微小衛(wèi)星星載AIS關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、AIS系統(tǒng)由于其巨大的民用價(jià)值和潛在軍事應(yīng)用價(jià)值，已引起多個(gè)國家和組織的高度重視，成為近年來海洋監(jiān)視領(lǐng)域的熱點(diǎn)發(fā)展方向之一。隨著航天技術(shù)特別是微小衛(wèi)星技術(shù)的蓬勃發(fā)展和日趨成熟，微小衛(wèi)星星載 AIS系統(tǒng)為大范圍、全天候、全天時(shí)的海洋監(jiān)測任務(wù)提供了可能，且具有成本低、可快速組裝、快速測試、快速發(fā)射、快速應(yīng)用以及便于維護(hù)與升級(jí)等顯著優(yōu)勢。然而，相對于傳統(tǒng)的地面AIS系統(tǒng)，星載 AIS系統(tǒng)覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)且衛(wèi)星在軌高速運(yùn)行，導(dǎo)致了AIS接

2、收信號(hào)的多網(wǎng)沖突、多普勒頻移、傳輸時(shí)延大和信噪比低等問題，嚴(yán)重制約了星載AIS系統(tǒng)的偵收性能。此外，依靠單個(gè)AIS衛(wèi)星實(shí)施大面積海域監(jiān)測的實(shí)時(shí)性較低，難以真正實(shí)用化。針對上述問題，本文在對星載 AIS系統(tǒng)建模和分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從三個(gè)方面對提高系統(tǒng)偵收性能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并以我國領(lǐng)海重點(diǎn)海域監(jiān)測為背景，對區(qū)域覆蓋的AIS衛(wèi)星星座進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。全文的主要工作如下：
　　首先，對星載 AIS系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，建立了系

3、統(tǒng)的觀測模型與檢測概率模型。從AIS協(xié)議出發(fā)，研究了SOTDMA通信機(jī)制和時(shí)隙分配流程，分析了星載 AIS的多普勒頻移、路徑時(shí)延、多網(wǎng)信號(hào)沖突和接收信號(hào)鏈路等，其中，重點(diǎn)研究了AIS信號(hào)的多網(wǎng)沖突問題，并建立了星載AIS的觀測模型，定義了兩類信號(hào)沖突。在此基礎(chǔ)之上，通過引入非均勻分布因子，建立了基于船舶分布密度函數(shù)的星載 AIS檢測概率模型，對比了船舶均勻和非均勻分布情況下的檢測概率變化情況，驗(yàn)證了模型的合理性。之后，通過仿真分別研究了

4、船舶二維分布特性、AIS信號(hào)報(bào)告周期、軌道高度、天線幅寬以及 B類船舶對檢測概率的影響，為后續(xù)開展關(guān)鍵技術(shù)研究，提高系統(tǒng)偵收性能指明了方向。
　　其次，分別從 AIS接收天線、AIS接收機(jī)設(shè)計(jì)和混疊信號(hào)盲分離三個(gè)方面重點(diǎn)對提高星載AIS檢測性能的關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。
　?。?）對星載AIS接收天線設(shè)計(jì)和波束形成技術(shù)進(jìn)行了研究。以2018年全球AIS船舶偵收任務(wù)為背景，分析了星載 AIS系統(tǒng)對接收天線的要求。以“天拓一號(hào)”星載

5、 AIS系統(tǒng)為例，分析了接收天線及波束對偵收性能的影響，提出了一種基于方向性天線及波束掃描的 AIS信號(hào)偵收天線設(shè)計(jì)方法，該方法通過控制天線幅寬產(chǎn)生較小的瞬時(shí)覆蓋范圍，提高瞬時(shí)檢測概率水平，同時(shí)，控制天線進(jìn)行波束掃描可以獲得較寬的等效覆蓋范圍，保持了星載 AIS系統(tǒng)覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。基于上述設(shè)計(jì)思想，分別提出了兩種 AIS天線設(shè)計(jì)方案：基于螺旋天線及波束掃描的方案和基于ESPAR天線及波束掃描的方案，分別研究了波束掃描方法，確定了最優(yōu)天

6、線幅寬、波束掃描范圍和掃描速率。仿真結(jié)果表明：所提出的天線設(shè)計(jì)方案可顯著提高船舶檢測概率水平，對全球主要海域的船舶檢測概率水平均有明顯的提升。
　?。?）對星載AIS接收機(jī)技術(shù)進(jìn)行了研究。針對星載AIS信號(hào)的多普勒頻移和同信道干擾導(dǎo)致的接收機(jī)誤碼率性能差的問題，提出了一種新型多信道并行處理的星載 AIS接收機(jī)方案，對接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)對解調(diào)算法進(jìn)行了研究。新的 AIS接收機(jī)采用在傳統(tǒng)通信信道的基礎(chǔ)上增設(shè)了兩個(gè)候

7、選通道可覆蓋（159~163）MHz，既可作為主信道的備份，又可作為未來遠(yuǎn)距離AIS信號(hào)傳輸?shù)膶Ｓ脗溥x信道。通過設(shè)置多子信道的并行處理一定程度上緩解了多普勒頻移的影響，提高了解碼性能。采用 N比特聯(lián)合差分解調(diào)算法增強(qiáng)了接收機(jī)的抗頻偏和同信道干擾能力，對 AIS接收機(jī)的解調(diào)性能具有較好的提升作用，從而進(jìn)一步改善了星載AIS系統(tǒng)的偵收性能。
　?。?）對星載AIS混疊信號(hào)盲分離方法進(jìn)行了研究。針對不可避免的星載AIS信號(hào)多網(wǎng)沖突問題，

8、考慮到微小衛(wèi)星平臺(tái)接收天線數(shù)目的限制，提出了一種基于幅度差異重構(gòu)抵消的盲分離方法來分離兩個(gè) AIS信號(hào)混疊沖突。首先，通過預(yù)分析確定了分離兩個(gè) AIS混疊信號(hào)對檢測概率提升的有效性，之后，理論推導(dǎo)了參數(shù)估計(jì)誤差對重構(gòu)抵消性能的影響，重點(diǎn)研究了混疊信號(hào)的參數(shù)估計(jì)方法，提出了采用二次估計(jì)方法以提高參數(shù)的估計(jì)精度，對參數(shù)實(shí)時(shí)跟蹤方法和參數(shù)估計(jì)性能界進(jìn)行了分析，并通過仿真分析了混疊信號(hào)中弱 AIS信號(hào)分量的解調(diào)性能，驗(yàn)證了該方法的有效性。

9、>　　最后，為進(jìn)一步改善星載 AIS系統(tǒng)的偵收性能，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，以區(qū)域覆蓋的應(yīng)用為背景，采用遺傳算法進(jìn)行了AIS星座的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。對AIS衛(wèi)星的覆蓋性能進(jìn)行了分析和建模，基于點(diǎn)覆蓋分析法對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行了設(shè)置和網(wǎng)格點(diǎn)劃分，建立了目標(biāo)區(qū)域的覆蓋模型。結(jié)合星載 AIS系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了星座參數(shù)的設(shè)計(jì)與影響分析。根據(jù)區(qū)域覆蓋的任務(wù)目標(biāo)建立了星座優(yōu)化設(shè)計(jì)的求解模型，針對最少衛(wèi)星數(shù)目和最大平均覆蓋時(shí)間這個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，提出了一種分層優(yōu)化的自