懸空波導(dǎo)環(huán)境下AIS信號(hào)超視距傳播特性分析

趙慧 趙振維 王紅光 朱慶林 韓杰 林樂科 孫方 王倩南

（中國(guó)電波傳播研究所, 青島 266107）

0 引 言

大氣波導(dǎo)是對(duì)流層內(nèi)超短波、微波頻段無線電系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生超視距傳播的一種重要電波環(huán)境[1]。在大氣波導(dǎo)環(huán)境下，電波可被波導(dǎo)層捕獲，以較小的能量損耗傳播至遠(yuǎn)超視距之外的距離[2-5]。信息化系統(tǒng)和裝備利用電波這種超視距傳播特性可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)、通信、偵察等目的[5-10]。在海上大氣波導(dǎo)發(fā)生概率較高[11-12]，這種異常電波傳播會(huì)對(duì)岸-船、船-船之間的無線電系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響[13-15]。

自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)可自動(dòng)向附近船舶或岸臺(tái)廣播周期性信號(hào)，工作頻率約為162 MHz，發(fā)布的信息包括船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)、船舶航程數(shù)據(jù)以及與安全相關(guān)的短消息數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于船舶交通管理、通信、救助、海域捕撈等方面[16-18]。海上船載AIS信號(hào)輻射源分布廣泛，岸基AIS信號(hào)接收設(shè)備可接收這些數(shù)量眾多的輻射源信號(hào)，進(jìn)行解碼處理后獲得豐富的岸船鏈路傳播數(shù)據(jù)，為海上電波傳播研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

近年來，張利軍等[19]基于AIS試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用粒子群優(yōu)化算法初步實(shí)現(xiàn)了低空大氣波導(dǎo)的反演。Han等[20]基于AIS數(shù)據(jù)提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法反演低空大氣波導(dǎo)參數(shù)方法，并驗(yàn)證了反演方法的有效性?；贏IS數(shù)據(jù)開展大氣波導(dǎo)反演研究并進(jìn)一步推進(jìn)大氣波導(dǎo)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，使這種高時(shí)空分辨率的大氣波導(dǎo)反演監(jiān)測(cè)新技術(shù)處于不斷發(fā)展和完善之中。掌握不同類型的大氣波導(dǎo)環(huán)境下AIS信號(hào)傳播的超視距特性有助于提高大氣波導(dǎo)反演的準(zhǔn)確性。目前，懸空波導(dǎo)作為大氣波導(dǎo)的重要類型之一，定量分析其對(duì)AIS信號(hào)傳播的影響研究亟待進(jìn)一步深入開展。

基于拋物方程(parabolic equation, PE)的對(duì)流層電波傳播確定性方法是電波傳播預(yù)測(cè)的重要手段[21]。Leontovich和Fock[22]于1946年提出PE，Dockery等[23]首次將其用于求解對(duì)流層電波傳播問題，之后學(xué)者們[24-25]對(duì)PE法進(jìn)行了不斷改進(jìn)和完善。國(guó)內(nèi)康士峰[26]、郭凱凱[27]等利用PE模擬大氣波導(dǎo)環(huán)境中的電波傳播過程，研究了不同類型大氣波導(dǎo)對(duì)雷達(dá)等裝備的影響?；赑E的電波傳播確定性方法已發(fā)展得較為成熟，在復(fù)雜環(huán)境下的電波傳播應(yīng)用中取得了很好的效果。

本文基于探空數(shù)據(jù)構(gòu)建懸空波導(dǎo)個(gè)例模型，利用基于PE的對(duì)流層確定性電波傳播算法模擬AIS信號(hào)傳播，定量分析了不同高度和強(qiáng)度懸空波導(dǎo)對(duì)AIS信號(hào)的影響范圍，并給出了復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境下AIS信號(hào)超視距傳播特性。

1 理論方法

1.1 懸空波導(dǎo)

大氣波導(dǎo)是發(fā)生在對(duì)流層內(nèi)的一種超折射現(xiàn)象，具有一定水平擴(kuò)展性和垂直分布不均勻性。大氣修正折射率是描述大氣不均勻性的物理參數(shù)，其垂直梯度為負(fù)時(shí)的大氣層結(jié)為大氣波導(dǎo)。

