天基雙通道AIS信號偵察系統方案設計與分析?

朱銀川，梅勇兵，周李春

天基雙通道AIS信號偵察系統方案設計與分析?

朱銀川，梅勇兵，周李春

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

天基AIS信號偵察系統可獲取上千海里內船舶的AIS信號，形成國家周邊海域乃至全球海域的AIS態勢信息。通過分析國內外相關研究成果，提出獨特的天基雙通道AIS接收系統方案，并對關鍵參數進行論證比較，為研制通用性和平臺適裝性好的天基AIS偵收系統提供理論參考。

天基AIS系統；檢測概率；衛星星座；時隙碰撞；信號分離

1 引言

船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）是國際海事組織（IMO）、國際航標協會（IALA）、國際電信聯盟（ITU-R）于2000年共同強力推廣的一個具有船舶自動識別、通信和導航功能的新型助航電子系統。安裝了AIS系統的船臺可向他船及基站自動播發本船動態信息、靜態信息、航次信息和安全短消息等相關信息。

當前岸站AIS報文傳輸支持確定船舶的位置，但傳輸距離僅為30 nmile，不能提供全球海洋覆蓋。而天基AIS信號偵察系統可收到幾百海里乃至上千海里內船舶的AIS信號，下傳到地面站接收系統后，可形成國家周邊海域乃至全球海域的船舶目標態勢信息。借助天基AIS信號偵察系統還可擴充天基偵察平臺探測手段，補充已有傳感器的目標屬性識別能力，快速獲得海上關注目標狀態，目前已經受到了各國高度關注。

2006年6月，挪威科技大學電子與電訊系的Ole Fredrik Haakonsen Dahl對天基AIS系統應用于沿海進行監視的可行性進行了較詳細的分析［1］，提出了基于多普勒頻差、天線陣的復雜信號處理方案。2010年，挪威防御組織（FFI）在歐空局的支持下，發送到國際空間站上（ISS，軌道340 km，傾角52°）的兩個AIS接收機（NORAIS）于6月開始工作。

美國海軍在建設戰術衛星中，明確提出必須配備AIS偵察載荷與射頻偵測、光學圖像偵察結合，聯合觀測海洋目標，快速發現、跟蹤海上目標。美國海岸警衛隊2006年提出建設美國國家AIS系統，其中在第三階段即是建立低軌道具備AIS偵收載荷的衛星系統，保障距離海岸線2000 nmile范圍內的安全。

美國ORBCOMM公司致力于全球衛星數據通信，率先完成載有AIS接收機的衛星星座和空間數據商業化傳輸。另外，美國政府也在主導國際化合作的全球AIS及數據衛星星座，包括有英、法、德、日、加等40多個國家的政府實驗室、大學、技術研究機構參與。該系統采用5個極地軌道面、軌道高度550 km、由30顆納米衛星組成的AIS星座，通過在地面配置大量接收終端實現對全球各大洋船舶目標觀察。

2008年加拿大空間技術峰會中提到由挪威政府資助的首顆低軌道納米星AISSat-1和加拿大自主研制的AIS微衛星（M3MSat），其中AISSat-1計劃于2009年后發射。

縱觀各國的天基AIS信號偵察系統大都采用復雜星座和載荷信號處理技術，以及規模龐大的地面支持系統。若能研制一種衛星平臺加裝通用性好、地面支持系統也簡單的天基AIS信號偵察系統則必能進一步推動天基AIS信號偵察技術的大范圍應用。

