海洋一號C/D衛(wèi)星全球船舶自動識別系統(tǒng)設計與應用

張可立 丁振宇 高杰

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)是一種新型的船舶避撞系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的AIS系統(tǒng)主要由船載AIS收發(fā)機、岸站AIS接收機和數(shù)據(jù)管理中心三個部分組成，是一種基于地面、近海的岸基通信系統(tǒng)。由于岸基AIS接收站對VHF頻段信號接收范圍的局限性，目前的岸基AIS系統(tǒng)只能夠實現(xiàn)內(nèi)河及近海(30海里)海域的船舶監(jiān)控，而對于遠海船舶的運行情況及突發(fā)事件報警信號并不具備偵聽能力。為了解決這一問題，提出了星地一體化AIS系統(tǒng)[2]。這是一種利用衛(wèi)星大幅寬、高重訪特點，AIS接收機系統(tǒng)偵聽、采集和匯總傳輸全球船只AIS信號的新型系統(tǒng)。利用星載AIS系統(tǒng)可以有效提升針對遠洋船只信息的監(jiān)控范圍和監(jiān)控頻次，在航道管理、漁業(yè)資源管理、應急搶險等方面具有重要作用。

海洋一號C/D(HY-1C/D)衛(wèi)星搭載AIS接收機，用于實現(xiàn)全球船舶識別信息的接收、處理。衛(wèi)星與海面船只距離很遠，接收到的船舶信號功率較小。為了實現(xiàn)有效接收，AIS接收機的靈敏度較高。此外，AIS接收機工作在160 MHz左右的VHF頻段，衛(wèi)星在該頻段內(nèi)電磁環(huán)境復雜，容易對AIS接收機的高靈敏度接收造成干擾。為了保證AIS接收機的正常工作，本文在160 MHz附近對衛(wèi)星內(nèi)部的電磁環(huán)境進行分析控制，根據(jù)分析結果，在單機和整星層面采取電磁屏蔽措施，并對AIS天線進行優(yōu)化設計。

1 星地一體化AIS系統(tǒng)

星地一體化AIS系統(tǒng)由地面系統(tǒng)、衛(wèi)星和測控系統(tǒng)3大部分組成。地面系統(tǒng)包括船載AIS收發(fā)機(船舶)、岸基AIS收發(fā)機(AIS基站)、數(shù)據(jù)管理中心(用戶)和數(shù)據(jù)接收站組成，主要負責船舶AIS信號在地面上的收發(fā)、處理和管理工作，數(shù)據(jù)接收站接收衛(wèi)星下傳的船舶報文信息。衛(wèi)星負責接收、解調(diào)、采樣和存儲船舶發(fā)送的AIS信號，并將解調(diào)得到的船舶報文信息通過星地鏈路下傳到數(shù)據(jù)接收站。測控系統(tǒng)負責跟蹤、測量和控制衛(wèi)星。其中，船載AIS收發(fā)機發(fā)送的AIS信號是信息源頭，信號特征如表1所示。

國外AIS衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展途徑按各國實際需求及其衛(wèi)星技術發(fā)展水平主要可分為兩大類：①發(fā)展專用的AIS微小衛(wèi)星，以挪威自主識別系統(tǒng)衛(wèi)星-1(AISSat-1)、德國的魯賓(Rubin)衛(wèi)星系列為典型代表；②通過其他衛(wèi)星搭載AIS載荷，以加拿大的雷達衛(wèi)星星座任務(Radarsat Constellation Mission，RCM)和美國戰(zhàn)術通信衛(wèi)星-2(Tacsat-2)為代表。總的來說，國外在AIS衛(wèi)星系統(tǒng)的研發(fā)方面已有初步的研究成果和實踐基礎，在實踐上驗證了星載AIS接收機的可行性和實用性[3-6]。

