衛(wèi)星導航系統(tǒng)中船舶無線通信信號截獲方法

曾曉敏

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院學院，湖北 武漢 430051)

0 引 言

導航在船舶行業(yè)尤為重要，隨著我國北斗衛(wèi)星的不斷成熟，通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)截獲船舶無線信號越來越常見，但是仍然缺乏對系統(tǒng)分類、總結(jié)以及性能的了解。所以可以通過研究全球衛(wèi)星導航發(fā)展中遇到的問題以及成就尋找突破口，從而深入研究我國船舶無線信號截獲的問題[1-3]。

船舶無線通信受到諸多因素的影響，尤其是大氣中的干擾信號以及噪聲環(huán)境的影響，導致通信設(shè)備有時無法穩(wěn)定正常工作，傳統(tǒng)的截獲方法獲取的無線通信質(zhì)量較低，因為無法專業(yè)地對網(wǎng)絡干擾信號進行檢測和識別，所以會出現(xiàn)系統(tǒng)在進行跟蹤和分離的過程中，不能有效地獲得正確的計算結(jié)果。為此，不僅需要了解衛(wèi)星導航系統(tǒng)的概念、算法，還要考慮其設(shè)計原理和應用原理，需要對無線電截獲所受到的各種因素進行分析。

1 衛(wèi)星導航系統(tǒng)

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)基于一顆或多顆衛(wèi)星，可全天候為使用者提供精確的三維坐標及相關(guān)配套信息。如今，國際上的衛(wèi)星導航定位也隨著時代的發(fā)展，成為衡量綜合國力的重要因素。通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展船舶行業(yè)，為海上崛起提供強大的支撐力。

1.1 衛(wèi)星導航發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星導航系統(tǒng)不僅在航天領(lǐng)域得到了應用，目前在船舶海洋工程領(lǐng)域也取得了不小的成績。

目前，我國與美國、俄羅斯、在國際上具有技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。其中，美國的GPS 系統(tǒng)是最早發(fā)展起來的，其具有以下特點：連續(xù)實時全天的定位，精確度高，功能多、應用廣泛。較早通過導航定位實現(xiàn)對船舶遠洋過程中無線電信號的截獲。俄羅斯的“格洛納斯”系統(tǒng)，其精確度較低但是抗干擾性較強。我國的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，是我國自主建立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，其不僅可以實現(xiàn)雙向授權(quán)，并且也在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應用[4-6]。

1.2 衛(wèi)星導航仿真系統(tǒng)中的模型及計算分析

目前衛(wèi)星導航仿真系統(tǒng)模型分為衛(wèi)星信道模型、衛(wèi)星力學模型以及衛(wèi)星中差模型3 種。

針對衛(wèi)星信道模型需要探討幾個重點：1）不同鏈路衛(wèi)星。如圖1 所示，終端的不同也會形成不同的電波，而這些電波又會因為船舶環(huán)境的不同以及頻率的不同出現(xiàn)不同的特性，所以衛(wèi)星鏈路的不同是研究的一個主要方面。

圖1 不同鏈路衛(wèi)星示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellites with different links

2）衛(wèi)星通信鏈路的傳播。其中建模常用的概率分布主要有3 種：

① Rayleigh 分布

② Rician 分布

③ Log normal 正態(tài)分布

3）衛(wèi)星移動信道建模常用的統(tǒng)計模型分為LOO 模型、Suzuki 模型、Corazza 模型、Abdi 模型。

1.3 衛(wèi)星導航信號模型設(shè)計原理

對于衛(wèi)星導航信號模擬的設(shè)計原理，主要是通過仿真實驗研究，通過模擬和仿真建立相關(guān)的模型，并以此模型來對相關(guān)功能和指標進行測試，這也是獲取衛(wèi)星導航信息的主要方式。通過這種方式比較成功實現(xiàn)了衛(wèi)星導航信號的模擬，這項技術(shù)也對衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展起到了關(guān)鍵的推動作用，是所研究的3 個基礎(chǔ)產(chǎn)品之一。

導航的研究要從起點開始，而該起點就是航行體的起點。因此在這一過程中，首先要了解目的點的位置、起始點的位置，以及如何確定自身的位置，以此來對最終的路線和方向進行確定。

