星载AIS接收链路设计与仿真*

何 民1，许 斌2，钟 杰

(1.海军装备部 重庆局，成都 610036；2.海军装备部 电子部，北京 100841;3.中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

船舶自动识别系统(AIS)是以自组时分多址(SOTDMA)为核心技术的用于海上交通安全和调度指挥的船-岸、船-船之间的通信、定位和辅助导航系统。AIS系统将船舶的动态信息(船位、航速、航向等)、静态信息(船名、识别码、目的港等)、航次信息和安全短消息等相关信息用甚高频(VHF)数字通信广播给周围的其它船舶，以实现船舶之间的自动识别和船舶交通管理中心对船舶的监视。

自动识别系统(AIS)是国际海事组织(IMO)、国际航标协会(IALA)、国际电信联盟(ITU-R)于2000年共同强力推广的一个系统，用于岸-船、船-岸以及船-船之间的通信、辅助导航及识别监视。为满足人们对AIS信息的覆盖范围和时效性的要求，一些发达国家如美国、挪威、加拿大以及相关国际组织自2001年以来相继开展了星载AIS论证、设计及应用研究，主要内容包括可行性分析、仿真评估、卫星搭载AIS接收机试验及最终的商业化产品实现等[1-3]。在国内，也引起了有关从事海事电子技术研究与应用领域人员的高度重视，并积极展开了该领域的广泛研究[4]。

本文主要对AIS系统在低地球轨道(LEO)卫星中的应用进行了可行性分析和论证。

2 星载AIS的分析和设计

由于AIS间的有效作用距离大约为20～30 nmile，为了充分利用AIS的相关信息，理论上可采用一个或多个低轨卫星来侦测、接收和解码AIS信息，并通过低轨卫星把相关信息转发到固定的地面站上供有关机构使用。低轨卫星的运行高度通常在300～1 000 km。

2.1 AIS特征

AIS设备主要包括:2个具有信道选择及切换功能的TDMA接收机，通常情况下使用87B信道(工作频率161.975 MHz)以及88B信道(工作频率162.025 MHz)，也可设定为其它可用频段(156.025～162.025 MHz)；1个具有信道选择及切换功能的发射机。AIS系统的关键技术是所谓的自组织时分多址(SOTDMA)信道接入技术。

AIS系统将时间分成若干超帧，每个超帧又分成若干时隙供船舶用户使用，每个用户周期地广播其当前的位置信息及对未来时隙的预约信息，以构成系统的时隙状态表，这个时隙状态表反映了所有参与船舶通信的用户对时隙动态使用的情况，依据该时隙动态表，各船舶用户可以实现对信道时隙的自发管理。由于这些时隙资源是由船舶用户自行管理的，不需要基站的参与，所以被称为自组织时分多址。

2.2 相关分析

在进行相关运行和技术参数分析时，只考虑一个低轨卫星运行的情况。下面首先分析低轨卫星与船舶的作用距离、低轨卫星的运行周期、多普勒频移等几个关键的参数。

(1)作用距离

假设一个低轨卫星的运行高度为600 km、倾角为98°,该低轨卫星的简单运行模型如图1所示。在图中定义和描述了有关船舶笛卡尔坐标系和低轨卫星笛卡尔坐标系。

图1 低轨卫星的运行模型

在图1中，假设地球表面上船舶的位置由纬度Lship和经度lship确定；卫星与地球表面垂直交叉点的纬度为Lsat，经度为lsat。图中γ角的计算公式如下：

cosγ=cosLshipcosLsatcos(lship-lsat)+

sinLshipsinLsat

(1)

通过相关几何运算，可以推导出低轨卫星与船舶的作用距离d为

(2)

式中，re为地球的平均半径，rs为地球的平均半径加上低轨卫星的运行高度。

这样可以推导出低轨卫星与地球表面的切线距离rhorizon为

(3)

从上式可以预计低轨卫星的最大覆盖范围。图2显示了低轨卫星的覆盖范围。

图2 低轨卫星的覆盖范围

(2)运行周期

低轨卫星的运行周期可通过下式计算[7]：

(4)

式中，rs是地球的平均半径加上低轨卫星的运行高度；R是地球的平均半径，约为6 370 km；g是重力加速度，约为9.81 m/s2；fr是低轨卫星的运行频率,该频率的倒数即为低轨卫星的运行周期。

(3)多普勒频移

由于低轨卫星和目标船舶都是处于不断运动中，所以需要考虑多普勒效应的影响，即卫星平台上的AIS接收机与船舶间将会产生频率偏差。有关多普勒频移的计算公式如下[8]：

(5)

由于星载AIS侦察接收机实际使用中是多路径接收，通过计算，星载AIS侦察接收机最大频偏不超过±4.5 kHz。

(4)链路损耗

低轨卫星接收机低噪声放大器输入端的载波功率与噪声功率之比值，简称载噪比(C/N)，是确定星载AIS接收机识别地面船舶质量的最主要指标。对星载AIS接收机系统来说，载噪比决定了接收机输出端的误比特率或误包率。

计算VHF信号在自由空间传输时，考虑到VHF对电离层的穿透力较强，主要以直线方式传播。低轨卫星与船舶间的链路损耗可由下式计算得出：

Lfspl=32.44+20lg(dkm)+20lg(fMHz)

(6)

