基于方向波束的机载AIS性能仿真与分析

郭泽仁

(海军装备部重大专项装备项目管理中心，北京 100071)

0 引 言

船舶自动识别系统(Automatic Identification Systems-AIS)是一种工作在甚高频段的船舶识别定位与跟踪导航系统[1]，采用自组织时分多址协议(Self-organization Time Division Multiple Access-SOTDMA)进行信息交互[2-3]。海面船舶通过该系统自动报送本船舶的船名、目的地址等静态信息以及船舶当前位置、船向、船速等动态信息。同时也将自动接收其它船舶台和岸基台的AIS报文信息用于船舶间的相互识别和船舶动态的实时监控，对提升海上船舶的识别与定位、扩大对船舶的跟踪范围和动态跟踪能力、打击海上走私、支援海上反恐等具有重要意义。机载AIS是将AIS接收设备加装在机载平台上，如直升机、巡逻机、侦察机、预警机等空中平台上对海面船舶状态进行实时监视。机载AIS优势主要体现在三个方面：一是从空中平台上接收船舶的AIS信息可以极大地拓展监视船舶的海域范围；二是由于机载平台的灵活性，可以持续对某重点海域的船舶进行监视，从整体上提高对海域监视的连续性和完整性；三是由于机上探测手段的多样性，可以对探测到的目标进行多源信息融合，如对敌我属性区分、综合航迹关联等，从而全面掌握监视范围的海域态势。美军从2003年便开始在E-2C预警机上加装了AIS设备，以提高海岸警卫队和海军的海上态势感知能力。AIS接收设备加装在机载平台上后，监视海域范围得到了极大提升，但机载平台也给AIS信号接收带来了严重的时隙冲突[4]，且远海船舶AIS信号达到接收的空中平台时信息较弱，机载AIS对远海域的信号检测能力会严重下降，使得发现概率变低[5]。针对上述问题相关学者提出基于信号功率差异的方法对信号进行分离，以及基于贝叶斯理论的最大后验准则的联合检测技术进行信号检测识别[6-7]，但该类技术对信号之间的功率差异有严格的要求，从而限制了该类技术的应用。文献[8]利用机身的遮挡，在机身两侧分别利用天线对两侧海域船舶信号进行接收，以达到降低时隙碰撞目的，但该方法不能有效提升对远海域信号的发现识别概率。采用阵列天线波束赋形技术，通过调整天线阵中不同天线单元的全值，实现对天线波束指向进行实时控制，不仅可以消除多区时隙冲突，还可以提高对不同海域船舶信号的发现概率[9-10]。当前基于阵列天线波束赋形技术先期已在星载AIS领域开展了相关研究，取得了良好的实际效果[11]，但目前还缺少在机载平台环境中的相关应用研究。

1 机载AIS时隙碰撞发生机制

机载AIS时隙碰撞是指机上AIS接收设备在同一时刻接收到两个或两个以上AIS时隙报文，且接收到的AIS时隙报文信号强度差别不大于后端信号检测门限值时(根据后端采用信号检测方法不同，该值略有不同)，机上AIS接收设备将无法解析出来自多网的AIS报文信息，这种现象称之为时隙碰撞。机载AIS时隙碰撞发生是由于AIS自身特点决定。ITU规定AIS通过两个固定的频率点(161.975 MHz、162.025 MHz)采用SOTDMA子网实现不同船舶之间的信息交换。单个SOTDMA子网络区域半径约为20 nm，每一个SOTDMA子网络拥有相互独立的时隙分配机制。船台AIS消息数据包以帧为单位向外广播当前船舶状态信息，每帧时间为1 min，共包括2250个时隙，每个时隙包括256 byte，每个时隙中预留12 bit的保护间隔，可以提供1.25 ms的延时保护。每条船只上报信息仅站1个时隙。且同一子网络在同一时刻仅会有一条船舶向外广播信息，每条船AIS消息发射时机依据该船台的不同航行状态而变化，以A类AIS端机为例，当船舶速度处于3节以下时，AIS报文信息将以3 min发送一次，当船舶速度在23节以上时，AIS报文发送周期为2 s。由于机载平台距离海面位置高、监视海域范围广，可同时覆盖多个SOTDMA子网络区。机上AIS接收设备极易在同一时刻接收到来自不同子网络区AIS报文信息，从而发生碰撞。图1为机载AIS时隙碰撞示意图。

图1 机载AIS时隙碰撞示意图

机载AIS时隙碰撞发生的原因可归纳为两个方面：一是同一时刻有不少于2个子网络区中的船舶同时向外发射AIS报文信息，且该报文信息同时被机上设备接收到，从而发生时隙碰撞；二是由于机载AIS平台监视海域广，当不同子网络区的船舶在相邻的时隙间隔向外广播AIS报文，由于传输延迟大于保护间隔距离，从而导致时隙碰撞。

