kHz。

(4)鏈路損耗

低軌衛(wèi)星接收機(jī)低噪聲放大器輸入端的載波功率與噪聲功率之比值，簡稱載噪比(C/N)，是確定星載AIS接收機(jī)識別地面船舶質(zhì)量的最主要指標(biāo)。對星載AIS接收機(jī)系統(tǒng)來說，載噪比決定了接收機(jī)輸出端的誤比特率或誤包率。

計(jì)算VHF信號在自由空間傳輸時(shí)，考慮到VHF對電離層的穿透力較強(qiáng)，主要以直線方式傳播。低軌衛(wèi)星與船舶間的鏈路損耗可由下式計(jì)算得出：

Lfspl=32.44+20lg(dkm)+20lg(fMHz)

(6)

式中，dkm是低軌衛(wèi)星與船舶間的距離。

2.3 接收電路設(shè)計(jì)

圖3為星載AIS接收機(jī)的原理框圖。為了降低星載AIS接收機(jī)的硬件復(fù)雜程度，AIS信號通過50 MHz時(shí)鐘的14位A/D器進(jìn)行采樣，把AIS相關(guān)信道頻率161.975 MHz和162.025 MHz搬移到11.975 MHz和12.025 MHz。

圖3 星載AIS接收機(jī)的原理框圖

在FPGA中I/Q信號的采樣率是38.402 kbit/s，通過時(shí)隙捕獲、GMSK解調(diào)和HDLC解幀，最終獲得AIS信息。

3 仿真及實(shí)現(xiàn)

利用本文前述的理論及公式，并結(jié)合Matlab 7.5的仿真平臺，編寫了若干.m文件，對星載AIS接收鏈路進(jìn)行了模擬仿真。

3.1 仿真程序的構(gòu)成

星載AIS接收鏈路預(yù)計(jì)模擬仿真程序主要由linkbudget.m文件、F-AntennaGain.m函數(shù)、F-dipole.m函數(shù)、F-intensity.m函數(shù)組成。

在linkbudget.m文件中，對模擬仿真過程中涉及到的各類常數(shù)、全局變量進(jìn)行了設(shè)置和定義，并通過該文件來調(diào)用F-AntennaGain.m函數(shù)、F-dipole.m函數(shù)和F-intensity.m函數(shù)。

其中，F(xiàn)-AntennaGain.m函數(shù)是計(jì)算歸一化線性天線的增益；F-intensity.m函數(shù)是計(jì)算天線陣列的功率譜密度表達(dá)因子，該函數(shù)與F-AntennaGain.m函數(shù)共享其全局變量；F-dipole.m函數(shù)是計(jì)算半波偶極子天線的輻射方向增益。

模擬仿真程序針對不同運(yùn)行高度條件下的衛(wèi)星接收鏈路電平、衛(wèi)星接收靈敏度的冗余量、船舶安裝的半波偶極子型天線增益、自由空間損耗、衛(wèi)星運(yùn)行周期進(jìn)行了仿真計(jì)算。

3.2 仿真結(jié)果及分析

(1)衛(wèi)星接收鏈路電平預(yù)計(jì)

從圖4可以看出，隨著低軌衛(wèi)星運(yùn)行高度的不同，其衛(wèi)星接收鏈路電平曲線有所不同，并逐漸向一固定值靠近；而低軌衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域?qū)ζ溆绊懖淮蟆?/p>

圖4 星載AIS接收電平預(yù)計(jì)

(2)衛(wèi)星接收靈敏度的冗余量

從圖5可以看出，隨著低軌衛(wèi)星運(yùn)行高度的不同，其衛(wèi)星接收鏈路電平曲線盡管有所不同，但在300～1 000 nmile之間，其衛(wèi)星接收靈敏度的冗余量都有10 dB左右；確定低軌衛(wèi)星AIS接收靈敏度為-112 dBm是滿足系統(tǒng)要求的。

圖5 衛(wèi)星接收靈敏度的冗余量預(yù)計(jì)

(3)半波偶極子型天線增益

從圖6可以看出，船舶如果采用半波偶極子型的VHF天線，其天線增益的實(shí)際效果隨著與低軌衛(wèi)星距離的不同而不同。當(dāng)與低軌衛(wèi)星的距離較近時(shí)，天線的增益較小；當(dāng)與低軌衛(wèi)星的距離較遠(yuǎn)時(shí)，天線的增益較大。因此，當(dāng)預(yù)計(jì)低軌衛(wèi)星的目標(biāo)識別沖突時(shí)，需要考慮船舶天線增益的遠(yuǎn)近效應(yīng)。

圖6 船舶天線增益

(4)自由空間損耗

從圖7可以看出，VHF頻段信號在自由空間的損耗，隨著與低軌衛(wèi)星運(yùn)行高度的不同而有所不同。當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星的運(yùn)行高度較低時(shí)，自由空間的損耗隨覆蓋范圍的增加而急劇下降；當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星的運(yùn)行高度較高時(shí)，自由空間的損耗隨覆蓋范圍的增加而變化較慢。

圖7 自由空間損耗

(5)衛(wèi)星運(yùn)行周期

從圖8可以看出，衛(wèi)星運(yùn)行周期隨著與低軌衛(wèi)星運(yùn)行高度的不同而有所不同。當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星的運(yùn)行高度較低時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行周期較快；當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星的運(yùn)行高度較高時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行周期較慢。

圖8 衛(wèi)星運(yùn)行周期

4 結(jié) 論

本文對AIS系統(tǒng)在低軌衛(wèi)星中應(yīng)用所涉及到的相關(guān)問題進(jìn)行了分析和論證，著重分析了低軌衛(wèi)星與目標(biāo)船舶的作用距離、低軌衛(wèi)星的運(yùn)行周期、多普勒頻移對星載AIS通信的影響，并對星載接收鏈路進(jìn)行了預(yù)計(jì)，給出了星載AIS接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。通過仿真分析,得出了一些重要的結(jié)論,這對更深入地論證、設(shè)計(jì)星載AIS系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

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