海洋卫星AIS载荷设计与验证
2022-06-02侯旭涛李青松张佳培
侯旭涛,李青松,张佳培,何 程,任 文,张 弛
(1.天津航天中为数据系统科技有限公司，天津300000;2.航天恒星科技有限公司，北京100095;3.中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)
0 引言
船舶自动识别系统(automatic identification system，AIS)是一种船舶防碰撞系统[1]。国际上提出了星地一体化AIS系统[2]，将卫星AIS系统与岸基AIS系统进行融合，提供覆盖全球的实时船舶运行状态监视，为航道管理、渔业管理、应急抢险、船舶追踪等提供信息支撑。国外对卫星AIS系统研究较早，挪威、德国、加拿大等国家都曾发射搭载AIS载荷的卫星或小型星座，验证了卫星AIS系统的可行性[3]，部分国家实施了基于卫星星座的AIS全球星基监视系统建设，如ExactEarth、Orbcomm等已实现全球AIS商业数据服务运营[4-5]。我国岸基AIS系统较为完善，近年来国内启动了卫星AIS系统研究及技术试验，天拓一号卫星于2012年5月发射并绘制完成我国第一张全球船舶AIS海图，海洋一号C/D、海洋2B等卫星均配备了AIS载荷并在轨运行[6]。
AIS采用自组网TDMA体制，由于卫星AIS覆盖幅宽大，导致AIS信号碰撞严重，在中国东南近海船舶密度较大的海域，卫星AIS无法接收船舶AIS信号[7]。
AIS工作在160 MHz左右VHF频段，多数卫星平台研制过程对AIS频段EMC特性研究及控制不足导致卫星在该频段电磁环境复杂，传统处理方式为卫星平台设备优化降低AIS频段电磁辐射或对卫星泄露点进行包裹封堵处理等，如海洋一号C/D卫星对新研类单机进行EMC加严，对整星电缆进行屏蔽包裹，对星体多处孔、缝进行封堵[8]，工程实施代价较大。
因此，用户及卫星总体提出了海洋二号C卫星AIS提升对卫星电磁环境适应性及突破中国近海海域卫星AIS接收屏障的要求，降低卫星实施AIS频段电磁环境净化代价，提升AIS系统应用效能。
1 效能提升方法分析
分析星基AIS监视效能提升方法[9-14]，考虑各方法的适用性、可行性、经济性，从AIS载荷设计入手，综合使用“阵列天线设计、抗卫星电磁干扰设计、低信噪比解调设计”方法，提升AIS载荷效能,具体方法及实施途径如表1所列。
表1 星基AIS监视效能提升方法分析
2 优化措施
2.1 天线设计
通过双单极子天线组阵，并结合星体布局形成对地高增益∞形窄波束覆盖，达到减小AIS天线对地覆盖面积目的。相比使用单个单极子天线，使用组阵天线对地同等增益覆盖区面积减小20%，有效降低覆盖区内船舶数量、降低AIS信号碰撞概率。
双单极子组阵天线RM星方向图测试如图1所示：
1)满足垂直卫星运动方向对地20°<|θ|<50°覆盖要求同时，减小平行卫星运动方向对地覆盖面积，有效减小天线对地覆盖面积。
2)垂直卫星运动20°<|θ|<50°方向天线增益大于1.5 dBi，|θ|<20°或|θ|>50°方向增益下降较快，形成高增益梯度，有效降低低增益覆盖区信号碰撞影响。
图1 AIS天线RM星测试方向图Fig.1 Orientation of AIS antenna for RM test
2.2 基带处理设计
AIS基带处理算法主要由AD采样、信号捕获、帧头定位、频偏估计与补偿、解调等主要功能模块构成，基带信号处理流程如图2所示。
图2 AIS基带处理流程Fig.2 AIS baseband processing flow
主要模块功能：
1)信号捕获模块：AIS信号捕获，具备较好的低信噪比信号捕获能力，降低因卫星AIS频段电磁干扰导致的AIS信号错捕、漏捕概率。
2)帧头定位模块：AIS信号帧头定位，具备高低功率信号碰撞模式下高功率信号帧头筛选定位能力。
