天基VDES 载荷技术研究

杨树树，徐 宁，侯文栋，宋海伟，田 达，冀贞海

（中国航天科工集团8511 研究所，江苏 南京 210007）

0 引言

随着全球经济一体化的进程，航运业蓬勃发展，在航海安全、航海自动化、海洋环境监测、海洋科学研究以及航海通信等领域对高可靠性海上无线通信的需求愈加强烈。船舶自动识别系统（AIS）是国际海事组织大力推广的一种海事交通管制系统，用于实现船岸间以及船舶之间的交管通信。随着近年AIS 设备的广泛应用和航海自动化、智能化的推进，现有的AIS系统信道带宽窄、信息传输可靠性低、通信距离有限等应用瓶颈日益显现［1］。

针对上述问题，国际电信联盟（ITU）、国际航标协会（IALA）和国际海事组织（IMO）分别从频点、应用和规则层面对现有AIS 系统进行“升级”的可行性研究。2013年，IALA 首次提出下一代的海事通信系统——VDES 发展建议，作为AIS 的全面升级系统，VDES 将引入卫星海事移动通信技术实现通信距离拓展，有望解决现有系统存在的各方面问题［2］。相比于AIS 系统，VDES 系统的通信业务种类更加丰富，在原来广播信道基础上增加了特殊应用报文（ASM）和宽带甚高频数据交换（VDE）的通信信道，三者共同配合来提高海事船舶通信的数据传输能力［3］。

VDES 是一项正在发展中的技术，国内外都在积极参与和推动相关技术标准制定和系统技术研发工作；开展天基VDES 载荷技术研究对保障海上航行安全、全球航海信息资源利用与共享、海上经济发展、国防建设服务等方面具有重要的意义。本文主要对天基VDES 载荷技术进行研究，简要介绍了VDES 的系统主要特点，对卫星环境下VDES 载荷面临的特殊问题进行分析，在此基础上提出了小卫星VDES 载荷系统初步方案。

1 VDES 系统概述

1.1 系统架构

VDES 主要实现天基、地（岸）基、船舶3 大部分之间的信息传输与交换，极大地拓展了海事通信信息传输能力。VDES 采用了“天地海”一体化的系统架构，如图1 所示。其中，“天”指由卫星空间段作为主要节点的天基网络；“地”是指由地面基站、卫星地面站、信息服务中心等节点组成的岸基网络；“海”是指船舶和浮标等各类终端节点组成的海上网络［4］。

在此系统架构下，船舶可以广播自身位置信息，并与在通信范围内的其他船舶交换数据信息。此外，船舶还可通过与附近的浮标通信，获取直接通联范围之外的船舶分布情况。当船舶距陆地较远时，可以通过卫星来实现与岸站之间或远距离船间的通信。

1.2 功能和频率规划

ITU 根据IALA 在2013年提出 发展VDES 建议的基础上，于2015年10月正式发布了VDES 推荐标准ITU-R M.2092-0 建议书——《VHF 水上移动频段中VDES 的技术特性》，提出了如图2 所示的VDES 系统功能和频率使用规划［5］。

图2 VDES 系统功能和频率使用规划

VDES 划分了18 个海上通信信道：2 个AIS信道、2 个ASM信道、12个VDE信道和2个卫星监测AIS 信道。AIS 信道继续承担与航行安全相关的消息的传输；ASM 信道用于传输特殊应用报文，诸如水纹、天气和危险货物指示等；VDE 信道按照链路方向可分为上行链路和下行链路，其中每个方向链路又分为4 个25 kHz（可合并为100 kHz）的VDE1信道和2个25 kHz（可合并为50 kHz）的VDE2信道；卫星监测AIS 信道主要用于传输远距离的AIS 报文。

为了提高单位频带的通信传输速率并适应不同业务特点，VDES 采用GMSK、QPSK、8PSK、16QAM等相结合的调制方式，在不显著增加信道带宽的情况下，实现了9.6～307.2 kbps 的通信速率，最高通信速率为AIS 系统的32 倍，可而满足海上用户的不同需求。

VDES 频率使用和相关技术特性如表1 所示。

表1 VDES 频率使用和技术特性

2 天基VDES 系统面临的特殊问题

天基VDES 载荷主要实现地/海面AIS（包括远距离AIS）、ASM、VDE 上行信号接收以及VDE 下行信号发射。与地面VDES 系统处理不同，天基VDES 系统必须考虑同信道干扰、多普勒效应、传输延时、极化旋转、地面无线电干扰、发射干扰抑制等特殊问题。

2.1 同信道干扰

VDES 是一种采用TDMA 现代通讯技术的系统，该系统采用UTC 时间同步，将每分钟划分为2 250 个时隙，每个时隙为26.67 ms，不同船舶占据不同时隙进行通信（TDMA），如图3 所示。