2 天基AIS信號偵察系統組成

天基AIS信號偵察系統涉及衛星平臺及星座系統、衛星有效載荷系統、地面AIS網絡系統、星載AIS偵察信號的地面應用系統，如圖1所示。

因涉及不同的承載衛星平臺，如空間站、飛船、衛星等，將涉及星載AIS星座的構成要素，包括軌道參數的設計、偵收天線的安裝、天地間的數據傳輸等，影響單星對地船舶的單次過頂觀測效果、重復觀測周期等。同區域重復觀測周期也是星載AIS偵察系統重要參數，直接與衛星星座的設計相關聯，如衛星軌道高度、衛星軌道數及單軌道面的衛星分布等。由于星載AIS信號偵收機采用模塊化設計，使其能適應多種衛星平臺的安裝，因此也可以根據實際情況搭載于多種不同的衛星上，并根據平臺特點具體設計偵收天線，通過星座聯合實現對重點關注地區的高強度重復觀測。

衛星有效載荷系統的性能直接影響AIS信號偵收的效果、平臺加裝的適應性和通用性。由于在系統設計中追求全系統的低代價、高可靠性和實用性是所有從事航天任務設計人員的目標，所以星載AIS信號偵收載荷的設計最好能適應多種平臺且載荷電路的復雜度最低、功耗最小。為此，所設計的有效載荷應采用模塊化的拼裝方案，涉及到模塊化信道接收機設計、偵收天線形式及安裝參數、偵收數據分析及大容量數據存儲轉發技術、大多普勒信號解碼及解譯技術等。

星載AIS偵收信號地面應用系統主要完成天基AIS偵收信號的轉發數據接收和進一步分析，實現對時隙碰撞信號和虛假、欺騙信號的分離，并經過數據融合后按照訂閱需求實時分發給相關的應用部門。地面AIS系統作為被偵收對象，對其信號標準格式、船舶AIS設備特點和全球船舶分布規律等掌握是設計最佳星載AIS信號偵收系統的前提條件。特別是AIS自組織網絡特點、同頻時分、信號發射周期決定了星載偵收機必定會遇到同頻時隙沖突問題，而沖突的大小與星載偵收機靈敏度范圍內所覆蓋的地表船舶分布情況成直接影響關系。

3 系統關鍵參數分析計算

3.1 船舶檢測概率

在設計星載AIS信號偵收系統時，必須考慮星載偵收機靈敏度信號的對地覆蓋面積，在掌握基本的船舶分布規律情況下確定地面船舶總數和自組織網絡數，按照隨機過程，考慮進衛星軌道參數計算出相應的觀測時間，分析計算時隙沖突情況和船舶檢測概率。文獻［1-3］均針對簡單的星載全向偵收天線進行了研究，并給出了分析過程和結果。然而，隨著全向天線大范圍接收來自地面的AIS信號，其時隙沖突也會更加明顯，造成星上信號處理軟硬件復雜度提高，不利于星上完成實時信號的解碼解譯。

對于采用星上處理、存儲后定向轉發的衛星系統，必須盡可能地降低存儲數據量，所以星上完成AIS信號的解譯，可以實時引導星上其他任務載荷，同時降低對衛星存儲轉發的技術壓力，具備更好的衛星平臺適應性。為此，針對中大型衛星平臺，可采用空間分割方法，即衛星飛行徑向前后分別加裝偵收天線，在不降低對地觀測時間的前提下，大幅度地減少時隙碰撞問題，提高船舶的檢測概率。

假設地面AIS發射機功率為12.5 W，發射天線為全向0 dB。衛星軌道高度取600 km，偵收天線采用寬波束定向天線，衛星接收機接收靈敏度為-108 dBm，計算出衛星接收地面信號的功率，并繪制出單個天線的接收信號等功率曲線圖，如圖2所示。

外圍圈表示衛星的最大覆蓋范圍，計算得最大斜距Lmax=2 830 km，上半部分為天線主波束，下半部分為尾瓣帶來的影響，通過針對具體的衛星平臺調節天線的對地指向角度，可以進一步降低尾瓣接收信號的影響。

若衛星前后側向各加裝一副天線和一套偵收機，則相當于對同一個觀測區進行了兩次觀測，相對于全向天線其觀測時間并未減少，而且還減少了單個接收機的觀測面積、減少了時隙碰撞機會。