式中，dkm是低轨卫星与船舶间的距离。

2.3 接收电路设计

图3为星载AIS接收机的原理框图。为了降低星载AIS接收机的硬件复杂程度，AIS信号通过50 MHz时钟的14位A/D器进行采样，把AIS相关信道频率161.975 MHz和162.025 MHz搬移到11.975 MHz和12.025 MHz。

图3 星载AIS接收机的原理框图

在FPGA中I/Q信号的采样率是38.402 kbit/s，通过时隙捕获、GMSK解调和HDLC解帧，最终获得AIS信息。

3 仿真及实现

利用本文前述的理论及公式，并结合Matlab 7.5的仿真平台，编写了若干.m文件，对星载AIS接收链路进行了模拟仿真。

3.1 仿真程序的构成

星载AIS接收链路预计模拟仿真程序主要由linkbudget.m文件、F-AntennaGain.m函数、F-dipole.m函数、F-intensity.m函数组成。

在linkbudget.m文件中，对模拟仿真过程中涉及到的各类常数、全局变量进行了设置和定义，并通过该文件来调用F-AntennaGain.m函数、F-dipole.m函数和F-intensity.m函数。

其中，F-AntennaGain.m函数是计算归一化线性天线的增益；F-intensity.m函数是计算天线阵列的功率谱密度表达因子，该函数与F-AntennaGain.m函数共享其全局变量；F-dipole.m函数是计算半波偶极子天线的辐射方向增益。

模拟仿真程序针对不同运行高度条件下的卫星接收链路电平、卫星接收灵敏度的冗余量、船舶安装的半波偶极子型天线增益、自由空间损耗、卫星运行周期进行了仿真计算。

3.2 仿真结果及分析

(1)卫星接收链路电平预计

从图4可以看出，随着低轨卫星运行高度的不同，其卫星接收链路电平曲线有所不同，并逐渐向一固定值靠近；而低轨卫星的覆盖区域对其影响不大。

图4 星载AIS接收电平预计

(2)卫星接收灵敏度的冗余量

从图5可以看出，随着低轨卫星运行高度的不同，其卫星接收链路电平曲线尽管有所不同，但在300～1 000 nmile之间，其卫星接收灵敏度的冗余量都有10 dB左右；确定低轨卫星AIS接收灵敏度为-112 dBm是满足系统要求的。

图5 卫星接收灵敏度的冗余量预计

(3)半波偶极子型天线增益

从图6可以看出，船舶如果采用半波偶极子型的VHF天线，其天线增益的实际效果随着与低轨卫星距离的不同而不同。当与低轨卫星的距离较近时，天线的增益较小；当与低轨卫星的距离较远时，天线的增益较大。因此，当预计低轨卫星的目标识别冲突时，需要考虑船舶天线增益的远近效应。

图6 船舶天线增益

(4)自由空间损耗

从图7可以看出，VHF频段信号在自由空间的损耗，随着与低轨卫星运行高度的不同而有所不同。当低轨卫星的运行高度较低时，自由空间的损耗随覆盖范围的增加而急剧下降；当低轨卫星的运行高度较高时，自由空间的损耗随覆盖范围的增加而变化较慢。

图7 自由空间损耗

(5)卫星运行周期

从图8可以看出，卫星运行周期随着与低轨卫星运行高度的不同而有所不同。当低轨卫星的运行高度较低时，卫星运行周期较快；当低轨卫星的运行高度较高时，卫星运行周期较慢。

图8 卫星运行周期

4 结 论

本文对AIS系统在低轨卫星中应用所涉及到的相关问题进行了分析和论证，着重分析了低轨卫星与目标船舶的作用距离、低轨卫星的运行周期、多普勒频移对星载AIS通信的影响，并对星载接收链路进行了预计，给出了星载AIS接收机的实现方案。通过仿真分析,得出了一些重要的结论,这对更深入地论证、设计星载AIS系统具有一定的指导和参考意义。

参考文献：

[1] Miguel A Cervera, Alberto Ginesi. Satellite-based AIS System Study[C]//Proceedings of 26th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC). San Diego, CA:IEEE,2008:1-8.

[2] Wells J, Stras L, Jeans T, et al. Canada′s Smallest Satellite: The Canadian Advanced Nanospace eXperiment (CanX-1)[C]//Proceedings of the 13th International Conference on Astronautics.Toronto:Canadian Aeronautics and Space Institute,2002:1-12.

[3] John Stolte, Anthony Robinson. Space based monitoring of global maritime shipping using automatic identification system：US，2008/0088485 A1[P]. 2008.

[4] 郝盛,陈涤非.星载AIS收发机的关键技术初探[J].航空电子技术,2007,38(4):7-11.

HAO Sheng,CHEN Di-fei.Primary Research on the Key Technologies of Satellite Based AIS Transceiver[J].Avionics Technology,2007,38(4):7-11.(in Chinese)

[5] Recommendation ITU-R M.1371-1,Technical Characteristics for a Universal Shipborne Identification System using Time Division Multiple Access in the VHF Maritime Mobile Band[S].

[6] ITU-RM.1371-1,IALA: Technical Clarifications on ITU Recommendation [S].

[7] Pratt T, Bostian C, Allnutt J. Satellite Communications[M].London:John Wiley & Sons, 2003.

[8] Ali I,Al-Dhahir N,Hershey J E. Doppler Characterization for LEO Satellites[J]. IEEE Transactions on Communications, 1998,46(3):309-313.