天基雙通道AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析?

朱銀川，梅勇兵，周李春

天基雙通道AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析?

朱銀川，梅勇兵，周李春

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

天基AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)可獲取上千海里內(nèi)船舶的AIS信號(hào)，形成國家周邊海域乃至全球海域的AIS態(tài)勢(shì)信息。通過分析國內(nèi)外相關(guān)研究成果，提出獨(dú)特的天基雙通道AIS接收系統(tǒng)方案，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行論證比較，為研制通用性和平臺(tái)適裝性好的天基AIS偵收系統(tǒng)提供理論參考。

天基AIS系統(tǒng)；檢測(cè)概率；衛(wèi)星星座；時(shí)隙碰撞；信號(hào)分離

1 引言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是國際海事組織（IMO）、國際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）、國際電信聯(lián)盟（ITU-R）于2000年共同強(qiáng)力推廣的一個(gè)具有船舶自動(dòng)識(shí)別、通信和導(dǎo)航功能的新型助航電子系統(tǒng)。安裝了AIS系統(tǒng)的船臺(tái)可向他船及基站自動(dòng)播發(fā)本船動(dòng)態(tài)信息、靜態(tài)信息、航次信息和安全短消息等相關(guān)信息。

當(dāng)前岸站AIS報(bào)文傳輸支持確定船舶的位置，但傳輸距離僅為30 nmile，不能提供全球海洋覆蓋。而天基AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)可收到幾百海里乃至上千海里內(nèi)船舶的AIS信號(hào)，下傳到地面站接收系統(tǒng)后，可形成國家周邊海域乃至全球海域的船舶目標(biāo)態(tài)勢(shì)信息。借助天基AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)還可擴(kuò)充天基偵察平臺(tái)探測(cè)手段，補(bǔ)充已有傳感器的目標(biāo)屬性識(shí)別能力，快速獲得海上關(guān)注目標(biāo)狀態(tài)，目前已經(jīng)受到了各國高度關(guān)注。

2006年6月，挪威科技大學(xué)電子與電訊系的Ole Fredrik Haakonsen Dahl對(duì)天基AIS系統(tǒng)應(yīng)用于沿海進(jìn)行監(jiān)視的可行性進(jìn)行了較詳細(xì)的分析［1］，提出了基于多普勒頻差、天線陣的復(fù)雜信號(hào)處理方案。2010年，挪威防御組織（FFI）在歐空局的支持下，發(fā)送到國際空間站上（ISS，軌道340 km，傾角52°）的兩個(gè)AIS接收機(jī)（NORAIS）于6月開始工作。

美國海軍在建設(shè)戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星中，明確提出必須配備AIS偵察載荷與射頻偵測(cè)、光學(xué)圖像偵察結(jié)合，聯(lián)合觀測(cè)海洋目標(biāo)，快速發(fā)現(xiàn)、跟蹤海上目標(biāo)。美國海岸警衛(wèi)隊(duì)2006年提出建設(shè)美國國家AIS系統(tǒng)，其中在第三階段即是建立低軌道具備AIS偵收載荷的衛(wèi)星系統(tǒng)，保障距離海岸線2000 nmile范圍內(nèi)的安全。

美國ORBCOMM公司致力于全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信，率先完成載有AIS接收機(jī)的衛(wèi)星星座和空間數(shù)據(jù)商業(yè)化傳輸。另外，美國政府也在主導(dǎo)國際化合作的全球AIS及數(shù)據(jù)衛(wèi)星星座，包括有英、法、德、日、加等40多個(gè)國家的政府實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)、技術(shù)研究機(jī)構(gòu)參與。該系統(tǒng)采用5個(gè)極地軌道面、軌道高度550 km、由30顆納米衛(wèi)星組成的AIS星座，通過在地面配置大量接收終端實(shí)現(xiàn)對(duì)全球各大洋船舶目標(biāo)觀察。

2008年加拿大空間技術(shù)峰會(huì)中提到由挪威政府資助的首顆低軌道納米星AISSat-1和加拿大自主研制的AIS微衛(wèi)星（M3MSat），其中AISSat-1計(jì)劃于2009年后發(fā)射。

