海洋衛(wèi)星AIS載荷設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

侯旭濤,李青松,張佳培,何 程,任 文,張 弛

(1.天津航天中為數(shù)據(jù)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(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

0 引言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)是一種船舶防碰撞系統(tǒng)[1]。國(guó)際上提出了星地一體化AIS系統(tǒng)[2]，將衛(wèi)星AIS系統(tǒng)與岸基AIS系統(tǒng)進(jìn)行融合，提供覆蓋全球的實(shí)時(shí)船舶運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，為航道管理、漁業(yè)管理、應(yīng)急搶險(xiǎn)、船舶追蹤等提供信息支撐。國(guó)外對(duì)衛(wèi)星AIS系統(tǒng)研究較早，挪威、德國(guó)、加拿大等國(guó)家都曾發(fā)射搭載AIS載荷的衛(wèi)星或小型星座，驗(yàn)證了衛(wèi)星AIS系統(tǒng)的可行性[3]，部分國(guó)家實(shí)施了基于衛(wèi)星星座的AIS全球星基監(jiān)視系統(tǒng)建設(shè)，如ExactEarth、Orbcomm等已實(shí)現(xiàn)全球AIS商業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)運(yùn)營(yíng)[4-5]。我國(guó)岸基AIS系統(tǒng)較為完善，近年來(lái)國(guó)內(nèi)啟動(dòng)了衛(wèi)星AIS系統(tǒng)研究及技術(shù)試驗(yàn)，天拓一號(hào)衛(wèi)星于2012年5月發(fā)射并繪制完成我國(guó)第一張全球船舶AIS海圖，海洋一號(hào)C/D、海洋2B等衛(wèi)星均配備了AIS載荷并在軌運(yùn)行[6]。

AIS采用自組網(wǎng)TDMA體制，由于衛(wèi)星AIS覆蓋幅寬大，導(dǎo)致AIS信號(hào)碰撞嚴(yán)重，在中國(guó)東南近海船舶密度較大的海域，衛(wèi)星AIS無(wú)法接收船舶AIS信號(hào)[7]。

AIS工作在160 MHz左右VHF頻段，多數(shù)衛(wèi)星平臺(tái)研制過(guò)程對(duì)AIS頻段EMC特性研究及控制不足導(dǎo)致衛(wèi)星在該頻段電磁環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)處理方式為衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備優(yōu)化降低AIS頻段電磁輻射或?qū)πl(wèi)星泄露點(diǎn)進(jìn)行包裹封堵處理等，如海洋一號(hào)C/D衛(wèi)星對(duì)新研類(lèi)單機(jī)進(jìn)行EMC加嚴(yán)，對(duì)整星電纜進(jìn)行屏蔽包裹，對(duì)星體多處孔、縫進(jìn)行封堵[8]，工程實(shí)施代價(jià)較大。

因此，用戶及衛(wèi)星總體提出了海洋二號(hào)C衛(wèi)星AIS提升對(duì)衛(wèi)星電磁環(huán)境適應(yīng)性及突破中國(guó)近海海域衛(wèi)星AIS接收屏障的要求，降低衛(wèi)星實(shí)施AIS頻段電磁環(huán)境凈化代價(jià)，提升AIS系統(tǒng)應(yīng)用效能。

1 效能提升方法分析

分析星基AIS監(jiān)視效能提升方法[9-14]，考慮各方法的適用性、可行性、經(jīng)濟(jì)性，從AIS載荷設(shè)計(jì)入手，綜合使用“陣列天線設(shè)計(jì)、抗衛(wèi)星電磁干擾設(shè)計(jì)、低信噪比解調(diào)設(shè)計(jì)”方法，提升AIS載荷效能,具體方法及實(shí)施途徑如表1所列。

表1 星基AIS監(jiān)視效能提升方法分析

2 優(yōu)化措施

2.1 天線設(shè)計(jì)

通過(guò)雙單極子天線組陣，并結(jié)合星體布局形成對(duì)地高增益∞形窄波束覆蓋，達(dá)到減小AIS天線對(duì)地覆蓋面積目的。相比使用單個(gè)單極子天線，使用組陣天線對(duì)地同等增益覆蓋區(qū)面積減小20%，有效降低覆蓋區(qū)內(nèi)船舶數(shù)量、降低AIS信號(hào)碰撞概率。

雙單極子組陣天線RM星方向圖測(cè)試如圖1所示：

1)滿足垂直衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向?qū)Φ?0°<|θ|<50°覆蓋要求同時(shí)，減小平行衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向?qū)Φ馗采w面積，有效減小天線對(duì)地覆蓋面積。

2)垂直衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)20°<|θ|<50°方向天線增益大于1.5 dBi，|θ|<20°或|θ|>50°方向增益下降較快，形成高增益梯度，有效降低低增益覆蓋區(qū)信號(hào)碰撞影響。

圖1 AIS天線RM星測(cè)試方向圖Fig.1 Orientation of AIS antenna for RM test

2.2 基帶處理設(shè)計(jì)

AIS基帶處理算法主要由AD采樣、信號(hào)捕獲、幀頭定位、頻偏估計(jì)與補(bǔ)償、解調(diào)等主要功能模塊構(gòu)成，基帶信號(hào)處理流程如圖2所示。

圖2 AIS基帶處理流程Fig.2 AIS baseband processing flow

主要模塊功能：

1)信號(hào)捕獲模塊：AIS信號(hào)捕獲，具備較好的低信噪比信號(hào)捕獲能力，降低因衛(wèi)星AIS頻段電磁干擾導(dǎo)致的AIS信號(hào)錯(cuò)捕、漏捕概率。