2 时隙碰撞与检测理论

2.1 时隙碰撞与检测模型

为了定量分析在机载平台环境下，对某一海域内船舶AIS信号时隙报文检测情况，考察机载AIS对海域中船舶态势的监视性能。按照机载AIS时隙碰撞发生的机制，分两种情况对AIS时隙碰撞的理论模型进行分析，一是针对覆盖海域内某一时隙同一时刻至少有两艘以上船舶同时向外发送报文信息的碰撞概率；二是传输时延大于时隙延时保护间隔发生的碰撞概率。

按照船台AIS接收端机特点，机上AIS报文同样采用单付全向天线接收。设飞机飞行高度为h，按照自由空间无线电传输特点，飞机理论上可接收到的海域船舶AIS信号面积是以飞机在海面投影为中心，半径为R的圆，该覆盖区域中包括N个SOTDMA子网络区，根据AIS国际标准规定，每个SOTDMA两点之间的最远距离约为dkm，单个SOTDMA子网络区建模为圆形，则N可近似表示为：

(1)

设海面船舶在覆盖区域内为均匀分布，分布密度为ρ((km2)-1)，每个子网络区可用时隙数为M，每个子网络区中每艘船发送AIS信号周期为T，则单个子网络区内每个时隙最多被该网络区中的一条船占用，且占用的概率为p可表示为：

(2)

在整个覆盖区域内，每个时隙共有n艘船同时发送AIS报文信息的概率可表示为：

(3)

因此在整个覆盖海域内，某一时隙至少有两艘或两艘以上的船舶同时向外发送报文信息的概率(碰撞)Pc可表示为：

Pc=1-P0-P1

(4)

本文在机载AIS时隙碰撞发生机制中已阐明AIS时隙延时保护间隔为1.25 ms，据此可推算出两个子网络区发生延时时隙碰撞时，不同子网络区到载机的绝对距离差为375 km。根据自由空间电磁波传输损耗理论如(5)所示，其中Lloss为自由空间传输损耗，f为传输信号频率，d为传输距离。

Lloss=32.45+20lg(f)+20lg(d)

(5)

根据实际信号接收机处理能力，在两个或多个信号同时到达信号接收设备时，信号强度存在明显差异，机上接收设备能够对强AIS报文信号进行正常解析，而弱信号将被当成噪声过滤。因此延迟时隙碰撞对于采用全向机载天线接收的机载AIS设备，在时隙碰撞会发生时，对于其中一路强信号仍能够正常解析出，但对远场海域弱AIS信号发现概率会明显降低，因此对整个覆盖海域的所有船舶，在单个报文信息发送周期T内，发生碰撞的概率可用(4)表示。

机载AIS接收通常会持续对某一海域进行监测，因此需要考察连续一段时间内对某一海面船舶发现概率。设观测时间长度为Ttotal，对视距覆盖海域内的船只在观测时间长度Ttotal内每艘船只发送信号的次数为L=Ttotal/T，则某一船只仅被检测出l次的概率P(l)为:

(6)

式(6)中，P为船只在单时隙内满足信号检测条件的概率，Q=1-Pc，则可被至少检测出k次的概率P2(k)为：

(7)

综上，针对某一海域船舶在观测时间长度Ttotal内，能够被检测到的概率Pf为:

Pf=1-P(0)=1-QL

(8)

2.2 波束赋形设计

波束赋形设计的核心思想是利用多天线形成指向性波束，将指向性波束指向重点关注的海域。由于波束指向方向的天线增益明显高于多天线其他方向的增益，因此其他海域船舶发送的AIS信号到达机上接收机的信号强度将相对较小，而对于指定海域的AIS信号接收，其他海域的AIS信号碰撞被认为是干扰信号。多天线波束形成技术的引用将大幅度提高某一方向接收机的信干比，从而提高远场海域船舶信号的发现概率，降低时隙碰撞概率。

图2 机腹天线布阵

本文提到的基于方向波束的机载AIS接收系统由舱外天线阵和舱内接收机两部分构成。为减少机上AIS接收机在机上加装的成本，舱外为天线阵可完全共用机上超短波通信链路的天线，但为保证波束赋形后的对称性，需对机上超短波天线布阵基线作均匀布阵要求。舱外多元天线阵的具体布阵方式概括描述为天线阵由七付全向VHL天线组成，天线阵均匀排布在机腹下部，每付天线长度400 cm，每付天线之间相距为900 mm，天线安装的相位一致性控制在5度以内。机腹天线阵在机上的布阵和天线安装尺寸要求见如图2和图3所示。

