海洋一号C/D卫星全球船舶自动识别系统设计与应用

张可立 丁振宇 高杰

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)是一种新型的船舶避撞系统[1]。传统的AIS系统主要由船载AIS收发机、岸站AIS接收机和数据管理中心三个部分组成，是一种基于地面、近海的岸基通信系统。由于岸基AIS接收站对VHF频段信号接收范围的局限性，目前的岸基AIS系统只能够实现内河及近海(30海里)海域的船舶监控，而对于远海船舶的运行情况及突发事件报警信号并不具备侦听能力。为了解决这一问题，提出了星地一体化AIS系统[2]。这是一种利用卫星大幅宽、高重访特点，AIS接收机系统侦听、采集和汇总传输全球船只AIS信号的新型系统。利用星载AIS系统可以有效提升针对远洋船只信息的监控范围和监控频次，在航道管理、渔业资源管理、应急抢险等方面具有重要作用。

海洋一号C/D(HY-1C/D)卫星搭载AIS接收机，用于实现全球船舶识别信息的接收、处理。卫星与海面船只距离很远，接收到的船舶信号功率较小。为了实现有效接收，AIS接收机的灵敏度较高。此外，AIS接收机工作在160 MHz左右的VHF频段，卫星在该频段内电磁环境复杂，容易对AIS接收机的高灵敏度接收造成干扰。为了保证AIS接收机的正常工作，本文在160 MHz附近对卫星内部的电磁环境进行分析控制，根据分析结果，在单机和整星层面采取电磁屏蔽措施，并对AIS天线进行优化设计。

1 星地一体化AIS系统

星地一体化AIS系统由地面系统、卫星和测控系统3大部分组成。地面系统包括船载AIS收发机(船舶)、岸基AIS收发机(AIS基站)、数据管理中心(用户)和数据接收站组成，主要负责船舶AIS信号在地面上的收发、处理和管理工作，数据接收站接收卫星下传的船舶报文信息。卫星负责接收、解调、采样和存储船舶发送的AIS信号，并将解调得到的船舶报文信息通过星地链路下传到数据接收站。测控系统负责跟踪、测量和控制卫星。其中，船载AIS收发机发送的AIS信号是信息源头，信号特征如表1所示。

国外AIS卫星系统的发展途径按各国实际需求及其卫星技术发展水平主要可分为两大类：①发展专用的AIS微小卫星，以挪威自主识别系统卫星-1(AISSat-1)、德国的鲁宾(Rubin)卫星系列为典型代表；②通过其他卫星搭载AIS载荷，以加拿大的雷达卫星星座任务(Radarsat Constellation Mission，RCM)和美国战术通信卫星-2(Tacsat-2)为代表。总的来说，国外在AIS卫星系统的研发方面已有初步的研究成果和实践基础，在实践上验证了星载AIS接收机的可行性和实用性[3-6]。

表1 AIS系统标准化性能要求

国内近年来也开展了AIS卫星系统的研究和初步应用[7-12]，其中天拓一号卫星于2012年5月10日发射成功，在轨试验期内，共侦收了4万余条AIS报文，并绘出我国第一张全球船舶AIS海图。我国海洋二号卫星上也搭载AIS系统，从应用需求上看，发展星载AIS技术已成为一项极具应用价值的项目。

2 HY-1C/D卫星搭载AIS载荷需要解决的问题

由船载AIS发射机指标可知，其地面发射功率较小，因此作为星载AIS接收机，必须具有较高的接收灵敏度才能准确的接收地面发射信号，而卫星各电子设备无意辐射的低频信号对AIS信号的干扰是实现AIS接收机在轨正常应用的关键问题，即AIS载荷与整星的电磁兼容(EMC)设计问题。

星载AIS系统接收频率为160 MHz，属于较低频段，而之前卫星平台、载荷设备由于没有此类低频段无线接收设备应用，因此对于继承性较强的平台和载荷类产品，对低频段EMC特性研究不足，控制也不足。通过对多颗不同类型小卫星的电磁辐射发射(RE)测试结果(表2)，初步分析了该频段卫星的EMC特性，可以得出以下结论。

(1)无线侦收类卫星提供给电磁载荷的视场开口一般较小，有利于整星EMC处理，因此整星的低频本底噪声较低；而光学遥感类卫星给光学载荷提供的视场开口较大，不利于整星EMC处理，以往也很少针对低频噪声进行处理，因此低频本底噪声较高，两者噪声功率相差约5 dB；

