海事物聯網中多波束衛星天線的實現機制

白勝美，李洪星，李 屹，方 莉，陳 萍

(1.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876； 2.上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

海事物聯網技術的廣泛應用為船舶管控、狀態監測和環境探測等提供了全新模式。當前海事物聯網的數據通信技術通常基于IEEE 802.11協議族，其通信距離短，一般僅限于船舶內部使用，大大限制了海事物聯網技術在廣闊海域船舶之間的應用。船舶自動識別系統[1-2](Automatic Identification System,AIS)利用衛星通信和自組織時分多址技術[3]實現海事安全通信，其覆蓋范圍廣，適用場景多，是構建海事物聯網信息平臺的關鍵技術之一。然而，AIS系統采用單點覆蓋天線技術，以很大的輻射角度覆蓋地面區域，邊緣處功率損失較為嚴重。若采用多天線技術保證網絡的高吞吐量，則又存在系統造價昂貴，衛星負荷嚴重，仍存在諸多問題亟待解決。

20世紀60年代以來，多波束天線技術在衛星通信系統中受到廣泛關注，逐步成為改進衛星通信系統性能的一項關鍵技術[4]。文獻[5]研究了衛星相控陣多波束天線，以其六邊形陣列天線布局，很大程度降低了輻射單元，節省了硬件資源，但是因其波束單元運算復雜，成形技術不夠成熟，導致系統不夠穩定。文獻[6]提出了陣潰反射面多波束天線在衛星系統的賦形技術，可有效利用頻譜資源，提高衛星信號的功率利用率，但是賦形波束較為靈敏，受潰源陣口徑面影響較大，適用于波束數量較多的系統，不適用于AIS系統。文獻[7]針對多波束天線技術應用到AIS接收機系統中的情況進行了理論分析，但從波束成型[8]到信號接收都只是提供了定性的描述，沒有定量的分析和仿真數據驗證多波束天線技術的優勢。

鑒于上述問題及多波束天線在衛星通信系統不同場景下的應用現狀[9]，本文提出一種應用到AIS系統中的多波束天線實現機制，定量研究并驗證多波束天線技術對AIS系統性能的提高。多波束天線技術，可有效減少天線個數，縮小天線張角，并以高增益覆蓋較大的面區域，各點波束以相互獨立的頻率進行信號接收，有效降低波束間船舶信號的沖突，實現波束空間隔離和極化隔離，以提高船舶檢測概率。

1 多波束覆蓋

多波束天線是能產生多個點波束的天線，單個或者多個點波束共同作用覆蓋指定區域。各點波束之間采用相互獨立的頻點接收信號，或者在點波束相距足夠遠時，實現頻率復用，有效避免各點波束內船舶信號之間的沖突，從而提高檢測概率。

不同應用場景，衛星多波束天線對地面的覆蓋方式也不同，可根據覆蓋場景的情況大致分成4種情況[11-12]：① 由點波束覆蓋每一個分散區域，覆蓋區域由多個分散區域組成，各點波束接收信號頻點不同。多個分散區域的覆蓋情況如圖1(a)所示。② 由多個點波束共同覆蓋一個集中區域，可能存在波束重疊，但是各點波束接收信號的頻點相互獨立，覆蓋情況如圖1(b)所示。③ 由點波束覆蓋每一個分散區域，且各分散區域足夠遠，可實現各點波束間頻率復用，覆蓋情況如圖1(c)所示。④ 由多個點波束共同覆蓋一個集中區域，可能存在波束重疊，但是由于覆蓋區域廣，距離足夠遠的點波束之間可實現頻率復用，覆蓋情況如圖1(d)所示。綜上4種情況的示意圖如圖1所示。

衛星上使用多波束天線可以通過各點波束以相對獨立的頻點接收信號，有效避免波束之間反射信號的沖突問題。AIS利用單點覆蓋天線接收信號時，星下視角相對點波束視角大得多，導致非同步衛星系統增益很小，靠近衛星覆蓋區域邊界處的船舶信號功率嚴重損失[13]，因此，為了提高星載天線的增益，縮小天線輻射張角，而采用多波束天線技術以“填滿”整個服務區。鑒于AIS系統覆蓋區域的特征以及頻點資源，采用圖1(b)的覆蓋方式。

圖1 波束排列情況

2 多波束設計原理

在AIS系統中，衛星接收船載AIS設備發送的信號，船舶分布的疏密會直接影響發送信號的時隙分配，影響信號的解調效果，從而影響船舶的檢測概率。因此，有必要對衛星觀測區域內的船舶分布進行合理的分析。

2.1 船舶分布模型

直徑40 n mile 范圍稱為自組織小區[14]。對自組織小區內船舶發送的信號，可自組織分配時隙，有效避免時隙沖突。衛星觀測區域內包含的自組織小區數量的計算方法，以衛星高度600 km為例，如圖2所示。

圖2 衛星掃描范圍示意圖

其中，AC為衛星距離地面的高度等于600 km，OD為衛星的觀測半徑，等于6 371 km。且觀測半徑等于衛星到地球的切線AB與衛星到地面的垂線AC之間的弧度BC的長度，于是衛星的觀測半徑Rs計算為：

