海洋二號C衛(wèi)星船舶自動識別系統(tǒng)優(yōu)化與應用

侯旭濤 李青松 何程 張弛 郝軼萌

(1 天津航天中為數(shù)據系統(tǒng)科技有限公司，天津 300000)(2 航天恒星科技有限公司，北京 100095)(3 中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)(4 國家衛(wèi)星海洋應用中心，北京 100081)

船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)是一種新型船舶防碰撞系統(tǒng)[1]，工作在160 MHz左右的VHF頻段，采用TDMA通信協(xié)議。岸基的AIS系統(tǒng)可實現(xiàn)近岸接收天線視距覆蓋區(qū)內船舶航行狀態(tài)實時監(jiān)視，但卻無法實現(xiàn)近遠海船舶航行狀態(tài)及突發(fā)事件報警監(jiān)視。為此，國際上提出了星地一體化AIS系統(tǒng)[2]，通過AIS載荷(SAT-AIS)大覆蓋特點解決岸基AIS系統(tǒng)監(jiān)視范圍受限問題，提供覆蓋全球的實時船舶運行狀態(tài)監(jiān)視，為航道管理、漁業(yè)管理、應急搶險、船舶追蹤等提供信息支撐。

國外對星載AIS研究較早[3]，并啟動了基于衛(wèi)星星座的AIS全球星基監(jiān)視系統(tǒng)建設[4-5]。隨著我國海洋經濟的發(fā)展及海洋戰(zhàn)略地位的提升，開展星地一體化AIS系統(tǒng)建設掌握自主可控的全球AIS數(shù)據獲取渠道意義重大，我國先后發(fā)射了搭載AIS載荷的“天拓”、“精致”、海洋一號C/D(HY-1C/D)[6]、海洋二號B等衛(wèi)星，但是這些衛(wèi)星由于平臺電磁干擾、覆蓋區(qū)內AIS信號碰撞嚴重等因素，在軌偵聽效能受到限制[7-8]。常規(guī)消除或降低衛(wèi)星平臺電子設備對AIS干擾問題處理方式包括：實施衛(wèi)星平臺電子設備電磁兼容設計與包裹屏蔽，整星電纜包裹，整星結構孔縫封堵屏蔽等。如HY-1C/D衛(wèi)星對新研單機的電磁兼容(EMC)指標加嚴，對整星69根電纜進行屏蔽包裹，對星體23處孔、縫進行了封堵[9]，工程實施代價較大、處理流程繁雜，且無法適應不同的衛(wèi)星平臺。

常規(guī)解決近海海域AIS信號接收效能下降問題處理方式為：提升解調算法性能降低解調信噪比要求，采用復雜度較高的處理算法估計碰撞信號特征，提升碰撞信號解調能力[10-15]等。經驗證，該處理方式對船舶密度較低的遠海區(qū)域AIS信號接收效能有較明顯提升作用，對船舶密度較大的近海海域AIS信號接收效能提升有限。

為保證海洋二號(HY-2C)衛(wèi)星AIS載荷在軌效能，本文對衛(wèi)星電子設備電磁干擾特點、船舶密度較大區(qū)域AIS信號碰撞特點進行了分析，實施了包含衛(wèi)星電子設備EMC控制、衛(wèi)星AIS頻段電磁干擾屏蔽、AIS載荷天線設計及基帶處理設計優(yōu)化的系統(tǒng)性優(yōu)化措施，提升AIS載荷對衛(wèi)星電磁環(huán)境適應能力，降低衛(wèi)星在AIS頻段電磁處理工程化代價，提升AIS載荷近海海域在軌偵聽效能。

1 HY-2C衛(wèi)星AIS載荷需要解決的問題

HY-2C衛(wèi)星要求AIS載荷靈敏度為-111 dBm且需突破中國近海海域信號接收屏障，主要性能要求見表1，AIS系統(tǒng)標準要求見表2。HY-2C衛(wèi)星運行在約970 km高度軌道，接收地面A/B類船舶發(fā)送的AIS報文，其信噪比較低，因此衛(wèi)星電子設備AIS頻段干擾、覆蓋區(qū)內AIS信號碰撞等極易導致AIS載荷出現(xiàn)誤捕獲、漏捕獲。

表1 HY-2C衛(wèi)星對AIS載荷主要要求Table 1 Main requirements for AIS onboard HY-2C satellite

