基于AIS信号的低空大气波导监测试验分析_张利军.pdf

张利军，王红光，李建儒，等.基于 AIS 信号的低空大气波导监测试验分析J.电波科学学报，2023，38（1）：108-113.DOI:10.12265/j.cjors.2021339ZHANG L J,WANG H G,LI J R,et al.Experimental analysis of lower atmospheric duct monitoring based on AIS signalJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：108-113.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2021339基于 AIS 信号的低空大气波导监测试验分析张利军*王红光李建儒张超韩杰王倩南朱庆林（中国电波传播研究所,青岛 266107）摘要 鉴于低空大气波导对海上工作的雷达、通信系统的显著影响，提出了基于实测船舶自动识别系统(automatic identification system,AIS)信号的海上低空大气波导遥感新方法.首先讨论了不同大气折射环境下的AIS 信号传播特性，验证了低空大气波导尤其表面波导对海上实际 VHF 频段 AIS 信号的显著影响；然后给出了2018 年 4 月 20 日以及 22 日岸基 AIS 接收机接收功率平面位置分布图结果，利用接收站附近探空站的修正大气折射率剖面验证了大气波导是形成 AIS 信号远距离传播的主要原因；最后给出了基于 AIS 信号反演低空大气波导的步骤，采用粒子群优化算法得到根据单一方位接收功率的反演结果.该方法具有被动接收、时空分辨率高的优点，是当前雷达海杂波、卫星导航信号遥感探测大气波导的有益补充.关键词AIS 信号；低空大气波导；遥感；反演；试验中图分类号TN011.3文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0108-06DOI 10.12265/j.cjors.2021339Experimental analysis of lower atmospheric duct monitoring based on AIS signalZHANG Lijun*WANG HongguangLI JianruZHANG ChaoHAN JieWANG QiannanZHU Qinglin（China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China）AbstractIn view of the significant influence of lower atmospheric duct on radar and communication systems atsea,a new method of remote sensing lower atmospheric duct at sea based on measured automatic identification system(AIS)signal is proposed.The propagation characteristics of AIS signal in different atmospheric refraction environmentsare discussed,and the significant influence of lower atmospheric duct,especially surface duct,on AIS signal operatedon VHF band is verified.The plan position distribution results of the received power of shore based AIS receiver onApril 20 and 22,2018 are given.Furthermore,the modified atmospheric refractivity profile of the radiosonde site nearthe receiving station is used to verify that the lower atmospheric duct is the main reason for the long-range propagationof AIS signal.Finally,the basic procedure of inversion of lower atmospheric duct based on AIS signal is given,and theinversion results based on single azimuth received power using particle swarm optimization algorithm are given.Thismethod has the advantages of passive reception of non-active radiated electromagnetic signals and high temporal andspatial resolution.It is a useful supplement to the current radar sea clutter and satellite navigation signals for remotesensing atmospheric duct.Keywords automatic identification system (AIS)signal；lower atmospheric duct；remote sensing；inversion；experiment 引言大气波导对超短波、微波波段的雷达以及通信系统具有显著影响，对雷达的影响是能够使雷达实现超视距探测，同时形成特殊的探测盲区或者海面杂波增强，影响目标检测等；对通信的影响主要是使得超短波通信设备的距离增大，同时形成大气波导造成的通信盲区等.