(2)对于AIS接收机，采用海洋1B卫星数据，160 MHz附近的噪声功率谱密度大约为-152 dBm/Hz。

表2 小卫星噪声谱密度汇总

如果按卫星噪声功率谱密度约为-152 dBm/Hz、AIS接收机解调带宽4.8 kHz计算，则HY-1C/D卫星在AIS接收机带宽产生的本底噪声功率为-115.2 dBm。而AIS接收机要满足一定误码率指标情况下对GMSK/FM调制数据的正确解调，要求信噪比应为15 dB左右，也就是说此时要求地面AIS信号到达星上AIS天线入口处的信号功率不能小于-100.2 dBm。巧合的是，在这一输入功率下，AIS接收机在782 km的轨道高度上可实现1000 km的海面侦收幅宽，略优于950 km的指标要求。因此，为了保证幅宽指标，需要从AIS接收机自身的解调能力即灵敏度以及卫星平台噪声这两个方面进行严格要求。在AIS接收机方面，要求在85%解调概率下的灵敏度低于-100.2 dBm，而实测灵敏度优于-112 dBm，满足解调要求，并留有一定余量。在卫星平台方面，则必须优化整星EMC设计，将卫星在160 MHz附近的噪声功率谱密度严格控制在-152 dBm/Hz以下。

3 针对AIS载荷的优化设计

针对整星低频干扰信号抑制的优化措施，最为有效的手段就是在单机/分系统设计时就要设定相关的低频EMC设计要求，保证卫星每台设备低频辐射指标最低，从而达到整星EMC指标的优化。但HY-1C/D卫星采用继承的CAST2000小卫星平台，很难从设备级对成熟产品进行优化设计，同时HY-1C/D卫星搭载4台光学载荷设备，无法像其它电侦类卫星一样进行整星的包覆控制。因此在卫星设计时，主要从重点单机EMC屏蔽、天线方向图优化设计、天线安装位置优化设计、整星EMC综合处理等几个方面入手满足AIS载荷在轨对低频干扰信号的抑制要求，同时开展整星级别的EMC试验，对最终的优化结果进行确认。

1)单机设备的EMC设计要求

HY-1C/D卫星C/D类产品均为载荷产品，且载荷安装处均留有较大的视场开口，是卫星低频信号泄露的关键产品，为此卫星方根据相关场强计算结果，对各C/D类产品的EMC指标，特别是辐射发射测试项第102项(RE102)指标均进行了加严控制，如表3所示。载荷设备在进行设计时，对电子设备内部晶振的谐波、数据传输噪声在100～200 MHz频段进行了设计和控制，尽量降低此频段的无意发射干扰。

表3 星上设备/分系统在轨段无意电场辐射发射下凹频段要求

在C/D类产品进行EMC试验过程中，对160 MHz附近的试验数据进行了分析，对超标的设备在试验现场通过包覆等处理措施控制了单机的大部分超差项目，对少量无法达标的频点通过分析，确认了其不落在AIS载荷的解调带宽之内。

2)天线方向图设计

提升星载AIS接收机接收概率的另一项措施是提高接收机入口处信号功率。船舶AIS天线通常采用单极子天线，其方向图特性表现在最大增益不在垂直向上的方向，而是出现在偏离+Z轴(地垂线)约30°～50°方向。因此根据地面AIS天线方向图特点，应将星上AIS天线的方向图进行适当的优化，使星上接收天线方向图最大增益(主波束)基于星下点偏移角32°～48°，进一步增强接收机入口出的信号功率电平。

HY-1C/D卫星采用双接收机/天线热备份工作的方式，天线1和天线2分别布置在卫星+X侧和-X侧。在提高AIS接收机在轨可靠度的同时，两幅天线分时对同一区域内船只信号进行接收解调，进一步提升对地面船只侦收的概率。为进一步减小信号碰撞概率，在满足AIS接收机幅宽指标的基础上，尽量降低+X侧天线增益。两副天线的地面足迹如图1所示，横坐标代表俯仰角(偏离星下点垂线角度)，纵坐标代表方位角(偏离卫星前进方向角度，顺时针为正)。

