海事物联网中多波束卫星天线的实现机制

白胜美，李洪星，李 屹，方 莉，陈 萍

(1.北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京 100876； 2.上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

海事物联网技术的广泛应用为船舶管控、状态监测和环境探测等提供了全新模式。当前海事物联网的数据通信技术通常基于IEEE 802.11协议族，其通信距离短，一般仅限于船舶内部使用，大大限制了海事物联网技术在广阔海域船舶之间的应用。船舶自动识别系统[1-2](Automatic Identification System,AIS)利用卫星通信和自组织时分多址技术[3]实现海事安全通信，其覆盖范围广，适用场景多，是构建海事物联网信息平台的关键技术之一。然而，AIS系统采用单点覆盖天线技术，以很大的辐射角度覆盖地面区域，边缘处功率损失较为严重。若采用多天线技术保证网络的高吞吐量，则又存在系统造价昂贵，卫星负荷严重，仍存在诸多问题亟待解决。

20世纪60年代以来，多波束天线技术在卫星通信系统中受到广泛关注，逐步成为改进卫星通信系统性能的一项关键技术[4]。文献[5]研究了卫星相控阵多波束天线，以其六边形阵列天线布局，很大程度降低了辐射单元，节省了硬件资源，但是因其波束单元运算复杂，成形技术不够成熟，导致系统不够稳定。文献[6]提出了阵溃反射面多波束天线在卫星系统的赋形技术，可有效利用频谱资源，提高卫星信号的功率利用率，但是赋形波束较为灵敏，受溃源阵口径面影响较大，适用于波束数量较多的系统，不适用于AIS系统。文献[7]针对多波束天线技术应用到AIS接收机系统中的情况进行了理论分析，但从波束成型[8]到信号接收都只是提供了定性的描述，没有定量的分析和仿真数据验证多波束天线技术的优势。

鉴于上述问题及多波束天线在卫星通信系统不同场景下的应用现状[9]，本文提出一种应用到AIS系统中的多波束天线实现机制，定量研究并验证多波束天线技术对AIS系统性能的提高。多波束天线技术，可有效减少天线个数，缩小天线张角，并以高增益覆盖较大的面区域，各点波束以相互独立的频率进行信号接收，有效降低波束间船舶信号的冲突，实现波束空间隔离和极化隔离，以提高船舶检测概率。

1 多波束覆盖

多波束天线是能产生多个点波束的天线，单个或者多个点波束共同作用覆盖指定区域。各点波束之间采用相互独立的频点接收信号，或者在点波束相距足够远时，实现频率复用，有效避免各点波束内船舶信号之间的冲突，从而提高检测概率。

不同应用场景，卫星多波束天线对地面的覆盖方式也不同，可根据覆盖场景的情况大致分成4种情况[11-12]：① 由点波束覆盖每一个分散区域，覆盖区域由多个分散区域组成，各点波束接收信号频点不同。多个分散区域的覆盖情况如图1(a)所示。② 由多个点波束共同覆盖一个集中区域，可能存在波束重叠，但是各点波束接收信号的频点相互独立，覆盖情况如图1(b)所示。③ 由点波束覆盖每一个分散区域，且各分散区域足够远，可实现各点波束间频率复用，覆盖情况如图1(c)所示。④ 由多个点波束共同覆盖一个集中区域，可能存在波束重叠，但是由于覆盖区域广，距离足够远的点波束之间可实现频率复用，覆盖情况如图1(d)所示。综上4种情况的示意图如图1所示。

卫星上使用多波束天线可以通过各点波束以相对独立的频点接收信号，有效避免波束之间反射信号的冲突问题。AIS利用单点覆盖天线接收信号时，星下视角相对点波束视角大得多，导致非同步卫星系统增益很小，靠近卫星覆盖区域边界处的船舶信号功率严重损失[13]，因此，为了提高星载天线的增益，缩小天线辐射张角，而采用多波束天线技术以“填满”整个服务区。鉴于AIS系统覆盖区域的特征以及频点资源，采用图1(b)的覆盖方式。

图1 波束排列情况

2 多波束设计原理

在AIS系统中，卫星接收船载AIS设备发送的信号，船舶分布的疏密会直接影响发送信号的时隙分配，影响信号的解调效果，从而影响船舶的检测概率。因此，有必要对卫星观测区域内的船舶分布进行合理的分析。

2.1 船舶分布模型

直径40 n mile 范围称为自组织小区[14]。对自组织小区内船舶发送的信号，可自组织分配时隙，有效避免时隙冲突。卫星观测区域内包含的自组织小区数量的计算方法，以卫星高度600 km为例，如图2所示。

图2 卫星扫描范围示意图

其中，AC为卫星距离地面的高度等于600 km，OD为卫星的观测半径，等于6 371 km。且观测半径等于卫星到地球的切线AB与卫星到地面的垂线AC之间的弧度BC的长度，于是卫星的观测半径Rs计算为：