表2 AIS標準要求Table 2 Requirement of AIS standardization

1)衛(wèi)星電磁干擾導致AIS載荷效能下降問題

AIS系統(tǒng)使用幀的概念，一幀為1 min，每分鐘劃分成2250個通信時隙。使用能量檢測方式來進行AIS信號到達判斷容易因衛(wèi)星電磁干擾導致信號誤捕獲，造成以信號捕獲時刻作為起始時間的通信時隙浪費。衛(wèi)星AIS頻段電磁干擾特點為單頻點或多頻點干擾，若不進行衛(wèi)星電磁環(huán)境優(yōu)化及AIS載荷抗衛(wèi)星電磁干擾適應性提升。HY-2C衛(wèi)星優(yōu)化前EMC試驗AIS保護頻段內,存在多個單頻點干擾強度超出5 dBμV/m電磁輻射強度限制，則AIS接收靈敏度將低于-108 dBm，無法滿足衛(wèi)星對AIS載荷靈敏度-111 dBm要求。

2)AIS信號碰撞導致AIS載荷效能下降

AIS通信體制為基于TDMA的自組織網絡(SOTDMA)協(xié)議，單個SOTDMA小區(qū)半徑約50 km，AIS載荷天線可同時覆蓋多個自組網小區(qū)(Cell)。如圖1所示。在船舶密度較大區(qū)域，不同Cell內船舶發(fā)射同時隙AIS報文將導致時隙碰撞，不同通信時隙、不同Cell內船舶發(fā)送AIS報文可能因傳輸延遲導致相鄰時隙碰撞。若AIS不具備時隙內沖突信號處理能力，則AIS效能將受到較大影響。

圖1 不同自組織區(qū)域信號同時到達碰撞示意圖Fig.1 Coverage of SAT-AIS antenna

2 AIS效能提升優(yōu)化設計

從衛(wèi)星總體設計上加強衛(wèi)星電子設備電磁兼容約束，對AIS頻段無意電場輻射發(fā)射下凹進行限制，同時要求AIS載荷提升對衛(wèi)星電磁干擾工況適應能力，共同保證AIS載荷對衛(wèi)星電磁環(huán)境適應性，確保AIS載荷效能。同時，研究分析了星載AIS近海海域接收效能提升可行性措施，實施了AIS天線設計優(yōu)化、AIS基帶處理算法優(yōu)化，有效提升星載AIS效能。

1)衛(wèi)星電子設備在AIS頻帶電磁輻射控制

衛(wèi)星總體設計增加對衛(wèi)星電子設備AIS頻段電磁輻射強約束，AIS頻段無意電場輻射發(fā)射下凹要求見表3。針對存在技術狀態(tài)變動的設備，研制過程進行強制電磁兼容要求，如散射計，研制過程中通過設計優(yōu)化對AIS頻段電磁輻射強度進行了有效控制。針對技術狀態(tài)較成熟設備，通過設備EMC試驗進行AIS工作頻段電磁泄露分析，針對EMC超差設備，通過試驗明確干擾消除/減弱處理措施，同時組織開展與AIS載荷聯(lián)試分析評估對AIS載荷影響，評估干擾影響可接受程度。

表3 海洋二號C衛(wèi)星AIS頻段無意電場輻射發(fā)射下凹要求Table 3 Emission concave requirements of unintentional electric field radiation in AIS frequency band of HY-2C satellite

2)整星EMC屏蔽處理

衛(wèi)星EMC試驗過程中，針對AIS頻帶內雜波較大設備，如高度計載荷，對雜波來源進行定位排查，通過重點干擾設備接插件屏蔽處理等措施有效降低了在AIS頻段電磁泄漏強度。同時，為降低衛(wèi)星低頻干擾泄露對AIS載荷影響，通過近場嗅探等方式，對衛(wèi)星電纜、孔縫等主要泄露點進行屏蔽、封堵。

實施EMC處理后的衛(wèi)星底噪測試結果見圖2，在AIS保護頻帶內底噪可控制在小于-8 dBμV/m，圖2中4個標識點分別為AIS正常工作狀態(tài)下4個頻點信號，衛(wèi)星電磁噪聲得到了有效控制。

3)AIS載荷天線優(yōu)化設計

提升AIS天線增益可提高AIS載荷接收船舶AIS信號信噪比從而降低AIS信號解調誤碼率。減小AIS天線對地覆蓋面積可有效降低AIS載荷因覆蓋范圍過大導致的AIS信號碰撞概率，同時，提升AIS天線覆蓋區(qū)對非覆蓋區(qū)增益梯度，可有效抑制非覆蓋區(qū)AIS信號對覆蓋區(qū)AIS信號接收干擾。

