一種基于AIS的大氣波導實時探測方法

劉伯棟 麻曰亮 董政 張耀春

摘 要：????? 在海域進行大氣波導傳輸特性試驗的過程中， 發現是否能夠通過船舶自動識別系統（Automatic Identification System， AIS）探測到超視距船舶與大氣波導強弱具有很大相關性， 據此本文提出一種基于AIS的大氣波導實時探測方法。 該方法能夠實時探測超視距兩點間是否存在大氣波導， 有效地彌補了當前大氣波導探測方法僅能對當前區域進行探測的缺陷， 并給出了基于AIS的大氣波導傳輸損耗計算方法， 以及一種大氣波導探測結果的可視化方法。

關鍵詞：???? 大氣波導； 船舶自動識別系統； 超視距； 傳輸損耗； 可視化

中圖分類號：??? ??TJ760

文獻標識碼：??? A

文章編號：??? ?1673-5048（2024）01-0128-05

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0177

0 引? 言

大氣波導是特定氣象條件下對流層中形成的類似于波導管的特殊氣層結構， 電磁波在其內部來回反射向前傳播的方式稱為大氣波導傳播。 由于電磁波在大氣波導中傳播衰減相較于標準大氣中要小得多， 并且大氣波導可使電磁波沿著地球曲率方向傳播， 因此大氣波導極大地增加了電磁波的有效作用距離， 達到“超視距”傳播的效果［1-4］。

隨著信息技術飛速發展， 海上偵察、 海洋運輸、 海上救援等海上作業越來越依賴于海上電磁環境。 大氣波導作為電磁環境的重要組成部分， 也就難以避免地會影響到上述海上作業的進行， 因此開展大氣波導探測技術研究十分有必要。 現有的大氣波導探測方法［5-11］主要有兩類： 遙感探測法和接觸探測法。 遙感探測法利用氣象衛星、 雷達、 GNSS、 微波輻射儀、 激光雷達等設備來遙感大氣波導， 此類方法能夠實現快速反演探測， 人力物力耗費小， 但一般精度較低； 接觸探測法利用高精度氣象傳感器直接測量大氣的溫、 濕、 壓和折射率等參數輪廓線， 或利用高精度氣象水文儀器測量大氣的溫、 濕、 壓、 風速風向和海溫參數， 代入一定模型， 從而判斷是否存在大氣波導， 此類方法探測時間較長， 且只能探測當前探測區域是否存在大氣波導， 無法確定兩點間（超視距）是否存在連續的大氣波導。 本文提出一種基于船舶自動識別系統（Automatic Identification System， AIS）的VHF頻段大氣波導實時探測技術， 該方法能夠在一定程度上彌補現有方法的不足。

1 基于AIS的大氣波導探測方法

1.1 船舶自動識別系統

船舶自動識別系統［12-13］是一種用于船-船、 船-岸、 岸-船通信、 維護海事安全的助航系統， 由主控單元、 GPS模塊、 VHF通信模塊和船舶設備接口等部分組成。 AIS不斷將船舶名稱、 船舶MMSI碼、 船舶尺寸、 船舶類型、 航行狀態、 轉向率、 航速、 航線設計、 危險貨物類型以及潮汐、 事故、 天氣預報等進行廣播， 同時接收其他船舶AIS信號以及岸上基站播發的如天氣、 航行通告等信息， 這樣船舶和岸上基站都能夠及時掌握附近海情， 有效保障船舶航行安全。 AIS設備分A類設備和B類設備， 采用雙頻點TDMA制式， 頻點為161.975 MHz和162.025 MHz， A類設備發射功率12.5 W， B類設備發射功率2 W。

1.2 基于AIS的大氣波導探測方法

選取測試點A， 在該點布設AIS接收機用于接收附近海域船舶播發的AIS信號。 電磁波視距傳輸極限如下：

式中： A點海拔高度H1為400 m； 船舶天線高度H2約為10 m， 由式（1）可計算得到AIS信號視距傳輸距離Rmax為95 km。 圖1為不同時段測試點A接收到船舶信息情況。

圖1中， 三角形表示船舶， 紅色圓圈標記的三角形表示與測試點A距離＞95 km的船舶， 即超視距船舶。 由于該海域船舶數量龐大且分布較為密集， 所以可以初步確定大氣波導較強時， 超視距船舶AIS信號可以通過大氣波導傳輸至測試點A； 大氣波導較弱時， 測試點A只能接收到視距范圍內的船舶信號。