大氣修正折射率

式中：P為大氣壓強(qiáng)，hPa；e為水汽的分壓，MPa；T為絕對(duì)溫度，K；h為海拔高度，m。其垂直梯度表達(dá)式為[4]

懸空波導(dǎo)是大氣波導(dǎo)的主要類型之一。當(dāng)大氣波導(dǎo)底高高于地表面時(shí)定義為懸空波導(dǎo) (或抬升波導(dǎo)) ，主要由平流、下沉、輻射冷卻等大氣狀態(tài)變化過程引起[4]。

懸空波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可由表征波導(dǎo)高度、厚度以及強(qiáng)度等的特征參數(shù)進(jìn)行描述，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中htop為波導(dǎo)頂高，hbottom為波導(dǎo)底高，hb為波導(dǎo)層底高，dh為波導(dǎo)厚度，?d為波導(dǎo)層厚度， ?M為波導(dǎo)強(qiáng)度。

圖1 懸空波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of elevated duct structure

1.2 超視距傳播

懸空波導(dǎo)對(duì)電磁波的影響頻段較寬，頻段范圍覆蓋VHF~Ka頻段 (30 MHz~40 GHz) 。AIS信號(hào)頻率162 MHz，當(dāng)發(fā)生懸空波導(dǎo)時(shí)，AIS信號(hào)可能發(fā)生傳播距離達(dá)數(shù)百千米的對(duì)流層超視距傳播現(xiàn)象。大氣波導(dǎo)傳播是電波發(fā)生超視距效應(yīng)的重要機(jī)制。

無線電系統(tǒng)中，視距為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的地平線距離，一般將大于視距的距離視作超視距。標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，視距可由收發(fā)天線離地高度近似得到。在AIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，本文將收發(fā)天線高度分別設(shè)置為10 m和25 m，由視距計(jì)算公式得視距約為34 km， AIS信號(hào)距離大于該值時(shí)為超視距傳播。

1.3 對(duì)流層電波傳播確定性方法

本文電波傳播數(shù)值模擬采用PE法，該方法將波動(dòng)方程近似為PE，進(jìn)而求解空間傳播場(chǎng)，適用于全波段，傳播方向在一定角度內(nèi)，可滿足復(fù)雜大氣環(huán)境和下墊面條件下的計(jì)算。

電波傳播前向PE表達(dá)式為[28]

式中：u(x,z)為場(chǎng)函數(shù)，x和z分別為波傳播方向和垂直方向；k為波數(shù)；修正折射指數(shù)m(x,z)=nexp(z/a)，n為大氣折射指數(shù)，a為地球半徑。

通過求解PE得到場(chǎng)u(x,z)，進(jìn)而得到傳播路徑損耗為

式中：x為傳播距離；λ為波長(zhǎng)。

對(duì)流層電波傳播確定性方法為首先由數(shù)值預(yù)報(bào)或者探空等方式獲取大氣修正折射率作為輸入的環(huán)境剖面，然后求解PE得到場(chǎng)值，最后利用場(chǎng)值計(jì)算傳播損耗。

2 懸空波導(dǎo)環(huán)境分析

2.1 懸空波導(dǎo)發(fā)生概率

本文統(tǒng)計(jì)了國(guó)家氣象局上海探空站(121.44°E，31.39°N) 2021-04-01—12-31期間每天08:00LT和20:00LT共計(jì)252天波導(dǎo)的發(fā)生情況。低空大氣波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1?？梢钥闯?，發(fā)生低空波導(dǎo)的概率為83%，發(fā)生懸空波導(dǎo)的概率為58%。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[29]，上海站發(fā)生懸空波導(dǎo)的頻次較高。

表1 上海站2021-04-01—12-31波導(dǎo)發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)Tab.1 Occurrence probability statistics of low atmospheric ducts at Shanghai Station 2021-04-01—12-31