图3 机腹天线布阵图

舱内信号接收机的结构组成如图4所示，舱内设备包括天线接口单元和AIS信号处理单元。信号接收机的工作处理流程为来自AIS多元天线的射频信号首先在波束形成控制器中完成对每付天线信号的加权叠加，并对信号进行窄带滤波和信号分离，再分别将两个接收频率点的信号分别送入到接收激励模块和信号处理模块中实现对两路AIS信号的变频、放大、滤波、解调和解码处理，此时得到的将是AIS原始监视信息。然而为实现机上多传感器的情报综合处理，形成系统综合态势，经过解码处理后得到AIS原始监视信息将被送到机上情报综合系统中与机上其它传感器情报信息进行融合过滤处理，形成探测海域的综合态势信息，并将最终态势信息上报人机交互中进行态势显示。机载AIS接收机信号处理流程如图4所示。

图4 机载AIS接收机信号处理流程

3 性能仿真实验

3.1 波束合成效能仿真

按照上述数字相控阵天线设计方法，以机腹7付均匀排列的线阵为基础进行仿真。图5为天线波束仿真方向图，每付单元天线的增益为-4 dBi，图中显示的是单元天线之间相位差为0度合成波形图，从图中可以看出合成后天线主波束增益超过12 dBi，在沿天线阵俯仰面上3 dB宽度值为16.2度，第一副瓣与主瓣增益值相差9.6 dB，从而有效抑制来自机头和机尾方向的时隙碰撞。当调节天线阵中不同单元天线的相位值和每付单元天线的接收信号幅度值，则主波束在俯仰面上的指向会发生变化，从而可提高对远场海域船舶的发现概率。

图5 波束合成仿真方向图

3.2 碰撞概率性能仿真

为定量分析在机载平台中采用方向性波束相对于全向波束对AIS时隙碰撞的改善效果，碰撞概率变化以机载接收机覆盖范围内的任一SOTDMA子网络区船台开展定量分析。设载机飞行高度h为8000 m，同时为便于计算分析，假设海面所有船舶安装的AIS端机都为A类端机，机上接收机灵敏度为-105 dBm。由(5)不难计算出，机载接收机可以接收整个视距范围内的所有船舶信号，海域为以平台为中心，半径R约为300 km的圆。根据ITU规定的AIS国际标准，单个SOTDMA两点之间最远距离d约为37 km，海面船舶分布密度表示为ρ，每个子网络区中船舶信号发送周期T设为10 s。由(4)可计算采用全向波束接收AIS报文信息，每分钟内发生碰撞的概率Pc可表示为船舶分布密度函数f(ρ)。设覆盖区域船舶总数量约为3000～7000，则对应的概率密度ρ约为0.0106～0.0247，理论计算Pc值为1。该值表明接收机时隙碰撞在每个时隙都会发生，但由于海面不同位置船舶相对于接收机存在距离上差异，对于近场海域船舶信号在没有碰撞时，依然能够被识别解析显示出，但由于时隙碰撞存在，近场海域船舶AIS点迹更新率存在明显不确定性。当采用方向性波束接收时，由图5仿真结果表明，在机身两侧方向上合成后主波束对应的海域面积相对全向天线减少71.7%，因此采用方向性波束相对于全向天线波束，从理论上分析能够明显降低碰撞概率。

4 结 语

AIS信号时隙碰撞和发现概率是机载AIS技术在工程应用领域中的研究重点和难点问题。为降低机载AIS时隙碰撞概率，提高对远场海域船舶AIS信号截获识别概率，本中首先对机载AIS时隙碰撞的机理开展了深入的研究，对时隙碰撞和检测概率进行数学理论建模，提出在机载平台中采用波束合成技术降低时隙碰撞概率，提高对远场海域船舶的发现概率，同时设计了机载平台下的AIS信号处理流程，并对系统设计进行了性能仿真。仿真结果表明本文提出的基于方向波束的机载AIS接收方案能够在一定程度上提升机载AIS性能，理论仿真分析结果表明采用多天线波束合成技术是消除机载AIS接收系统时隙碰撞提高对远场海域船舶发现概率的有效途径。但受于实际平台天线安装要求的限制，本文设计的多天线波束合成方案仅采用了对机载平台天线装机要求最低线阵安装方式，因此合成后的放向性波束虽然能够很好的抑制来自机头和机尾方向的时隙碰撞，提高对机身两侧远场海域船舶的发现概率，但来自机身两侧的时隙碰撞依然存在。后续还需要在接收天线形式、机载天线布阵方式以及信号处理算法等方面开展进一步研究工作，同时结合科研试飞对采用方向性波束的机载AIS接收设计结果效能进行工程验证。