表1 AIS系統(tǒng)標準化性能要求

國內(nèi)近年來也開展了AIS衛(wèi)星系統(tǒng)的研究和初步應用[7-12]，其中天拓一號衛(wèi)星于2012年5月10日發(fā)射成功，在軌試驗期內(nèi)，共偵收了4萬余條AIS報文，并繪出我國第一張全球船舶AIS海圖。我國海洋二號衛(wèi)星上也搭載AIS系統(tǒng)，從應用需求上看，發(fā)展星載AIS技術已成為一項極具應用價值的項目。

2 HY-1C/D衛(wèi)星搭載AIS載荷需要解決的問題

由船載AIS發(fā)射機指標可知，其地面發(fā)射功率較小，因此作為星載AIS接收機，必須具有較高的接收靈敏度才能準確的接收地面發(fā)射信號，而衛(wèi)星各電子設備無意輻射的低頻信號對AIS信號的干擾是實現(xiàn)AIS接收機在軌正常應用的關鍵問題，即AIS載荷與整星的電磁兼容(EMC)設計問題。

星載AIS系統(tǒng)接收頻率為160 MHz，屬于較低頻段，而之前衛(wèi)星平臺、載荷設備由于沒有此類低頻段無線接收設備應用，因此對于繼承性較強的平臺和載荷類產(chǎn)品，對低頻段EMC特性研究不足，控制也不足。通過對多顆不同類型小衛(wèi)星的電磁輻射發(fā)射(RE)測試結果(表2)，初步分析了該頻段衛(wèi)星的EMC特性，可以得出以下結論。

(1)無線偵收類衛(wèi)星提供給電磁載荷的視場開口一般較小，有利于整星EMC處理，因此整星的低頻本底噪聲較低；而光學遙感類衛(wèi)星給光學載荷提供的視場開口較大，不利于整星EMC處理，以往也很少針對低頻噪聲進行處理，因此低頻本底噪聲較高，兩者噪聲功率相差約5 dB；

(2)對于AIS接收機，采用海洋1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)，160 MHz附近的噪聲功率譜密度大約為-152 dBm/Hz。

表2 小衛(wèi)星噪聲譜密度匯總

如果按衛(wèi)星噪聲功率譜密度約為-152 dBm/Hz、AIS接收機解調(diào)帶寬4.8 kHz計算，則HY-1C/D衛(wèi)星在AIS接收機帶寬產(chǎn)生的本底噪聲功率為-115.2 dBm。而AIS接收機要滿足一定誤碼率指標情況下對GMSK/FM調(diào)制數(shù)據(jù)的正確解調(diào)，要求信噪比應為15 dB左右，也就是說此時要求地面AIS信號到達星上AIS天線入口處的信號功率不能小于-100.2 dBm。巧合的是，在這一輸入功率下，AIS接收機在782 km的軌道高度上可實現(xiàn)1000 km的海面?zhèn)墒辗鶎?，略?yōu)于950 km的指標要求。因此，為了保證幅寬指標，需要從AIS接收機自身的解調(diào)能力即靈敏度以及衛(wèi)星平臺噪聲這兩個方面進行嚴格要求。在AIS接收機方面，要求在85%解調(diào)概率下的靈敏度低于-100.2 dBm，而實測靈敏度優(yōu)于-112 dBm，滿足解調(diào)要求，并留有一定余量。在衛(wèi)星平臺方面，則必須優(yōu)化整星EMC設計，將衛(wèi)星在160 MHz附近的噪聲功率譜密度嚴格控制在-152 dBm/Hz以下。

3 針對AIS載荷的優(yōu)化設計

針對整星低頻干擾信號抑制的優(yōu)化措施，最為有效的手段就是在單機/分系統(tǒng)設計時就要設定相關的低頻EMC設計要求，保證衛(wèi)星每臺設備低頻輻射指標最低，從而達到整星EMC指標的優(yōu)化。但HY-1C/D衛(wèi)星采用繼承的CAST2000小衛(wèi)星平臺，很難從設備級對成熟產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，同時HY-1C/D衛(wèi)星搭載4臺光學載荷設備，無法像其它電偵類衛(wèi)星一樣進行整星的包覆控制。因此在衛(wèi)星設計時，主要從重點單機EMC屏蔽、天線方向圖優(yōu)化設計、天線安裝位置優(yōu)化設計、整星EMC綜合處理等幾個方面入手滿足AIS載荷在軌對低頻干擾信號的抑制要求，同時開展整星級別的EMC試驗，對最終的優(yōu)化結果進行確認。

