一種基于AIS的大氣波導(dǎo)實時探測方法

劉伯棟 麻曰亮 董政 張耀春

摘 要：????? 在海域進(jìn)行大氣波導(dǎo)傳輸特性試驗的過程中， 發(fā)現(xiàn)是否能夠通過船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System， AIS）探測到超視距船舶與大氣波導(dǎo)強弱具有很大相關(guān)性， 據(jù)此本文提出一種基于AIS的大氣波導(dǎo)實時探測方法。 該方法能夠?qū)崟r探測超視距兩點間是否存在大氣波導(dǎo)， 有效地彌補了當(dāng)前大氣波導(dǎo)探測方法僅能對當(dāng)前區(qū)域進(jìn)行探測的缺陷， 并給出了基于AIS的大氣波導(dǎo)傳輸損耗計算方法， 以及一種大氣波導(dǎo)探測結(jié)果的可視化方法。

關(guān)鍵詞：???? 大氣波導(dǎo)； 船舶自動識別系統(tǒng)； 超視距； 傳輸損耗； 可視化

中圖分類號：??? ??TJ760

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：??? A

文章編號：??? ?1673-5048（2024）01-0128-05

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0177

0 引? 言

大氣波導(dǎo)是特定氣象條件下對流層中形成的類似于波導(dǎo)管的特殊氣層結(jié)構(gòu)， 電磁波在其內(nèi)部來回反射向前傳播的方式稱為大氣波導(dǎo)傳播。 由于電磁波在大氣波導(dǎo)中傳播衰減相較于標(biāo)準(zhǔn)大氣中要小得多， 并且大氣波導(dǎo)可使電磁波沿著地球曲率方向傳播， 因此大氣波導(dǎo)極大地增加了電磁波的有效作用距離， 達(dá)到“超視距”傳播的效果［1-4］。

隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展， 海上偵察、 海洋運輸、 海上救援等海上作業(yè)越來越依賴于海上電磁環(huán)境。 大氣波導(dǎo)作為電磁環(huán)境的重要組成部分， 也就難以避免地會影響到上述海上作業(yè)的進(jìn)行， 因此開展大氣波導(dǎo)探測技術(shù)研究十分有必要。 現(xiàn)有的大氣波導(dǎo)探測方法［5-11］主要有兩類： 遙感探測法和接觸探測法。 遙感探測法利用氣象衛(wèi)星、 雷達(dá)、 GNSS、 微波輻射儀、 激光雷達(dá)等設(shè)備來遙感大氣波導(dǎo)， 此類方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速反演探測， 人力物力耗費小， 但一般精度較低； 接觸探測法利用高精度氣象傳感器直接測量大氣的溫、 濕、 壓和折射率等參數(shù)輪廓線， 或利用高精度氣象水文儀器測量大氣的溫、 濕、 壓、 風(fēng)速風(fēng)向和海溫參數(shù)， 代入一定模型， 從而判斷是否存在大氣波導(dǎo)， 此類方法探測時間較長， 且只能探測當(dāng)前探測區(qū)域是否存在大氣波導(dǎo)， 無法確定兩點間（超視距）是否存在連續(xù)的大氣波導(dǎo)。 本文提出一種基于船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System， AIS）的VHF頻段大氣波導(dǎo)實時探測技術(shù)， 該方法能夠在一定程度上彌補現(xiàn)有方法的不足。

1 基于AIS的大氣波導(dǎo)探測方法

1.1 船舶自動識別系統(tǒng)

船舶自動識別系統(tǒng)［12-13］是一種用于船-船、 船-岸、 岸-船通信、 維護(hù)海事安全的助航系統(tǒng)， 由主控單元、 GPS模塊、 VHF通信模塊和船舶設(shè)備接口等部分組成。 AIS不斷將船舶名稱、 船舶MMSI碼、 船舶尺寸、 船舶類型、 航行狀態(tài)、 轉(zhuǎn)向率、 航速、 航線設(shè)計、 危險貨物類型以及潮汐、 事故、 天氣預(yù)報等進(jìn)行廣播， 同時接收其他船舶AIS信號以及岸上基站播發(fā)的如天氣、 航行通告等信息， 這樣船舶和岸上基站都能夠及時掌握附近海情， 有效保障船舶航行安全。 AIS設(shè)備分A類設(shè)備和B類設(shè)備， 采用雙頻點TDMA制式， 頻點為161.975 MHz和162.025 MHz， A類設(shè)備發(fā)射功率12.5 W， B類設(shè)備發(fā)射功率2 W。

