海洋一號(hào)C/D衛(wèi)星全球船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張可立 丁振宇 高杰

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)是一種新型的船舶避撞系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的AIS系統(tǒng)主要由船載AIS收發(fā)機(jī)、岸站AIS接收機(jī)和數(shù)據(jù)管理中心三個(gè)部分組成，是一種基于地面、近海的岸基通信系統(tǒng)。由于岸基AIS接收站對(duì)VHF頻段信號(hào)接收范圍的局限性，目前的岸基AIS系統(tǒng)只能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)河及近海(30海里)海域的船舶監(jiān)控，而對(duì)于遠(yuǎn)海船舶的運(yùn)行情況及突發(fā)事件報(bào)警信號(hào)并不具備偵聽能力。為了解決這一問題，提出了星地一體化AIS系統(tǒng)[2]。這是一種利用衛(wèi)星大幅寬、高重訪特點(diǎn)，AIS接收機(jī)系統(tǒng)偵聽、采集和匯總傳輸全球船只AIS信號(hào)的新型系統(tǒng)。利用星載AIS系統(tǒng)可以有效提升針對(duì)遠(yuǎn)洋船只信息的監(jiān)控范圍和監(jiān)控頻次，在航道管理、漁業(yè)資源管理、應(yīng)急搶險(xiǎn)等方面具有重要作用。

海洋一號(hào)C/D(HY-1C/D)衛(wèi)星搭載AIS接收機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)全球船舶識(shí)別信息的接收、處理。衛(wèi)星與海面船只距離很遠(yuǎn)，接收到的船舶信號(hào)功率較小。為了實(shí)現(xiàn)有效接收，AIS接收機(jī)的靈敏度較高。此外，AIS接收機(jī)工作在160 MHz左右的VHF頻段，衛(wèi)星在該頻段內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，容易對(duì)AIS接收機(jī)的高靈敏度接收造成干擾。為了保證AIS接收機(jī)的正常工作，本文在160 MHz附近對(duì)衛(wèi)星內(nèi)部的電磁環(huán)境進(jìn)行分析控制，根據(jù)分析結(jié)果，在單機(jī)和整星層面采取電磁屏蔽措施，并對(duì)AIS天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 星地一體化AIS系統(tǒng)

星地一體化AIS系統(tǒng)由地面系統(tǒng)、衛(wèi)星和測(cè)控系統(tǒng)3大部分組成。地面系統(tǒng)包括船載AIS收發(fā)機(jī)(船舶)、岸基AIS收發(fā)機(jī)(AIS基站)、數(shù)據(jù)管理中心(用戶)和數(shù)據(jù)接收站組成，主要負(fù)責(zé)船舶AIS信號(hào)在地面上的收發(fā)、處理和管理工作，數(shù)據(jù)接收站接收衛(wèi)星下傳的船舶報(bào)文信息。衛(wèi)星負(fù)責(zé)接收、解調(diào)、采樣和存儲(chǔ)船舶發(fā)送的AIS信號(hào)，并將解調(diào)得到的船舶報(bào)文信息通過星地鏈路下傳到數(shù)據(jù)接收站。測(cè)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)跟蹤、測(cè)量和控制衛(wèi)星。其中，船載AIS收發(fā)機(jī)發(fā)送的AIS信號(hào)是信息源頭，信號(hào)特征如表1所示。

國(guó)外AIS衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展途徑按各國(guó)實(shí)際需求及其衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展水平主要可分為兩大類：①發(fā)展專用的AIS微小衛(wèi)星，以挪威自主識(shí)別系統(tǒng)衛(wèi)星-1(AISSat-1)、德國(guó)的魯賓(Rubin)衛(wèi)星系列為典型代表；②通過其他衛(wèi)星搭載AIS載荷，以加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星星座任務(wù)(Radarsat Constellation Mission，RCM)和美國(guó)戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星-2(Tacsat-2)為代表?？偟膩碚f，國(guó)外在AIS衛(wèi)星系統(tǒng)的研發(fā)方面已有初步的研究成果和實(shí)踐基礎(chǔ)，在實(shí)踐上驗(yàn)證了星載AIS接收機(jī)的可行性和實(shí)用性[3-6]。