式中，Re为地球半径6 371 km，h为卫星距离地面的高度600 km。计算得Rs为2 662.66 km，约为1 438 n mile。每个自组织小区的半径为20 n mile，由此可算出卫星观测范围的半径约为小区半径的72倍。

2.2 四波束设计方案

以自组织小区为单位，将AIS系统覆盖区域进行四波束划分[15]，如图3所示。

范围A(阴影圆部分)是卫星的观测范围，范围B(虚线方形区域)表示仿真中所取到的卫星观测范围，即卫星实际观测范围的外切正方形。根据半径选取原则，将处于范围A与范围B之间区域的小区内船舶数置零。采用波束技术覆盖卫星观测范围时，尽可能无丢失地接收卫星覆盖区域内船舶发送的信号。这样一来，点波束覆盖范围之间会发生重叠，从而导致部分船舶发送的信号被多个波束分别接收并解调。但由于相邻波束间不同频，所以接收到不同频率点波束内船舶的信号不会造成冲突干扰。

四波束划分如图3中C1、C2、C3、C4。由于卫星覆盖最大区域为A，所以波束覆盖范围落在A外侧的区域并未覆盖地球表面。故而点波束C1覆盖的小区范围相当于范围D(深色部分)所覆盖区域，其中范围E是仿真模型中点波束的覆盖范围。

图3 四波束的划分范围

3 AIS系统中四波束模拟源设计

根据卫星的位置信息，包括卫星的经纬度、高度等参数，仿真生成卫星覆盖区域下，船舶在每个小区内的分布情况，各小区的位置参数(经纬度等)。首先需要求取卫星观测范围内船舶个数，从而可以仿真生成所有船舶发送信号[16]。本文采用生成随机数的方法生成船舶信号。

取图3的1/4部分进行研究，如图4所示。圆形区域为点波束，故而其内接正方形的边长等于2*AB=36，AB等于18。由几何关系得出：AC=AD≈26，BC=AC-AB≈8。故而，4个点波束的覆盖范围如图5所示。

图4 仿真中四波束划分图

图5 4个点波束的覆盖范围

深色部分就是点波束实际覆盖的区域。根据各点波束所覆盖的小区编号，取出对应小区内船舶号，并获取对应船舶号生成的船载AIS数据，以及点波束内每个小区的船舶分布情况。

根据点波束内船舶的分布情况，可以求得波束覆盖区域内的船舶参数，如功率、频偏、时延和DOA。根据卫星覆盖区域内的船舶分布情况，组织海域船舶发送信息时隙。进一步，根据小区所在波束，选取发送频率，并对各点波束内船舶发送的信息进行接收。最后进行AIS调制，先将船舶待发送的数据进行GMSK调制[17-18]，再将调制后的信号与信号时隙分配表、信道时延等进行叠加，发送AIS信号到接收端进行接收。

4 仿真结果

为了便于分析和软件仿真，将每个自组织小区简化近似为40 n mile*40 n mile的正方形区域。这种简化方法以自组织小区为单位存储信息，可以将所有自组织小区的位置信息存储在一个矩阵中，便于统计船舶的位置信息，也便于计算各小区船舶信号到达卫星AIS的功率、频偏、时延和DOA等。

仿真观测时间t=10 s、20 s、60 s、90 s、120 s，船舶个数为2 000、3 000、4 000 艘。仿真给出了单天线、双天线、两波束和四波束时的检测概率，具体如图6、图7和图8所示。

图6 船舶为2 000艘的检测概率

图7 船舶为3 000艘时的检测概率

图8 船舶为4 000艘时的检测概率

仿真结果分析如下：

① 同一观测时间，相同船舶数，四波束比两波束降低了波束间船舶信息的冲突，所以检测概率较高；

② 同一观测时间，天线类型固定时，船舶数越多，信号冲突越严重，检测概率越低；

③ 船舶数相同，天线类型固定，观测时间越长，同一艘船被成功解调的概率越高；

④ 船舶数为2 000艘时，由于冲突数相对较少，双天线解调概率会高于两波束解调概率；随着船舶数量增加，船舶数为3 000艘，冲突数增加，此时双天线和两波束的性能随观测时间不同互有上下；当船舶数为4 000艘时，冲突数加剧，两波束相对两天线解冲突的优势显现出来，获得了较高的检测概率。

5 结束语

本文面向海事物联网应用，提出AIS 系统中一种多波束天线技术的实现机制。仿真表明：四波束的解调性能可与两天线系统相比拟。单天线多波束机制减少了天线的个数，降低了造价，实现更为容易，同时由于点波束内部的小区数量相对减少，从而在较大程度上减少了冲突， 且在船舶数量增多时，多波束天线抗冲突性能尤为明显。

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