式中，Re為地球半徑6 371 km，h為衛星距離地面的高度600 km。計算得Rs為2 662.66 km，約為1 438 n mile。每個自組織小區的半徑為20 n mile，由此可算出衛星觀測范圍的半徑約為小區半徑的72倍。

2.2 四波束設計方案

以自組織小區為單位，將AIS系統覆蓋區域進行四波束劃分[15]，如圖3所示。

范圍A(陰影圓部分)是衛星的觀測范圍，范圍B(虛線方形區域)表示仿真中所取到的衛星觀測范圍，即衛星實際觀測范圍的外切正方形。根據半徑選取原則，將處于范圍A與范圍B之間區域的小區內船舶數置零。采用波束技術覆蓋衛星觀測范圍時，盡可能無丟失地接收衛星覆蓋區域內船舶發送的信號。這樣一來，點波束覆蓋范圍之間會發生重疊，從而導致部分船舶發送的信號被多個波束分別接收并解調。但由于相鄰波束間不同頻，所以接收到不同頻率點波束內船舶的信號不會造成沖突干擾。

四波束劃分如圖3中C1、C2、C3、C4。由于衛星覆蓋最大區域為A，所以波束覆蓋范圍落在A外側的區域并未覆蓋地球表面。故而點波束C1覆蓋的小區范圍相當于范圍D(深色部分)所覆蓋區域，其中范圍E是仿真模型中點波束的覆蓋范圍。

圖3 四波束的劃分范圍

3 AIS系統中四波束模擬源設計

根據衛星的位置信息，包括衛星的經緯度、高度等參數，仿真生成衛星覆蓋區域下，船舶在每個小區內的分布情況，各小區的位置參數(經緯度等)。首先需要求取衛星觀測范圍內船舶個數，從而可以仿真生成所有船舶發送信號[16]。本文采用生成隨機數的方法生成船舶信號。

取圖3的1/4部分進行研究，如圖4所示。圓形區域為點波束，故而其內接正方形的邊長等于2*AB=36，AB等于18。由幾何關系得出：AC=AD≈26，BC=AC-AB≈8。故而，4個點波束的覆蓋范圍如圖5所示。

圖4 仿真中四波束劃分圖

圖5 4個點波束的覆蓋范圍

深色部分就是點波束實際覆蓋的區域。根據各點波束所覆蓋的小區編號，取出對應小區內船舶號，并獲取對應船舶號生成的船載AIS數據，以及點波束內每個小區的船舶分布情況。

根據點波束內船舶的分布情況，可以求得波束覆蓋區域內的船舶參數，如功率、頻偏、時延和DOA。根據衛星覆蓋區域內的船舶分布情況，組織海域船舶發送信息時隙。進一步，根據小區所在波束，選取發送頻率，并對各點波束內船舶發送的信息進行接收。最后進行AIS調制，先將船舶待發送的數據進行GMSK調制[17-18]，再將調制后的信號與信號時隙分配表、信道時延等進行疊加，發送AIS信號到接收端進行接收。

4 仿真結果

為了便于分析和軟件仿真，將每個自組織小區簡化近似為40 n mile*40 n mile的正方形區域。這種簡化方法以自組織小區為單位存儲信息，可以將所有自組織小區的位置信息存儲在一個矩陣中，便于統計船舶的位置信息，也便于計算各小區船舶信號到達衛星AIS的功率、頻偏、時延和DOA等。

仿真觀測時間t=10 s、20 s、60 s、90 s、120 s，船舶個數為2 000、3 000、4 000 艘。仿真給出了單天線、雙天線、兩波束和四波束時的檢測概率，具體如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 船舶為2 000艘的檢測概率

圖7 船舶為3 000艘時的檢測概率

圖8 船舶為4 000艘時的檢測概率

仿真結果分析如下：

① 同一觀測時間，相同船舶數，四波束比兩波束降低了波束間船舶信息的沖突，所以檢測概率較高；

② 同一觀測時間，天線類型固定時，船舶數越多，信號沖突越嚴重，檢測概率越低；

③ 船舶數相同，天線類型固定，觀測時間越長，同一艘船被成功解調的概率越高；

④ 船舶數為2 000艘時，由于沖突數相對較少，雙天線解調概率會高于兩波束解調概率；隨著船舶數量增加，船舶數為3 000艘，沖突數增加，此時雙天線和兩波束的性能隨觀測時間不同互有上下；當船舶數為4 000艘時，沖突數加劇，兩波束相對兩天線解沖突的優勢顯現出來，獲得了較高的檢測概率。

5 結束語

本文面向海事物聯網應用，提出AIS 系統中一種多波束天線技術的實現機制。仿真表明：四波束的解調性能可與兩天線系統相比擬。單天線多波束機制減少了天線的個數，降低了造價，實現更為容易，同時由于點波束內部的小區數量相對減少，從而在較大程度上減少了沖突， 且在船舶數量增多時，多波束天線抗沖突性能尤為明顯。

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