1.2 基于AIS的大氣波導(dǎo)探測方法

選取測試點A， 在該點布設(shè)AIS接收機用于接收附近海域船舶播發(fā)的AIS信號。 電磁波視距傳輸極限如下：

式中： A點海拔高度H1為400 m； 船舶天線高度H2約為10 m， 由式（1）可計算得到AIS信號視距傳輸距離Rmax為95 km。 圖1為不同時段測試點A接收到船舶信息情況。

圖1中， 三角形表示船舶， 紅色圓圈標(biāo)記的三角形表示與測試點A距離＞95 km的船舶， 即超視距船舶。 由于該海域船舶數(shù)量龐大且分布較為密集， 所以可以初步確定大氣波導(dǎo)較強時， 超視距船舶AIS信號可以通過大氣波導(dǎo)傳輸至測試點A； 大氣波導(dǎo)較弱時， 測試點A只能接收到視距范圍內(nèi)的船舶信號。

為進(jìn)一步排除圖1（b）中沒有接收到超視距船舶信號是因為海面上本身就沒有船舶的可能性， 在海域選取點B， 點B與測試點A距離約為300 km， 在點B布設(shè)超短波電臺， 在測試點A布設(shè)信號監(jiān)測設(shè)備。 當(dāng)測試點A處的AIS接收機顯示點B附近有船舶時， 監(jiān)測到點B的電臺信號電平值較高； 反之， 電平值也相應(yīng)較低或監(jiān)測不到信號。

通過上述試驗可得出結(jié)論， 海上超視距船舶AIS信號能否成功接收， 與海上大氣波導(dǎo)強弱具有較大的相關(guān)性。 據(jù)此， 本文提出基于AIS的大氣波導(dǎo)探測方法， 圖2為該方法的示意圖， AIS接收機從AIS信號中解析出船舶坐標(biāo)、 信號幅度、 AIS設(shè)備類型等信息， 進(jìn)而得到距離、 發(fā)射功率等信息， 利用這些信息計算大氣波導(dǎo)傳輸損耗， 最后將大氣波導(dǎo)探測結(jié)果在海圖上顯示。

2 大氣波導(dǎo)傳輸損耗計算方法

2.1 基于拋物方程的大氣波導(dǎo)傳輸損耗計算方法

無線電波在自由空間中傳播是電波傳播研究中最基本、 最簡單的一種， 是一種理想化的電磁波傳播方式。 電磁波在自由空間中傳播其能量不會因反射、 折射、 繞射、 吸收和散射等作用損耗， 但電磁波在傳播過程中會因向空間擴散而損耗， 這種損耗成為電磁波的自由空間傳輸損耗， 且距離越遠(yuǎn)， 損耗越大。 理想的無線傳輸條件是不存在的， 一般認(rèn)為傳播路徑上無障礙物阻擋， 到達(dá)接收天線的地面反射信號場強忽略不計， 這種情況下就認(rèn)為電磁波是在自由空間傳播。 而傳輸媒質(zhì)以及障礙物等對電波的吸收、 散射、 繞射和反射產(chǎn)生的損耗稱為媒質(zhì)傳輸損耗。

電磁波的大氣波導(dǎo)傳播理論主要有幾何光學(xué)理論、 波導(dǎo)模理論、 拋物線方程［14］等。 在求解麥克斯韋方程時， 使用球坐標(biāo)系考察點源的電磁波的球形擴散行為就得到了拋物線方程， 在該方程中假定大氣折射率沿方位向?qū)ΨQ分布且緩慢變化。 只要知道上部邊界條件和地面邊界條件， 就可以求解該方程， 計算相對比較容易， 很好解決了大氣折射率水平不均勻的問題。 因此該方法成為目前最具優(yōu)勢和應(yīng)用最廣泛的大氣波導(dǎo)傳播算法。 下面給出基于拋物方程的電磁波在大氣波導(dǎo)中傳輸損耗的求解方法。

