海事物聯(lián)網(wǎng)中多波束衛(wèi)星天線的實現(xiàn)機制

白勝美，李洪星，李 屹，方 莉，陳 萍

(1.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876； 2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

海事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為船舶管控、狀態(tài)監(jiān)測和環(huán)境探測等提供了全新模式。當前海事物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)通常基于IEEE 802.11協(xié)議族，其通信距離短，一般僅限于船舶內(nèi)部使用，大大限制了海事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在廣闊海域船舶之間的應(yīng)用。船舶自動識別系統(tǒng)[1-2](Automatic Identification System,AIS)利用衛(wèi)星通信和自組織時分多址技術(shù)[3]實現(xiàn)海事安全通信，其覆蓋范圍廣，適用場景多，是構(gòu)建海事物聯(lián)網(wǎng)信息平臺的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，AIS系統(tǒng)采用單點覆蓋天線技術(shù)，以很大的輻射角度覆蓋地面區(qū)域，邊緣處功率損失較為嚴重。若采用多天線技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)的高吞吐量，則又存在系統(tǒng)造價昂貴，衛(wèi)星負荷嚴重，仍存在諸多問題亟待解決。

20世紀60年代以來，多波束天線技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中受到廣泛關(guān)注，逐步成為改進衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的一項關(guān)鍵技術(shù)[4]。文獻[5]研究了衛(wèi)星相控陣多波束天線，以其六邊形陣列天線布局，很大程度降低了輻射單元，節(jié)省了硬件資源，但是因其波束單元運算復(fù)雜，成形技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致系統(tǒng)不夠穩(wěn)定。文獻[6]提出了陣潰反射面多波束天線在衛(wèi)星系統(tǒng)的賦形技術(shù)，可有效利用頻譜資源，提高衛(wèi)星信號的功率利用率，但是賦形波束較為靈敏，受潰源陣口徑面影響較大，適用于波束數(shù)量較多的系統(tǒng)，不適用于AIS系統(tǒng)。文獻[7]針對多波束天線技術(shù)應(yīng)用到AIS接收機系統(tǒng)中的情況進行了理論分析，但從波束成型[8]到信號接收都只是提供了定性的描述，沒有定量的分析和仿真數(shù)據(jù)驗證多波束天線技術(shù)的優(yōu)勢。

鑒于上述問題及多波束天線在衛(wèi)星通信系統(tǒng)不同場景下的應(yīng)用現(xiàn)狀[9]，本文提出一種應(yīng)用到AIS系統(tǒng)中的多波束天線實現(xiàn)機制，定量研究并驗證多波束天線技術(shù)對AIS系統(tǒng)性能的提高。多波束天線技術(shù)，可有效減少天線個數(shù)，縮小天線張角，并以高增益覆蓋較大的面區(qū)域，各點波束以相互獨立的頻率進行信號接收，有效降低波束間船舶信號的沖突，實現(xiàn)波束空間隔離和極化隔離，以提高船舶檢測概率。

1 多波束覆蓋

多波束天線是能產(chǎn)生多個點波束的天線，單個或者多個點波束共同作用覆蓋指定區(qū)域。各點波束之間采用相互獨立的頻點接收信號，或者在點波束相距足夠遠時，實現(xiàn)頻率復(fù)用，有效避免各點波束內(nèi)船舶信號之間的沖突，從而提高檢測概率。

