悬空波导环境下AIS信号超视距传播特性分析

赵慧 赵振维 王红光 朱庆林 韩杰 林乐科 孙方 王倩南

（中国电波传播研究所, 青岛 266107）

0 引 言

大气波导是对流层内超短波、微波频段无线电系统信号发生超视距传播的一种重要电波环境[1]。在大气波导环境下，电波可被波导层捕获，以较小的能量损耗传播至远超视距之外的距离[2-5]。信息化系统和装备利用电波这种超视距传播特性可实现远距离探测、通信、侦察等目的[5-10]。在海上大气波导发生概率较高[11-12]，这种异常电波传播会对岸-船、船-船之间的无线电系统的应用产生重要影响[13-15]。

自动识别系统(automatic identification system,AIS)可自动向附近船舶或岸台广播周期性信号，工作频率约为162 MHz，发布的信息包括船舶动态数据、船舶静态数据、船舶航程数据以及与安全相关的短消息数据，主要应用于船舶交通管理、通信、救助、海域捕捞等方面[16-18]。海上船载AIS信号辐射源分布广泛，岸基AIS信号接收设备可接收这些数量众多的辐射源信号，进行解码处理后获得丰富的岸船链路传播数据，为海上电波传播研究提供数据基础。

近年来，张利军等[19]基于AIS试验数据，采用粒子群优化算法初步实现了低空大气波导的反演。Han等[20]基于AIS数据提出了用神经网络方法反演低空大气波导参数方法，并验证了反演方法的有效性。基于AIS数据开展大气波导反演研究并进一步推进大气波导监测应用，使这种高时空分辨率的大气波导反演监测新技术处于不断发展和完善之中。掌握不同类型的大气波导环境下AIS信号传播的超视距特性有助于提高大气波导反演的准确性。目前，悬空波导作为大气波导的重要类型之一，定量分析其对AIS信号传播的影响研究亟待进一步深入开展。

基于抛物方程(parabolic equation, PE)的对流层电波传播确定性方法是电波传播预测的重要手段[21]。Leontovich和Fock[22]于1946年提出PE，Dockery等[23]首次将其用于求解对流层电波传播问题，之后学者们[24-25]对PE法进行了不断改进和完善。国内康士峰[26]、郭凯凯[27]等利用PE模拟大气波导环境中的电波传播过程，研究了不同类型大气波导对雷达等装备的影响。基于PE的电波传播确定性方法已发展得较为成熟，在复杂环境下的电波传播应用中取得了很好的效果。

本文基于探空数据构建悬空波导个例模型，利用基于PE的对流层确定性电波传播算法模拟AIS信号传播，定量分析了不同高度和强度悬空波导对AIS信号的影响范围，并给出了复合悬空波导环境下AIS信号超视距传播特性。

1 理论方法

1.1 悬空波导

大气波导是发生在对流层内的一种超折射现象，具有一定水平扩展性和垂直分布不均匀性。大气修正折射率是描述大气不均匀性的物理参数，其垂直梯度为负时的大气层结为大气波导。

大气修正折射率

式中：P为大气压强，hPa；e为水汽的分压，MPa；T为绝对温度，K；h为海拔高度，m。其垂直梯度表达式为[4]

悬空波导是大气波导的主要类型之一。当大气波导底高高于地表面时定义为悬空波导 (或抬升波导) ，主要由平流、下沉、辐射冷却等大气状态变化过程引起[4]。

悬空波导结构可由表征波导高度、厚度以及强度等的特征参数进行描述，结构如图1所示，其中htop为波导顶高，hbottom为波导底高，hb为波导层底高，dh为波导厚度，∆d为波导层厚度， ∆M为波导强度。

图1 悬空波导结构示意图Fig.1 Schematic of elevated duct structure

1.2 超视距传播

悬空波导对电磁波的影响频段较宽，频段范围覆盖VHF~Ka频段 (30 MHz~40 GHz) 。AIS信号频率162 MHz，当发生悬空波导时，AIS信号可能发生传播距离达数百千米的对流层超视距传播现象。大气波导传播是电波发生超视距效应的重要机制。

无线电系统中，视距为标准大气条件下的地平线距离，一般将大于视距的距离视作超视距。标准大气条件下，视距可由收发天线离地高度近似得到。在AIS系统设计中，本文将收发天线高度分别设置为10 m和25 m，由视距计算公式得视距约为34 km， AIS信号距离大于该值时为超视距传播。

1.3 对流层电波传播确定性方法

本文电波传播数值模拟采用PE法，该方法将波动方程近似为PE，进而求解空间传播场，适用于全波段，传播方向在一定角度内，可满足复杂大气环境和下垫面条件下的计算。

电波传播前向PE表达式为[28]