表1 AIS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化性能要求

國(guó)內(nèi)近年來也開展了AIS衛(wèi)星系統(tǒng)的研究和初步應(yīng)用[7-12]，其中天拓一號(hào)衛(wèi)星于2012年5月10日發(fā)射成功，在軌試驗(yàn)期內(nèi)，共偵收了4萬(wàn)余條AIS報(bào)文，并繪出我國(guó)第一張全球船舶AIS海圖。我國(guó)海洋二號(hào)衛(wèi)星上也搭載AIS系統(tǒng)，從應(yīng)用需求上看，發(fā)展星載AIS技術(shù)已成為一項(xiàng)極具應(yīng)用價(jià)值的項(xiàng)目。

2 HY-1C/D衛(wèi)星搭載AIS載荷需要解決的問題

由船載AIS發(fā)射機(jī)指標(biāo)可知，其地面發(fā)射功率較小，因此作為星載AIS接收機(jī)，必須具有較高的接收靈敏度才能準(zhǔn)確的接收地面發(fā)射信號(hào)，而衛(wèi)星各電子設(shè)備無意輻射的低頻信號(hào)對(duì)AIS信號(hào)的干擾是實(shí)現(xiàn)AIS接收機(jī)在軌正常應(yīng)用的關(guān)鍵問題，即AIS載荷與整星的電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)問題。

星載AIS系統(tǒng)接收頻率為160 MHz，屬于較低頻段，而之前衛(wèi)星平臺(tái)、載荷設(shè)備由于沒有此類低頻段無線接收設(shè)備應(yīng)用，因此對(duì)于繼承性較強(qiáng)的平臺(tái)和載荷類產(chǎn)品，對(duì)低頻段EMC特性研究不足，控制也不足。通過對(duì)多顆不同類型小衛(wèi)星的電磁輻射發(fā)射(RE)測(cè)試結(jié)果(表2)，初步分析了該頻段衛(wèi)星的EMC特性，可以得出以下結(jié)論。

(1)無線偵收類衛(wèi)星提供給電磁載荷的視場(chǎng)開口一般較小，有利于整星EMC處理，因此整星的低頻本底噪聲較低；而光學(xué)遙感類衛(wèi)星給光學(xué)載荷提供的視場(chǎng)開口較大，不利于整星EMC處理，以往也很少針對(duì)低頻噪聲進(jìn)行處理，因此低頻本底噪聲較高，兩者噪聲功率相差約5 dB；

(2)對(duì)于AIS接收機(jī)，采用海洋1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)，160 MHz附近的噪聲功率譜密度大約為-152 dBm/Hz。

表2 小衛(wèi)星噪聲譜密度匯總

如果按衛(wèi)星噪聲功率譜密度約為-152 dBm/Hz、AIS接收機(jī)解調(diào)帶寬4.8 kHz計(jì)算，則HY-1C/D衛(wèi)星在AIS接收機(jī)帶寬產(chǎn)生的本底噪聲功率為-115.2 dBm。而AIS接收機(jī)要滿足一定誤碼率指標(biāo)情況下對(duì)GMSK/FM調(diào)制數(shù)據(jù)的正確解調(diào)，要求信噪比應(yīng)為15 dB左右，也就是說此時(shí)要求地面AIS信號(hào)到達(dá)星上AIS天線入口處的信號(hào)功率不能小于-100.2 dBm。巧合的是，在這一輸入功率下，AIS接收機(jī)在782 km的軌道高度上可實(shí)現(xiàn)1000 km的海面?zhèn)墒辗鶎?，略?yōu)于950 km的指標(biāo)要求。因此，為了保證幅寬指標(biāo)，需要從AIS接收機(jī)自身的解調(diào)能力即靈敏度以及衛(wèi)星平臺(tái)噪聲這兩個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格要求。在AIS接收機(jī)方面，要求在85%解調(diào)概率下的靈敏度低于-100.2 dBm，而實(shí)測(cè)靈敏度優(yōu)于-112 dBm，滿足解調(diào)要求，并留有一定余量。在衛(wèi)星平臺(tái)方面，則必須優(yōu)化整星EMC設(shè)計(jì)，將衛(wèi)星在160 MHz附近的噪聲功率譜密度嚴(yán)格控制在-152 dBm/Hz以下。