1)單機設備的EMC設計要求

HY-1C/D衛(wèi)星C/D類產(chǎn)品均為載荷產(chǎn)品，且載荷安裝處均留有較大的視場開口，是衛(wèi)星低頻信號泄露的關鍵產(chǎn)品，為此衛(wèi)星方根據(jù)相關場強計算結果，對各C/D類產(chǎn)品的EMC指標，特別是輻射發(fā)射測試項第102項(RE102)指標均進行了加嚴控制，如表3所示。載荷設備在進行設計時，對電子設備內(nèi)部晶振的諧波、數(shù)據(jù)傳輸噪聲在100～200 MHz頻段進行了設計和控制，盡量降低此頻段的無意發(fā)射干擾。

表3 星上設備/分系統(tǒng)在軌段無意電場輻射發(fā)射下凹頻段要求

在C/D類產(chǎn)品進行EMC試驗過程中，對160 MHz附近的試驗數(shù)據(jù)進行了分析，對超標的設備在試驗現(xiàn)場通過包覆等處理措施控制了單機的大部分超差項目，對少量無法達標的頻點通過分析，確認了其不落在AIS載荷的解調(diào)帶寬之內(nèi)。

2)天線方向圖設計

提升星載AIS接收機接收概率的另一項措施是提高接收機入口處信號功率。船舶AIS天線通常采用單極子天線，其方向圖特性表現(xiàn)在最大增益不在垂直向上的方向，而是出現(xiàn)在偏離+Z軸(地垂線)約30°～50°方向。因此根據(jù)地面AIS天線方向圖特點，應將星上AIS天線的方向圖進行適當?shù)膬?yōu)化，使星上接收天線方向圖最大增益(主波束)基于星下點偏移角32°～48°，進一步增強接收機入口出的信號功率電平。

HY-1C/D衛(wèi)星采用雙接收機/天線熱備份工作的方式，天線1和天線2分別布置在衛(wèi)星+X側和-X側。在提高AIS接收機在軌可靠度的同時，兩幅天線分時對同一區(qū)域內(nèi)船只信號進行接收解調(diào)，進一步提升對地面船只偵收的概率。為進一步減小信號碰撞概率，在滿足AIS接收機幅寬指標的基礎上，盡量降低+X側天線增益。兩副天線的地面足跡如圖1所示，橫坐標代表俯仰角(偏離星下點垂線角度)，縱坐標代表方位角(偏離衛(wèi)星前進方向角度，順時針為正)。

圖1 兩副AIS天線的地面足跡范圍Fig.1 Footprint on earth of two AIS antennas

3)天線布局設計

AIS星載接收天線的布局，主要考慮3個方面的布局優(yōu)化措施：①要有一定的反射面來實現(xiàn)天線方向圖特性；②與星上其它天線保持一定距離，滿足AIS接收機天線與其它星上射頻天線隔離度指標(測控62 dB，數(shù)傳80 dB)，滿足EMC要求；③盡量遠離衛(wèi)星結構為載荷設備預留的開口，同時利用衛(wèi)星結構阻擋部分星內(nèi)低頻輻射信號對AIS接收機造成的低頻干擾。

為此，HY-1C/D衛(wèi)星將AIS天線分別布置在整星±X側，在滿足天線方向圖的同時，盡量遠離衛(wèi)星+Z載荷艙頂板(頂板有多處光學載荷開口)和衛(wèi)星±Y側板(側板有軸承與功率輸送裝置BAPTA開口)，同時將載荷艙底板沿著衛(wèi)星±X方向適當外延，在滿足其它光學載荷布放要求的同時，對從載荷艙頂板泄露的整星低頻輻射信號具備一定的遮擋作用，進一步降低AIS天線附近的低頻干擾信號強度。天線布局如圖2所示。