式中：u(x,z)为场函数，x和z分别为波传播方向和垂直方向；k为波数；修正折射指数m(x,z)=nexp(z/a)，n为大气折射指数，a为地球半径。

通过求解PE得到场u(x,z)，进而得到传播路径损耗为

式中：x为传播距离；λ为波长。

对流层电波传播确定性方法为首先由数值预报或者探空等方式获取大气修正折射率作为输入的环境剖面，然后求解PE得到场值，最后利用场值计算传播损耗。

2 悬空波导环境分析

2.1 悬空波导发生概率

本文统计了国家气象局上海探空站(121.44°E，31.39°N) 2021-04-01—12-31期间每天08:00LT和20:00LT共计252天波导的发生情况。低空大气波导和悬空波导发生概率统计结果见表1。可以看出，发生低空波导的概率为83%，发生悬空波导的概率为58%。根据相关文献统计结果[29]，上海站发生悬空波导的频次较高。

表1 上海站2021-04-01—12-31波导发生概率统计Tab.1 Occurrence probability statistics of low atmospheric ducts at Shanghai Station 2021-04-01—12-31

2.2 悬空波导特征分析

本文基于探空数据诊断的悬空波导特征参数，分析悬空波导结构特征。表2为利用2021-10-03—04T08:00LT和20:00LT上海探空站实测数据诊断得到的悬空波导特征参数。

表2 基于上海站探空数据的悬空波导特征参数Tab.2 Parameters of elevated duct from sounding data at Shanghai Station

2021-10-03 —04T08:00LT和20:00LT探空实测结果如图2所示。可以看出，四个图中均出现悬空波导，2021-10-03T08:00LT和10-04T20:00LT波导诊断结果均为单一的悬空波导结构，2021-10-03T20:00LT和10-04T08:00LT波导诊断结果为两个相近的悬空波导复合结构。

图2 基于上海站探空数据诊断的悬空波导Fig.2 Elevated duct from sounding data diagnosis at Shanghai Station

3 试验与验证分析

本文利用AIS信号观测试验结果对基于PE的确定性电波传播模拟方法进行验证。试验地点为上海（121.95°E，31.55°N）。通过中国电波传播研究所自主研制的接收机接收海上船载AIS设备向外广播的AIS消息，获取岸船AIS链路的传播数据。试验系统配置参数如表3所示。图3为上海AIS信号接收示意图。

图3 AIS信号接收分布示意图Fig.3 Schematic of AIS signal distribution

对试验获取的AIS信号电平，利用下式得到实测传播损耗：

式中：Lf为实测路径传播损耗，dB；Pt和Pr分别为发射功率和接收功率，dBm；Gt和Gr分别为发射增益和接收增益， dB；Ga为接收端天线放大器增益，dB；Lline为包括线缆损耗在内的各项损耗之和，dB。AIS允许的最大传播损耗为171 dB。

将2021-10-03T08:00LT上海站探空数据得到的大气环境剖面作为输入剖面，利用确定性电波传播算法对AIS信号传播过程进行数值模拟。接收天线高度为25 m，AIS实测信号传播损耗和模拟传播损耗如图4所示。考虑到探空放球上升时间，AIS实测信号近似取2021-10-03T08:00—09:00LT的全方位数据。根据表2可知，10-03T08:00LT存在波导强度达50 M单位的强悬空波导，AIS接收站接收的最远距离约为760 km，其传播损耗模拟曲线与AIS实测信号变化趋势在250 km距离内的一致性较好，验证了模拟算法的可靠性；随接收距离增大，基于探空环境的PE模拟传播损耗结果与AIS实测结果出现偏差，可能是由于大气环境的水平不均匀性影响造成的。

图4 上海站2021-10-03T08:00—09:00LT AIS实测和模拟传播损耗对比Fig.4 Comparison of AIS measured and simulated propagation loss at Shanghai Station 2021-10-03T08:00—09:00LT

4 悬空波导超视距效应

4.1 影响范围

结合AIS接收性能影响程度（接收损耗应小于AIS允许的最大损耗），通过定量分析悬空波导环境下传播损耗相对于标准大气环境下传播损耗的差异，探讨不同悬空波导环境对AIS信号传播的影响范围。

图5为2021-10-03—04T08:00LT和20:00LT基于探空环境剖面与标准大气条件下的PE模拟传播损耗差异分布。结合表2中探空诊断的悬空波导特征参数，从图5(a)中可以看出，2021-10-03T08:00LT为波导高度较低但较厚较强的悬空波导传播环境 (波导底高为7 m，波导厚度为641 m，波导强度为50 M单位) ，与标准大气对比，传播损耗相对变化最大可达33 dB，该悬空波导引起的AIS信号传播损耗异常明显，主要分布在波导层内及其上方，影响距离可达900 km。

图5 上海站悬空波导环境与标准大气环境下的PE传播损耗差异Fig.5 Difference of PE propagation loss between elevated duct and standard atmospheric environment at Shanghai station