通過仿真分析，通過2副單極子天線一體設計實現(xiàn)了較好的∞字型對地波束覆蓋，減小了對地探測范圍、提升了覆蓋區(qū)AIS信號增益梯度。AIS天線設計如圖3所示，AIS天線RM星測試方向圖如圖4所示。

(1)滿足垂直衛(wèi)星運動方向對地方向20°<|θ|<50°覆蓋要求同時，減小了平行衛(wèi)星運動方向對地覆蓋面積，相比單個單極子天線等增益覆蓋面積減少40%，可有效緩解AIS信號碰撞影響。

(2)垂直衛(wèi)星運動方向20°<|θ|<50°；天線增益大于1.5 dBi，|θ|<20°或|θ|>50°方向增益較低且增益下降較快，有效增益梯度最大接近4 dB(圖4中不同曲線表示不同φ對應的增益曲線)，可有效抑制非覆蓋區(qū)AIS信號干擾。

圖4 AIS天線方向圖RM星162 MHz頻點測試2D方向圖Fig.4 2-D orientation map of AIS antenna on 162MHz for RM test

4)AIS載荷提升對衛(wèi)星電磁干擾適應性

AIS報文同步序列由24 bit交替的0、1組成，采用NRZI編碼，同步序列編碼后為00、11……序列，在實施輸入信號功率監(jiān)測同時，充分挖掘編碼后AIS數(shù)據4T、2T(T為單bit時長)周期特性，進行功率、4T周期、2T周期聯(lián)合判決，全部通過后判定AIS信號捕獲。因衛(wèi)星單頻點、多頻點電磁干擾不具備自相關性，可有效降低AIS載荷因衛(wèi)星平臺電磁干擾導致的誤捕獲概率。

AIS載荷抗衛(wèi)星電磁干擾單次信號捕獲流程如圖5，采樣數(shù)據依次通過功率判決、周期判決、半周期判決后，進入訓練序列起始位置判定與采樣數(shù)據輸出流程。

圖5 使用同步序列捕獲流程Fig.5 Flowchart of acquisition of training sequence

設單次信號捕獲搜索長度范圍為N，利用信號功率及同步序列進行信號達到判決過程如下。

(1)功率判決

判決方法如下：

(1)

(2)

SN>X×MN

(3)

式中：SN為連續(xù)Nbit長度序列的累加功率；MN為連續(xù)Nbit長度序列的最大功率點；X為判決閾值；xI為采樣信號實部；xQ為采樣信號虛部。

(2)4T周期判決

判決方法如下：

(4)

h4=g4,I2+g4,Q2

(5)

h4>Y×SN2

(6)

式中：g4為連續(xù)Nbit長度信號與延遲4T周期信號共軛相乘累加結果；h4為AIS信號在4T碼元間隔下第一相關信號能量，Y為其判決閾值；g4,I為4T周期抽樣信號實部；g4,Q為4T周期抽樣信號虛部。

(3)2T周期判決

判決方法如下：

(7)

h2=g2,I2+g2,Q2

(8)

(9)

式中：g2為連續(xù)Nbit長度信號與延遲2T周期信號共軛相乘累加結果，h2為AIS信號在2T碼元間隔下第一相關信號能量，Z為其判決閾值；g2,I為2T周期抽樣信號實部；g2,Q為2T周期抽樣信號虛部。

聯(lián)合判決相比單獨功率判決，AIS載荷抗衛(wèi)星電磁干擾性能提升優(yōu)于3 dB。

5)AIS載荷提升近海海域解調能力

在諸如中國東南海等船舶密度大的近海區(qū)域，船舶AIS信號碰撞嚴重，若同一個通信時隙內同時收到來自多個自組織區(qū)域的多條AIS信號，且某條信號功率較高，其它信號功率較低，則較高功率信號解調概率大于其它信號，因此，需具備高功率信號捕獲能力并優(yōu)先進行解調。

基于連續(xù)捕獲設計的AIS信號接收過程如圖6所示，設T0時刻自組織區(qū)域1報文1到達，T1時刻自組織區(qū)域2報文1到達，T2時刻自組織區(qū)域1報文2到達，T3時刻自組織區(qū)域3報文1到達。其中T1=T0+Δt1，T2=T1+Δt2，T3=T2+Δt3。P1為T0、T2時刻捕獲報文的功率；P2為T1時刻捕獲報文的功率；P3為T3時刻捕獲報文的功率。

