基于數字多波束星載多通道VDES設計

王文偉，張 喆，谷曉鷹，劉宇宏，林 偉，戴 琳

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引言

船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）能在船對船和船對岸之間自動交換來自船舶傳感器的船舶信息（動態數據）、人工輸入的靜態信息（船舶長度和寬度等）和航次相關信息（船舶吃水、目的港、貨物等），具有接近實時跟蹤、對地穩定性、丟失目標可能性小等傳統雷達所不具備的優點［1］。在AIS 技術出現之前，辨識他船是否存在，以及判斷他船操船意圖往往只能依賴于雷達顯示屏上的一個物體光點或駕駛員的視覺。在船舶海上碰撞事故中，有許多案例是因為船載雷達和甚高頻（Very High Frequency，VHF）設備不能及時解決船與船之間有效溝通，以及相互掌握對方船舶信息與操船意圖而引發的，例如2003 年5 月31 日發生的“富山海”輪與“GDYNIA”輪船舶碰撞事故。

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）要求300 總噸及以上的國際航行船舶在2004 年12 月31 日前全部強制配備安裝船載AIS設備。隨著AIS 用戶的不斷增加，越來越多的船對岸、船對船、岸到船之間需要更大的數據交換，將會導致更大的數據交換需求。考慮到AIS 只是一個導航系統，并不適合數據交換，國際航標協會（International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA）和國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）于2013 年提出甚高頻數據交換系統（VHF Data Exchange System，VDES）概念，建議將VDES 作為e-航海的主要通信鏈路并獲得IMO 的認可。

VDES 由AIS、特殊應用報文（Application Specific Maritime，ASM）、VDE 和衛星等部分組成，VDES 衛星充分發揮衛星天然的大范圍覆蓋優勢，將地面VDES 擴展到海岸覆蓋之外的全球范圍，掌握全球船舶的整體態勢。VDES 在集成了現有AIS功能的基礎上，增加了特殊應用報文和寬帶甚高頻數據交換（VHF Data Exchange，VDE）功能，為不同內容及格式的信息劃分了“專用車道”：與航行安全關系最為緊密的船舶位置和航行狀態信息保留在AIS 專用信道下，減輕該信道負擔，并保證其不被占用；剝離與導航無關的非安全信息，例如水文、氣象等由ASM 承載，并為其配置兩個25 kHz 的信道；而對于其他內容更為豐富、格式更為靈活的信息，則將由VDE 完成傳輸，并依托100 kHz 的雙頻信道，大大提高船船及船岸之間信息傳輸速率［2-3］。

在VDES 中，衛星起到的作用與AIS 相同，即拓展了岸基服務的范圍，使得區域性服務變成了全球性服務，隨著海上通信需求的增加，VDES 系統仍然面臨著AIS 鏈路負荷過重的情況。ITU 等國際組織不斷對VDES 標準進行更新，通過世界無線電大會（WRC-12/15/19）決議調整相關管理規定和頻道分配，確保VDES 系統通信頻段和通道規劃更加合理高效，各研制單位不斷提出新的設計方法提高AIS 通信能力。目前國內外AIS 衛星載荷均存在時隙沖突影響檢測概率的情況，國內AIS 載荷在船舶密集的東南沿海，星載AIS 接收信號時隙沖突高達8～10 重，導致某些區域檢測幾乎空白。VDES 系統研究尚處于標準擬定階段，部分技術及通信體制還需進行論證和試驗，上海航天電子技術研究所、國防科大、北京和德宇航、電科十所、東南大學等單位在VDES 領域開展了大量技術研究并發射試驗衛星，確保我國在該領域研究水平保持在世界前列。

本文結合目前正在開展的某研制任務，針對最新的VDES 射頻通道劃分，提出基于DBF 多通道VDES設計，利用陣列天線和DBF 技術同時形成多個波束，將大范圍通信“分割”成多個小的區域。通過縮小單個天線波束的視場覆蓋范圍，減少AIS 信號時隙沖突，提高AIS 觀測時間和目標檢測概率同時也能滿足大幅寬海域視場覆蓋范圍。

1 設計方案

VDES 分系統主要由8 個天線單元、射頻收發機（8 個射頻通道）和通信處理等組成，如圖1 所示。

圖1 VDES 系統框圖Fig.1 Diagram of VDES System

天線單元接收船舶和岸基等VDE 射頻信號，送給射頻收發機進行處理。在射頻收發機內，所接收射頻信號經過微波前端的窄帶濾波、下變頻處理，并對中頻信號放大后，送至通信處理機A/D 轉換電路進行模數轉換。通信處理機內部FPGA 對采樣數字中頻信號進行數字濾波、下變頻、添加采樣點起始標志、打時間標簽等處理，或者根據地面指令對數據進行解調處理，并對解調后的數據加解調標志。

