懸空波導環(huán)境下AIS信號超視距傳播特性分析

趙慧 趙振維 王紅光 朱慶林 韓杰 林樂科 孫方 王倩南

（中國電波傳播研究所, 青島 266107）

0 引 言

大氣波導是對流層內超短波、微波頻段無線電系統(tǒng)信號發(fā)生超視距傳播的一種重要電波環(huán)境[1]。在大氣波導環(huán)境下，電波可被波導層捕獲，以較小的能量損耗傳播至遠超視距之外的距離[2-5]。信息化系統(tǒng)和裝備利用電波這種超視距傳播特性可實現(xiàn)遠距離探測、通信、偵察等目的[5-10]。在海上大氣波導發(fā)生概率較高[11-12]，這種異常電波傳播會對岸-船、船-船之間的無線電系統(tǒng)的應用產(chǎn)生重要影響[13-15]。

自動識別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)可自動向附近船舶或岸臺廣播周期性信號，工作頻率約為162 MHz，發(fā)布的信息包括船舶動態(tài)數(shù)據(jù)、船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)、船舶航程數(shù)據(jù)以及與安全相關的短消息數(shù)據(jù)，主要應用于船舶交通管理、通信、救助、海域捕撈等方面[16-18]。海上船載AIS信號輻射源分布廣泛，岸基AIS信號接收設備可接收這些數(shù)量眾多的輻射源信號，進行解碼處理后獲得豐富的岸船鏈路傳播數(shù)據(jù)，為海上電波傳播研究提供數(shù)據(jù)基礎。

近年來，張利軍等[19]基于AIS試驗數(shù)據(jù)，采用粒子群優(yōu)化算法初步實現(xiàn)了低空大氣波導的反演。Han等[20]基于AIS數(shù)據(jù)提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡方法反演低空大氣波導參數(shù)方法，并驗證了反演方法的有效性。基于AIS數(shù)據(jù)開展大氣波導反演研究并進一步推進大氣波導監(jiān)測應用，使這種高時空分辨率的大氣波導反演監(jiān)測新技術處于不斷發(fā)展和完善之中。掌握不同類型的大氣波導環(huán)境下AIS信號傳播的超視距特性有助于提高大氣波導反演的準確性。目前，懸空波導作為大氣波導的重要類型之一，定量分析其對AIS信號傳播的影響研究亟待進一步深入開展。

基于拋物方程(parabolic equation, PE)的對流層電波傳播確定性方法是電波傳播預測的重要手段[21]。Leontovich和Fock[22]于1946年提出PE，Dockery等[23]首次將其用于求解對流層電波傳播問題，之后學者們[24-25]對PE法進行了不斷改進和完善。國內康士峰[26]、郭凱凱[27]等利用PE模擬大氣波導環(huán)境中的電波傳播過程，研究了不同類型大氣波導對雷達等裝備的影響。基于PE的電波傳播確定性方法已發(fā)展得較為成熟，在復雜環(huán)境下的電波傳播應用中取得了很好的效果。

本文基于探空數(shù)據(jù)構建懸空波導個例模型，利用基于PE的對流層確定性電波傳播算法模擬AIS信號傳播，定量分析了不同高度和強度懸空波導對AIS信號的影響范圍，并給出了復合懸空波導環(huán)境下AIS信號超視距傳播特性。

1 理論方法

1.1 懸空波導

大氣波導是發(fā)生在對流層內的一種超折射現(xiàn)象，具有一定水平擴展性和垂直分布不均勻性。大氣修正折射率是描述大氣不均勻性的物理參數(shù)，其垂直梯度為負時的大氣層結為大氣波導。

大氣修正折射率

式中：P為大氣壓強，hPa；e為水汽的分壓，MPa；T為絕對溫度，K；h為海拔高度，m。其垂直梯度表達式為[4]

懸空波導是大氣波導的主要類型之一。當大氣波導底高高于地表面時定義為懸空波導 (或抬升波導) ，主要由平流、下沉、輻射冷卻等大氣狀態(tài)變化過程引起[4]。

懸空波導結構可由表征波導高度、厚度以及強度等的特征參數(shù)進行描述，結構如圖1所示，其中htop為波導頂高，hbottom為波導底高，hb為波導層底高，dh為波導厚度，?d為波導層厚度， ?M為波導強度。