4)整星EMC屏蔽處理

為了防止衛(wèi)星內(nèi)部低頻干擾信號的泄露，影響AIS的正常接收，需要嚴格衛(wèi)星的屏蔽設計。衛(wèi)星產(chǎn)生干擾泄漏的路徑，主要是電纜和孔縫，特別HY-1C/D衛(wèi)星由于載荷艙頂板處有大面積的光學載荷開口，對載荷艙電纜的泄露、平臺艙通過孔縫對載荷艙的泄露等需要重點關注。為此在設計和總裝過程中，分別針對整星30根載荷艙低頻電纜、28根平臺艙至載荷艙穿艙低頻電纜、11根星外低頻/高頻穿艙電纜進行了包覆，對整星共23處孔縫進行了封堵處理，并在初樣整星EMC試驗中進行了充分的驗證。

圖3為整星初樣EMC測試結果，其中綠色曲線為整星電纜部分包覆、封堵情況下的整星低頻電場強度，藍色曲線為整星電纜加嚴包覆、封堵情況下的整星低頻電場強度。從圖中可以看出在對整星電纜等進行加嚴EMC處理后，衛(wèi)星低頻噪聲下降了約5 dB，且AIS頻段無超標譜線。

圖3 整星初樣EMC底噪測試結果圖Fig.3 Bottom noise test result in proto-model satellite EMC test

同時在兩種狀態(tài)下對AIS接收機在整星EMC條件下的解調(diào)概率指標進行了測試，結果如表4所示，可以看到經(jīng)過整星EMC加嚴處理，AIS接收機在靈敏度指標下的正確解調(diào)概率可達到90%以上，表明了整星EMC處理的有效性。

按照衛(wèi)星初樣階段EMC試驗結果，在衛(wèi)星正樣階段按照相關整星EMC控制措施對整星進行了處理，整星低頻段底噪如圖4所示，AIS頻段無超標譜線，同時整星條件下AIS接收機解調(diào)概率在靈敏度條件下能夠達到85%以上的指標要求。

表4 衛(wèi)星噪聲譜密度匯總表

圖4 整星正樣EMC底噪測試結果圖Fig.4 Bottom noise test result in flight-model satellite EMC test

4 在軌應用情況

2018年9月7日，HY-1C衛(wèi)星發(fā)射成功。AIS接收機開機后各項遙測功能正常，且能夠正常接收全球船舶AIS數(shù)據(jù)。AIS接收機雙機在軌24 h工作，根據(jù)在軌遙測統(tǒng)計，接收機A機平均每圈解調(diào)12 235條，接收機B機平均每圈解調(diào)10 944條。三周內(nèi)接收到的全球船只AIS信息如圖5所示,圖中每個綠點代表一艘船。

圖5 HY-1C衛(wèi)星三周內(nèi)收到的全球AIS船只信息Fig.5 Global ship AIS information received by HY-1C satellite within 3 weeks

同時用戶根據(jù)接收到的AIS信息進行分類處理，對全球油輪、客輪、拖船等不同船只的航向、航跡等進行了分類監(jiān)測，對南北極航道的船只的監(jiān)測，以及針對某重點船只的航跡的監(jiān)測等。目前HY-1C衛(wèi)星AIS載荷數(shù)據(jù)已經(jīng)納入了用戶業(yè)務化運行體制。

5 結束語

本文介紹了星載AIS分系統(tǒng)及其在HY-1C/D衛(wèi)星上的應用并分析了AIS接收機在衛(wèi)星復雜電磁環(huán)境下受到的低頻信號的干擾情況。提出重點單機電磁屏蔽、AIS天線方向圖優(yōu)化設計、AIS天線安裝位置調(diào)整、整星電磁屏蔽實施等方法；用以降低衛(wèi)星底噪并提升AIS信號到達接收機的入口功率，保證AIS在軌工作性能。地面試驗結果和在軌接收的全球船舶信息證明了本文提出方法的有效性。目前衛(wèi)星AIS載荷的接收靈敏度、接收概率、幅寬等指標均滿足用戶指標要求，可為未來星載AIS系統(tǒng)的設計、研制和應用提供理論和工程上的參考。