由于VHF 頻段收發頻率十分接近，為精簡體積采用收發天線共用設計方式，通過環形器將收發信號進行隔離（隔離度典型值為25 dB），天線數量為2×4，共8 個天線單元。考慮到鏈路增益較大，目前國內外同類型接收機均設計為非直接放大模式，本方案中射頻收發機采用一次下/上變頻模式，合理設計鏈路增益，能有效提高通道穩定性，并可在中頻加強濾波，提高系統的抗干擾能力。

通信處理機是本方案核心單機，需接收8 個通道的AIS1、AIS2、LAIS（Long AIS，長距離AIS）1、LAIS2、ASM1、ASM2 和VDE 中頻信號，中頻信號在單機內部進行模數轉換、接收數字DBF 波束合成、數字下變頻和數字解調，輸出所有中頻信號解調結果；同時需具備VDES 協議層處理的能力，并按照協議對8 個通道進行VDE 數字調制和發射DBF 數字波束合成，輸出8 個通道VDE 中頻信號。

AIS/VDE 分系統的主要電性能技術指標如下。

1）工作頻段156～162 MHz；

2）調制方式及速率

AIS/LAIS：GMSK（9.6 kbit/s）

ASM：π/4 QPSK（9.6 kbit/s）

VDE 上行：π/4 QPSK 和8 PSK（33.6 kbit/s）；

VDE 下行：π/4 QPSK（33.6 kbit/s）；

3）波束寬度±42°（多波束合成）；

4）波束極化方式為圓極化（右旋）；

5）EIRP≥33 dBm；

6）波束數目8；

7）通道隔離度≥25 dB；

8）噪聲系數≤3 dB；

9）接收靈敏度優于-110 dBm@PER≤10%；

10）檢測概率：AIS/LAIS 船舶檢測概率＞90%（300 s 偵察覆蓋范圍內船舶數量3 000 艘）。

2 全雙工設計

2015 年WRC-15 對VHF 頻段海事通信頻段進行了分配，使AIS 功能得到充分發揮，將無線電頻道CH75 和CH76 作為衛星檢測長距離AIS 頻道，CH2027 和CH2028作為ASM 專用頻道，AIS仍然使用原有頻點，同時建議VDE 通信上行采用CH1024/1025/1026/1084/1085/1086 頻道，并規定VDES 衛星部分不應對數字選擇呼叫（Digital Selective Calling，DSC）、AIS、話音遇險、安全和呼叫信道造成有害干擾［4］。

WRC-19 會議對《無線電規則》進行了修訂，涉及衛星水上移動業務（地對空和空對地）進行新的頻譜劃分，包括衛星上行的156.012 5～157.437 5 MHz和下行160.612 5～162.037 5 MHz，以確保不會降低現有VDES 地面部分、ASM、AIS 運行質量，也不會對低端相鄰頻段、高端相鄰頻段內現有業務造成有害干擾和限制［5］。

歐洲、日本、美國、加拿大以及中國等均在WRC-19 會議上提出各自的頻譜和通道規劃方案，所有方案目的是為了提高VDES 系統通信速率，促進VDES 全球發展。未來VDES 衛星系統將朝全雙工通信方向發展，理論上通信速率是單工或半雙工通信的2 倍以上。

收發頻率干擾是目前限制和影響VDES 系統全雙工通信的主要因素。VDES 衛星系統收發工作頻率范圍為156～163 MHz。考慮到收發天線共用，發射機（輸出功率大于1 W）工作時必將影響接收機。由于相對帶寬較窄，無法在鏈路上通過濾波將發射信號進行濾除，使用限幅器、自動增益控制、飽和放大等方法會惡化接收機噪聲系數，影響解調性能。

根據WRC-15 規定所設計的一種VDES 頻譜［6-7］，如 圖2所示，VDES 衛星下行 頻率范圍 為161.787 5～161.937 5 MHz，緊 鄰ASM 和AIS 通道，當VDES 下行工作時，發射機寬帶噪聲和強功率將會影響接收機及相鄰信道。基于現有海事領域VHF 頻段通道規定，可設計一種頻分全雙工（Frequency Division Duplex，FDD）通信模式，頻譜如圖3 所示。

圖2 VDES 頻譜Fig.2 VDES spectra

圖3 VDES 修訂頻譜Fig.3 Revised VDES spectra

圖3 中，將VDES 衛星上下行頻率分開，其頻率間隔大于4 MHz，在該頻段利用常規的聲表、LC 等類型濾波器就能將收發頻率進行隔離，在共用收發天線設計的情況下，可大大緩解環形器壓力，且能確保接收機性能無惡化。在此方案中，VDES 上行帶寬可大于1 MHz，能有效保證AIS 等高優先級通信資源，下行帶寬達到250 kHz，能提供更強更可靠的數據交換能力。