圖1 懸空波導結構示意圖Fig.1 Schematic of elevated duct structure

1.2 超視距傳播

懸空波導對電磁波的影響頻段較寬，頻段范圍覆蓋VHF~Ka頻段 (30 MHz~40 GHz) 。AIS信號頻率162 MHz，當發(fā)生懸空波導時，AIS信號可能發(fā)生傳播距離達數(shù)百千米的對流層超視距傳播現(xiàn)象。大氣波導傳播是電波發(fā)生超視距效應的重要機制。

無線電系統(tǒng)中，視距為標準大氣條件下的地平線距離，一般將大于視距的距離視作超視距。標準大氣條件下，視距可由收發(fā)天線離地高度近似得到。在AIS系統(tǒng)設計中，本文將收發(fā)天線高度分別設置為10 m和25 m，由視距計算公式得視距約為34 km， AIS信號距離大于該值時為超視距傳播。

1.3 對流層電波傳播確定性方法

本文電波傳播數(shù)值模擬采用PE法，該方法將波動方程近似為PE，進而求解空間傳播場，適用于全波段，傳播方向在一定角度內，可滿足復雜大氣環(huán)境和下墊面條件下的計算。

電波傳播前向PE表達式為[28]

式中：u(x,z)為場函數(shù)，x和z分別為波傳播方向和垂直方向；k為波數(shù)；修正折射指數(shù)m(x,z)=nexp(z/a)，n為大氣折射指數(shù)，a為地球半徑。

通過求解PE得到場u(x,z)，進而得到傳播路徑損耗為

式中：x為傳播距離；λ為波長。

對流層電波傳播確定性方法為首先由數(shù)值預報或者探空等方式獲取大氣修正折射率作為輸入的環(huán)境剖面，然后求解PE得到場值，最后利用場值計算傳播損耗。

2 懸空波導環(huán)境分析

2.1 懸空波導發(fā)生概率

本文統(tǒng)計了國家氣象局上海探空站(121.44°E，31.39°N) 2021-04-01—12-31期間每天08:00LT和20:00LT共計252天波導的發(fā)生情況。低空大氣波導和懸空波導發(fā)生概率統(tǒng)計結果見表1。可以看出，發(fā)生低空波導的概率為83%，發(fā)生懸空波導的概率為58%。根據(jù)相關文獻統(tǒng)計結果[29]，上海站發(fā)生懸空波導的頻次較高。

表1 上海站2021-04-01—12-31波導發(fā)生概率統(tǒng)計Tab.1 Occurrence probability statistics of low atmospheric ducts at Shanghai Station 2021-04-01—12-31

2.2 懸空波導特征分析

本文基于探空數(shù)據(jù)診斷的懸空波導特征參數(shù)，分析懸空波導結構特征。表2為利用2021-10-03—04T08:00LT和20:00LT上海探空站實測數(shù)據(jù)診斷得到的懸空波導特征參數(shù)。

表2 基于上海站探空數(shù)據(jù)的懸空波導特征參數(shù)Tab.2 Parameters of elevated duct from sounding data at Shanghai Station

2021-10-03 —04T08:00LT和20:00LT探空實測結果如圖2所示。可以看出，四個圖中均出現(xiàn)懸空波導，2021-10-03T08:00LT和10-04T20:00LT波導診斷結果均為單一的懸空波導結構，2021-10-03T20:00LT和10-04T08:00LT波導診斷結果為兩個相近的懸空波導復合結構。

圖2 基于上海站探空數(shù)據(jù)診斷的懸空波導Fig.2 Elevated duct from sounding data diagnosis at Shanghai Station

3 試驗與驗證分析

本文利用AIS信號觀測試驗結果對基于PE的確定性電波傳播模擬方法進行驗證。試驗地點為上海（121.95°E，31.55°N）。通過中國電波傳播研究所自主研制的接收機接收海上船載AIS設備向外廣播的AIS消息，獲取岸船AIS鏈路的傳播數(shù)據(jù)。試驗系統(tǒng)配置參數(shù)如表3所示。圖3為上海AIS信號接收示意圖。