相對于單天線（全向）的單目標檢測概率

式中，k1為單天線時的碰撞系數，M為小區數，N為總船數，Tobs為觀測時間，T為船舶AIS信號平均發射周期。

雙天線（定向）雙通道的單目標檢測概率可以按下式考慮：

式中，k2為雙天線時的碰撞系數。

雙天線空間分隔覆蓋的情況下，認為一天線覆蓋下的艦船與另一天線覆蓋下的艦船不會發生碰撞，然后，按照式（1）的推導過程可以得到式（2）。

在相同波束覆蓋面積情況下，雙天線（雙天線空間分割覆蓋）時的碰撞系數k2小于單天線時的碰撞系數k1，由函數的單調關系知，碰撞系數變小，檢測概率P增加。

另外，從公式中還可以看出，雙天線時的單船檢測概率計算公式中對應的冪指數也減少了，單船檢測概率P增加。

經計算，k1=1.68，k2=1.59，取N=4 000，M= 1 088，Tobs=354 s，T=7 s，計算出未采取其他碰撞信號分離手段時的船舶檢測概率，如圖3所示。

圖3的曲線反應出，采用單天線方式一次過頂僅能在對全部船舶總數為1 300艘的觀測區完成探測，而采用雙天線雙套接收機方式一次過頂卻可以實現對全部船舶總數為2 500艘的觀測區完成船舶探測。

可見在系統設計中，通過采用前后兩幅天線和獨立的接收機進行協同偵收的方案，有效減少了時隙碰撞的AIS信號接收，提高了單船檢測概率。

3.2 衛星星座的設計

（1）軌道類型選擇

太陽同步軌道的光照角在一年內變化較小，衛星星下點在同一緯度的地方時相對固定。傾斜軌道的光照角變化比較劇烈且太陽位于軌道面兩側的情況都會出現，衛星訪問地球上同一目標點的地方時會不斷變化。

太陽同步軌道與傾斜軌道相比：全球覆蓋性能相當；單顆衛星其遍歷性能較差；對于組網衛星，不同軌道面具有不同的降交點地方時，組網衛星達到一定數量后其遍歷性能與相同規模的傾斜軌道組網衛星相當。

對衛星平臺設計而言，傾斜軌道衛星設計復雜，由于增加帆板驅動機構，經費較多，整星可靠性較低。因此，作為AIS信號偵收衛星組網時，采用太陽同步軌道是合理可行的。

（2）軌道高度選擇

不同高度的衛星，同樣的載荷視場角，其地面覆蓋性能是不同的。軌道高度越高，覆蓋范圍越廣，這對AIS信號的偵收反而不利，而且衛星軌道越高，偵察系統接收到的信號越弱，也不利于信號的接收解調。一般選擇500～900 km的低軌軌道比較合適。

（3）星座的衛星數量選擇

通過對不同軌道面數及單軌道面不同布置的衛星數，分析計算對地觀測的平均重訪周期、最大重訪周期、平均響應時間和全球覆蓋時間，仿真計算結果如表1和表2所示。

具體采用何種星座方式需要根據實際應用需要來選擇決定。是普查船舶分布情況還是對海上目標搜索，是配合電子偵察、雷達偵察還是光學成像偵察，需要針對不同偵察手段的地面覆蓋范圍來作選擇。通常電子偵察地面探測區域半徑可以達到3 000 km，對于雷達偵察衛星，其輻照寬度通常為100～300 km，而對于詳查的寬覆蓋成像偵察衛星，其地面覆蓋范圍只能達到50 km×50 km。

3.3 時隙碰撞信號分離處理

星載AIS偵收機的信號處理中利用同時隙信號電平差、相對于偵收天線不同信號來向角度的多普勒頻差等信息，可以實現對時隙碰撞信號的進一步分離處理來大幅度提高船舶檢測概率。

