山區(qū)航道虛擬航標基站布設間距研究

劉興龍, 初秀民, 馬楓, 劉潼, 聶陽

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063；3.武漢理工大學 國家水運安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430063)

?

山區(qū)航道虛擬航標基站布設間距研究

劉興龍1,2,3, 初秀民2,3, 馬楓2,3, 劉潼1,2,3, 聶陽1,2,3

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063；3.武漢理工大學 國家水運安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430063)

摘要：針對山區(qū)航道中布設虛擬航標基站缺乏指導方法的問題，從基站AIS信號覆蓋的角度推導基站布設間距模型。首先，通過實地實驗采集山區(qū)航道AIS信號場強，發(fā)現Egli模型總體上高估了山區(qū)航道中AIS信號衰減的速度，山體遮擋會造成AIS信號場強快速下降。然后，基于實驗數據，采用曲線擬合誤差的方法修正Egli模型的參數，得到適合于山區(qū)航道的AIS信號場強評估的修訂模型。修訂模型對AIS信號場強的評估精度提高到94%以上，較Egli模型提高了55%以上。最后，基于修訂模型，以-107 dB·m作為基站信號覆蓋范圍邊界，推導山區(qū)航道的虛擬航標基站布設間距模型。該模型能保證船舶接收到基站信號的可靠性高于80%。

關鍵詞：助航設施；虛擬航標；場強；Egli模型；曲線擬合；參數修正；山區(qū)航道

虛擬航標(virtual aids to navigation, virtual AtoN)是指能在電子導航系統(tǒng)中顯示而物理上不存在的數字信息物標。其工作模式是通過船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)基站播發(fā)航標信息電文，由船載導航系統(tǒng)接收電文并解析顯示[1]。虛擬航標的運行依賴可靠的AIS通訊網絡，需合理布設AIS基站以保障有效的信號覆蓋。

當前，國內外通常將虛擬航標用于標識臨時性禁航區(qū)，或者通航水域狹窄不便于采用物理航標的航段[2-4]。但是，針對虛擬航標基站布設間距問題，當前尚無有針對性的研究。虛擬航標基站的設置，需要保證基站發(fā)出的AIS信號可靠的傳達到船舶。文獻[5-7]通過分析AIS系統(tǒng)的工作原理，從理論上分析了AIS時隙沖突問題；HASEGAWA 等[8]采用軟件仿真方法量化分析了繁忙水域的AIS信道擁堵率。劉傳潤等[9]考慮到AIS信道擁堵問題，提出了船舶分布不均衡條件下珠江口AIS基站布設方法。山區(qū)航道船舶密度小，不存在AIS信道擁擠。然而，山區(qū)航道環(huán)境多變，對AIS通信鏈路產生很大影響，需從信號鏈路可靠性的角度考慮山區(qū)航道AIS基站布設。在無線電信號場強評估模型中，射線追蹤[10-11]和傅里葉變換拋物方程模型[12-14]具有精度高的優(yōu)點，但是這兩種方法的前提是建立詳細的地形地貌數學模型，無法應用于大尺度空間的AIS信號場強評估。因此，采用經驗模型評估AIS基站信號覆蓋可靠性，是唯一可行的辦法。

本文根據在山區(qū)航道實地采集的AIS信號場強分布，分析Egli模型在山區(qū)航道AIS信號評估中的誤差分布特征，然后，基于修正的Egli模型推導山區(qū)航道AIS基站有效覆蓋范圍，以此確定基站的合理布設間距。

1AIS信號衰減原理與場強評估模型

山區(qū)航道具有河谷深、航道彎、周圍植被豐富的特點。AIS信號在山區(qū)航道內傳播時，受到的電磁干擾可以忽略，但是會受到水流，航道兩邊巖壁、植被的反射和吸收。因此，山區(qū)航道中AIS信號損耗主要是由自由空間傳播衰減和山體遮擋引起的。本文主要探討山體遮擋和傳播距離對AIS信號衰減的影響。

AIS基站在某點的信號場強ER為基站在天線處激發(fā)的場強與信號傳播到該點的場強損耗之差：

(1)

式中：ET為基站在天線處激發(fā)的場強，dB·m；Lps是信號傳播產生的中值路徑損耗，dB。當信號無直射傳播路徑時，會發(fā)生繞射效應，如圖1所示。繞射路徑的距離計算公式如下

(2)

式中：dD為繞射距離，km；d1為基站天線與山體的距離，km；d2為接收天線與山體的距離，km；hm為山體海拔高度，m；hT為基站天線海拔高度，m；hR為接收機天線海拔高度，m。