3 針對(duì)AIS載荷的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)整星低頻干擾信號(hào)抑制的優(yōu)化措施，最為有效的手段就是在單機(jī)/分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就要設(shè)定相關(guān)的低頻EMC設(shè)計(jì)要求，保證衛(wèi)星每臺(tái)設(shè)備低頻輻射指標(biāo)最低，從而達(dá)到整星EMC指標(biāo)的優(yōu)化。但HY-1C/D衛(wèi)星采用繼承的CAST2000小衛(wèi)星平臺(tái)，很難從設(shè)備級(jí)對(duì)成熟產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)HY-1C/D衛(wèi)星搭載4臺(tái)光學(xué)載荷設(shè)備，無法像其它電偵類衛(wèi)星一樣進(jìn)行整星的包覆控制。因此在衛(wèi)星設(shè)計(jì)時(shí)，主要從重點(diǎn)單機(jī)EMC屏蔽、天線方向圖優(yōu)化設(shè)計(jì)、天線安裝位置優(yōu)化設(shè)計(jì)、整星EMC綜合處理等幾個(gè)方面入手滿足AIS載荷在軌對(duì)低頻干擾信號(hào)的抑制要求，同時(shí)開展整星級(jí)別的EMC試驗(yàn)，對(duì)最終的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

1)單機(jī)設(shè)備的EMC設(shè)計(jì)要求

HY-1C/D衛(wèi)星C/D類產(chǎn)品均為載荷產(chǎn)品，且載荷安裝處均留有較大的視場(chǎng)開口，是衛(wèi)星低頻信號(hào)泄露的關(guān)鍵產(chǎn)品，為此衛(wèi)星方根據(jù)相關(guān)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)各C/D類產(chǎn)品的EMC指標(biāo)，特別是輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)第102項(xiàng)(RE102)指標(biāo)均進(jìn)行了加嚴(yán)控制，如表3所示。載荷設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)電子設(shè)備內(nèi)部晶振的諧波、數(shù)據(jù)傳輸噪聲在100～200 MHz頻段進(jìn)行了設(shè)計(jì)和控制，盡量降低此頻段的無意發(fā)射干擾。

表3 星上設(shè)備/分系統(tǒng)在軌段無意電場(chǎng)輻射發(fā)射下凹頻段要求

在C/D類產(chǎn)品進(jìn)行EMC試驗(yàn)過程中，對(duì)160 MHz附近的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對(duì)超標(biāo)的設(shè)備在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過包覆等處理措施控制了單機(jī)的大部分超差項(xiàng)目，對(duì)少量無法達(dá)標(biāo)的頻點(diǎn)通過分析，確認(rèn)了其不落在AIS載荷的解調(diào)帶寬之內(nèi)。

2)天線方向圖設(shè)計(jì)

提升星載AIS接收機(jī)接收概率的另一項(xiàng)措施是提高接收機(jī)入口處信號(hào)功率。船舶AIS天線通常采用單極子天線，其方向圖特性表現(xiàn)在最大增益不在垂直向上的方向，而是出現(xiàn)在偏離+Z軸(地垂線)約30°～50°方向。因此根據(jù)地面AIS天線方向圖特點(diǎn)，應(yīng)將星上AIS天線的方向圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，使星上接收天線方向圖最大增益(主波束)基于星下點(diǎn)偏移角32°～48°，進(jìn)一步增強(qiáng)接收機(jī)入口出的信號(hào)功率電平。

