天基VDES 載荷技術研究

楊樹樹，徐 寧，侯文棟，宋海偉，田 達，冀貞海

（中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著全球經濟一體化的進程，航運業蓬勃發展，在航海安全、航海自動化、海洋環境監測、海洋科學研究以及航海通信等領域對高可靠性海上無線通信的需求愈加強烈。船舶自動識別系統（AIS）是國際海事組織大力推廣的一種海事交通管制系統，用于實現船岸間以及船舶之間的交管通信。隨著近年AIS 設備的廣泛應用和航海自動化、智能化的推進，現有的AIS系統信道帶寬窄、信息傳輸可靠性低、通信距離有限等應用瓶頸日益顯現［1］。

針對上述問題，國際電信聯盟（ITU）、國際航標協會（IALA）和國際海事組織（IMO）分別從頻點、應用和規則層面對現有AIS 系統進行“升級”的可行性研究。2013年，IALA 首次提出下一代的海事通信系統——VDES 發展建議，作為AIS 的全面升級系統，VDES 將引入衛星海事移動通信技術實現通信距離拓展，有望解決現有系統存在的各方面問題［2］。相比于AIS 系統，VDES 系統的通信業務種類更加豐富，在原來廣播信道基礎上增加了特殊應用報文（ASM）和寬帶甚高頻數據交換（VDE）的通信信道，三者共同配合來提高海事船舶通信的數據傳輸能力［3］。

VDES 是一項正在發展中的技術，國內外都在積極參與和推動相關技術標準制定和系統技術研發工作；開展天基VDES 載荷技術研究對保障海上航行安全、全球航海信息資源利用與共享、海上經濟發展、國防建設服務等方面具有重要的意義。本文主要對天基VDES 載荷技術進行研究，簡要介紹了VDES 的系統主要特點，對衛星環境下VDES 載荷面臨的特殊問題進行分析，在此基礎上提出了小衛星VDES 載荷系統初步方案。

1 VDES 系統概述

1.1 系統架構

VDES 主要實現天基、地（岸）基、船舶3 大部分之間的信息傳輸與交換，極大地拓展了海事通信信息傳輸能力。VDES 采用了“天地海”一體化的系統架構，如圖1 所示。其中，“天”指由衛星空間段作為主要節點的天基網絡；“地”是指由地面基站、衛星地面站、信息服務中心等節點組成的岸基網絡；“海”是指船舶和浮標等各類終端節點組成的海上網絡［4］。

在此系統架構下，船舶可以廣播自身位置信息，并與在通信范圍內的其他船舶交換數據信息。此外，船舶還可通過與附近的浮標通信，獲取直接通聯范圍之外的船舶分布情況。當船舶距陸地較遠時，可以通過衛星來實現與岸站之間或遠距離船間的通信。

1.2 功能和頻率規劃

ITU 根據IALA 在2013年提出 發展VDES 建議的基礎上，于2015年10月正式發布了VDES 推薦標準ITU-R M.2092-0 建議書——《VHF 水上移動頻段中VDES 的技術特性》，提出了如圖2 所示的VDES 系統功能和頻率使用規劃［5］。

圖2 VDES 系統功能和頻率使用規劃

VDES 劃分了18 個海上通信信道：2 個AIS信道、2 個ASM信道、12個VDE信道和2個衛星監測AIS 信道。AIS 信道繼續承擔與航行安全相關的消息的傳輸；ASM 信道用于傳輸特殊應用報文，諸如水紋、天氣和危險貨物指示等；VDE 信道按照鏈路方向可分為上行鏈路和下行鏈路，其中每個方向鏈路又分為4 個25 kHz（可合并為100 kHz）的VDE1信道和2個25 kHz（可合并為50 kHz）的VDE2信道；衛星監測AIS 信道主要用于傳輸遠距離的AIS 報文。

為了提高單位頻帶的通信傳輸速率并適應不同業務特點，VDES 采用GMSK、QPSK、8PSK、16QAM等相結合的調制方式，在不顯著增加信道帶寬的情況下，實現了9.6～307.2 kbps 的通信速率，最高通信速率為AIS 系統的32 倍，可而滿足海上用戶的不同需求。

VDES 頻率使用和相關技術特性如表1 所示。

表1 VDES 頻率使用和技術特性

2 天基VDES 系統面臨的特殊問題

天基VDES 載荷主要實現地/海面AIS（包括遠距離AIS）、ASM、VDE 上行信號接收以及VDE 下行信號發射。與地面VDES 系統處理不同，天基VDES 系統必須考慮同信道干擾、多普勒效應、傳輸延時、極化旋轉、地面無線電干擾、發射干擾抑制等特殊問題。

2.1 同信道干擾

VDES 是一種采用TDMA 現代通訊技術的系統，該系統采用UTC 時間同步，將每分鐘劃分為2 250 個時隙，每個時隙為26.67 ms，不同船舶占據不同時隙進行通信（TDMA），如圖3 所示。