2.2 懸空波導(dǎo)特征分析

本文基于探空數(shù)據(jù)診斷的懸空波導(dǎo)特征參數(shù)，分析懸空波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特征。表2為利用2021-10-03—04T08:00LT和20:00LT上海探空站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)診斷得到的懸空波導(dǎo)特征參數(shù)。

表2 基于上海站探空數(shù)據(jù)的懸空波導(dǎo)特征參數(shù)Tab.2 Parameters of elevated duct from sounding data at Shanghai Station

2021-10-03 —04T08:00LT和20:00LT探空實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2所示。可以看出，四個(gè)圖中均出現(xiàn)懸空波導(dǎo)，2021-10-03T08:00LT和10-04T20:00LT波導(dǎo)診斷結(jié)果均為單一的懸空波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，2021-10-03T20:00LT和10-04T08:00LT波導(dǎo)診斷結(jié)果為兩個(gè)相近的懸空波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖2 基于上海站探空數(shù)據(jù)診斷的懸空波導(dǎo)Fig.2 Elevated duct from sounding data diagnosis at Shanghai Station

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證分析

本文利用AIS信號(hào)觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)基于PE的確定性電波傳播模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)地點(diǎn)為上海（121.95°E，31.55°N）。通過中國(guó)電波傳播研究所自主研制的接收機(jī)接收海上船載AIS設(shè)備向外廣播的AIS消息，獲取岸船AIS鏈路的傳播數(shù)據(jù)。試驗(yàn)系統(tǒng)配置參數(shù)如表3所示。圖3為上海AIS信號(hào)接收示意圖。

圖3 AIS信號(hào)接收分布示意圖Fig.3 Schematic of AIS signal distribution

對(duì)試驗(yàn)獲取的AIS信號(hào)電平，利用下式得到實(shí)測(cè)傳播損耗：

式中：Lf為實(shí)測(cè)路徑傳播損耗，dB；Pt和Pr分別為發(fā)射功率和接收功率，dBm；Gt和Gr分別為發(fā)射增益和接收增益， dB；Ga為接收端天線放大器增益，dB；Lline為包括線纜損耗在內(nèi)的各項(xiàng)損耗之和，dB。AIS允許的最大傳播損耗為171 dB。

將2021-10-03T08:00LT上海站探空數(shù)據(jù)得到的大氣環(huán)境剖面作為輸入剖面，利用確定性電波傳播算法對(duì)AIS信號(hào)傳播過程進(jìn)行數(shù)值模擬。接收天線高度為25 m，AIS實(shí)測(cè)信號(hào)傳播損耗和模擬傳播損耗如圖4所示?？紤]到探空放球上升時(shí)間，AIS實(shí)測(cè)信號(hào)近似取2021-10-03T08:00—09:00LT的全方位數(shù)據(jù)。根據(jù)表2可知，10-03T08:00LT存在波導(dǎo)強(qiáng)度達(dá)50 M單位的強(qiáng)懸空波導(dǎo)，AIS接收站接收的最遠(yuǎn)距離約為760 km，其傳播損耗模擬曲線與AIS實(shí)測(cè)信號(hào)變化趨勢(shì)在250 km距離內(nèi)的一致性較好，驗(yàn)證了模擬算法的可靠性；隨接收距離增大，基于探空環(huán)境的PE模擬傳播損耗結(jié)果與AIS實(shí)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差，可能是由于大氣環(huán)境的水平不均勻性影響造成的。

圖4 上海站2021-10-03T08:00—09:00LT AIS實(shí)測(cè)和模擬傳播損耗對(duì)比Fig.4 Comparison of AIS measured and simulated propagation loss at Shanghai Station 2021-10-03T08:00—09:00LT

4 懸空波導(dǎo)超視距效應(yīng)

4.1 影響范圍

結(jié)合AIS接收性能影響程度（接收損耗應(yīng)小于AIS允許的最大損耗），通過定量分析懸空波導(dǎo)環(huán)境下傳播損耗相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下傳播損耗的差異，探討不同懸空波導(dǎo)環(huán)境對(duì)AIS信號(hào)傳播的影響范圍。