HY-1C/D衛(wèi)星采用雙接收機(jī)/天線熱備份工作的方式，天線1和天線2分別布置在衛(wèi)星+X側(cè)和-X側(cè)。在提高AIS接收機(jī)在軌可靠度的同時(shí)，兩幅天線分時(shí)對(duì)同一區(qū)域內(nèi)船只信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)，進(jìn)一步提升對(duì)地面船只偵收的概率。為進(jìn)一步減小信號(hào)碰撞概率，在滿足AIS接收機(jī)幅寬指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量降低+X側(cè)天線增益。兩副天線的地面足跡如圖1所示，橫坐標(biāo)代表俯仰角(偏離星下點(diǎn)垂線角度)，縱坐標(biāo)代表方位角(偏離衛(wèi)星前進(jìn)方向角度，順時(shí)針為正)。

圖1 兩副AIS天線的地面足跡范圍Fig.1 Footprint on earth of two AIS antennas

3)天線布局設(shè)計(jì)

AIS星載接收天線的布局，主要考慮3個(gè)方面的布局優(yōu)化措施：①要有一定的反射面來實(shí)現(xiàn)天線方向圖特性；②與星上其它天線保持一定距離，滿足AIS接收機(jī)天線與其它星上射頻天線隔離度指標(biāo)(測(cè)控62 dB，數(shù)傳80 dB)，滿足EMC要求；③盡量遠(yuǎn)離衛(wèi)星結(jié)構(gòu)為載荷設(shè)備預(yù)留的開口，同時(shí)利用衛(wèi)星結(jié)構(gòu)阻擋部分星內(nèi)低頻輻射信號(hào)對(duì)AIS接收機(jī)造成的低頻干擾。

為此，HY-1C/D衛(wèi)星將AIS天線分別布置在整星±X側(cè)，在滿足天線方向圖的同時(shí)，盡量遠(yuǎn)離衛(wèi)星+Z載荷艙頂板(頂板有多處光學(xué)載荷開口)和衛(wèi)星±Y側(cè)板(側(cè)板有軸承與功率輸送裝置BAPTA開口)，同時(shí)將載荷艙底板沿著衛(wèi)星±X方向適當(dāng)外延，在滿足其它光學(xué)載荷布放要求的同時(shí)，對(duì)從載荷艙頂板泄露的整星低頻輻射信號(hào)具備一定的遮擋作用，進(jìn)一步降低AIS天線附近的低頻干擾信號(hào)強(qiáng)度。天線布局如圖2所示。

4)整星EMC屏蔽處理

為了防止衛(wèi)星內(nèi)部低頻干擾信號(hào)的泄露，影響AIS的正常接收，需要嚴(yán)格衛(wèi)星的屏蔽設(shè)計(jì)。衛(wèi)星產(chǎn)生干擾泄漏的路徑，主要是電纜和孔縫，特別HY-1C/D衛(wèi)星由于載荷艙頂板處有大面積的光學(xué)載荷開口，對(duì)載荷艙電纜的泄露、平臺(tái)艙通過孔縫對(duì)載荷艙的泄露等需要重點(diǎn)關(guān)注。為此在設(shè)計(jì)和總裝過程中，分別針對(duì)整星30根載荷艙低頻電纜、28根平臺(tái)艙至載荷艙穿艙低頻電纜、11根星外低頻/高頻穿艙電纜進(jìn)行了包覆，對(duì)整星共23處孔縫進(jìn)行了封堵處理，并在初樣整星EMC試驗(yàn)中進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。

