天基VDES 載荷技術(shù)研究

楊樹樹，徐 寧，侯文棟，宋海偉，田 達(dá)，冀貞海

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程，航運(yùn)業(yè)蓬勃發(fā)展，在航海安全、航海自動(dòng)化、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋科學(xué)研究以及航海通信等領(lǐng)域?qū)Ω呖煽啃院Ｉ蠠o(wú)線通信的需求愈加強(qiáng)烈。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）是國(guó)際海事組織大力推廣的一種海事交通管制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)船岸間以及船舶之間的交管通信。隨著近年AIS 設(shè)備的廣泛應(yīng)用和航海自動(dòng)化、智能化的推進(jìn)，現(xiàn)有的AIS系統(tǒng)信道帶寬窄、信息傳輸可靠性低、通信距離有限等應(yīng)用瓶頸日益顯現(xiàn)［1］。

針對(duì)上述問題，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）和國(guó)際海事組織（IMO）分別從頻點(diǎn)、應(yīng)用和規(guī)則層面對(duì)現(xiàn)有AIS 系統(tǒng)進(jìn)行“升級(jí)”的可行性研究。2013年，IALA 首次提出下一代的海事通信系統(tǒng)——VDES 發(fā)展建議，作為AIS 的全面升級(jí)系統(tǒng)，VDES 將引入衛(wèi)星海事移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信距離拓展，有望解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的各方面問題［2］。相比于AIS 系統(tǒng)，VDES 系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)種類更加豐富，在原來(lái)廣播信道基礎(chǔ)上增加了特殊應(yīng)用報(bào)文（ASM）和寬帶甚高頻數(shù)據(jù)交換（VDE）的通信信道，三者共同配合來(lái)提高海事船舶通信的數(shù)據(jù)傳輸能力［3］。

VDES 是一項(xiàng)正在發(fā)展中的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都在積極參與和推動(dòng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定和系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)工作；開展天基VDES 載荷技術(shù)研究對(duì)保障海上航行安全、全球航海信息資源利用與共享、海上經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)服務(wù)等方面具有重要的意義。本文主要對(duì)天基VDES 載荷技術(shù)進(jìn)行研究，簡(jiǎn)要介紹了VDES 的系統(tǒng)主要特點(diǎn)，對(duì)衛(wèi)星環(huán)境下VDES 載荷面臨的特殊問題進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出了小衛(wèi)星VDES 載荷系統(tǒng)初步方案。

1 VDES 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

VDES 主要實(shí)現(xiàn)天基、地（岸）基、船舶3 大部分之間的信息傳輸與交換，極大地拓展了海事通信信息傳輸能力。VDES 采用了“天地?！币惑w化的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。其中，“天”指由衛(wèi)星空間段作為主要節(jié)點(diǎn)的天基網(wǎng)絡(luò)；“地”是指由地面基站、衛(wèi)星地面站、信息服務(wù)中心等節(jié)點(diǎn)組成的岸基網(wǎng)絡(luò)；“?！笔侵复昂透?biāo)等各類終端節(jié)點(diǎn)組成的海上網(wǎng)絡(luò)［4］。

在此系統(tǒng)架構(gòu)下，船舶可以廣播自身位置信息，并與在通信范圍內(nèi)的其他船舶交換數(shù)據(jù)信息。此外，船舶還可通過與附近的浮標(biāo)通信，獲取直接通聯(lián)范圍之外的船舶分布情況。當(dāng)船舶距陸地較遠(yuǎn)時(shí)，可以通過衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)與岸站之間或遠(yuǎn)距離船間的通信。

1.2 功能和頻率規(guī)劃

ITU 根據(jù)IALA 在2013年提出 發(fā)展VDES 建議的基礎(chǔ)上，于2015年10月正式發(fā)布了VDES 推薦標(biāo)準(zhǔn)ITU-R M.2092-0 建議書——《VHF 水上移動(dòng)頻段中VDES 的技術(shù)特性》，提出了如圖2 所示的VDES 系統(tǒng)功能和頻率使用規(guī)劃［5］。