縱觀各國的天基AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)大都采用復(fù)雜星座和載荷信號(hào)處理技術(shù)，以及規(guī)模龐大的地面支持系統(tǒng)。若能研制一種衛(wèi)星平臺(tái)加裝通用性好、地面支持系統(tǒng)也簡單的天基AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)則必能進(jìn)一步推動(dòng)天基AIS信號(hào)偵察技術(shù)的大范圍應(yīng)用。

2 天基AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)組成

天基AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)涉及衛(wèi)星平臺(tái)及星座系統(tǒng)、衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)、地面AIS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、星載AIS偵察信號(hào)的地面應(yīng)用系統(tǒng)，如圖1所示。

因涉及不同的承載衛(wèi)星平臺(tái)，如空間站、飛船、衛(wèi)星等，將涉及星載AIS星座的構(gòu)成要素，包括軌道參數(shù)的設(shè)計(jì)、偵收天線的安裝、天地間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，影響單星?duì)地船舶的單次過頂觀測(cè)效果、重復(fù)觀測(cè)周期等。同區(qū)域重復(fù)觀測(cè)周期也是星載AIS偵察系統(tǒng)重要參數(shù)，直接與衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)，如衛(wèi)星軌道高度、衛(wèi)星軌道數(shù)及單軌道面的衛(wèi)星分布等。由于星載AIS信號(hào)偵收機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，使其能適應(yīng)多種衛(wèi)星平臺(tái)的安裝，因此也可以根據(jù)實(shí)際情況搭載于多種不同的衛(wèi)星上，并根據(jù)平臺(tái)特點(diǎn)具體設(shè)計(jì)偵收天線，通過星座聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)的高強(qiáng)度重復(fù)觀測(cè)。

衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)的性能直接影響AIS信號(hào)偵收的效果、平臺(tái)加裝的適應(yīng)性和通用性。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中追求全系統(tǒng)的低代價(jià)、高可靠性和實(shí)用性是所有從事航天任務(wù)設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)，所以星載AIS信號(hào)偵收載荷的設(shè)計(jì)最好能適應(yīng)多種平臺(tái)且載荷電路的復(fù)雜度最低、功耗最小。為此，所設(shè)計(jì)的有效載荷應(yīng)采用模塊化的拼裝方案，涉及到模塊化信道接收機(jī)設(shè)計(jì)、偵收天線形式及安裝參數(shù)、偵收數(shù)據(jù)分析及大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)、大多普勒信號(hào)解碼及解譯技術(shù)等。

星載AIS偵收信號(hào)地面應(yīng)用系統(tǒng)主要完成天基AIS偵收信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)接收和進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙碰撞信號(hào)和虛假、欺騙信號(hào)的分離，并經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后按照訂閱需求實(shí)時(shí)分發(fā)給相關(guān)的應(yīng)用部門。地面AIS系統(tǒng)作為被偵收對(duì)象，對(duì)其信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)格式、船舶AIS設(shè)備特點(diǎn)和全球船舶分布規(guī)律等掌握是設(shè)計(jì)最佳星載AIS信號(hào)偵收系統(tǒng)的前提條件。特別是AIS自組織網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、同頻時(shí)分、信號(hào)發(fā)射周期決定了星載偵收機(jī)必定會(huì)遇到同頻時(shí)隙沖突問題，而沖突的大小與星載偵收機(jī)靈敏度范圍內(nèi)所覆蓋的地表船舶分布情況成直接影響關(guān)系。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分析計(jì)算

3.1 船舶檢測(cè)概率

在設(shè)計(jì)星載AIS信號(hào)偵收系統(tǒng)時(shí)，必須考慮星載偵收機(jī)靈敏度信號(hào)的對(duì)地覆蓋面積，在掌握基本的船舶分布規(guī)律情況下確定地面船舶總數(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)，按照隨機(jī)過程，考慮進(jìn)衛(wèi)星軌道參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的觀測(cè)時(shí)間，分析計(jì)算時(shí)隙沖突情況和船舶檢測(cè)概率。文獻(xiàn)［1-3］均針對(duì)簡單的星載全向偵收天線進(jìn)行了研究，并給出了分析過程和結(jié)果。然而，隨著全向天線大范圍接收來自地面的AIS信號(hào)，其時(shí)隙沖突也會(huì)更加明顯，造成星上信號(hào)處理軟硬件復(fù)雜度提高，不利于星上完成實(shí)時(shí)信號(hào)的解碼解譯。