按照形成机理以及分布高度的 收稿日期：2021-12-20资助项目：国家基础加强计划领域基金(A152003002)通信作者：张利军 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 不同，大气波导分为蒸发波导、表面波导以及悬空波导，其中表面波导和悬空波导统称低空大气波导.由于影响显著并具有较大的应用价值，作为反常传播环境的大气波导愈来愈受到人们的关注1-2.大气波导探测分为直接探测以及遥感探测1,3.直接探测采用微波折射率仪直接测量不同高度上的折射率，以及采用无线电探空仪或者探空火箭等方式测量不同高度上的温度、相对湿度以及压强等气象参数，再转化为不同高度上的折射率，获得大气折射率廓线，进而诊断大气波导参数.该方式具有测量准确的优点，但只能实现单点或多点探测，存在成本高、操作不便以及时空分辨率不高的缺点.遥感探测主要通过对海雷达海杂波4-6、激光雷达回波1、固定链路无线电信号7以及卫星导航信号8-12的监测反演得到大气波导环境信息.该方式具有操作简便、能够实现区域监测的优点，同时存在精度相对不高的缺点.由于便捷、实时、范围大的优点，大气波导遥感仍是探测领域中的重要发展方向1.在实际应用中，对海雷达观测以及激光雷达观测由于雷达开机需要辐射电磁能量，受到一定的限制.基于卫星导航信号的折射率环境遥感观测由于地基观测中卫星上升、下降事件数是有限的，导致该方法存在时空分辨率不高的缺点.船舶自动识别系统(automatic identification system,AIS)是一种应用于船和岸之间、船与船之间的海事安全与通信的助航系统13-14.船载 AIS 设备由 VHF通信机、GPS 定位仪和船载显示器相连接的通信控制器组成.船载 AIS 设备将船位、船速、航向率及航向等船舶动态信息，结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由 VHF 向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的航行资讯，采取必要避让行动，有效保障船舶航行安全.充分利用海上 AIS 信号辐射源数量多、分布广等有利条件，可实现基于岸基 AIS 信号的低空大气波导监测方法，进而形成一种新的大气波导被动遥感技术，是当前雷达杂波遥感技术、卫星导航信号遥感技术的有益补充.文中从 AIS 信号的基本特性出发，给出了 AIS信号形成大气波导传播的必要条件，基于抛物方程确定性模型仿真分析了不同折射环境下 AIS 信号的传播损耗随着距离的分布.进行了基于实测的岸基AIS 接收数据的低空大气波导对比验证，最后给出了基于实测 AIS 信号的反演结果.1 AIS 信号特征及其传播特性分析AIS 消息提供四类数据：1)船舶静态数据，2)船舶动态数据，3)船舶航程数据，4)与安全相关的短消息数据.其中船舶动态数据包含经度、纬度、航向、航速等13.AIS 的工作频率为 162 MHz25 kHz，其中161.975 MHz 为 CH87B 频道，162.025 MHz 为 CH88B频道，船载 AIS 设备工作在两个频道向外广播信息.由于这两个频率较为接近，传播特性并无显著差别，因此在电波传播计算中 AIS 信号频率均可近似视为162 MHz.众所周知，蒸发波导只对 1 GHz 以上频段产生影响，而表面波导和悬空波导则可能对 VHF 以上波段产生影响.表面波导和悬空波导的截止波长为15max=23C(M)1/2t.（1）CC=3.7712103C=5.6569103Mt式中：为常数，对于陷获层接地的表面波导，有，悬空波导有；为波导强度；为波导厚度.针对AIS 工作频率162 MHz，对应的波长为1.85 m，所需要的临界波导厚度以及波导强度，即 AIS 信号形成大气波导传播的条件如图 1 所示.01002003004005006007008000102030405060波导厚度/m波导强度/M 单位表面波导悬空波导图 1 AIS 信号形成大气波导传播的条件Fig.1 Conditions of AIS signal propagating inatmospheric duct 当低空大气波导厚度、波导强度满足上述条件，则可陷获海面 AIS 信号产生超视距传播.抛物方程模型能够考虑复杂大气环境以及不规则地形(粗糙海面)，且其解可采用分步傅里叶算法，易于在计算机上实现，因此在电波传输损耗计算中得到广泛应用.标准抛物方程(stand parabolic equation,SPE)为u(x,z)x=ik021k202z2+n2(x,z)1u(x,z).（2）u(x,z)k0n(x,z)式中：为电场或者磁场分量；为波数；为不同距离不同高度的大气折射指数.SPE 为窄角抛物方程，即在传播仰角小于 15时具有很好的计算精度，满足大气波导传播的角度要求.考虑地球曲率影响，SPE 的算法求解形式如下：第 1 期张利军，等：基于 AIS 信号的低空大气波导监测试验分析109 u(x+x,z)=eik0(n21+2z/e)x/21eipx/2k0u(x,z).（3）ep1式中：为地球半径；为变换域变量；和分别为傅里叶变换和逆变换.折射率剖面可以为标准大气或者任意实际的复杂大气剖面.由式(3)可知：电磁波场强空间分布是利用初始场沿 x 方向步进求解得到.初始场根据发射天线方向图获得，数值计算区域顶部一般采取设置吸收边界条件进行处理.由归一化场强得到路径传播损耗表达式：L(x,z)=20lg f+10lgr20lg|u(x,z)|27.6.（4）fr式中：为频率(MHz)；为距离(m).进一步基于抛物方程模型仿真分析标准大气、蒸发波导、表面波导、悬空波导对 AIS 信号传播的影