2)幀頭定位模塊：AIS信號(hào)幀頭定位，具備高低功率信號(hào)碰撞模式下高功率信號(hào)幀頭篩選定位能力。

3)頻偏估計(jì)補(bǔ)償模塊：AIS信號(hào)頻偏估計(jì)與補(bǔ)償，具備低信噪比信號(hào)頻偏準(zhǔn)確估計(jì)能力，確保相干解調(diào)算法性能。

2.2.1 抗電磁干擾捕獲設(shè)計(jì)

AIS傳輸報(bào)文格式如圖3所示。

圖3 AIS報(bào)文格式Fig.3 Format of AIS packet

考慮同步序列由24 bit交替的0、1組成，起始標(biāo)志為固定0x7E。AIS信號(hào)采用NRZI編碼，同步序列編碼后為00、11序列，在實(shí)施輸入信號(hào)功率監(jiān)測(cè)同時(shí)，充分挖掘編碼后AIS同步序列4T、2T(T為單bit時(shí)長(zhǎng))周期特性，通過(guò)功率、4T周期、2T周期聯(lián)合判決后判定AIS信號(hào)捕獲。因衛(wèi)星電磁干擾形態(tài)為單頻點(diǎn)、多頻點(diǎn)隨機(jī)性干擾，不具備自相關(guān)性，利用相關(guān)判決可有效降低衛(wèi)星電磁干擾影響。

1)功率判決

判決方法如下：

(1)

(2)

SN>X×Mdp

(3)

式中：SN為連續(xù)Nbit長(zhǎng)度序列的累加功率，Mdp為連續(xù)Nbit長(zhǎng)度序列的最大功率點(diǎn)，X為判決閾值。

2)4T周期判決

判決方法如下：

(4)

(5)

(6)

式中：g4為連續(xù)Nbit長(zhǎng)度信號(hào)與延遲4T周期信號(hào)共軛相乘累加結(jié)果，h4為AIS信號(hào)在4T碼元間隔下第一相關(guān)信號(hào)能量，Y為判決閾值。

3)半周期判決

判決方法如下：

(7)

(8)

(9)

式中：g2為連續(xù)Nbit長(zhǎng)度信號(hào)與延遲2T周期信號(hào)共軛相乘累加結(jié)果，h2為AIS信號(hào)在2T碼元間隔下第一相關(guān)信號(hào)能量，Z為判決閾值。

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

圖4為信號(hào)Eb/N0為4 dB時(shí)捕獲仿真結(jié)果，可有效判別AIS信號(hào)達(dá)到。

圖4 AIS信號(hào)捕獲仿真Fig.4 Simulation of AIS signal capture

2.2.2 低信噪比解調(diào)設(shè)計(jì)

按照AIS天線增益1.5 dBi、靈敏度為-111 dBm@85%計(jì)算，衛(wèi)星在AIS工作頻段電磁輻射強(qiáng)度不大于5 dBuV/m，則衛(wèi)星AIS接收信號(hào)Eb/N0最低低于10 dB，常用相干解調(diào)、差分解調(diào)算法對(duì)Eb/N0要求不低于12 dB、15 dB，無(wú)法滿足解調(diào)靈敏度要求。傳統(tǒng)GMSK信號(hào)適用Viterbi解調(diào)又因算法較復(fù)雜，工程化實(shí)施對(duì)基帶處理資源要求較高。

綜合考慮信號(hào)解調(diào)算法對(duì)信噪比需求、算法性能與基帶處理器資源，采用改進(jìn)的簡(jiǎn)化相干Viterbi解調(diào)算法，算法架構(gòu)，如圖5所示。該算法可實(shí)現(xiàn)Eb/N0為5 dB時(shí)解包率優(yōu)于85%，如圖6所示。

圖5 Viterbi算法架構(gòu)Fig.5 Architecture of Viterbi algorithm

圖6 解調(diào)靈敏度分析Fig.6 Analysis of modulation sensitivity

3 在軌驗(yàn)證

2020年9月25日，海洋二號(hào)C衛(wèi)星發(fā)射，AIS載荷在軌日均接收AIS報(bào)文大于20萬(wàn)條，識(shí)別船舶數(shù)量2.1萬(wàn)艘，全球船舶AIS位置報(bào)告日接收海圖如圖7所示，其中，在中國(guó)近海、地中海、紅海、波斯灣、北歐等船舶密度較大地區(qū)，具有一定解調(diào)能力。

圖7 海洋二號(hào)C衛(wèi)星AIS載荷24小時(shí)接收全球船舶位置海圖Fig.7 Global ships position by AIS with 24 hours for HY-2C satellite

圖8 中國(guó)近海海域接收效能比對(duì)Fig.8 Comparison of reception performance in China offshore

圖9 紅海、地中海近海海域接收比對(duì)Fig.9 Comparison of reception performance in Red Sea, Med

4 結(jié)論

海洋二號(hào)C衛(wèi)星AIS載荷使用了陣列天線、抗衛(wèi)星電磁干擾、低信噪比解調(diào)為主的綜合性設(shè)計(jì)，同時(shí)衛(wèi)星層面采取了針對(duì)性的電磁干擾控制措施。經(jīng)衛(wèi)星地面測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)AIS載荷Eb/N0大于4 dB時(shí)無(wú)誤捕獲，Eb/N0為5 dB時(shí)解包率優(yōu)于85%。經(jīng)在軌驗(yàn)證，AIS載荷可適應(yīng)衛(wèi)星各工況電磁環(huán)境，突破了無(wú)法接收近海近岸海域AIS報(bào)文限制，為后續(xù)衛(wèi)星AIS載荷設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了較好的參考意義。