圖3為整星初樣EMC測(cè)試結(jié)果，其中綠色曲線為整星電纜部分包覆、封堵情況下的整星低頻電場(chǎng)強(qiáng)度，藍(lán)色曲線為整星電纜加嚴(yán)包覆、封堵情況下的整星低頻電場(chǎng)強(qiáng)度。從圖中可以看出在對(duì)整星電纜等進(jìn)行加嚴(yán)EMC處理后，衛(wèi)星低頻噪聲下降了約5 dB，且AIS頻段無超標(biāo)譜線。

圖3 整星初樣EMC底噪測(cè)試結(jié)果圖Fig.3 Bottom noise test result in proto-model satellite EMC test

同時(shí)在兩種狀態(tài)下對(duì)AIS接收機(jī)在整星EMC條件下的解調(diào)概率指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表4所示，可以看到經(jīng)過整星EMC加嚴(yán)處理，AIS接收機(jī)在靈敏度指標(biāo)下的正確解調(diào)概率可達(dá)到90%以上，表明了整星EMC處理的有效性。

按照衛(wèi)星初樣階段EMC試驗(yàn)結(jié)果，在衛(wèi)星正樣階段按照相關(guān)整星EMC控制措施對(duì)整星進(jìn)行了處理，整星低頻段底噪如圖4所示，AIS頻段無超標(biāo)譜線，同時(shí)整星條件下AIS接收機(jī)解調(diào)概率在靈敏度條件下能夠達(dá)到85%以上的指標(biāo)要求。

表4 衛(wèi)星噪聲譜密度匯總表

圖4 整星正樣EMC底噪測(cè)試結(jié)果圖Fig.4 Bottom noise test result in flight-model satellite EMC test

4 在軌應(yīng)用情況

2018年9月7日，HY-1C衛(wèi)星發(fā)射成功。AIS接收機(jī)開機(jī)后各項(xiàng)遙測(cè)功能正常，且能夠正常接收全球船舶AIS數(shù)據(jù)。AIS接收機(jī)雙機(jī)在軌24 h工作，根據(jù)在軌遙測(cè)統(tǒng)計(jì)，接收機(jī)A機(jī)平均每圈解調(diào)12 235條，接收機(jī)B機(jī)平均每圈解調(diào)10 944條。三周內(nèi)接收到的全球船只AIS信息如圖5所示,圖中每個(gè)綠點(diǎn)代表一艘船。

圖5 HY-1C衛(wèi)星三周內(nèi)收到的全球AIS船只信息Fig.5 Global ship AIS information received by HY-1C satellite within 3 weeks

同時(shí)用戶根據(jù)接收到的AIS信息進(jìn)行分類處理，對(duì)全球油輪、客輪、拖船等不同船只的航向、航跡等進(jìn)行了分類監(jiān)測(cè)，對(duì)南北極航道的船只的監(jiān)測(cè)，以及針對(duì)某重點(diǎn)船只的航跡的監(jiān)測(cè)等。目前HY-1C衛(wèi)星AIS載荷數(shù)據(jù)已經(jīng)納入了用戶業(yè)務(wù)化運(yùn)行體制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了星載AIS分系統(tǒng)及其在HY-1C/D衛(wèi)星上的應(yīng)用并分析了AIS接收機(jī)在衛(wèi)星復(fù)雜電磁環(huán)境下受到的低頻信號(hào)的干擾情況。提出重點(diǎn)單機(jī)電磁屏蔽、AIS天線方向圖優(yōu)化設(shè)計(jì)、AIS天線安裝位置調(diào)整、整星電磁屏蔽實(shí)施等方法；用以降低衛(wèi)星底噪并提升AIS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的入口功率，保證AIS在軌工作性能。地面試驗(yàn)結(jié)果和在軌接收的全球船舶信息證明了本文提出方法的有效性。目前衛(wèi)星AIS載荷的接收靈敏度、接收概率、幅寬等指標(biāo)均滿足用戶指標(biāo)要求，可為未來星載AIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制和應(yīng)用提供理論和工程上的參考。