图1 两副AIS天线的地面足迹范围Fig.1 Footprint on earth of two AIS antennas

3)天线布局设计

AIS星载接收天线的布局，主要考虑3个方面的布局优化措施：①要有一定的反射面来实现天线方向图特性；②与星上其它天线保持一定距离，满足AIS接收机天线与其它星上射频天线隔离度指标(测控62 dB，数传80 dB)，满足EMC要求；③尽量远离卫星结构为载荷设备预留的开口，同时利用卫星结构阻挡部分星内低频辐射信号对AIS接收机造成的低频干扰。

为此，HY-1C/D卫星将AIS天线分别布置在整星±X侧，在满足天线方向图的同时，尽量远离卫星+Z载荷舱顶板(顶板有多处光学载荷开口)和卫星±Y侧板(侧板有轴承与功率输送装置BAPTA开口)，同时将载荷舱底板沿着卫星±X方向适当外延，在满足其它光学载荷布放要求的同时，对从载荷舱顶板泄露的整星低频辐射信号具备一定的遮挡作用，进一步降低AIS天线附近的低频干扰信号强度。天线布局如图2所示。

4)整星EMC屏蔽处理

为了防止卫星内部低频干扰信号的泄露，影响AIS的正常接收，需要严格卫星的屏蔽设计。卫星产生干扰泄漏的路径，主要是电缆和孔缝，特别HY-1C/D卫星由于载荷舱顶板处有大面积的光学载荷开口，对载荷舱电缆的泄露、平台舱通过孔缝对载荷舱的泄露等需要重点关注。为此在设计和总装过程中，分别针对整星30根载荷舱低频电缆、28根平台舱至载荷舱穿舱低频电缆、11根星外低频/高频穿舱电缆进行了包覆，对整星共23处孔缝进行了封堵处理，并在初样整星EMC试验中进行了充分的验证。

图3为整星初样EMC测试结果，其中绿色曲线为整星电缆部分包覆、封堵情况下的整星低频电场强度，蓝色曲线为整星电缆加严包覆、封堵情况下的整星低频电场强度。从图中可以看出在对整星电缆等进行加严EMC处理后，卫星低频噪声下降了约5 dB，且AIS频段无超标谱线。

图3 整星初样EMC底噪测试结果图Fig.3 Bottom noise test result in proto-model satellite EMC test

同时在两种状态下对AIS接收机在整星EMC条件下的解调概率指标进行了测试，结果如表4所示，可以看到经过整星EMC加严处理，AIS接收机在灵敏度指标下的正确解调概率可达到90%以上，表明了整星EMC处理的有效性。

按照卫星初样阶段EMC试验结果，在卫星正样阶段按照相关整星EMC控制措施对整星进行了处理，整星低频段底噪如图4所示，AIS频段无超标谱线，同时整星条件下AIS接收机解调概率在灵敏度条件下能够达到85%以上的指标要求。

表4 卫星噪声谱密度汇总表

图4 整星正样EMC底噪测试结果图Fig.4 Bottom noise test result in flight-model satellite EMC test

4 在轨应用情况

2018年9月7日，HY-1C卫星发射成功。AIS接收机开机后各项遥测功能正常，且能够正常接收全球船舶AIS数据。AIS接收机双机在轨24 h工作，根据在轨遥测统计，接收机A机平均每圈解调12 235条，接收机B机平均每圈解调10 944条。三周内接收到的全球船只AIS信息如图5所示,图中每个绿点代表一艘船。

图5 HY-1C卫星三周内收到的全球AIS船只信息Fig.5 Global ship AIS information received by HY-1C satellite within 3 weeks

同时用户根据接收到的AIS信息进行分类处理，对全球油轮、客轮、拖船等不同船只的航向、航迹等进行了分类监测，对南北极航道的船只的监测，以及针对某重点船只的航迹的监测等。目前HY-1C卫星AIS载荷数据已经纳入了用户业务化运行体制。

5 结束语

本文介绍了星载AIS分系统及其在HY-1C/D卫星上的应用并分析了AIS接收机在卫星复杂电磁环境下受到的低频信号的干扰情况。提出重点单机电磁屏蔽、AIS天线方向图优化设计、AIS天线安装位置调整、整星电磁屏蔽实施等方法；用以降低卫星底噪并提升AIS信号到达接收机的入口功率，保证AIS在轨工作性能。地面试验结果和在轨接收的全球船舶信息证明了本文提出方法的有效性。目前卫星AIS载荷的接收灵敏度、接收概率、幅宽等指标均满足用户指标要求，可为未来星载AIS系统的设计、研制和应用提供理论和工程上的参考。