圖3 AIS信號接收分布示意圖Fig.3 Schematic of AIS signal distribution

對試驗獲取的AIS信號電平，利用下式得到實測傳播損耗：

式中：Lf為實測路徑傳播損耗，dB；Pt和Pr分別為發(fā)射功率和接收功率，dBm；Gt和Gr分別為發(fā)射增益和接收增益， dB；Ga為接收端天線放大器增益，dB；Lline為包括線纜損耗在內的各項損耗之和，dB。AIS允許的最大傳播損耗為171 dB。

將2021-10-03T08:00LT上海站探空數(shù)據(jù)得到的大氣環(huán)境剖面作為輸入剖面，利用確定性電波傳播算法對AIS信號傳播過程進行數(shù)值模擬。接收天線高度為25 m，AIS實測信號傳播損耗和模擬傳播損耗如圖4所示。考慮到探空放球上升時間，AIS實測信號近似取2021-10-03T08:00—09:00LT的全方位數(shù)據(jù)。根據(jù)表2可知，10-03T08:00LT存在波導強度達50 M單位的強懸空波導，AIS接收站接收的最遠距離約為760 km，其傳播損耗模擬曲線與AIS實測信號變化趨勢在250 km距離內的一致性較好，驗證了模擬算法的可靠性；隨接收距離增大，基于探空環(huán)境的PE模擬傳播損耗結果與AIS實測結果出現(xiàn)偏差，可能是由于大氣環(huán)境的水平不均勻性影響造成的。

圖4 上海站2021-10-03T08:00—09:00LT AIS實測和模擬傳播損耗對比Fig.4 Comparison of AIS measured and simulated propagation loss at Shanghai Station 2021-10-03T08:00—09:00LT

4 懸空波導超視距效應

4.1 影響范圍

結合AIS接收性能影響程度（接收損耗應小于AIS允許的最大損耗），通過定量分析懸空波導環(huán)境下傳播損耗相對于標準大氣環(huán)境下傳播損耗的差異，探討不同懸空波導環(huán)境對AIS信號傳播的影響范圍。

圖5為2021-10-03—04T08:00LT和20:00LT基于探空環(huán)境剖面與標準大氣條件下的PE模擬傳播損耗差異分布。結合表2中探空診斷的懸空波導特征參數(shù)，從圖5(a)中可以看出，2021-10-03T08:00LT為波導高度較低但較厚較強的懸空波導傳播環(huán)境 (波導底高為7 m，波導厚度為641 m，波導強度為50 M單位) ，與標準大氣對比，傳播損耗相對變化最大可達33 dB，該懸空波導引起的AIS信號傳播損耗異常明顯，主要分布在波導層內及其上方，影響距離可達900 km。

圖5 上海站懸空波導環(huán)境與標準大氣環(huán)境下的PE傳播損耗差異Fig.5 Difference of PE propagation loss between elevated duct and standard atmospheric environment at Shanghai station

圖5(b)中，2021-10-03T20:00LT為強度相近的雙層復合懸空波導環(huán)境 (上層波導強度為16 M單位，下層波導強度為19 M單位) ，波導較厚 (上層波導厚度為644 m，下層波導厚度為414 m) ，上層和下層波導底高分別為567 m和395 m，傳播損耗相對變化最大為17 dB，損耗異常主要分布在300 km距離以內以及上空。

圖5(c)中，2021-10-04T08:00LT仍為雙層復合懸空波導，但下層波導強度較弱且厚度較薄 (強度為2 M單位，厚度為123 m) ，上層波導強度、厚度和波導底高與2021-10-03T20:00LT上層波導相近 (即強度為14 M單位，波導厚度為539 m，波導底高約為550 m) ，傳播損耗相對變化最大14 dB，損耗異常主要分布在280 km距離以內。

圖5(d)中，2021-10-04T20:00LT為一個較高較厚較強的懸空波導 (波導底高為784 m，強度為33 M單位，波導厚度為568 m) ，傳播損耗相對變化最大11 dB，損耗異常主要分布在300 km距離以內，負異常可能是由選取的標準大氣環(huán)境模型偏差引起的。