對(duì)于采用星上處理、存儲(chǔ)后定向轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，必須盡可能地降低存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，所以星上完成AIS信號(hào)的解譯，可以實(shí)時(shí)引導(dǎo)星上其他任務(wù)載荷，同時(shí)降低對(duì)衛(wèi)星存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)壓力，具備更好的衛(wèi)星平臺(tái)適應(yīng)性。為此，針對(duì)中大型衛(wèi)星平臺(tái)，可采用空間分割方法，即衛(wèi)星飛行徑向前后分別加裝偵收天線，在不降低對(duì)地觀測(cè)時(shí)間的前提下，大幅度地減少時(shí)隙碰撞問題，提高船舶的檢測(cè)概率。

假設(shè)地面AIS發(fā)射機(jī)功率為12.5 W，發(fā)射天線為全向0 dB。衛(wèi)星軌道高度取600 km，偵收天線采用寬波束定向天線，衛(wèi)星接收機(jī)接收靈敏度為-108 dBm，計(jì)算出衛(wèi)星接收地面信號(hào)的功率，并繪制出單個(gè)天線的接收信號(hào)等功率曲線圖，如圖2所示。

外圍圈表示衛(wèi)星的最大覆蓋范圍，計(jì)算得最大斜距Lmax=2 830 km，上半部分為天線主波束，下半部分為尾瓣帶來的影響，通過針對(duì)具體的衛(wèi)星平臺(tái)調(diào)節(jié)天線的對(duì)地指向角度，可以進(jìn)一步降低尾瓣接收信號(hào)的影響。

若衛(wèi)星前后側(cè)向各加裝一副天線和一套偵收機(jī)，則相當(dāng)于對(duì)同一個(gè)觀測(cè)區(qū)進(jìn)行了兩次觀測(cè)，相對(duì)于全向天線其觀測(cè)時(shí)間并未減少，而且還減少了單個(gè)接收機(jī)的觀測(cè)面積、減少了時(shí)隙碰撞機(jī)會(huì)。

相對(duì)于單天線（全向）的單目標(biāo)檢測(cè)概率

式中，k1為單天線時(shí)的碰撞系數(shù)，M為小區(qū)數(shù)，N為總船數(shù)，Tobs為觀測(cè)時(shí)間，T為船舶AIS信號(hào)平均發(fā)射周期。

雙天線（定向）雙通道的單目標(biāo)檢測(cè)概率可以按下式考慮：

式中，k2為雙天線時(shí)的碰撞系數(shù)。

雙天線空間分隔覆蓋的情況下，認(rèn)為一天線覆蓋下的艦船與另一天線覆蓋下的艦船不會(huì)發(fā)生碰撞，然后，按照式（1）的推導(dǎo)過程可以得到式（2）。

在相同波束覆蓋面積情況下，雙天線（雙天線空間分割覆蓋）時(shí)的碰撞系數(shù)k2小于單天線時(shí)的碰撞系數(shù)k1，由函數(shù)的單調(diào)關(guān)系知，碰撞系數(shù)變小，檢測(cè)概率P增加。

另外，從公式中還可以看出，雙天線時(shí)的單船檢測(cè)概率計(jì)算公式中對(duì)應(yīng)的冪指數(shù)也減少了，單船檢測(cè)概率P增加。

經(jīng)計(jì)算，k1=1.68，k2=1.59，取N=4 000，M= 1 088，Tobs=354 s，T=7 s，計(jì)算出未采取其他碰撞信號(hào)分離手段時(shí)的船舶檢測(cè)概率，如圖3所示。

圖3的曲線反應(yīng)出，采用單天線方式一次過頂僅能在對(duì)全部船舶總數(shù)為1 300艘的觀測(cè)區(qū)完成探測(cè)，而采用雙天線雙套接收機(jī)方式一次過頂卻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全部船舶總數(shù)為2 500艘的觀測(cè)區(qū)完成船舶探測(cè)。

可見在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過采用前后兩幅天線和獨(dú)立的接收機(jī)進(jìn)行協(xié)同偵收的方案，有效減少了時(shí)隙碰撞的AIS信號(hào)接收，提高了單船檢測(cè)概率。