衛(wèi)星導航運作的關(guān)鍵是確定自身的位置，衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠給船體提供自身位置、航行速度以及航行方向等多個運動狀態(tài)的信息，而且該運動狀態(tài)的信息是實時的。所以，經(jīng)常將衛(wèi)星導航系統(tǒng)稱作衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

2 船舶無線通信信號

2.1 無線干擾信號截獲實現(xiàn)流程

科技的不斷進步，帶動無線通信的發(fā)展。然而也造成目前世界上的各種無線電頻率發(fā)生干擾，最終使得部分船舶在進行信息傳遞及獲取的過程中，受到來自多方無線通信的干擾。因此，如何擺脫傳統(tǒng)的截獲方法，探索出一個適應于我國船舶的信息截獲手段顯得尤為重要。本文研究將流程大致分為以下步驟：1）干擾信號檢測；2）干擾信號識別；3）干擾信號跟蹤；4）干擾信號分離。

2.2 基于噪聲環(huán)境下的船舶無線通信網(wǎng)絡截獲方法

在噪聲環(huán)境下，經(jīng)常使用的系統(tǒng)是岸基AIS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于在噪聲環(huán)境下的傳輸具有良好的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)主要有AIS 主機、通信航標以及眾多的行駛船構(gòu)成。

這些結(jié)構(gòu)都有各自的分工，最主要的是輸送無線通信信號，這個主要是由AIS 岸臺來完成。岸基AIS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 岸基AIS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of shore-based AIS system

針對岸基AIS 系統(tǒng)還需要結(jié)合MITS 通信平臺進行合作完成信息的傳輸，船舶無線通信信號如果在噪聲環(huán)境中連續(xù)傳播，則需要形成一種統(tǒng)一的載波應用終端，而這一情況需要具體分析是否需要將設(shè)備進行統(tǒng)一的聯(lián)動執(zhí)行，并通過輸入既定的周期，也就是信號傳輸定頻|T|。據(jù)此在噪聲環(huán)境下結(jié)合相關(guān)物理量，對無線通信信號載波的功率譜加以分析，如下式：

關(guān)于信號碼速率計算，可聯(lián)立式（4）。信號碼速率計算下式：

式中，h為船舶MITS 通信平臺的特征系數(shù)。船舶無線通信載波的重復周期方程為：

最終，根據(jù)上述方法研究發(fā)現(xiàn)，在相同噪聲干預環(huán)境下，基于不同的分組研究結(jié)果，信號載波通信網(wǎng)絡圖如圖3 所示。不同調(diào)制方式下的EVM 如圖4 所示，EVM 越大表示信號的保真度也越高。不同頻率下的EVM 如圖5 所示。

圖3 信號載波通信網(wǎng)絡圖Fig.3 Signal carrier communication network diagram

圖4 不同調(diào)制方式下的EVMFig.4 EVM under different modulation methods

圖5 不同頻率下的EVMFig.5 EVM at different frequencies

3 船舶無線通信信號截獲方法在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的實現(xiàn)

通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可精確地判斷船舶的具體位置以及運動的基本狀態(tài)，加上船舶無線通信信號，可以解決其他無線電干擾和在噪聲下無線電正常通信的問題，這樣使得船舶在航行中可以更加精確地反映出船舶運動的狀態(tài)和出現(xiàn)的狀況。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)如圖6 所示。衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以提供更多的幫助，無論氣候環(huán)境的變化，時間的推移，都能提供導航服務。而正因為該系統(tǒng)的高效、精確、實時性，讓無線通信信號發(fā)射源更加清晰，無線信號自身的發(fā)展也可以消除一定復雜環(huán)境的影響。通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以更快速地查找出其他干擾信號的信息，以及復雜環(huán)境的監(jiān)測，由此，船舶的無線信號更不容易被干擾，可以通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)截獲更準確的船舶無信通信信號。

圖6 衛(wèi)星導航系統(tǒng)Fig.6 Satellite navigation system

4 結(jié) 語

本文圍繞船舶無線信號的接收及截獲，提出通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)對干擾信號進行檢測、識別、跟蹤、分離，然后完成對無線信號的截獲。而對于噪聲環(huán)境下，無線導航系統(tǒng)與岸基AIS 系統(tǒng)需要獲得更加高效的抗干擾能力，以此保證船舶載波信息的穩(wěn)定傳輸，對船舶的無線通信信號截獲也具備較強的應用可行性。