圖2 VDES 系統(tǒng)功能和頻率使用規(guī)劃

VDES 劃分了18 個(gè)海上通信信道：2 個(gè)AIS信道、2 個(gè)ASM信道、12個(gè)VDE信道和2個(gè)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)AIS 信道。AIS 信道繼續(xù)承擔(dān)與航行安全相關(guān)的消息的傳輸；ASM 信道用于傳輸特殊應(yīng)用報(bào)文，諸如水紋、天氣和危險(xiǎn)貨物指示等；VDE 信道按照鏈路方向可分為上行鏈路和下行鏈路，其中每個(gè)方向鏈路又分為4 個(gè)25 kHz（可合并為100 kHz）的VDE1信道和2個(gè)25 kHz（可合并為50 kHz）的VDE2信道；衛(wèi)星監(jiān)測(cè)AIS 信道主要用于傳輸遠(yuǎn)距離的AIS 報(bào)文。

為了提高單位頻帶的通信傳輸速率并適應(yīng)不同業(yè)務(wù)特點(diǎn)，VDES 采用GMSK、QPSK、8PSK、16QAM等相結(jié)合的調(diào)制方式，在不顯著增加信道帶寬的情況下，實(shí)現(xiàn)了9.6～307.2 kbps 的通信速率，最高通信速率為AIS 系統(tǒng)的32 倍，可而滿足海上用戶的不同需求。

VDES 頻率使用和相關(guān)技術(shù)特性如表1 所示。

表1 VDES 頻率使用和技術(shù)特性

2 天基VDES 系統(tǒng)面臨的特殊問題

天基VDES 載荷主要實(shí)現(xiàn)地/海面AIS（包括遠(yuǎn)距離AIS）、ASM、VDE 上行信號(hào)接收以及VDE 下行信號(hào)發(fā)射。與地面VDES 系統(tǒng)處理不同，天基VDES 系統(tǒng)必須考慮同信道干擾、多普勒效應(yīng)、傳輸延時(shí)、極化旋轉(zhuǎn)、地面無(wú)線電干擾、發(fā)射干擾抑制等特殊問題。

2.1 同信道干擾

VDES 是一種采用TDMA 現(xiàn)代通訊技術(shù)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用UTC 時(shí)間同步，將每分鐘劃分為2 250 個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙為26.67 ms，不同船舶占據(jù)不同時(shí)隙進(jìn)行通信（TDMA），如圖3 所示。

圖3 VDES 系統(tǒng)的TDMA 數(shù)據(jù)幀時(shí)序關(guān)系

衛(wèi)星VDES 系統(tǒng)覆蓋范圍廣，通常包含多個(gè)TDMA 子網(wǎng)絡(luò)，來(lái)自不同子網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)信號(hào)有可能在同一時(shí)隙到達(dá)衛(wèi)星接收機(jī)，從而產(chǎn)生信號(hào)碰撞現(xiàn)象；船舶密度越高、衛(wèi)星接收天線波束越寬，發(fā)生碰撞的概率越高，這些時(shí)隙碰撞信號(hào)形成了同信道干擾，導(dǎo)致接收機(jī)解調(diào)時(shí)的幀錯(cuò)誤率大大增加，以致丟失船舶信息。

2.2 多普勒效應(yīng)

在VDES 的衛(wèi)星鏈路中，船舶與衛(wèi)星之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得衛(wèi)星接收信號(hào)產(chǎn)生較為顯著的多普勒頻移，從而給接收機(jī)帶來(lái)載頻同步問題。對(duì)于典型LEO 軌道，VDES 信號(hào)的多普勒頻偏在±4 kHz 以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地面接收的頻偏范圍，這意味著在衛(wèi)星接收VDES 信號(hào)必須具有較大的頻偏適應(yīng)能力。圖4 為典型LEO 軌道不同仰角時(shí)的頻偏曲線。

圖4 典型LEO 軌道多普勒效應(yīng)

2.3 傳輸延時(shí)

衛(wèi)星軌道高度決定了地面信號(hào)的傳輸距離，對(duì)一個(gè)600 km 軌道高度的LEO 而言，最小距離等于軌道高度，即最小距離為600 km，最大距離為衛(wèi)星與地球的切線方向，最大距離為2 830 km；傳輸距離決定了信號(hào)的傳輸延時(shí)，對(duì)于典型600 km 軌道高度的衛(wèi)星，VDES 信號(hào)的傳輸延時(shí)范圍為2～9.4 ms，如圖5 所示。與地面應(yīng)用相比，衛(wèi)星接收系統(tǒng)的突發(fā)捕獲窗時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。

圖5 傳輸延時(shí)

2.4 極化旋轉(zhuǎn)