3 波束覆蓋范圍分析

AIS 使用自組織時分多址接入（Self-Organized Time Division Multiple Access，SOTDMA），自組織小區的范圍為以當前船舶為中心的20 n mile 半徑圓形區域，通過采用時隙預約機制在自組織區域內通信信號之間不會出現沖突，而對于星載AIS 系統，其覆蓋范圍內包含多個自組織小區，各小區間信號相互獨立，來自不同小區的船舶AIS 信號到達衛星時，發生碰撞的概率很大，兩個或多個信號疊加，在衛星接收端極可能產生時隙沖突［8-10］。星載AIS 系統需要解決的一個主要問題就是接收AIS 信號的沖突問題，縮窄天線波束（減少接收范圍內船舶數量）和增加通道數量是目前星載AIS 載荷目標檢測概率提升的主要技術途徑。

兩個疊加信號分解，需確保在時域、頻域、空域、碼域、極化域和能量域的任一個域中是可分辨。AIS 信號在碼域及極化域不可分辨，能量域只能舍去低能量船舶信息，考慮到不同船舶的AIS 信號多普勒頻移的差異性，最有效的方法是采用波束銳化實現空域隔離。為偵查盡可能多的船舶數量，需盡量擴大整個天線視場覆蓋范圍，保證整個天線視場覆蓋范圍又縮小單波束掃描范圍，只能采用多個波束的設計方法，通過多個窄波束合成一個視場范圍大的掃描范圍。

本方案設計用于600 km 飛行軌道，天線單元和射頻通道數量均為8 個，擬設計波束數量為8個。考慮到VHF 頻段波長較長，在確保波束范圍較小的前提下，需面臨天線物理尺寸較大的缺點［11］，且目前該頻段常用的八木天線、螺旋天線、振子天線等在進行多通道設計時需解決多天線地面收攏、在軌可靠展開等工程難點［12］。考慮到薄膜天線性能以及技術成熟度，以及后續陣面數量的可擴展性（擴展至64 單元以上）擬采用VHF 頻段薄膜天線，單排4 個波束可使方位方向覆蓋范圍達到±42°，沿飛行方向將波束設計為兩排平行，波束覆蓋范圍如圖4 和表1 所示。可增加波束覆蓋范圍內船舶通信時間，進一步提高時隙沖突解決能力（觀測時間增加，能提高時隙沖突解調能力）。

圖4 VDES 波束覆蓋示意圖Fig.4 Beam coverage diagram of VDES

表1 VDES 波束覆蓋情況（未考慮地球曲率）Tab.1 Beam coverage of VDES（reckon without the curvature of the Earth）

由圖4 和表1 可知，通過多波束劃分，可極大減少單波束覆蓋范圍內船舶數量，由于各波束相互獨立，等效為整個波束覆蓋范圍內船舶數量減少約1/4，系統解調能力可提高50%以上。

4 數字多波束設計

DBF 是利用數字電路方法實現相控陣列天線，獲得不同的波束指向的陣列圖如圖5 所示。通過數字信號的控制改變各個陣列單元的信號幅度和相位，調整陣列輻射場的特性［13］。

圖5 平面陣列天線Fig.5 Planar-array antenna

針對圖5 所示平面陣列天線，設來波方向為（θ0，φ0），該方向陣列（i，k）陣元的延遲為

式中：dx為陣元在x方向的間距；dy為陣元在y方向的間距。

陣列方向圖F(θ，φ)為

式中：wik為（i，k）陣元的幅度加權系數；wδik為（i，k）陣元的相位調節系數；δik(θ，φ)為(θ，φ)方向電磁波的對（i，k）陣元的相位延遲。

通過調節幅度加權系數和相位調節系數，使得wδik=-δik(θ0，φ0)，方向圖在(θ0，φ0)方向無虛數部分，幅值能達到最大［14-15］。

DBF 技術是通過調整各陣元的幅度加權系數和相位調節系數，在基帶上采用FPGA 來完成對各陣元多信號的加權，分為接收和發射兩部分。

DBF 接收把數字波束的天線響應當作一個空間濾波器，目標來波方向為(θt，φt)時，調節相位系數使，在目標方向(θt，φt)的信號天線接收增益變為最大值。使用多組相位調節系數，則可以獲得多個方向的增益最大方向圖。接收目標波束合成如圖6 所示。

圖6 接收目標波束合成Fig.6 Receiver beam forming

通道1～M對應陣元或通道，1～N對應多個波束方向，通過權重實現對多個方向的信號接收，如圖7 所示。在FPGA 內對N份M通道的數據進行分別加成，在數字部分實現空間濾波。