3.2 衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)

（1）軌道類型選擇

太陽同步軌道的光照角在一年內(nèi)變化較小，衛(wèi)星星下點(diǎn)在同一緯度的地方時(shí)相對(duì)固定。傾斜軌道的光照角變化比較劇烈且太陽位于軌道面兩側(cè)的情況都會(huì)出現(xiàn)，衛(wèi)星訪問地球上同一目標(biāo)點(diǎn)的地方時(shí)會(huì)不斷變化。

太陽同步軌道與傾斜軌道相比：全球覆蓋性能相當(dāng)；單顆衛(wèi)星其遍歷性能較差；對(duì)于組網(wǎng)衛(wèi)星，不同軌道面具有不同的降交點(diǎn)地方時(shí)，組網(wǎng)衛(wèi)星達(dá)到一定數(shù)量后其遍歷性能與相同規(guī)模的傾斜軌道組網(wǎng)衛(wèi)星相當(dāng)。

對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)而言，傾斜軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)復(fù)雜，由于增加帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)費(fèi)較多，整星可靠性較低。因此，作為AIS信號(hào)偵收衛(wèi)星組網(wǎng)時(shí)，采用太陽同步軌道是合理可行的。

（2）軌道高度選擇

不同高度的衛(wèi)星，同樣的載荷視場(chǎng)角，其地面覆蓋性能是不同的。軌道高度越高，覆蓋范圍越廣，這對(duì)AIS信號(hào)的偵收反而不利，而且衛(wèi)星軌道越高，偵察系統(tǒng)接收到的信號(hào)越弱，也不利于信號(hào)的接收解調(diào)。一般選擇500～900 km的低軌軌道比較合適。

（3）星座的衛(wèi)星數(shù)量選擇

通過對(duì)不同軌道面數(shù)及單軌道面不同布置的衛(wèi)星數(shù)，分析計(jì)算對(duì)地觀測(cè)的平均重訪周期、最大重訪周期、平均響應(yīng)時(shí)間和全球覆蓋時(shí)間，仿真計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。

具體采用何種星座方式需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要來選擇決定。是普查船舶分布情況還是對(duì)海上目標(biāo)搜索，是配合電子偵察、雷達(dá)偵察還是光學(xué)成像偵察，需要針對(duì)不同偵察手段的地面覆蓋范圍來作選擇。通常電子偵察地面探測(cè)區(qū)域半徑可以達(dá)到3 000 km，對(duì)于雷達(dá)偵察衛(wèi)星，其輻照寬度通常為100～300 km，而對(duì)于詳查的寬覆蓋成像偵察衛(wèi)星，其地面覆蓋范圍只能達(dá)到50 km×50 km。

3.3 時(shí)隙碰撞信號(hào)分離處理

星載AIS偵收機(jī)的信號(hào)處理中利用同時(shí)隙信號(hào)電平差、相對(duì)于偵收天線不同信號(hào)來向角度的多普勒頻差等信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙碰撞信號(hào)的進(jìn)一步分離處理來大幅度提高船舶檢測(cè)概率。

在實(shí)際衛(wèi)星覆蓋的范圍內(nèi)，由于距離的差異，信號(hào)的幅度不一樣。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)功率不等時(shí)，在解調(diào)過程中會(huì)出現(xiàn)大信號(hào)壓制小信號(hào)的現(xiàn)象。因此，直接完成混合信號(hào)的解調(diào)將可能獲得大信號(hào)的傳輸信息。現(xiàn)有技術(shù)條件下對(duì)于信號(hào)功率比超過6 dB（信號(hào)幅度比為3 dB）的信號(hào)解調(diào)已不困難。所以，通過這種處理方法，可以提高單目標(biāo)檢測(cè)概率。

考慮發(fā)射天線，接收天線和空間距離等因素，計(jì)算衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)的功率變化情況。由于衛(wèi)星天線波束寬度大于110°，最大波束方向指向衛(wèi)星運(yùn)行方向，因此，覆蓋角η范圍為66°～34°，艦船觀測(cè)衛(wèi)星的仰角變化范圍為0°～52.3°，衛(wèi)星與目標(biāo)的距離變化范圍為2 829～736 km，接收信號(hào)的變換功率范圍為-103.8～-88.3 dBm，最大相差15.5 dB。當(dāng)兩個(gè)同時(shí)到達(dá)的AIS信號(hào)電平相差較大，可以通過星上信號(hào)處理器進(jìn)行能量判決，濾除較低電平的信號(hào)，將強(qiáng)信號(hào)分離出來，客觀上又能進(jìn)一步大大減小碰撞的影響，增大船舶檢測(cè)概率。