在實際衛星覆蓋的范圍內，由于距離的差異，信號的幅度不一樣。當兩個信號功率不等時，在解調過程中會出現大信號壓制小信號的現象。因此，直接完成混合信號的解調將可能獲得大信號的傳輸信息。現有技術條件下對于信號功率比超過6 dB（信號幅度比為3 dB）的信號解調已不困難。所以，通過這種處理方法，可以提高單目標檢測概率。

考慮發射天線，接收天線和空間距離等因素，計算衛星覆蓋范圍內信號的功率變化情況。由于衛星天線波束寬度大于110°，最大波束方向指向衛星運行方向，因此，覆蓋角η范圍為66°～34°，艦船觀測衛星的仰角變化范圍為0°～52.3°，衛星與目標的距離變化范圍為2 829～736 km，接收信號的變換功率范圍為-103.8～-88.3 dBm，最大相差15.5 dB。當兩個同時到達的AIS信號電平相差較大，可以通過星上信號處理器進行能量判決，濾除較低電平的信號，將強信號分離出來，客觀上又能進一步大大減小碰撞的影響，增大船舶檢測概率。

若M-1個區域中僅有一個區域與目標區域碰撞時，還是能對目標區域正確檢測，則在有且僅有一個區域與目標區域發生碰撞的概率為

若還要考慮分離能力需要信號強度具備一定的差異，設差異大于一定強度的組合情況在所有兩兩組合的比例為p，則僅有一個信號與目標信號碰撞且兩個信號強度差大于一定強度的概率為P2-add·p，此時，AIS系統的單目標檢測概率為

經過統計分析計算，在覆蓋范圍內同時出現兩個信號的情況下，采用雙天線獨立偵收則兩兩AIS信號碰撞差6 dB的信號占總碰撞數的19%。可見，通過增加幅度差分離能力后會將船舶檢測概率提升。

另一方面，通過多普勒頻差也是分離兩兩重疊信號的有效辦法。以600 km軌道高度為例計算得衛星周期為96.7 min，衛星徑向速度7.56 km／s，則船舶移動軌跡點位于衛星軌道面時產生最大多普勒頻移量達到4 kHz。可見衛星側向船舶發射的AIS信號相對于徑向的AIS信號會存在最大達4 kHz的頻率差，隨著船的直射波夾角減小，兩信號的頻差逐漸趨于一致，參見文獻［1］。

通過合理地設計星載接收機A／D采樣頻率和執行運算的FFT點數，運用快速FFT處理技術即可區分出具有多普勒頻差的多個AIS碰撞信號［4］。

3.4 虛假、欺騙信號分離

虛假、欺騙信號是某些特殊船舶平臺為實現不可告人目的而人為地修改AIS發送信息，一般包括平臺身份信息篡改、位置信息修改等。

對于粗糙的虛假、欺騙信號，通過校驗位和比較能快速鑒別出來。對于采用非法技術手段的欺騙信號，則可以從以下思路實現鑒別。

（1）報告的船舶位置和衛星的相對位置矛盾性

根據報告的船舶位置和衛星的位置就可確定信號的傳播時延。將信號的到達時間（或者實際傳播時延）與預計的到達時間（或者計算的傳播時延）進行比較，如果這兩個時延之差超過閾值或者太大，就將其標為可疑的目標并報告。

（2）多目標信息的矛盾沖突性

類似MMSI碼，是由管理部門統一分配的，是全球唯一的，如果同時出現多個目標有相同的MMSI碼，可將這些目標列為可疑目標，再通過進一步處理確認它們的身份。

（3）單目標自身屬性信息的沖突性

類似MMSI碼和IMO號，都與國家或地區信息相關，如果只修改了部分內容，則存在信息沖突性，可將該目標列為可疑目標，再通過進一步處理確認其身份。

（4）屬性信息的超實際性

類似艦船的航速、艦船的大小，都有一定的限度，可以結合艦船知識資料庫的信息，辨識出可疑目標。

（5）屬性信息的不規范性

屬性信息的填寫必須遵守規范和標準的要求，如果是非法修改的，有可能由于不了解填寫要求，出現填寫不規范現象。比如，在填寫數字的地方出現了字母等，在填寫“出發地”、“目的地”時，存在多余的空格等情況。