圖5為2021-10-03—04T08:00LT和20:00LT基于探空環(huán)境剖面與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的PE模擬傳播損耗差異分布。結(jié)合表2中探空診斷的懸空波導(dǎo)特征參數(shù)，從圖5(a)中可以看出，2021-10-03T08:00LT為波導(dǎo)高度較低但較厚較強(qiáng)的懸空波導(dǎo)傳播環(huán)境 (波導(dǎo)底高為7 m，波導(dǎo)厚度為641 m，波導(dǎo)強(qiáng)度為50 M單位) ，與標(biāo)準(zhǔn)大氣對(duì)比，傳播損耗相對(duì)變化最大可達(dá)33 dB，該懸空波導(dǎo)引起的AIS信號(hào)傳播損耗異常明顯，主要分布在波導(dǎo)層內(nèi)及其上方，影響距離可達(dá)900 km。

圖5 上海站懸空波導(dǎo)環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下的PE傳播損耗差異Fig.5 Difference of PE propagation loss between elevated duct and standard atmospheric environment at Shanghai station

圖5(b)中，2021-10-03T20:00LT為強(qiáng)度相近的雙層復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境 (上層波導(dǎo)強(qiáng)度為16 M單位，下層波導(dǎo)強(qiáng)度為19 M單位) ，波導(dǎo)較厚 (上層波導(dǎo)厚度為644 m，下層波導(dǎo)厚度為414 m) ，上層和下層波導(dǎo)底高分別為567 m和395 m，傳播損耗相對(duì)變化最大為17 dB，損耗異常主要分布在300 km距離以內(nèi)以及上空。

圖5(c)中，2021-10-04T08:00LT仍為雙層復(fù)合懸空波導(dǎo)，但下層波導(dǎo)強(qiáng)度較弱且厚度較薄 (強(qiáng)度為2 M單位，厚度為123 m) ，上層波導(dǎo)強(qiáng)度、厚度和波導(dǎo)底高與2021-10-03T20:00LT上層波導(dǎo)相近 (即強(qiáng)度為14 M單位，波導(dǎo)厚度為539 m，波導(dǎo)底高約為550 m) ，傳播損耗相對(duì)變化最大14 dB，損耗異常主要分布在280 km距離以內(nèi)。

圖5(d)中，2021-10-04T20:00LT為一個(gè)較高較厚較強(qiáng)的懸空波導(dǎo) (波導(dǎo)底高為784 m，強(qiáng)度為33 M單位，波導(dǎo)厚度為568 m) ，傳播損耗相對(duì)變化最大11 dB，損耗異常主要分布在300 km距離以內(nèi)，負(fù)異?？赡苁怯蛇x取的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境模型偏差引起的。

針對(duì)以上結(jié)果分析可知，這些懸空波導(dǎo)個(gè)例的波導(dǎo)厚度為500~650 m，均比較厚。位置低、強(qiáng)度大的懸空波導(dǎo)對(duì)AIS信號(hào)傳播具有明顯影響，影響距離遠(yuǎn)至900 km；底高在400~600 m高度范圍內(nèi)、中等強(qiáng)度 (約十幾M單位) 的懸空波導(dǎo)對(duì)AIS信號(hào)傳播的影響距離在300 km以內(nèi)；底高在700~800 m高度范圍內(nèi)的強(qiáng)懸空波導(dǎo)環(huán)境下，AIS信號(hào)傳播也會(huì)受到環(huán)境的影響，影響距離在300 km以內(nèi)。

4.2 復(fù)合懸空波導(dǎo)超視距傳播特性

為分析復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境對(duì)AIS信號(hào)傳播的影響，本文基于2021-10-03T20:00LT圖2(b)中雙層復(fù)合懸空波導(dǎo)模型，設(shè)置了三種懸空波導(dǎo)環(huán)境作對(duì)比，如圖6所示，分別為：1) 上懸空波導(dǎo)模型，取復(fù)合懸空波導(dǎo)模型的上層懸空波導(dǎo)層，如(a)中紅色虛線所示；2) 下懸空波導(dǎo)模型，取復(fù)合懸空波導(dǎo)模型的下層懸空波導(dǎo)層，如(b)中紅色虛線所示；3) 單一懸空波導(dǎo)模型，由復(fù)合懸空波導(dǎo)模型中兩層波導(dǎo)合并而成，如(c)中紅色虛線所示，黑色虛線表示雙層復(fù)合懸空波導(dǎo)模型。