不同應(yīng)用場景，衛(wèi)星多波束天線對地面的覆蓋方式也不同，可根據(jù)覆蓋場景的情況大致分成4種情況[11-12]：① 由點波束覆蓋每一個分散區(qū)域，覆蓋區(qū)域由多個分散區(qū)域組成，各點波束接收信號頻點不同。多個分散區(qū)域的覆蓋情況如圖1(a)所示。② 由多個點波束共同覆蓋一個集中區(qū)域，可能存在波束重疊，但是各點波束接收信號的頻點相互獨立，覆蓋情況如圖1(b)所示。③ 由點波束覆蓋每一個分散區(qū)域，且各分散區(qū)域足夠遠，可實現(xiàn)各點波束間頻率復(fù)用，覆蓋情況如圖1(c)所示。④ 由多個點波束共同覆蓋一個集中區(qū)域，可能存在波束重疊，但是由于覆蓋區(qū)域廣，距離足夠遠的點波束之間可實現(xiàn)頻率復(fù)用，覆蓋情況如圖1(d)所示。綜上4種情況的示意圖如圖1所示。

衛(wèi)星上使用多波束天線可以通過各點波束以相對獨立的頻點接收信號，有效避免波束之間反射信號的沖突問題。AIS利用單點覆蓋天線接收信號時，星下視角相對點波束視角大得多，導(dǎo)致非同步衛(wèi)星系統(tǒng)增益很小，靠近衛(wèi)星覆蓋區(qū)域邊界處的船舶信號功率嚴重損失[13]，因此，為了提高星載天線的增益，縮小天線輻射張角，而采用多波束天線技術(shù)以“填滿”整個服務(wù)區(qū)。鑒于AIS系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的特征以及頻點資源，采用圖1(b)的覆蓋方式。

圖1 波束排列情況

2 多波束設(shè)計原理

在AIS系統(tǒng)中，衛(wèi)星接收船載AIS設(shè)備發(fā)送的信號，船舶分布的疏密會直接影響發(fā)送信號的時隙分配，影響信號的解調(diào)效果，從而影響船舶的檢測概率。因此，有必要對衛(wèi)星觀測區(qū)域內(nèi)的船舶分布進行合理的分析。

2.1 船舶分布模型

直徑40 n mile 范圍稱為自組織小區(qū)[14]。對自組織小區(qū)內(nèi)船舶發(fā)送的信號，可自組織分配時隙，有效避免時隙沖突。衛(wèi)星觀測區(qū)域內(nèi)包含的自組織小區(qū)數(shù)量的計算方法，以衛(wèi)星高度600 km為例，如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星掃描范圍示意圖

其中，AC為衛(wèi)星距離地面的高度等于600 km，OD為衛(wèi)星的觀測半徑，等于6 371 km。且觀測半徑等于衛(wèi)星到地球的切線AB與衛(wèi)星到地面的垂線AC之間的弧度BC的長度，于是衛(wèi)星的觀測半徑Rs計算為：

式中，Re為地球半徑6 371 km，h為衛(wèi)星距離地面的高度600 km。計算得Rs為2 662.66 km，約為1 438 n mile。每個自組織小區(qū)的半徑為20 n mile，由此可算出衛(wèi)星觀測范圍的半徑約為小區(qū)半徑的72倍。

2.2 四波束設(shè)計方案

以自組織小區(qū)為單位，將AIS系統(tǒng)覆蓋區(qū)域進行四波束劃分[15]，如圖3所示。

范圍A(陰影圓部分)是衛(wèi)星的觀測范圍，范圍B(虛線方形區(qū)域)表示仿真中所取到的衛(wèi)星觀測范圍，即衛(wèi)星實際觀測范圍的外切正方形。根據(jù)半徑選取原則，將處于范圍A與范圍B之間區(qū)域的小區(qū)內(nèi)船舶數(shù)置零。采用波束技術(shù)覆蓋衛(wèi)星觀測范圍時，盡可能無丟失地接收衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)船舶發(fā)送的信號。這樣一來，點波束覆蓋范圍之間會發(fā)生重疊，從而導(dǎo)致部分船舶發(fā)送的信號被多個波束分別接收并解調(diào)。但由于相鄰波束間不同頻，所以接收到不同頻率點波束內(nèi)船舶的信號不會造成沖突干擾。