3.5 星載信號處理與數據存儲轉發

星載接收機的信號處理方案直接關聯到數據存儲器的容量和星地間的數據傳輸通道設計，因此好的信號處理方案將大大降低整星系統的設計難度。

各國現研制生產的AIS產品均執行國際化標準，主要相關技術指標如下：AIS第一工作頻點為161.975 MHz；AIS第二工作頻點為162.025 MHz；信道帶寬25 kHz；調制碼速率9.6 kbit／s；調制特性GMSK NRZI；TDMA時隙長度26.7 ms，共256 bit。

分析上面技術指標可知，兩工作頻點相差50 kHz，調制碼速率僅有9.6 kHz，時隙長度26.7 ms。因此，只要采樣錄取數據長度大于26.7 ms即可完整解調、解譯出單個時隙所包含的AIS信息。對于重疊信號的分離處理，則一次性取樣數據長度應大于53.4 ms。

如果接收信道通過變頻后實現零中頻，采用4倍率采樣，則計算出覆蓋2個工作頻點信號至少采樣頻率大于276.8 kHz，執行FFT運算點數大于14 782個，頻率分辨率18.7 Hz，滿足前面對于碰撞信號的利用多普勒頻差實現分離的條件。

使用14位AD器件，假如前后向兩路獨立信道連續接收，則計算出要求數據存儲速率大于29.563 Mbit／s。

參照前面計算的觀測時間354 s，接收機同時接收兩個通道，計算出在單個掃描帶上總的數據量是342.955 Mbyte。按照衛星軌道周期為96.7 min，全軌道時間處于接收狀態，則一圈的總采樣數據量達5.621 Gbyte。

取衛星12 h后能與地面接收站交換一次存儲數據，則一次交換的存儲數據量達到41.853 Gbyte。按平均過頂時間約10 min可以計算出所要求的向地面進行數據傳輸的速率應大于69.755 Mbit／s，加上采集AIS信息的時間標尺數據、衛星實際位置數據、數據包裝訂和糾檢錯碼數據開銷，則衛星對地面進行數據傳輸的速率應大于100 Mbit／s。

由此可見，星上直接進行數據采集而不作進一步處理將極大地占用衛星的下行鏈路帶寬，帶來星地間數據傳輸的巨大壓力。只有采用全球多點布設地面接收站才能減緩衛星下行鏈路帶寬的壓力，但同時也增大了衛星運控系統的復雜性和系統整體經濟成本。相反，若星上進行接收信號的解調、解譯的話，則衛星的下行數據率將大幅度下降。根據AIS協議，AIS廣播信號在1 min周期內有2 250個時隙，時隙長度為26.67 ms，每個時隙為256 bit，其中包括用于傳輸AIS信息的數據。AIS數據編碼包括64 bit報頭信息（8 bit的訓練位、24 bit的位列、8 bit的標志位、24 bit的保護時間）、168 bit的數據載荷、用于校驗的16 bit幀校驗序列（FCS）。其中在168 bit的數據位中已經包括有AIS信息，如船的航速、位置（經、緯度）、航向、識別跟蹤數（如MMSI數）以及其他數據。因此，重點采集和處理的信息數據應該且僅需要這168 bit的數據。

取全球AIS設備處于開機狀態的活動船舶總數為40 000艘，則對這些船舶進行一次觀察的數據量為2.52 Gbyte，每艘船舶僅記錄3次，存儲數據量將達到7.56 Gbyte。按照同樣的過頂時間可以計算出所要求的地面進行數據傳輸的速率應大于12.6 Mbit／s，加上采集AIS信息的時間標尺數據、數據包裝訂和糾檢錯碼數據開銷等，則衛星對地面進行數據傳輸的速率大于20 Mbit／s即可。