設(shè)電磁波在大氣波導(dǎo)中傳輸損耗為Lb， 則

Lb=32.45+20lgf+20lgd－A（2）

式中： f為電磁波頻率； d為傳播距離； A為衰減因子。

式中： x和z分別為電磁波傳播的水平距離和接收天線高度； u（x， z）為水平距離x、 高度z處的場強。 在采用拋物方程求解u（x， z）時， 需給定初始場及上下邊界條件。 在工程應(yīng)用中， 難以獲取初始場的上下邊界， 直接求解式（3）比較困難。

用于電磁波傳播效應(yīng)的預(yù)測和評估的工程師折射效應(yīng)預(yù)報系統(tǒng)（Engineers Refractive Effects Prediction System， EREPS）中， 使用依據(jù)實驗數(shù)據(jù)而得到基于式（2）的經(jīng)驗公式［16］， 計算電磁波在大氣波導(dǎo)內(nèi)的傳輸損耗：

L=32.45+20lgf+20lgd－F（z， D）－20lg（α）（4）

式中： f為電磁波的頻率； F為接受天線高度z和波導(dǎo)高度D有關(guān)的增益函數(shù)； d為電磁波傳播距離； α為天線方向性因子， 不同天線具有不同的方向性因子， 其中， 全向天線方向性因子α=1。 不同頻率范圍F計算方法不同， 見表 1。

2.2 基于AIS的大氣波導(dǎo)傳輸損耗計算方法

圖3為AIS信號發(fā)射與接收解調(diào)過程示意圖。 圖3中， Ps為AIS發(fā)射機的發(fā)射功率， Gs為發(fā)射天線增益， LbAIS為AIS信號經(jīng)大氣波導(dǎo)的傳輸損耗， Gr為接收天線增益， GA為接收放大器增益， Pr為接收信號功率， 可得AIS信號的大氣波導(dǎo)傳輸損耗：

LbAIS=Ps+Gs+Gr+GA－Pr（5）

式中： 發(fā)射天線增益Gs、 接收天線增益Gr、 接收放大器增益GA均已知; 發(fā)射功率Ps可通過解析接收到的AIS信號可以識別發(fā)射設(shè)備類型是A類還是B類來確定； 接收信號功率Pr為

式中： Vin為AIS解調(diào)處理模塊的AD模擬輸入電壓， 可根據(jù)AIS解調(diào)處理模塊AD輸出的數(shù)字信號幅度Ar計算得到； Rin為輸入阻抗， 一般為50 Ω。

AIS發(fā)射天線采用全向天線， 由式（4）可知， AIS信號的大氣波導(dǎo)傳輸損耗LbAIS為

LbAIS=32.45+20lgfAIS+20lgd－F（7）

式中： LbAIS可通過式（5）求解； fAIS為AIS信號頻率約為162 MHz； 接收天線高度z已知， 因此， 波導(dǎo)高度D可通過增益函數(shù)F（z， D）進(jìn)行求解。

通過AIS傳輸損耗計算得到波導(dǎo)高度D后， 可以通過式（4）計算不同頻率信號的大氣波導(dǎo)傳輸特性。

3 仿真及實測結(jié)果對比分析

對基于EREPS的大氣波導(dǎo)傳輸損耗計算方法進(jìn)行仿真， 假設(shè)電磁波頻率為300 MHz， 電磁波傳播距離為0～500 km， 波導(dǎo)高度為0～400 m， 接收天線高度為400 m， 仿真結(jié)果如圖4所示。

進(jìn)行大氣波導(dǎo)傳輸損耗測試， 測試點為A點， 布設(shè)AIS接收機和超短波信號監(jiān)測設(shè)備， 接收天線增益為10 dB， 在附近海域選取B、 C、 D三點（距離A點距離分別為327 km、 368 km和412 km）布設(shè)功率為50 W的超短波電臺， 發(fā)射天線增益為12 dB， 超短波電臺通信頻率為300 MHz， 在測試海域有超視距船只的情況下開展測試， 通過超視距船只的AIS信號傳輸損耗計算波導(dǎo)高度， 計算300 MHz電磁波的傳輸損耗。 計算結(jié)果與實測結(jié)果對比見表2。