若M-1個(gè)區(qū)域中僅有一個(gè)區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域碰撞時(shí)，還是能對(duì)目標(biāo)區(qū)域正確檢測(cè)，則在有且僅有一個(gè)區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域發(fā)生碰撞的概率為

若還要考慮分離能力需要信號(hào)強(qiáng)度具備一定的差異，設(shè)差異大于一定強(qiáng)度的組合情況在所有兩兩組合的比例為p，則僅有一個(gè)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)碰撞且兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度差大于一定強(qiáng)度的概率為P2-add·p，此時(shí)，AIS系統(tǒng)的單目標(biāo)檢測(cè)概率為

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，在覆蓋范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的情況下，采用雙天線獨(dú)立偵收則兩兩AIS信號(hào)碰撞差6 dB的信號(hào)占總碰撞數(shù)的19%?？梢?，通過增加幅度差分離能力后會(huì)將船舶檢測(cè)概率提升。

另一方面，通過多普勒頻差也是分離兩兩重疊信號(hào)的有效辦法。以600 km軌道高度為例計(jì)算得衛(wèi)星周期為96.7 min，衛(wèi)星徑向速度7.56 km／s，則船舶移動(dòng)軌跡點(diǎn)位于衛(wèi)星軌道面時(shí)產(chǎn)生最大多普勒頻移量達(dá)到4 kHz?？梢娦l(wèi)星側(cè)向船舶發(fā)射的AIS信號(hào)相對(duì)于徑向的AIS信號(hào)會(huì)存在最大達(dá)4 kHz的頻率差，隨著船的直射波夾角減小，兩信號(hào)的頻差逐漸趨于一致，參見文獻(xiàn)［1］。

通過合理地設(shè)計(jì)星載接收機(jī)A／D采樣頻率和執(zhí)行運(yùn)算的FFT點(diǎn)數(shù)，運(yùn)用快速FFT處理技術(shù)即可區(qū)分出具有多普勒頻差的多個(gè)AIS碰撞信號(hào)［4］。

3.4 虛假、欺騙信號(hào)分離

虛假、欺騙信號(hào)是某些特殊船舶平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)不可告人目的而人為地修改AIS發(fā)送信息，一般包括平臺(tái)身份信息篡改、位置信息修改等。

對(duì)于粗糙的虛假、欺騙信號(hào)，通過校驗(yàn)位和比較能快速鑒別出來。對(duì)于采用非法技術(shù)手段的欺騙信號(hào)，則可以從以下思路實(shí)現(xiàn)鑒別。

（1）報(bào)告的船舶位置和衛(wèi)星的相對(duì)位置矛盾性

根據(jù)報(bào)告的船舶位置和衛(wèi)星的位置就可確定信號(hào)的傳播時(shí)延。將信號(hào)的到達(dá)時(shí)間（或者實(shí)際傳播時(shí)延）與預(yù)計(jì)的到達(dá)時(shí)間（或者計(jì)算的傳播時(shí)延）進(jìn)行比較，如果這兩個(gè)時(shí)延之差超過閾值或者太大，就將其標(biāo)為可疑的目標(biāo)并報(bào)告。

（2）多目標(biāo)信息的矛盾沖突性

類似MMSI碼，是由管理部門統(tǒng)一分配的，是全球唯一的，如果同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)有相同的MMSI碼，可將這些目標(biāo)列為可疑目標(biāo)，再通過進(jìn)一步處理確認(rèn)它們的身份。

（3）單目標(biāo)自身屬性信息的沖突性

類似MMSI碼和IMO號(hào)，都與國家或地區(qū)信息相關(guān)，如果只修改了部分內(nèi)容，則存在信息沖突性，可將該目標(biāo)列為可疑目標(biāo)，再通過進(jìn)一步處理確認(rèn)其身份。