图3 VDES 系统的TDMA 数据帧时序关系

卫星VDES 系统覆盖范围广，通常包含多个TDMA 子网络，来自不同子网络的多个信号有可能在同一时隙到达卫星接收机，从而产生信号碰撞现象；船舶密度越高、卫星接收天线波束越宽，发生碰撞的概率越高，这些时隙碰撞信号形成了同信道干扰，导致接收机解调时的帧错误率大大增加，以致丢失船舶信息。

2.2 多普勒效应

在VDES 的卫星链路中，船舶与卫星之间的高速相对运动使得卫星接收信号产生较为显著的多普勒频移，从而给接收机带来载频同步问题。对于典型LEO 轨道，VDES 信号的多普勒频偏在±4 kHz 以内，远远超出地面接收的频偏范围，这意味着在卫星接收VDES 信号必须具有较大的频偏适应能力。图4 为典型LEO 轨道不同仰角时的频偏曲线。

图4 典型LEO 轨道多普勒效应

2.3 传输延时

卫星轨道高度决定了地面信号的传输距离，对一个600 km 轨道高度的LEO 而言，最小距离等于轨道高度，即最小距离为600 km，最大距离为卫星与地球的切线方向，最大距离为2 830 km；传输距离决定了信号的传输延时，对于典型600 km 轨道高度的卫星，VDES 信号的传输延时范围为2～9.4 ms，如图5 所示。与地面应用相比，卫星接收系统的突发捕获窗时间会更长。

图5 传输延时

2.4 极化旋转

由于VHF 频段星地链路传输的法拉第效应显著，法拉第旋转角度与频率的关系如表2 所示。地面VDES 系统发射线极化信号经电离层传播至卫星接收天线，极化方向偏转产生较大的不确定性，因此难以实现极化匹配接收，卫星接收系统的灵敏度设计必须考虑极化损耗。

表2 法拉第旋转角度与频率的关系

2.5 地面无线电干扰

VDES 信号到达卫星接收机时，容易受到地面VHF 频段无线电的干扰，如海事移动业务VHF 公用通信站、陆基移动电台等邻近信道的大功率辐射的能量综合叠加，要求卫星接收系统具有更好的线性和频率选择性。

2.6 发射干扰抑制

卫星VDES 系统的VDE 下行发射信道与AIS/ASM 上行接收信道相邻，VDES 具体信道分配见表1。如果VDE 下行发射的带外抑制不达标，杂散电平不能得到有效控制，就容易造成接收通道的阻塞，使得AIS/ASM 接收通道不能正常工作，发射机邻信道干扰抑制及杂散要求如表3 所示，因此卫星VDES 系统必须考虑邻近信道发射干扰抑制的问题。

3 天基VDES 载荷系统初步设想

小卫星平台对有效载荷技术提出了较高的要求，在确保系统总体性能指标的前提下，尽可能采用小型化、轻型化设计，提高电路设备集成度以及模块的复用性，减小有效载荷的体积、质量，以满足平台的需要。

针对天基VDES 系统面临的特殊问题以及载荷轻小型的设计要求，载荷样机采用软件无线电设计思路，采用射频直接带通采样方案，减少变频环节及由此带来的非线性效应，降低射频前端复杂度，进而降低载荷的体积、质量。天基VDES 载荷组成如图6 所示，主要包括AIS/ASM 宽波束接收天线、VDE 高增益收/发天线、射频前端、多功能VDES 收/发处理单元。

图6 天基VDES 载荷组成

3.1 天线

为了保证AIS/ASM 上行接收与VDE 通信同时工作，载荷采用2 副天线。AIS/ASM 天线采用常规的鞭状天线，VDE 天线采用圆极化八木天线。VDE 天线指向地球切线方向，如图7 所示，可实现低仰角覆盖，同时降低了对星上发射功率的需求。

图7 VDE 收/发天线指向

3.2 射频前端

射频前端提供2 路的接收通道以及1 路发射通道，实现对上行接收信号的滤波、放大等调理，以及对下行发射信号的滤波、功率放大。射频前端设计中需要重点关注系统噪声系数、收发通道隔离度、带外干扰信号抑制、电路的小型化设计等方面。

3.3 多功能VDES 收/发处理单元

多功能VDES 收/发处理单元采用一体化设计，能够同时实现对AIS、ASM，VDE 上行信号的接收处理，以及实现VDE 下行发射信号的信道编码、基带调制；并且能够根据具体任务需求在轨重构，实现算法软件的在轨升级。

4 结束语

未来涉海活动将更加频繁，对海上安全通信及信息保障的需求将越来越旺盛，研究天基VDES 载荷技术对发展新型卫星侦察装备、全面提升空间信息获取能力具有重要意义。本文对天基VDES 系统面临的特殊问题进行分析，对天基VDES 载荷进行了初步设计。相信随着技术不断发展、研究工作不断深入，VDES 监视卫星应用装备的建设水平必将大幅提高。■