四波束劃分如圖3中C1、C2、C3、C4。由于衛(wèi)星覆蓋最大區(qū)域為A，所以波束覆蓋范圍落在A外側(cè)的區(qū)域并未覆蓋地球表面。故而點波束C1覆蓋的小區(qū)范圍相當于范圍D(深色部分)所覆蓋區(qū)域，其中范圍E是仿真模型中點波束的覆蓋范圍。

圖3 四波束的劃分范圍

3 AIS系統(tǒng)中四波束模擬源設(shè)計

根據(jù)衛(wèi)星的位置信息，包括衛(wèi)星的經(jīng)緯度、高度等參數(shù)，仿真生成衛(wèi)星覆蓋區(qū)域下，船舶在每個小區(qū)內(nèi)的分布情況，各小區(qū)的位置參數(shù)(經(jīng)緯度等)。首先需要求取衛(wèi)星觀測范圍內(nèi)船舶個數(shù)，從而可以仿真生成所有船舶發(fā)送信號[16]。本文采用生成隨機數(shù)的方法生成船舶信號。

取圖3的1/4部分進行研究，如圖4所示。圓形區(qū)域為點波束，故而其內(nèi)接正方形的邊長等于2*AB=36，AB等于18。由幾何關(guān)系得出：AC=AD≈26，BC=AC-AB≈8。故而，4個點波束的覆蓋范圍如圖5所示。

圖4 仿真中四波束劃分圖

圖5 4個點波束的覆蓋范圍

深色部分就是點波束實際覆蓋的區(qū)域。根據(jù)各點波束所覆蓋的小區(qū)編號，取出對應(yīng)小區(qū)內(nèi)船舶號，并獲取對應(yīng)船舶號生成的船載AIS數(shù)據(jù)，以及點波束內(nèi)每個小區(qū)的船舶分布情況。

根據(jù)點波束內(nèi)船舶的分布情況，可以求得波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的船舶參數(shù)，如功率、頻偏、時延和DOA。根據(jù)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的船舶分布情況，組織海域船舶發(fā)送信息時隙。進一步，根據(jù)小區(qū)所在波束，選取發(fā)送頻率，并對各點波束內(nèi)船舶發(fā)送的信息進行接收。最后進行AIS調(diào)制，先將船舶待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行GMSK調(diào)制[17-18]，再將調(diào)制后的信號與信號時隙分配表、信道時延等進行疊加，發(fā)送AIS信號到接收端進行接收。

4 仿真結(jié)果

為了便于分析和軟件仿真，將每個自組織小區(qū)簡化近似為40 n mile*40 n mile的正方形區(qū)域。這種簡化方法以自組織小區(qū)為單位存儲信息，可以將所有自組織小區(qū)的位置信息存儲在一個矩陣中，便于統(tǒng)計船舶的位置信息，也便于計算各小區(qū)船舶信號到達衛(wèi)星AIS的功率、頻偏、時延和DOA等。

仿真觀測時間t=10 s、20 s、60 s、90 s、120 s，船舶個數(shù)為2 000、3 000、4 000 艘。仿真給出了單天線、雙天線、兩波束和四波束時的檢測概率，具體如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 船舶為2 000艘的檢測概率

圖7 船舶為3 000艘時的檢測概率

圖8 船舶為4 000艘時的檢測概率

仿真結(jié)果分析如下：

① 同一觀測時間，相同船舶數(shù)，四波束比兩波束降低了波束間船舶信息的沖突，所以檢測概率較高；

② 同一觀測時間，天線類型固定時，船舶數(shù)越多，信號沖突越嚴重，檢測概率越低；

③ 船舶數(shù)相同，天線類型固定，觀測時間越長，同一艘船被成功解調(diào)的概率越高；

④ 船舶數(shù)為2 000艘時，由于沖突數(shù)相對較少，雙天線解調(diào)概率會高于兩波束解調(diào)概率；隨著船舶數(shù)量增加，船舶數(shù)為3 000艘，沖突數(shù)增加，此時雙天線和兩波束的性能隨觀測時間不同互有上下；當船舶數(shù)為4 000艘時，沖突數(shù)加劇，兩波束相對兩天線解沖突的優(yōu)勢顯現(xiàn)出來，獲得了較高的檢測概率。