圖6 懸空波導(dǎo)模型Fig.6 Elevated duct models

基于以上四種懸空波導(dǎo)環(huán)境模型，利用確定性電波傳播模型數(shù)值模擬AIS信號(hào)傳播，高度25 m時(shí)傳播損耗隨距離的變化如圖7所示?？梢钥闯觯壕嚯x在150 km范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)合懸空波導(dǎo)和下懸空波導(dǎo)環(huán)境下傳播損耗曲線變化較為一致；距離大于150 km時(shí)，復(fù)合懸空波導(dǎo)和上懸空波導(dǎo)環(huán)境下傳播損耗曲線變化一致性較好。表明下懸空波導(dǎo)層主要在近距離處起主導(dǎo)作用，上懸空波導(dǎo)層主要影響遠(yuǎn)距離處的AIS信號(hào)傳播。

圖7 不同懸空波導(dǎo)環(huán)境下AIS信號(hào)傳播損耗變化 (高度25 m)Fig.7 Variation of AIS signal propagation loss under different elevated duct environments (height at 25 m)

當(dāng)無法分辨兩個(gè)高度相近的懸空波導(dǎo)層而將其近似作為一個(gè)單一懸空波導(dǎo)層時(shí)（如6(c)所示），距離在80 km以內(nèi)時(shí)，其傳播損耗曲線與復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境下近似：距離為80~110 km時(shí)，與復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境下差異明顯，較接近上懸空波導(dǎo)環(huán)境下的傳播損耗；距離為110~150 km時(shí)，與復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境下傳播損耗曲線變化較為一致；距離超過160 km時(shí)，相對(duì)接近下懸空波導(dǎo)環(huán)境下的傳播損耗。整體上來看，單一懸空波導(dǎo)環(huán)境下傳播損耗曲線衰落深度較大，與復(fù)合懸空波導(dǎo)相比，兩者傳播損耗在遠(yuǎn)距離處存在較為明顯的差異。

圖8為單一懸空波導(dǎo)環(huán)境傳播損耗相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的變化分布。與圖5(b)對(duì)比可知，復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境引起的傳播損耗差異更明顯，表明復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境比單一懸空波導(dǎo)環(huán)境對(duì)AIS信號(hào)傳播的影響更大。

圖8 單一懸空波導(dǎo)環(huán)境下傳播損耗相對(duì)變化Fig.8 Relative variation of propagation loss in single elevated duct environment

5 結(jié) 論

本文基于探空數(shù)據(jù)獲得懸空波導(dǎo)個(gè)例特征，利用確定性電波算法探討了懸空波導(dǎo)環(huán)境下的AIS信號(hào)超視距傳播效應(yīng)。結(jié)果表明：1) 波導(dǎo)強(qiáng)度為50 M單位且底高約為7 m的懸空波導(dǎo)對(duì)AIS信號(hào)傳播影響較大，底高700 m以上但強(qiáng)度較大的懸空波導(dǎo)也會(huì)對(duì)AIS信號(hào)傳播產(chǎn)生影響；2) 通過對(duì)復(fù)合雙層懸空波導(dǎo)個(gè)例的分析發(fā)現(xiàn)下懸空波導(dǎo)層主要在近距離處起主導(dǎo)作用，上懸空波導(dǎo)層主要影響遠(yuǎn)距離處的AIS信號(hào)傳播；3) 復(fù)合懸空波導(dǎo)環(huán)境比單一懸空波導(dǎo)環(huán)境對(duì)AIS信號(hào)傳播的影響更大。

本文僅以單點(diǎn)環(huán)境為例，且分析個(gè)例有限，下一步將采用數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)開展大氣環(huán)境對(duì)AIS信號(hào)傳播的影響。以上結(jié)果可為大氣波導(dǎo)的監(jiān)測(cè)和反演提供重要支持，也可作為無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及裝備效應(yīng)評(píng)估的理論參考。