图5(b)中，2021-10-03T20:00LT为强度相近的双层复合悬空波导环境 (上层波导强度为16 M单位，下层波导强度为19 M单位) ，波导较厚 (上层波导厚度为644 m，下层波导厚度为414 m) ，上层和下层波导底高分别为567 m和395 m，传播损耗相对变化最大为17 dB，损耗异常主要分布在300 km距离以内以及上空。

图5(c)中，2021-10-04T08:00LT仍为双层复合悬空波导，但下层波导强度较弱且厚度较薄 (强度为2 M单位，厚度为123 m) ，上层波导强度、厚度和波导底高与2021-10-03T20:00LT上层波导相近 (即强度为14 M单位，波导厚度为539 m，波导底高约为550 m) ，传播损耗相对变化最大14 dB，损耗异常主要分布在280 km距离以内。

图5(d)中，2021-10-04T20:00LT为一个较高较厚较强的悬空波导 (波导底高为784 m，强度为33 M单位，波导厚度为568 m) ，传播损耗相对变化最大11 dB，损耗异常主要分布在300 km距离以内，负异常可能是由选取的标准大气环境模型偏差引起的。

针对以上结果分析可知，这些悬空波导个例的波导厚度为500~650 m，均比较厚。位置低、强度大的悬空波导对AIS信号传播具有明显影响，影响距离远至900 km；底高在400~600 m高度范围内、中等强度 (约十几M单位) 的悬空波导对AIS信号传播的影响距离在300 km以内；底高在700~800 m高度范围内的强悬空波导环境下，AIS信号传播也会受到环境的影响，影响距离在300 km以内。

4.2 复合悬空波导超视距传播特性

为分析复合悬空波导环境对AIS信号传播的影响，本文基于2021-10-03T20:00LT图2(b)中双层复合悬空波导模型，设置了三种悬空波导环境作对比，如图6所示，分别为：1) 上悬空波导模型，取复合悬空波导模型的上层悬空波导层，如(a)中红色虚线所示；2) 下悬空波导模型，取复合悬空波导模型的下层悬空波导层，如(b)中红色虚线所示；3) 单一悬空波导模型，由复合悬空波导模型中两层波导合并而成，如(c)中红色虚线所示，黑色虚线表示双层复合悬空波导模型。

图6 悬空波导模型Fig.6 Elevated duct models

基于以上四种悬空波导环境模型，利用确定性电波传播模型数值模拟AIS信号传播，高度25 m时传播损耗随距离的变化如图7所示。可以看出：距离在150 km范围内时，复合悬空波导和下悬空波导环境下传播损耗曲线变化较为一致；距离大于150 km时，复合悬空波导和上悬空波导环境下传播损耗曲线变化一致性较好。表明下悬空波导层主要在近距离处起主导作用，上悬空波导层主要影响远距离处的AIS信号传播。

图7 不同悬空波导环境下AIS信号传播损耗变化 (高度25 m)Fig.7 Variation of AIS signal propagation loss under different elevated duct environments (height at 25 m)

当无法分辨两个高度相近的悬空波导层而将其近似作为一个单一悬空波导层时（如6(c)所示），距离在80 km以内时，其传播损耗曲线与复合悬空波导环境下近似：距离为80~110 km时，与复合悬空波导环境下差异明显，较接近上悬空波导环境下的传播损耗；距离为110~150 km时，与复合悬空波导环境下传播损耗曲线变化较为一致；距离超过160 km时，相对接近下悬空波导环境下的传播损耗。整体上来看，单一悬空波导环境下传播损耗曲线衰落深度较大，与复合悬空波导相比，两者传播损耗在远距离处存在较为明显的差异。

图8为单一悬空波导环境传播损耗相对标准大气条件下的变化分布。与图5(b)对比可知，复合悬空波导环境引起的传播损耗差异更明显，表明复合悬空波导环境比单一悬空波导环境对AIS信号传播的影响更大。

图8 单一悬空波导环境下传播损耗相对变化Fig.8 Relative variation of propagation loss in single elevated duct environment

5 结 论

本文基于探空数据获得悬空波导个例特征，利用确定性电波算法探讨了悬空波导环境下的AIS信号超视距传播效应。结果表明：1) 波导强度为50 M单位且底高约为7 m的悬空波导对AIS信号传播影响较大，底高700 m以上但强度较大的悬空波导也会对AIS信号传播产生影响；2) 通过对复合双层悬空波导个例的分析发现下悬空波导层主要在近距离处起主导作用，上悬空波导层主要影响远距离处的AIS信号传播；3) 复合悬空波导环境比单一悬空波导环境对AIS信号传播的影响更大。

本文仅以单点环境为例，且分析个例有限，下一步将采用数值预报数据开展大气环境对AIS信号传播的影响。以上结果可为大气波导的监测和反演提供重要支持，也可作为无线电系统设计及装备效应评估的理论参考。