(a)信號繞射示意圖

(b)繞射距離幾何示意圖圖1　信號繞射原理圖Fig. 1　The schematic diagram of the signal diffraction

圖1(a)中陰影三角形表示發(fā)射天線和接收天線之間的山體，AIS信號通過繞射路徑②從a點到達b點，圖1(b)是信號繞射傳輸的幾何計算簡圖。

AIS工作頻段為161.975 MHz和162.025 MHz。適用于162 MHz頻率的信號傳播損耗預測的模型有Okumura-Hata模型、 Egli模型和Cost231-Hata模型，其中Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型主要針對城市中的無線電傳播。Egli模型是基于大量試驗數據的統(tǒng)計模型，能夠反映信號在不同環(huán)境下的衰減規(guī)律和趨勢，相對于其他地形來說，Egli 模型對評估丘陵地形的場強較為精確[15]。Egli電波傳輸損耗經驗公式如下

Lps=88+20lgf+40lgd-20lg(hthr)-Kh

(3)

式中：f為電波頻率，MHz；ht為基地臺發(fā)射天線高度，m；hr為移動臺接收天線高度，m；d為收、發(fā)天線之間的距離，km；Kh為地形校正因子，dB。

當測試點周圍地形平均起伏高度Kh等于15 m時，Kh取0；當測試點周圍地形平均起伏高度H大于或小于15 m時，則應加地形校正因子。對150 MHz頻段，地形校正因子Kh可由下式求得

Kh=-0.143H+2.143

(4)

式中：H為測試點周圍地形平均起伏高度，m。

式(3)的實際適用范圍是：距離在1 km以上至視距范圍內，頻率40～400 MHz。

2模型檢驗

Egli模型沒有專門針對內河山區(qū)航道展開研究，需探討該模型在內河山區(qū)航道的適用性。為此，選擇長江上游三峽大壩-葛洲壩之間典型的山區(qū)航道進行實驗，實地采集信號場強數據。

2.1實驗原理

傳統(tǒng)信號場強測量工具難以捕捉到AIS信號并測定其場強。AIS接收到報文的誤包率與信號場強有直接關系，可以采用采集誤包率計算信號場強的方法來測量場強[16]。實驗采用兩臺SAAB R40型AIS基站分別作為信號發(fā)射機和接收機，該型號基站的場強-誤包率關系如下

(5)

式中：x為信號場強，dB·m；y為誤包率，%。其中

a1= 0.002 764 174 133 771 31

b1= 0.018 634 874 670 452 4

c1= 0.028 213 052 805 819 6

a2= 0.007 532 172 652 725 43

b2= 0.154 800 207 306 823

具體實驗過程如下，在岸邊設置一臺SAAB R40基站發(fā)送信號并統(tǒng)計信號發(fā)射頻數，在測試點利用另一臺SAAB R40接收信號并統(tǒng)計頻數，對比接收到的信號頻數和發(fā)送的信號頻數，得到SAAB R40在測試點的誤包率，根據式(5)計算該點的實際場強。

2.2實驗環(huán)境與過程

實驗所采用的SAAB R40型基站發(fā)射功率為12.5 W，在天線處產生的信號場強為33 dB·m?；驹O置在石牌水域躉船上，經緯度坐標為(111°08′47.69″，30°47′00.26″)，天線高度距離水面14 m。石牌水域是典型的山區(qū)航道，河道兩側高山聳立，利用Google Earth查詢可知，航道兩側山體平均高度約為

150 m。在天氣晴朗條件下，測試人員攜帶一臺SAAB R40型基站作為接收機乘坐海事巡邏艇抵達各個測試點，分別接收15～30 min信號。石牌水域地形及基站、測試點位置如圖2所示。

圖2　測試點地理環(huán)境圖Fig. 2　Geographic figure of test site

2.3實驗結果與分析

根據采集到的數據，采用式(5)計算出的實測AIS信號場強和根據Egli模型計算出的理論場強如表1所示。

表1　長江石牌河段AIS信號場強分析表

圖3為理論場強與實際場強對比結果。由圖3可以看出，實測AIS信號場強隨著傳輸距離的增加緩慢下降，符合Egli模型中場強隨距離遞增而減小的趨勢，但是下降幅度低于Egli模型所計算出的場強；山體遮擋會導致信號強度急劇下降。統(tǒng)計Egli模型計算出的場強誤差可以發(fā)現，在沒有山體遮擋的情況下，理論場強與實際場強的差值隨著距離增加單調減小，在有山體遮擋的情況下，理論場強與實際場強的差值同樣隨著距離增加單調減小，但是誤差值大于無山體遮擋的情況，如圖4所示?？梢缘贸鼋Y論，Egli模型能夠反映山區(qū)航道中AIS信號隨傳輸距離增加而場強減小的趨勢，但是存在較大誤差，需對模型進行修正后才能適用于山區(qū)航道。