圖7 接收波束合成框圖Fig.7 Block diagram of receiver beam forming

數字波束合成發射則是在通道內復合了多個方向上的信號，通過發射功率（陣列方向圖）在空間上的不同分布，實現多個波束發射，其組成與接收框圖基本相反，如圖8 所示。

圖8 發射波束合成框圖Fig.8 Block diagram of transceiver beam forming

區別于多個波束接收，發射波束合成基于通道進行合成，而其相位調節系數與DBF 接收相同。發射數字波束幅度調節系數采用等幅分布，可有助波束旁瓣的抑制。

由不同方向的不同相位延遲實現空間濾波，每個通道輸出的信號為

式中：TM為通道發出信號；A、B、C、D為目標波束發送的信號，以4 個波束4 個通道為例，M=1～4。

在目標(θt，φt)方向接收到的信號為

若目標(θt，φt)在A波束主瓣內、其他波束主瓣外，則目標能收到A的信號，其他波束信號在目標位置，相位相消抑制，處于旁瓣狀態。

本方案目前所設計陣元數較少，副瓣電平較高，可對平面陣列進行經典的契比雪夫窗幅度綜合，選擇契比雪夫窗系數，確保旁瓣抑制大于25 dBc。

基于wδik=-δik的相位和契比雪夫窗系數作為復權重系數，設置目標角度為A（45°，37°）、B（30°，65°）、C（30°，115°）、D（45°，143°）、E（45°，217°）、F（30°，245°）、G（30°，295°）、H（45°，323°），得到8 組權重序列，通過模擬半球面角度進行掃描，計算陣列響應，根據給定的天線單元方向圖，得到各波束獨立的方向圖，如圖9 所示。

圖9 8 個波束獨立方向圖Fig.9 Forming patterns of 8 beams

由于天線采用對稱方式進行布局，8 波束實際由兩組波束參數通過旋轉對稱獲得，單陣元增益采用高斯分布進行近似，各通道仿真（增益、波束寬度）結果見表2。

表2 各通道仿真結果Tab.2 Simulation results of all channels

衛星軌道高度600 km，存在地面投影拉伸以及地球曲面效應，經過波束合成后，8 波束覆蓋區域如圖10 所示，與圖4 結果基本一致。

圖10 波束覆蓋區域（考慮地球曲率）Fig.10 Transceiver beam forming（reckon with the curvature of the Earth）

為提高系統可靠度，針對通道故障可進行DBF在軌重設計。星上部分通道單元存在故障的情況下，通過軟件上注或者指令上注，將DBF 重新進行設計或僅更改通道權重系數，最大限度保持系統通信能力。若部分通道出現故障，首先判別失效通道，將故障通道修改置零，然后重新調整各陣元的幅度加權系數和相位調節系數。

故障通道修改置零后會影響波束合成效果，仿真結果表明：1 個通道故障情況下，通過對DBF 重新進行軟件設計，波束增益略有下降，不會影響分系統性能指標；2 個通道故障情況下，若為兩個外側通道故障，整體波束增益下降少于2 dB，若為1 個外側和1 個內側通道故障，中間4 個波束增益下降小于1 dB；3 個通道故障情況下，中間4 個波束增益下降小于1 dB，其余情況下波束中心增益下降超過4 dB；4 個通道故障情況下，所有波束增益下降均超過5 dB。

5 結束語

VDES 系統將成為未來海事通信領域最重要的手段，并對未來水上信息服務產生深遠影響，有著極為廣闊的應用前景。我國作為國際海事A 類理事國之一，相比歐美等國在VDES 領域起步較晚，目前國內很多單位正積極開展VDES 系統研究和建設，全力把握海事移動通信系統建設中出現的新機遇，努力使我國在VDES 領域保持國際先進水平。

本文詳細介紹了VDES 產生背景、重要作用以及應用中存在的技術難點。為解決收發干擾問題，提出一種全雙工射頻解決方案，通過頻分復用將收發頻率間距盡量拉寬，利用窄帶濾波器可極大降低發射機對接收機影響。

結合某星載研制任務（預計2021 年下半年發射），針對600 km 高度軌道設計了8 路射頻通道和8個波束方案，首次應用星載薄膜天線，通過DBF設計，整體波束覆蓋范圍較廣，其次將大范圍通信劃分成多個小的獨立區域，可有效縮小單個天線波束的視場覆蓋范圍，有利于減少AIS 信號時隙沖突。仿真結果表明，在部分通道故障情況下，通過地面軟件上注對DBF 進行重新設計，能極大提高系統可靠度。薄膜天線具有極佳的收納比，本文所介紹的設計方法可用于更多數量（64 通道和波束以上）的應用，隨著VDES 系統不斷推廣和在軌使用，有著廣闊的應用前景。