針對以上結果分析可知，這些懸空波導個例的波導厚度為500~650 m，均比較厚。位置低、強度大的懸空波導對AIS信號傳播具有明顯影響，影響距離遠至900 km；底高在400~600 m高度范圍內、中等強度 (約十幾M單位) 的懸空波導對AIS信號傳播的影響距離在300 km以內；底高在700~800 m高度范圍內的強懸空波導環(huán)境下，AIS信號傳播也會受到環(huán)境的影響，影響距離在300 km以內。

4.2 復合懸空波導超視距傳播特性

為分析復合懸空波導環(huán)境對AIS信號傳播的影響，本文基于2021-10-03T20:00LT圖2(b)中雙層復合懸空波導模型，設置了三種懸空波導環(huán)境作對比，如圖6所示，分別為：1) 上懸空波導模型，取復合懸空波導模型的上層懸空波導層，如(a)中紅色虛線所示；2) 下懸空波導模型，取復合懸空波導模型的下層懸空波導層，如(b)中紅色虛線所示；3) 單一懸空波導模型，由復合懸空波導模型中兩層波導合并而成，如(c)中紅色虛線所示，黑色虛線表示雙層復合懸空波導模型。

圖6 懸空波導模型Fig.6 Elevated duct models

基于以上四種懸空波導環(huán)境模型，利用確定性電波傳播模型數(shù)值模擬AIS信號傳播，高度25 m時傳播損耗隨距離的變化如圖7所示。可以看出：距離在150 km范圍內時，復合懸空波導和下懸空波導環(huán)境下傳播損耗曲線變化較為一致；距離大于150 km時，復合懸空波導和上懸空波導環(huán)境下傳播損耗曲線變化一致性較好。表明下懸空波導層主要在近距離處起主導作用，上懸空波導層主要影響遠距離處的AIS信號傳播。

圖7 不同懸空波導環(huán)境下AIS信號傳播損耗變化 (高度25 m)Fig.7 Variation of AIS signal propagation loss under different elevated duct environments (height at 25 m)

當無法分辨兩個高度相近的懸空波導層而將其近似作為一個單一懸空波導層時（如6(c)所示），距離在80 km以內時，其傳播損耗曲線與復合懸空波導環(huán)境下近似：距離為80~110 km時，與復合懸空波導環(huán)境下差異明顯，較接近上懸空波導環(huán)境下的傳播損耗；距離為110~150 km時，與復合懸空波導環(huán)境下傳播損耗曲線變化較為一致；距離超過160 km時，相對接近下懸空波導環(huán)境下的傳播損耗。整體上來看，單一懸空波導環(huán)境下傳播損耗曲線衰落深度較大，與復合懸空波導相比，兩者傳播損耗在遠距離處存在較為明顯的差異。

圖8為單一懸空波導環(huán)境傳播損耗相對標準大氣條件下的變化分布。與圖5(b)對比可知，復合懸空波導環(huán)境引起的傳播損耗差異更明顯，表明復合懸空波導環(huán)境比單一懸空波導環(huán)境對AIS信號傳播的影響更大。

圖8 單一懸空波導環(huán)境下傳播損耗相對變化Fig.8 Relative variation of propagation loss in single elevated duct environment

5 結 論

本文基于探空數(shù)據(jù)獲得懸空波導個例特征，利用確定性電波算法探討了懸空波導環(huán)境下的AIS信號超視距傳播效應。結果表明：1) 波導強度為50 M單位且底高約為7 m的懸空波導對AIS信號傳播影響較大，底高700 m以上但強度較大的懸空波導也會對AIS信號傳播產(chǎn)生影響；2) 通過對復合雙層懸空波導個例的分析發(fā)現(xiàn)下懸空波導層主要在近距離處起主導作用，上懸空波導層主要影響遠距離處的AIS信號傳播；3) 復合懸空波導環(huán)境比單一懸空波導環(huán)境對AIS信號傳播的影響更大。

本文僅以單點環(huán)境為例，且分析個例有限，下一步將采用數(shù)值預報數(shù)據(jù)開展大氣環(huán)境對AIS信號傳播的影響。以上結果可為大氣波導的監(jiān)測和反演提供重要支持，也可作為無線電系統(tǒng)設計及裝備效應評估的理論參考。