圖3　理論場強與實際場強對比圖Fig. 3　Comparison of theoretical field strength and practical field strength

圖4　場強差值規(guī)律圖Fig. 4　Difference between theoretical field strength and practical field strength

3模型修正與布局模型推導

針對在內河山區(qū)航道中Egli模型對AIS信號場強評估存在較大誤差的情況，采用曲線擬合方式修正模型參數，并以實地實驗數據驗證修正模型。以此為基礎，推導虛擬航標基站布設間距模型。

3.1模型修正

由于山體遮擋會對AIS信號場強產生顯著影響，因此，對有山體遮擋和無山體遮擋的情況分別進行討論。

當沒有山體遮擋，存在AIS信號直射路徑時，對Egli模型的誤差分布進行對數擬合，通過MATLAB曲線擬合工具箱，得出無山體遮擋下場強誤差的擬合公式為

(6)

式中：d為信號傳輸距離，km。

將擬合出的式(6)代入式(1)、(3)，可得無山體遮擋情況下AIS基站信號場強與信號傳輸距離關系為

ER=-68.95-20lgf-3.29lgd+20lg(hthr)+Kh

(7)

當存在山體遮擋，沒有AIS信號直射路徑時，通過MATLAB曲線擬合工具箱，得出存在無山體遮擋下誤差擬合公式如下

(8)

圖5　誤差擬合圖Fig. 5　Error fitting figure

將式(8)代入式(1)、(3)，可得有山體遮擋情況下場強與信號傳輸距離關系式為

ER'=-58.62-20lgf-24.24lgd+20lg(hthr)+Kh

(9)

誤差擬合函數圖像如圖5。

3.2模型驗證

為了驗證修正模型的準確度，在長江三峽壩河口河段進行驗證實驗。壩河口河段位于長江三峽大壩下游約2 km處，通過Google Earth查詢可知，航道兩側山體平均高度約為200 m。實驗的方式同樣采用兩臺SAAB R40型基站分別作為AIS發(fā)射機和接收機，發(fā)射機安置于長江三峽通航管理局辦公樓樓頂，經緯度坐標為(111°03′33.25″，30°50′29.84″)，發(fā)射天線距離江面垂直高度約為26 m，接收機放置在海事巡邏艇，天線高度約2 m，如圖6所示。在壩河口河段選擇6個數據采集點，在每個點測試15～30 min，統(tǒng)計誤包率，推導場強。測試結果如表2所示。

可見，修正后的模型對壩河口山區(qū)航道的AIS信號場強評估具有很高的準確率。在距離最近的測試點(距離2.889 6 km)，信號場強評估精度達到97.69%，比Egli模型準確率提高55.22%；在距離最遠的測試點(距離8.167 km)，信號場強評估精度達到94.53%，比Egli模型準確率提高63.89%。

圖6　驗證實驗地點地理環(huán)境圖Fig. 6　Geographic figure of verification test site

3.3基站布局間距推導

根據國際航道標志協(xié)會(International Association of Lighthouse Authorities，IALA)對AIS可靠性的規(guī)定，要求AIS接收機在-107 dB·m的場強下誤包率不高于20%。當前，長江上所有的船載AIS都滿足IALA技術標準，以此為依據，以AIS基站覆蓋范圍內信號場強不低于-107 dB·m為標準，研究山區(qū)航道中AIS基站最大有效覆蓋范圍。

對式(7)中的距離d求反函數，并代入最小接收場強Ermin= -107 dB·m和AIS信道頻率f=162 MHz，得山區(qū)航道無山體遮擋條件下AIS基站最大有效覆蓋范圍dmax與地形因子Kh，收、發(fā)天線高度ht、hr的關系為

(10)

當存在山體遮擋時，由式(9)推導可得，山區(qū)航

道無信號遮擋條件下AIS基站最大有效覆蓋范圍d'max與地形因子Kh，收、發(fā)天線高度ht、hr的關系為

(11)