圖3 VDES 系統的TDMA 數據幀時序關系

衛星VDES 系統覆蓋范圍廣，通常包含多個TDMA 子網絡，來自不同子網絡的多個信號有可能在同一時隙到達衛星接收機，從而產生信號碰撞現象；船舶密度越高、衛星接收天線波束越寬，發生碰撞的概率越高，這些時隙碰撞信號形成了同信道干擾，導致接收機解調時的幀錯誤率大大增加，以致丟失船舶信息。

2.2 多普勒效應

在VDES 的衛星鏈路中，船舶與衛星之間的高速相對運動使得衛星接收信號產生較為顯著的多普勒頻移，從而給接收機帶來載頻同步問題。對于典型LEO 軌道，VDES 信號的多普勒頻偏在±4 kHz 以內，遠遠超出地面接收的頻偏范圍，這意味著在衛星接收VDES 信號必須具有較大的頻偏適應能力。圖4 為典型LEO 軌道不同仰角時的頻偏曲線。

圖4 典型LEO 軌道多普勒效應

2.3 傳輸延時

衛星軌道高度決定了地面信號的傳輸距離，對一個600 km 軌道高度的LEO 而言，最小距離等于軌道高度，即最小距離為600 km，最大距離為衛星與地球的切線方向，最大距離為2 830 km；傳輸距離決定了信號的傳輸延時，對于典型600 km 軌道高度的衛星，VDES 信號的傳輸延時范圍為2～9.4 ms，如圖5 所示。與地面應用相比，衛星接收系統的突發捕獲窗時間會更長。

圖5 傳輸延時

2.4 極化旋轉

由于VHF 頻段星地鏈路傳輸的法拉第效應顯著，法拉第旋轉角度與頻率的關系如表2 所示。地面VDES 系統發射線極化信號經電離層傳播至衛星接收天線，極化方向偏轉產生較大的不確定性，因此難以實現極化匹配接收，衛星接收系統的靈敏度設計必須考慮極化損耗。

表2 法拉第旋轉角度與頻率的關系

2.5 地面無線電干擾

VDES 信號到達衛星接收機時，容易受到地面VHF 頻段無線電的干擾，如海事移動業務VHF 公用通信站、陸基移動電臺等鄰近信道的大功率輻射的能量綜合疊加，要求衛星接收系統具有更好的線性和頻率選擇性。

2.6 發射干擾抑制

衛星VDES 系統的VDE 下行發射信道與AIS/ASM 上行接收信道相鄰，VDES 具體信道分配見表1。如果VDE 下行發射的帶外抑制不達標，雜散電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，發射機鄰信道干擾抑制及雜散要求如表3 所示，因此衛星VDES 系統必須考慮鄰近信道發射干擾抑制的問題。

3 天基VDES 載荷系統初步設想

小衛星平臺對有效載荷技術提出了較高的要求，在確保系統總體性能指標的前提下，盡可能采用小型化、輕型化設計，提高電路設備集成度以及模塊的復用性，減小有效載荷的體積、質量，以滿足平臺的需要。

針對天基VDES 系統面臨的特殊問題以及載荷輕小型的設計要求，載荷樣機采用軟件無線電設計思路，采用射頻直接帶通采樣方案，減少變頻環節及由此帶來的非線性效應，降低射頻前端復雜度，進而降低載荷的體積、質量。天基VDES 載荷組成如圖6 所示，主要包括AIS/ASM 寬波束接收天線、VDE 高增益收/發天線、射頻前端、多功能VDES 收/發處理單元。

圖6 天基VDES 載荷組成

3.1 天線

為了保證AIS/ASM 上行接收與VDE 通信同時工作，載荷采用2 副天線。AIS/ASM 天線采用常規的鞭狀天線，VDE 天線采用圓極化八木天線。VDE 天線指向地球切線方向，如圖7 所示，可實現低仰角覆蓋，同時降低了對星上發射功率的需求。

圖7 VDE 收/發天線指向

3.2 射頻前端

射頻前端提供2 路的接收通道以及1 路發射通道，實現對上行接收信號的濾波、放大等調理，以及對下行發射信號的濾波、功率放大。射頻前端設計中需要重點關注系統噪聲系數、收發通道隔離度、帶外干擾信號抑制、電路的小型化設計等方面。

3.3 多功能VDES 收/發處理單元

多功能VDES 收/發處理單元采用一體化設計，能夠同時實現對AIS、ASM，VDE 上行信號的接收處理，以及實現VDE 下行發射信號的信道編碼、基帶調制；并且能夠根據具體任務需求在軌重構，實現算法軟件的在軌升級。

4 結束語

未來涉海活動將更加頻繁，對海上安全通信及信息保障的需求將越來越旺盛，研究天基VDES 載荷技術對發展新型衛星偵察裝備、全面提升空間信息獲取能力具有重要意義。本文對天基VDES 系統面臨的特殊問題進行分析，對天基VDES 載荷進行了初步設計。相信隨著技術不斷發展、研究工作不斷深入，VDES 監視衛星應用裝備的建設水平必將大幅提高。■