（4）屬性信息的超實(shí)際性

類似艦船的航速、艦船的大小，都有一定的限度，可以結(jié)合艦船知識(shí)資料庫的信息，辨識(shí)出可疑目標(biāo)。

（5）屬性信息的不規(guī)范性

屬性信息的填寫必須遵守規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，如果是非法修改的，有可能由于不了解填寫要求，出現(xiàn)填寫不規(guī)范現(xiàn)象。比如，在填寫數(shù)字的地方出現(xiàn)了字母等，在填寫“出發(fā)地”、“目的地”時(shí)，存在多余的空格等情況。

3.5 星載信號(hào)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)

星載接收機(jī)的信號(hào)處理方案直接關(guān)聯(lián)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量和星地間的數(shù)據(jù)傳輸通道設(shè)計(jì)，因此好的信號(hào)處理方案將大大降低整星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

各國現(xiàn)研制生產(chǎn)的AIS產(chǎn)品均執(zhí)行國際化標(biāo)準(zhǔn)，主要相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：AIS第一工作頻點(diǎn)為161.975 MHz；AIS第二工作頻點(diǎn)為162.025 MHz；信道帶寬25 kHz；調(diào)制碼速率9.6 kbit／s；調(diào)制特性GMSK NRZI；TDMA時(shí)隙長度26.7 ms，共256 bit。

分析上面技術(shù)指標(biāo)可知，兩工作頻點(diǎn)相差50 kHz，調(diào)制碼速率僅有9.6 kHz，時(shí)隙長度26.7 ms。因此，只要采樣錄取數(shù)據(jù)長度大于26.7 ms即可完整解調(diào)、解譯出單個(gè)時(shí)隙所包含的AIS信息。對(duì)于重疊信號(hào)的分離處理，則一次性取樣數(shù)據(jù)長度應(yīng)大于53.4 ms。

如果接收信道通過變頻后實(shí)現(xiàn)零中頻，采用4倍率采樣，則計(jì)算出覆蓋2個(gè)工作頻點(diǎn)信號(hào)至少采樣頻率大于276.8 kHz，執(zhí)行FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)大于14 782個(gè)，頻率分辨率18.7 Hz，滿足前面對(duì)于碰撞信號(hào)的利用多普勒頻差實(shí)現(xiàn)分離的條件。

使用14位AD器件，假如前后向兩路獨(dú)立信道連續(xù)接收，則計(jì)算出要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率大于29.563 Mbit／s。

參照前面計(jì)算的觀測(cè)時(shí)間354 s，接收機(jī)同時(shí)接收兩個(gè)通道，計(jì)算出在單個(gè)掃描帶上總的數(shù)據(jù)量是342.955 Mbyte。按照衛(wèi)星軌道周期為96.7 min，全軌道時(shí)間處于接收狀態(tài)，則一圈的總采樣數(shù)據(jù)量達(dá)5.621 Gbyte。

取衛(wèi)星12 h后能與地面接收站交換一次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，則一次交換的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量達(dá)到41.853 Gbyte。按平均過頂時(shí)間約10 min可以計(jì)算出所要求的向地面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕬?yīng)大于69.755 Mbit／s，加上采集AIS信息的時(shí)間標(biāo)尺數(shù)據(jù)、衛(wèi)星實(shí)際位置數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)包裝訂和糾檢錯(cuò)碼數(shù)據(jù)開銷，則衛(wèi)星對(duì)地面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕬?yīng)大于100 Mbit／s。

由此可見，星上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集而不作進(jìn)一步處理將極大地占用衛(wèi)星的下行鏈路帶寬，帶來星地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木薮髩毫?。只有采用全球多點(diǎn)布設(shè)地面接收站才能減緩衛(wèi)星下行鏈路帶寬的壓力，但同時(shí)也增大了衛(wèi)星運(yùn)控系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)成本。相反，若星上進(jìn)行接收信號(hào)的解調(diào)、解譯的話，則衛(wèi)星的下行數(shù)據(jù)率將大幅度下降。根據(jù)AIS協(xié)議，AIS廣播信號(hào)在1 min周期內(nèi)有2 250個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙長度為26.67 ms，每個(gè)時(shí)隙為256 bit，其中包括用于傳輸AIS信息的數(shù)據(jù)。AIS數(shù)據(jù)編碼包括64 bit報(bào)頭信息（8 bit的訓(xùn)練位、24 bit的位列、8 bit的標(biāo)志位、24 bit的保護(hù)時(shí)間）、168 bit的數(shù)據(jù)載荷、用于校驗(yàn)的16 bit幀校驗(yàn)序列（FCS）。其中在168 bit的數(shù)據(jù)位中已經(jīng)包括有AIS信息，如船的航速、位置（經(jīng)、緯度）、航向、識(shí)別跟蹤數(shù)（如MMSI數(shù)）以及其他數(shù)據(jù)。因此，重點(diǎn)采集和處理的信息數(shù)據(jù)應(yīng)該且僅需要這168 bit的數(shù)據(jù)。