在山區(qū)航道布設AIS基站時，相鄰兩基站的最大間距應小于各基站的最大信號有效覆蓋范圍之和。其中，間距的計算是以基站信號最短傳播路徑為準，即：當基站信號沿航道傳播無遮擋時，取直線距離；當存在信號遮擋時，取信號最短繞射距離。以式(10)、(11)為基礎計算山區(qū)航道中AIS基站的布設間距，可確保船舶在航道內接收到虛擬航標信號的誤包率低于20%，維持虛擬航標的可靠運行。

表2　長江壩河口河段測點AIS數據

4結論

本文得出如下結論：

1)在半封閉的山區(qū)航道環(huán)境下，AIS信號的傳播規(guī)律與開闊地區(qū)存在顯著的差異。Egli模型能夠反映出AIS信號隨傳播距離增加而場強衰減的趨勢，但是估計值普遍低于實際值，且隨著距離的增加，實際場強與估計場強的差值呈現增大趨勢，差值服從對數分布。同時，有山體遮擋區(qū)域的信號場強比同等距離下的無山體遮擋信號場強更低，且差值同樣服從對數分布。

2)通過將山區(qū)航道中有信號遮擋和無信號遮擋情況下的AIS信號評估模型區(qū)分開，基于實地實驗數據分別修正Egli模型在兩種情況下的模型參數，可以有效提高虛擬航標基站的AIS信號場強覆蓋范圍的評估精度。

3)根據IALA對AIS船臺性能的規(guī)定和AIS船臺誤包率與信號場強的轉換關系，以-107 dB·m作為虛擬航標基站的信號覆蓋邊界，由此推導基站布設間距是可行的，可保證航道中船舶接收到基站信號的可靠性高于80%。

4)本文針對山區(qū)航道特定環(huán)境，對Egli模型中的距離參數進行了修正，但沒有針對天線高度對AIS信號傳播的影響展開專門研究，后期可對山區(qū)航道環(huán)境下Egli模型的天線高度參數進行修正，使Egli模型在山區(qū)航道中更加精確。

參考文獻：

[1]IALA. IALA Guideline No. 1081, On virtual aids to navigation edition 1[S]. France: IALA, 2010.

[2]SCORZOLINI A, DE PERINI V, RAZZANO E, et al. European enhanced space-based AIS system study[C]//Proceedings of the 5th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference (Asma) and the 11th Signal Processing for Space Communications Workshop (SPSC). Cagliari, 2010: 9-16.

[3]江衍煊, 唐寒秋, 陳宏. 設定航點與虛擬自動識別航標導航海壇海峽[J]. 中國航海, 2011, 34(1): 18-21.

JIANG Yanxuan, TANG Hanqiu, CHEN Hong. Navigation in Hai-Tan Strait by set way points and AIS virtual marks[J]. Navigation of China, 2011, 34(1): 18-21.

[4]徐峰. 虛擬航標在長江航道中的應用[J]. 水運工程, 2012(3): 119-123.

XU Feng. Application of virtual navigation aids in Yangtze River waterway[J]. Port & waterway engineering, 2012(3): 119-123.

[5]張京娟, 郝燕玲. AIS系統(tǒng)時隙預約選擇算法的分析[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2002, 23(5): 52-56.

ZHANG Jingjuan, HAO Yanling. Analysis of slot reservation selection algorithm for AIS[J]. Journal of Harbin engineering university, 2002, 23(5): 52-56.

[6]張海營,郭建峰,魏玉凡. 機載AIS接收信號沖突概率分析[J]. 全球定位系統(tǒng),2014,39(3):15-18.

ZHANG Haiying, GUO Jianfeng, WEI Yufan. The conflict probability analysis of airborne AIS signals[J]. GNSS world of China, 2014,39(3):15-18.

[7]BOUNY N, LEMAITRE J, MILLERIOUX J P. Results of measurement campaign for characterisation of AIS transmitters[C]//Advanced Satellite Multimedia Systems Conference (ASMS) and 12th Signal Processing for Space Communications Workshop (SPSC), 2012 6th. IEEE, 2012: 258-265.

[8]HASEGAWA K, HATA K, NIWA K, et al. Transmission evaluation of ship-borne automatic identification system (AIS) in congested waterways[C]//Proceedings of the 8th International Conference on ITS Telecommunications. Phuket: IEEE, 2008: 18-23.

[9]劉傳潤, 張來保. 珠江口水域AIS基站的設計[J]. 大連海事大學學報, 2007, 33(1): 61-63, 66.