圖6 AIS信號連續(xù)捕獲說明Fig.6 Flowchart of AIS signal continuous capture

AIS接收機連續(xù)捕獲處理過程如下：

(1)T0時刻捕獲功率為P1自組織區(qū)域1報文1，但由于與同時隙內功率為P3的自組織區(qū)域3報文1發(fā)生碰撞，則自組織區(qū)域1報文1無法解調。但當自組織區(qū)域3報文1功率高于自組織區(qū)域1報文1功率5 dB及以上，則可正常捕獲解調自組織區(qū)域3報文1。

(2)T2時刻捕獲功率為P1自組織區(qū)域1報文2，但該報文傳輸時長較短，同一時隙內T3時刻到達的功率為P2的自組織區(qū)域2報文1未與自組織區(qū)域1報文2發(fā)生碰撞，自組織區(qū)域1報文2可正常解調。同時，基于連續(xù)捕獲的接收機可正常解調自組織區(qū)域2報文1。

分析可知，當自組織區(qū)域3報文1功率高于自組織區(qū)域1報文1功率4 dB及以上時，基于連續(xù)捕獲接收機可捕獲、解調自組織區(qū)域3報文1、自組織區(qū)域1報文2、自組織區(qū)域2報文1。非連續(xù)捕獲接收機(時隙接收機)僅可捕獲、解調自組織區(qū)域1報文2、自組織區(qū)域2報文1。

3 驗證與應用

系統(tǒng)優(yōu)化后衛(wèi)星地面測試，AIS載荷接收靈敏度優(yōu)于-111 dBm，滿足衛(wèi)星對AIS載荷指標要求。干擾模擬測試，寬帶噪聲模式下，AIS信號信噪比大于5 dB，無誤捕獲發(fā)生。信號碰撞模式測試，碰撞信號功率低于有用信號功率5 dB時，有用信號解調概率大于85%。

2020年9月25日，HY-2C衛(wèi)星發(fā)射，AIS載荷日均接收全球船舶AIS報文23.5萬條，識別船舶數(shù)量2.1萬艘，全球船舶AIS位置報告日均接收海圖如圖7所示，每個點表示一艘船舶位置報文。其中，在中國近海、地中海、紅海、波斯灣、孟加拉灣及美洲近海、北歐等船舶密度較大地區(qū)，相比前期衛(wèi)星接收效能具有較大性能提升，如圖8、圖9所示。

圖7 AIS載荷24小時接收全球船舶位置海圖Fig.7 Global ships map acquired by AIS within one day

圖8 衛(wèi)星中國近海海域接收效能比對Fig.8 Comparison of satellite reception performance in China offshore

HY-2C衛(wèi)星AIS載荷可接收全球A、B類船舶位置報告、助航設備報告、船舶靜態(tài)和航行相關數(shù)據以及標準的搜救航空器位置報告等，用戶對接收到的AIS報文按船舶的移動通信業(yè)務標識碼(MMSI)、報文類別等進行分類處理，應用于船舶位置定位、航向及航跡追蹤等位置服務，應用于全球船舶密度及航運態(tài)勢分析評估，應用于船舶安全航行交通管理及緊急搜救支援，應用于針對重點船只的遙感類載荷聯(lián)合追蹤及觀測等。目前HY-2C衛(wèi)星AIS載荷數(shù)據已納入用戶業(yè)務化運行體制。

4 結束語

本文對HY-2C衛(wèi)星AIS載荷效能提升系統(tǒng)性優(yōu)化設計及應用情況進行了介紹，分析了目前AIS載荷因衛(wèi)星電子設備電磁干擾導致接收效能下降，和在船舶密度較大的近海區(qū)域無法接收AIS信號情況，提出了結合衛(wèi)星電子設備無意輻射控制優(yōu)化、整星屏蔽包裹處理、AIS載荷天線設計優(yōu)化、AIS載荷基帶處理算法優(yōu)化等系統(tǒng)優(yōu)化方法，以降低衛(wèi)星EMC處理實施代價，并提升AIS載荷綜合效能，AIS載荷抗衛(wèi)星電磁干擾能力提升優(yōu)于3 dB，衛(wèi)星在AIS工作保護頻段底噪下降10 dBμV/m。

衛(wèi)星入軌后，驗證了AIS載荷與衛(wèi)星電磁環(huán)境的兼容性，驗證了AIS載荷通過優(yōu)化天線設計減小對地覆蓋范圍，以及提高增益梯度對提升船舶密度較大區(qū)域監(jiān)視效能的適應性，驗證了連續(xù)捕獲設計對提升AIS碰撞信號解調的有效性，為后續(xù)AIS載荷系統(tǒng)設計及優(yōu)化提供了設計及工程上的參考。