由此分析比較可見，采用星上完成對AIS偵收的信號解調、解譯處理，相對于直采數據存儲轉發方式的下行鏈路100 Mbit／s數據速率下降了5倍，能大大地降低衛星下行鏈路的壓力，提高星載AIS接收機通用性和對天基平臺的適裝性。

同時，星上完成AIS信號的解調解譯也利于實時引導天基平臺其他偵察手段對特殊目標的觀測，提升載荷裝備的使用效能。

4 結束語

本文介紹了國外星載AIS接收機的發展情況，提出天基AIS信號偵察系統構想，并對天基AIS信號偵收系統的主要關鍵技術和參數進行分析論證，提出可行性強、天基平臺適裝性較好的實現方案，供相關研究人員參考。

［1］Ole Fredrik Haakonsen Dahl.Space-Based AIS Receiver for Maritime Traffic Monitoring Using Interference Cancellation［D］.Trondheim，Norway：Norwegian University of Science and Technology，2006.

［2］王海硯，席在杰，楊文靜.星載AIS檢測概率計算模型與算法分析［J］.電訊技術，2011，51（11）：42-46. WANG Hai-yan，XI Zai-jie，YANG Wen-jing.Calculation model and algorithm analysis of detection probability of spaced-based AIS［J］.Telecommunication Engineering，2011，51（11）：42-46.（in Chinese）

［3］鐘杰，王懷勝，鄭力.星載AIS接收沖突分析及仿真［J］.電訊技術，2010，50（10）：6-11. ZHONG Jie，WANG Huai-sheng，ZHENG Li.Analysis and Simulation of Ship Detection Probability of Space-based AIS［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（10）：6-11.（in Chinese）

［4］何民，許斌，鐘杰.星載AIS接收鏈路設計與仿真［J］.電訊技術，2010，50（9）：114-118. HE Min，XU Bin，ZHONG Jie.Design and Simulation of LEO Satellite-based AIS Receiver Link［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（9）：114-118.（in Chinese）

ZHU Yin-chuan was born in Xiamen，Fujian Province，in 1968.He received the B.S.degree from Chengdu Institute of Information Technology in 1990.He is now a senior engineer.His research concerns demonstration of integrated electronic information system.

Email：zhuyinchuan＠163.com

梅勇兵（1979—），男，湖北新洲人，2005年于四川大學獲碩士學位，現為工程師，主要研究方向為信號處理與電子對抗；

MEI Yong-bing was born in Xinzhou，Hubei Province，in 1979.He received the M.S.degree from Sichuan University in 2005.He is now an engineer.His research concerns signal processing and electronic warfare.

Email：meiybmail＠sina.com

周李春（1979—），男，四川儀隴人，2005年于電子科技大學獲碩士學位，現為工程師，主要從事電子偵察系統設計工作。

ZHOU Li-chun was born in Yilong，Sichuan Province，in 1979.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2005.He is now an engineer. His research concerns system design of electronic reconnaissance.

Email：okzlc＠163.com

Scheme Design and Feasibility Analysis of Space-based Dual-channel AIS Signal Reconnaissance System

ZHU Yin-chuan，MEI Yong-bing，ZHOU Li-chun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Space-based AIS（Automatic Identification System）signal reconnaissance system can intercept AIS signals of vessels around thousands of sea miles to form AIS situation information of national adjacent seas as well as global sea area.In this paper，a particular scheme of dual-channel space-based AIS receiver is presented after analysing the related research results around the world，and the key parameters are demonstrated and compared. The results provide theoretical reference for developing universal and applicable space-based AIS receiver system.

space-based AIS signal reconnaissance system；detection probability；constellation；slot collision；signal separation

TN973.1

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.001

朱銀川（1968—），男，福建廈門人，1990年于成都信息工程學院獲學士學位，現為高級工程師，主要從事綜合性電子信息系統的總體論證工作；

1001-893X（2012）07-1059-06

2012-05-23；

2012-06-08