取全球AIS設(shè)備處于開機(jī)狀態(tài)的活動(dòng)船舶總數(shù)為40 000艘，則對(duì)這些船舶進(jìn)行一次觀察的數(shù)據(jù)量為2.52 Gbyte，每艘船舶僅記錄3次，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量將達(dá)到7.56 Gbyte。按照同樣的過頂時(shí)間可以計(jì)算出所要求的地面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕬?yīng)大于12.6 Mbit／s，加上采集AIS信息的時(shí)間標(biāo)尺數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)包裝訂和糾檢錯(cuò)碼數(shù)據(jù)開銷等，則衛(wèi)星對(duì)地面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蚀笥?0 Mbit／s即可。

由此分析比較可見，采用星上完成對(duì)AIS偵收的信號(hào)解調(diào)、解譯處理，相對(duì)于直采數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式的下行鏈路100 Mbit／s數(shù)據(jù)速率下降了5倍，能大大地降低衛(wèi)星下行鏈路的壓力，提高星載AIS接收機(jī)通用性和對(duì)天基平臺(tái)的適裝性。

同時(shí)，星上完成AIS信號(hào)的解調(diào)解譯也利于實(shí)時(shí)引導(dǎo)天基平臺(tái)其他偵察手段對(duì)特殊目標(biāo)的觀測(cè)，提升載荷裝備的使用效能。

4 結(jié)束語

本文介紹了國外星載AIS接收機(jī)的發(fā)展情況，提出天基AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)構(gòu)想，并對(duì)天基AIS信號(hào)偵收系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)進(jìn)行分析論證，提出可行性強(qiáng)、天基平臺(tái)適裝性較好的實(shí)現(xiàn)方案，供相關(guān)研究人員參考。

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ZHU Yin-chuan was born in Xiamen，F(xiàn)ujian Province，in 1968.He received the B.S.degree from Chengdu Institute of Information Technology in 1990.He is now a senior engineer.His research concerns demonstration of integrated electronic information system.

Email：zhuyinchuan＠163.com

梅勇兵（1979—），男，湖北新洲人，2005年于四川大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理與電子對(duì)抗；

MEI Yong-bing was born in Xinzhou，Hubei Province，in 1979.He received the M.S.degree from Sichuan University in 2005.He is now an engineer.His research concerns signal processing and electronic warfare.

Email：meiybmail＠sina.com

周李春（1979—），男，四川儀隴人，2005年于電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事電子偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

ZHOU Li-chun was born in Yilong，Sichuan Province，in 1979.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2005.He is now an engineer. His research concerns system design of electronic reconnaissance.

Email：okzlc＠163.com

Scheme Design and Feasibility Analysis of Space-based Dual-channel AIS Signal Reconnaissance System

ZHU Yin-chuan，MEI Yong-bing，ZHOU Li-chun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Space-based AIS（Automatic Identification System）signal reconnaissance system can intercept AIS signals of vessels around thousands of sea miles to form AIS situation information of national adjacent seas as well as global sea area.In this paper，a particular scheme of dual-channel space-based AIS receiver is presented after analysing the related research results around the world，and the key parameters are demonstrated and compared. The results provide theoretical reference for developing universal and applicable space-based AIS receiver system.

space-based AIS signal reconnaissance system；detection probability；constellation；slot collision；signal separation

TN973.1

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.001

朱銀川（1968—），男，福建廈門人，1990年于成都信息工程學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事綜合性電子信息系統(tǒng)的總體論證工作；

1001-893X（2012）07-1059-06

2012-05-23；

2012-06-08