4 大氣波導(dǎo)探測結(jié)果可視化方法

為能更直觀地顯示大氣波導(dǎo)探測結(jié)果， 根據(jù)超視距AIS信號估算附近海域的大氣波導(dǎo)強弱， 本文提出了一種大氣波導(dǎo)探測結(jié)果可視化方法。 該方法通過解析接收到的超視距AIS信號， 得到超視距船舶位置、 設(shè)備類型和接收信號幅度等信息。 以探測到的超視距船舶位置為大氣波導(dǎo)最強點， 假定距離最強點超過150 km時損耗為無窮大， 利用式（7）計算出最強點附近各個位置的大氣波導(dǎo)傳輸損耗， 并繪制等功率線， 通過不同的顏色表示大氣波導(dǎo)的強弱。 可視化顯示可以較為直觀地附近海域大氣波導(dǎo)的存在性以及強弱。

為了驗證上述基于AIS的大氣波導(dǎo)探測結(jié)果可視化方法的有效性， 按照第3節(jié)的測試方法進(jìn)行測試， 在A點監(jiān)測能否成功接收超短波電臺信號， 若成功接收， 則根據(jù)其功率值計算大氣波導(dǎo)衰減。 將通過超短波電臺信號計算得到的大氣波導(dǎo)傳輸損耗與基于AIS的大氣波導(dǎo)探測結(jié)果可視化顯示的結(jié)果進(jìn)行比對， 驗證其有效性。

圖5給出了大氣波導(dǎo)較強、 較弱和極弱情況下基于

AIS的探測結(jié)果的可視化顯示， 從圖中可以看出， 可視化顯示是根據(jù)超視距船只位置估算附近大氣波導(dǎo)的強弱， 能夠較為直觀的顯示附近海域的大氣波導(dǎo)存在情況。 表3給出了不同情況下基于AIS的大氣波導(dǎo)探測結(jié)果可視化的大氣波導(dǎo)衰減與實測大氣波導(dǎo)衰減值對比， 可以看出， 大氣波導(dǎo)探測結(jié)果可視化方法與實測結(jié)果基本吻合， 具有一定實用價值。

5 總? 結(jié)

本文提出了一種基于AIS的大氣波導(dǎo)實時探測方法， 該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對超視距兩點間大氣波導(dǎo)的實時探測， 彌補了現(xiàn)有探測方法的不足。 同時， 本文還提出了一種基于AIS的大氣波導(dǎo)傳輸損耗計算方法， 以及一種結(jié)合海圖的大氣波導(dǎo)探測結(jié)果可視化方法。 由于測試時間較短， 且大氣波導(dǎo)出現(xiàn)具有一定隨機性， 只能通過有限的實測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)對本文方法進(jìn)行驗證， 結(jié)果表明本文方法具有一定的精度， 且具有一定實用性。 由于本文方法需要接收船舶AIS信號， 故適用于海上船舶較密集海域。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張玉生， 郭相明， 趙強， 等. 大氣波導(dǎo)的研究現(xiàn)狀與思考［J］. 電波科學(xué)學(xué)報， 2020， 35（6）： 813-831.

Zhang Yusheng， Guo Xiangming， Zhao Qiang， et al. Research Status and Thinking of Atmospheric Duct［J］. Chinese Journal of Radio Science， 2020， 35（6）： 813-831.（in Chinese）

［2］ 康士峰， 張玉生， 王紅光. 對流層大氣波導(dǎo)［M］. 北京：? 科學(xué)出版社， 2014.

Kang Shifeng， Zhang Yusheng， Wang Hongguang. Atmospheric Duct in Troposphere Environment［M］. Beijing：? Science Press， 2014.（in Chinese）

［3］ Bean B R， Dutton E J . Radio Meteorology［M］.Washington：U.S.Govt.Drint.Off.， 1966.

［4］ Atkinson B W， Li J G， Plant R S. Numerical Modeling of the Propa-gation Environment in the Atmospheric Boundary Layer over the Persian Gulf［J］. Journal of Applied Meteorology， 2001， 40（3）： 586-603.

［5］ 張瑜， 趙春麗. 電磁盲區(qū)隨波導(dǎo)內(nèi)雷達(dá)發(fā)射角的變化特性［J］. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)， 2016， 14（6）： 661-664.