由于VHF 頻段星地鏈路傳輸?shù)姆ɡ谛?yīng)顯著，法拉第旋轉(zhuǎn)角度與頻率的關(guān)系如表2 所示。地面VDES 系統(tǒng)發(fā)射線極化信號(hào)經(jīng)電離層傳播至衛(wèi)星接收天線，極化方向偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大的不確定性，因此難以實(shí)現(xiàn)極化匹配接收，衛(wèi)星接收系統(tǒng)的靈敏度設(shè)計(jì)必須考慮極化損耗。

表2 法拉第旋轉(zhuǎn)角度與頻率的關(guān)系

2.5 地面無(wú)線電干擾

VDES 信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星接收機(jī)時(shí)，容易受到地面VHF 頻段無(wú)線電的干擾，如海事移動(dòng)業(yè)務(wù)VHF 公用通信站、陸基移動(dòng)電臺(tái)等鄰近信道的大功率輻射的能量綜合疊加，要求衛(wèi)星接收系統(tǒng)具有更好的線性和頻率選擇性。

2.6 發(fā)射干擾抑制

衛(wèi)星VDES 系統(tǒng)的VDE 下行發(fā)射信道與AIS/ASM 上行接收信道相鄰，VDES 具體信道分配見表1。如果VDE 下行發(fā)射的帶外抑制不達(dá)標(biāo)，雜散電平不能得到有效控制，就容易造成接收通道的阻塞，使得AIS/ASM 接收通道不能正常工作，發(fā)射機(jī)鄰信道干擾抑制及雜散要求如表3 所示，因此衛(wèi)星VDES 系統(tǒng)必須考慮鄰近信道發(fā)射干擾抑制的問題。

3 天基VDES 載荷系統(tǒng)初步設(shè)想

小衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)有效載荷技術(shù)提出了較高的要求，在確保系統(tǒng)總體性能指標(biāo)的前提下，盡可能采用小型化、輕型化設(shè)計(jì)，提高電路設(shè)備集成度以及模塊的復(fù)用性，減小有效載荷的體積、質(zhì)量，以滿足平臺(tái)的需要。

針對(duì)天基VDES 系統(tǒng)面臨的特殊問題以及載荷輕小型的設(shè)計(jì)要求，載荷樣機(jī)采用軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)思路，采用射頻直接帶通采樣方案，減少變頻環(huán)節(jié)及由此帶來(lái)的非線性效應(yīng)，降低射頻前端復(fù)雜度，進(jìn)而降低載荷的體積、質(zhì)量。天基VDES 載荷組成如圖6 所示，主要包括AIS/ASM 寬波束接收天線、VDE 高增益收/發(fā)天線、射頻前端、多功能VDES 收/發(fā)處理單元。

圖6 天基VDES 載荷組成

3.1 天線

為了保證AIS/ASM 上行接收與VDE 通信同時(shí)工作，載荷采用2 副天線。AIS/ASM 天線采用常規(guī)的鞭狀天線，VDE 天線采用圓極化八木天線。VDE 天線指向地球切線方向，如圖7 所示，可實(shí)現(xiàn)低仰角覆蓋，同時(shí)降低了對(duì)星上發(fā)射功率的需求。

圖7 VDE 收/發(fā)天線指向

3.2 射頻前端

射頻前端提供2 路的接收通道以及1 路發(fā)射通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)上行接收信號(hào)的濾波、放大等調(diào)理，以及對(duì)下行發(fā)射信號(hào)的濾波、功率放大。射頻前端設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)噪聲系數(shù)、收發(fā)通道隔離度、帶外干擾信號(hào)抑制、電路的小型化設(shè)計(jì)等方面。

3.3 多功能VDES 收/發(fā)處理單元

多功能VDES 收/發(fā)處理單元采用一體化設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)AIS、ASM，VDE 上行信號(hào)的接收處理，以及實(shí)現(xiàn)VDE 下行發(fā)射信號(hào)的信道編碼、基帶調(diào)制；并且能夠根據(jù)具體任務(wù)需求在軌重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)算法軟件的在軌升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)涉?；顒?dòng)將更加頻繁，對(duì)海上安全通信及信息保障的需求將越來(lái)越旺盛，研究天基VDES 載荷技術(shù)對(duì)發(fā)展新型衛(wèi)星偵察裝備、全面提升空間信息獲取能力具有重要意義。本文對(duì)天基VDES 系統(tǒng)面臨的特殊問題進(jìn)行分析，對(duì)天基VDES 載荷進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。相信隨著技術(shù)不斷發(fā)展、研究工作不斷深入，VDES 監(jiān)視衛(wèi)星應(yīng)用裝備的建設(shè)水平必將大幅提高?！?/p>