5 結(jié)束語

本文面向海事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，提出AIS 系統(tǒng)中一種多波束天線技術(shù)的實現(xiàn)機制。仿真表明：四波束的解調(diào)性能可與兩天線系統(tǒng)相比擬。單天線多波束機制減少了天線的個數(shù)，降低了造價，實現(xiàn)更為容易，同時由于點波束內(nèi)部的小區(qū)數(shù)量相對減少，從而在較大程度上減少了沖突， 且在船舶數(shù)量增多時，多波束天線抗沖突性能尤為明顯。

[1] 劉人杰,劉暢,黃習(xí)剛.船舶自動識別系統(tǒng)的信息傳輸[J].中國航海,2002(3):41-44.

[2] Cervera M A,Ginesi A.On the Performance Analysis of a Satellite-based AIS System[C]∥International Workshop on Signal Processing for Space Communications.2008:1-8.

[3] Lee H S,Lee S M,Lee H H.The Realization of the Performance Estimation System on AIS SOTDMA Algorithm[J].West China Medical Journal,2007,1:405-410.

[4] 周樂柱,李斗,郭文嘉.衛(wèi)星通信多波束天線綜述[J].電子學(xué)報,2001,29(6):824-828.

[5] 梁廣,龔文斌,余金培.基于陣列分解的星載相控陣天線波束成形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].高技術(shù)通信,2010,20(9):911-916.

[6] 張亦希,張恒偉.衛(wèi)星陣饋反射面賦形波束天線窗口效應(yīng)的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,2010,25(6):1046-1051.

[7] Maggio F,Rossi T,Cianca E,et al.Digital Beamforming Techniques Applied to Satellite-based AIS Receiver[J].Aerospace & Electronic Systems Magazine IEEE,2014,29(6):4-12.

[8] Walker J F,Gonzalez D G,Kelkar A,et al.Digital Beamforming Radar System: US,US 6882311 B2[P]，2005.

[9] 胡紅芬,白曉紅.多波束天線的應(yīng)用及發(fā)展[J].現(xiàn)代雷達,2002,24(4):69-75.

[10] 張旭,吳潛.低軌衛(wèi)星系統(tǒng)星載多波束天線點波束設(shè)計及優(yōu)化[J].電訊技術(shù),2009,49(7):31-35.

[11] 謝崇進,王華芝.衛(wèi)星多波束天線綜述[J].中國空間科學(xué)技術(shù),1995(5):37-44.

[12] XIAO Yongxuan，XUE Yong，ZENG Xiaojin.Analysis and Simulation of Multi-beam Antenna Coverage for GEO Satellite Based on STK[J].Spacecraft Engineering,2010,

19(3):74-79.

[13] 崔蕾,楊慧杰.低軌衛(wèi)星多波束天線波束設(shè)計方法研究[J].微波學(xué)報,2012 (s2):76-79.

[14] 張昕.AIS系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2015.

[15] 趙星惟,呂源,劉會杰,等.LEO通信衛(wèi)星多波束天線構(gòu)型方案設(shè)計[J].中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報,2011,28(5):636-641.

[16] 陳海龍,李宏.基于MATLAB的偽隨機序列的產(chǎn)生和分析[J].計算機仿真,2005,22(5):98-100.

[17] 姚娜,蔡容海.AIS系統(tǒng)中GMSK的調(diào)制解調(diào)[J].電訊技術(shù),2006,46(5):186-189.

[18] Murota K,Hirade K.GMSK Modulation for Digital Mobile Radio Telephony[J].IEEE Transactions on Communications,1981,29(7):1044-1050.