Zhang Yu， Zhao Chunli. Characteristics of Radar Shadow Zone Changing with Transmitter Elevation under Evaporation Duct［J］. Radar Science and Technology， 2016， 14（6）： 661-664.（in Chinese）

［6］ 張瑜， 李海濤， 李爽. 復(fù)雜環(huán)境地區(qū)電波折射修正中的折射率精確獲取方法［J］. 河南師范大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2019， 47（3）： 42-46.

Zhang Yu， Li Haitao， Li Shuang. A Method for Accurately Obtaining Refractive Index of Radio Wave Refraction Correction in Complex Environment［J］. Journal of Henan Normal University： Natural Science Edition， 2019， 47（3）： 42-46.（in Chinese）

［7］ 汪文杰， 許佳立， 黃賢青， 等. 基于海洋安全的大氣波導(dǎo)觀測方法研究［J］. 海洋科學(xué)， 2022， 46（1）： 112-122.

Wang Wenjie， Xu Jiali， Huang Xianqing， et al. Observation Methods of Atmospheric Duct Based on Marine Safety［J］. Marine Sciences， 2022， 46（1）： 112-122.（in Chinese）

［8］ 石廣亮， 楊鋮， 王健. 基于機器學(xué)習(xí)的海上蒸發(fā)波導(dǎo)特性智能化預(yù)測［J］. 指揮與控制學(xué)報， 2022， 8（2）： 198-205.

Shi Guangliang， Yang Cheng， Wang Jian. Intelligent Prediction for Marine Evaporation Duct Characteristics Based on Machine Learning［J］. Journal of Command and Control， 2022， 8（2）： 198-205.（in Chinese）

［9］ 王娜， 賀榮國， 金振中. 環(huán)渤海大氣波導(dǎo)監(jiān)測和試驗方法［J］. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報， 2019， 17（3）： 408-412.

Wang Na， He Rongguo， Jin Zhenzhong. Atmospheric Duct Monitoring and Test Method in Bohai Zone［J］. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology， 2019， 17（3）： 408-412.（in Chinese）

［10］ 趙辰冰. 海面大氣波導(dǎo)探測方法的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］. 天津： 國家海洋技術(shù)中心， 2014.

Zhao Chenbing. Research on Key Technologies of Marine Atmospheric Duct Detection Methods［D］. Tianjin： National Ocean Technology Center， 2014. （in Chinese）

［11］ 陸超. AIS在當(dāng)代航海技術(shù)中的應(yīng)用［J］. 船舶物資與市場， 2022， 30（9）： 7-9.

Lu Chao. Application of AIS in Contemporary Navigation Techno-logy［J］. Marine Equipment/Materials & Marketing， 2022， 30（9）： 7-9.（in Chinese）

［12］ 劉暢. 船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）關(guān)鍵技術(shù)研究［D］. 大連： 大連海事大學(xué)， 2013.

Liu Chang. Study of Key Technology of Automatic Identification System（AIS）［D］. Dalian： Dalian Maritime University， 2013. （in Chinese）

［13］ 王波. 基于雷達(dá)雜波和GNSS的大氣波導(dǎo)反演方法與實驗［D］. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2011.

Wang Bo. Method and Experiment of Atmospheric Ducts Estimation using Radar Clutter and GNSS［D］. Xi'an： Xidian University， 2011. （in Chinese）

［14］ Hitney H. Engineers Refractive Effects Prediction System（EREPS）［J］.Interim Report Naval Ocean Systems Center San Diego Ca， 1994.

A Real-Time Detection Method of Atmospheric Duct Based on AIS

Abstract： In the process of conducting the atmospheric waveguide transmission characteristic test in the sea area， it is found that whether the over-the-horizon ships can be detected by the Automatic Identification System （AIS） has a great correlation with the strength of the atmospheric waveguide. Therefore， this paper proposes a real-time detection method of the atmospheric waveguide based on AIS. This method can detect whether there is an atmospheric waveguide between two points beyond the horizon in real time， which effectively makes up for the defect that the current atmospheric waveguide detection method can only detect the current area. This paper also gives the calculation method of atmospheric waveguide transmission loss based on AIS and a visualization method of atmospheric waveguide detection results. The comparison between the experimental data and the simulation results shows that the method in this paper has high accuracy and certain practical value.

Key words： atmospheric waveguide; automatic? identification system; over-the-horizon; transmission loss; visuali-zation