3)频偏估计补偿模块：AIS信号频偏估计与补偿，具备低信噪比信号频偏准确估计能力，确保相干解调算法性能。
2.2.1 抗电磁干扰捕获设计
AIS传输报文格式如图3所示。
图3 AIS报文格式Fig.3 Format of AIS packet
考虑同步序列由24 bit交替的0、1组成，起始标志为固定0x7E。AIS信号采用NRZI编码，同步序列编码后为00、11序列，在实施输入信号功率监测同时，充分挖掘编码后AIS同步序列4T、2T(T为单bit时长)周期特性，通过功率、4T周期、2T周期联合判决后判定AIS信号捕获。因卫星电磁干扰形态为单频点、多频点随机性干扰，不具备自相关性，利用相关判决可有效降低卫星电磁干扰影响。
1)功率判决
判决方法如下：
(1)
(2)
SN>X×Mdp
(3)
式中：SN为连续Nbit长度序列的累加功率，Mdp为连续Nbit长度序列的最大功率点，X为判决阈值。
2)4T周期判决
判决方法如下：
(4)
(5)
(6)
式中：g4为连续Nbit长度信号与延迟4T周期信号共轭相乘累加结果，h4为AIS信号在4T码元间隔下第一相关信号能量，Y为判决阈值。
3)半周期判决
判决方法如下：
(7)
(8)
(9)
式中：g2为连续Nbit长度信号与延迟2T周期信号共轭相乘累加结果，h2为AIS信号在2T码元间隔下第一相关信号能量，Z为判决阈值。
联合判决相比单独功率判决，AIS载荷抗卫星电磁干扰性能提升约3 dB。
图4为信号Eb/N0为4 dB时捕获仿真结果，可有效判别AIS信号达到。
图4 AIS信号捕获仿真Fig.4 Simulation of AIS signal capture
2.2.2 低信噪比解调设计
按照AIS天线增益1.5 dBi、灵敏度为-111 dBm@85%计算，卫星在AIS工作频段电磁辐射强度不大于5 dBuV/m，则卫星AIS接收信号Eb/N0最低低于10 dB，常用相干解调、差分解调算法对Eb/N0要求不低于12 dB、15 dB，无法满足解调灵敏度要求。传统GMSK信号适用Viterbi解调又因算法较复杂，工程化实施对基带处理资源要求较高。
综合考虑信号解调算法对信噪比需求、算法性能与基带处理器资源，采用改进的简化相干Viterbi解调算法，算法架构，如图5所示。该算法可实现Eb/N0为5 dB时解包率优于85%，如图6所示。
图5 Viterbi算法架构Fig.5 Architecture of Viterbi algorithm
图6 解调灵敏度分析Fig.6 Analysis of modulation sensitivity
3 在轨验证
2020年9月25日，海洋二号C卫星发射，AIS载荷在轨日均接收AIS报文大于20万条，识别船舶数量2.1万艘，全球船舶AIS位置报告日接收海图如图7所示，其中，在中国近海、地中海、红海、波斯湾、北欧等船舶密度较大地区，具有一定解调能力。
图7 海洋二号C卫星AIS载荷24小时接收全球船舶位置海图Fig.7 Global ships position by AIS with 24 hours for HY-2C satellite
图8 中国近海海域接收效能比对Fig.8 Comparison of reception performance in China offshore
图9 红海、地中海近海海域接收比对Fig.9 Comparison of reception performance in Red Sea, Med
4 结论
海洋二号C卫星AIS载荷使用了阵列天线、抗卫星电磁干扰、低信噪比解调为主的综合性设计，同时卫星层面采取了针对性的电磁干扰控制措施。经卫星地面测试，可实现AIS载荷Eb/N0大于4 dB时无误捕获，Eb/N0为5 dB时解包率优于85%。经在轨验证，AIS载荷可适应卫星各工况电磁环境，突破了无法接收近海近岸海域AIS报文限制，为后续卫星AIS载荷设计与优化提供了较好的参考意义。