LIU Chuanrun, ZHANG Laibao. Analysis of AIS base stations design for the Pearl river delta[J]. Journal of Dalian maritime university, 2007, 33(1): 61-63, 66.

[10]MA Feng, CHU Xiumin, LIU C G. PER Estimation of AIS in inland rivers based on three dimensional ray tracking[J]. TransNav: international journal on marine navigation and safety of sea transportation, 2014, 8(1): 89-94.

[11]曾中超,余濤,毛田,等. 電離層高頻傳播點對點射線追蹤仿真器[J]. 電波科學學報,2014,29(3):528-533.

ZENG Zhongchao, YU Tao, MAO Tian, et al. Point-to-point ray tracing simulator for ionospheric HF propagation[J]. Chinese Journal of radio science, 2014,29(3):528-533.

[12]李德鑫, 楊日杰, 王元誠, 等. 不規(guī)則地形條件下雙向DMFT電波傳播特性算法研究[J]. 航空學報, 2012, 33(2): 297-305.

LI Dexin, YANG Rijie, WANG Yuancheng, et al. Study on two-way DMFT algorithm of predicting radio propagation characteristics in irregular terrain environment[J]. Acta aeronautica et astronautica sinica, 2012, 33(2): 297-305.

[13]李德鑫,楊日杰,官巍,等. 不規(guī)則地形條件下的雙向拋物方程模型研究[J]. 宇航學報,2012,33(2):235-241.

LI Dexin, YANG Rijie, GUAN Wei, et al. Research on two-way parabolic equation modeling under irregular terrain environment[J]. Journal of astronautics, 2012,33(2):235-241.

[14]郭淑霞,單雄軍,張政,等. 典型場景下電波傳播特性建模[J]. 激光技術,2015,39(1):124-128.

GUO Shuxia, DAN Xiongjun, ZHANG Zheng, et al. Radio propagation characteristics modeling under typical scenarios[J]. Laser technology, 2015,39(1):124-128.

[15]王海南. 常用無線電傳播模型的對比分析及應用[D]. 長春: 吉林大學, 2011: 9-10.

WANG Hainan. The comparative analysis and application of the common wireless radio transmittal model[D]. Changchun: Jilin University, 2011: 9-10.

[16]馬楓, 嚴新平, 初秀民, 等. 船舶自動識別系統(tǒng)信號失效與場強的相關性[J]. 大連海事大學學報, 2011, 37(3): 111-114.

MA Feng, YAN Xinping, CHU Xiumin, et al. Correlation between signal failure and field strength in automatic identify system[J]. Journal of Dalian maritime university, 2011, 37(3): 111-114.

Base station spacing of virtual aids to navigation in mountain waterways

LIU Xinglong1,2,3, CHU Xiumin2,3, MA Feng2,3, LIU Tong1,2,3, NIE Yang1,2,3

(1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Intelligent Transportation System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract：To address the problem of the lack of guidelines for deploying virtual aids to navigation (AtoN) base stations in mountain waterways, this research proposes a spacing model for base stations from the perspective of field strength estimations of the automatic identification system (AIS) signal. First, we conducted a field experiment to capture the field strength of the AIS signal. The experimental results show that the Egli model overestimated the attenuation of the AIS signal in mountain waterways, and the palisades severely decreased the field strength of the AIS signal. With the experimental data, we were able to revise the parameters of the Egli model through curve-fitting. Consequently, we achieved a modified Egli model, which can better estimate the field strength of the AIS signal in mountain waterways. Our results show that this modified Egli model increased the accuracy of the estimated field strength of the AIS signal to more than 94%, which is over 55% higher than that of the original Egli model. Finally, taking -107 dB·m as the transmittal boundary condition of the base station’s AIS signal, we derived a virtual AtoN spacing model for base stations in mountain waterways from the modified Egli model. This spacing model can ensure a signal reception rate higher than 80%.

Keywords：navigation aids; virtual aids to navigation; field strength; Egli model; curve fitting; modification of parameters; mountain waterway

中圖分類號：U644.34

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)03-382-06

doi:10.11990/jheu.201410074

作者簡介：劉興龍(1987-), 男, 博士研究生;通信作者：初秀民，E-mail：chuxm@whut.edu.cn.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61273234，51479155)；湖北省自然科學基金創(chuàng)新群體資助項目(2013CFA007)；交通運輸部信息化技術研究基金資助項目(2013-364-548-200).

收稿日期：2014-10-30.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160104.1701.024.html

網絡出版日期：2016-01-04.

初秀民(1969-), 男, 教授,博士，博士生導師.