為進一步排除圖1（b）中沒有接收到超視距船舶信號是因為海面上本身就沒有船舶的可能性， 在海域選取點B， 點B與測試點A距離約為300 km， 在點B布設超短波電臺， 在測試點A布設信號監測設備。 當測試點A處的AIS接收機顯示點B附近有船舶時， 監測到點B的電臺信號電平值較高； 反之， 電平值也相應較低或監測不到信號。

通過上述試驗可得出結論， 海上超視距船舶AIS信號能否成功接收， 與海上大氣波導強弱具有較大的相關性。 據此， 本文提出基于AIS的大氣波導探測方法， 圖2為該方法的示意圖， AIS接收機從AIS信號中解析出船舶坐標、 信號幅度、 AIS設備類型等信息， 進而得到距離、 發射功率等信息， 利用這些信息計算大氣波導傳輸損耗， 最后將大氣波導探測結果在海圖上顯示。

2 大氣波導傳輸損耗計算方法

2.1 基于拋物方程的大氣波導傳輸損耗計算方法

無線電波在自由空間中傳播是電波傳播研究中最基本、 最簡單的一種， 是一種理想化的電磁波傳播方式。 電磁波在自由空間中傳播其能量不會因反射、 折射、 繞射、 吸收和散射等作用損耗， 但電磁波在傳播過程中會因向空間擴散而損耗， 這種損耗成為電磁波的自由空間傳輸損耗， 且距離越遠， 損耗越大。 理想的無線傳輸條件是不存在的， 一般認為傳播路徑上無障礙物阻擋， 到達接收天線的地面反射信號場強忽略不計， 這種情況下就認為電磁波是在自由空間傳播。 而傳輸媒質以及障礙物等對電波的吸收、 散射、 繞射和反射產生的損耗稱為媒質傳輸損耗。

電磁波的大氣波導傳播理論主要有幾何光學理論、 波導模理論、 拋物線方程［14］等。 在求解麥克斯韋方程時， 使用球坐標系考察點源的電磁波的球形擴散行為就得到了拋物線方程， 在該方程中假定大氣折射率沿方位向對稱分布且緩慢變化。 只要知道上部邊界條件和地面邊界條件， 就可以求解該方程， 計算相對比較容易， 很好解決了大氣折射率水平不均勻的問題。 因此該方法成為目前最具優勢和應用最廣泛的大氣波導傳播算法。 下面給出基于拋物方程的電磁波在大氣波導中傳輸損耗的求解方法。

設電磁波在大氣波導中傳輸損耗為Lb， 則

Lb=32.45+20lgf+20lgd－A（2）

式中： f為電磁波頻率； d為傳播距離； A為衰減因子。

式中： x和z分別為電磁波傳播的水平距離和接收天線高度； u（x， z）為水平距離x、 高度z處的場強。 在采用拋物方程求解u（x， z）時， 需給定初始場及上下邊界條件。 在工程應用中， 難以獲取初始場的上下邊界， 直接求解式（3）比較困難。

用于電磁波傳播效應的預測和評估的工程師折射效應預報系統（Engineers Refractive Effects Prediction System， EREPS）中， 使用依據實驗數據而得到基于式（2）的經驗公式［16］， 計算電磁波在大氣波導內的傳輸損耗：

L=32.45+20lgf+20lgd－F（z， D）－20lg（α）（4）

式中： f為電磁波的頻率； F為接受天線高度z和波導高度D有關的增益函數； d為電磁波傳播距離； α為天線方向性因子， 不同天線具有不同的方向性因子， 其中， 全向天線方向性因子α=1。 不同頻率范圍F計算方法不同， 見表 1。

2.2 基于AIS的大氣波導傳輸損耗計算方法

圖3為AIS信號發射與接收解調過程示意圖。 圖3中， Ps為AIS發射機的發射功率， Gs為發射天線增益， LbAIS為AIS信號經大氣波導的傳輸損耗， Gr為接收天線增益， GA為接收放大器增益， Pr為接收信號功率， 可得AIS信號的大氣波導傳輸損耗：

LbAIS=Ps+Gs+Gr+GA－Pr（5）

式中： 發射天線增益Gs、 接收天線增益Gr、 接收放大器增益GA均已知; 發射功率Ps可通過解析接收到的AIS信號可以識別發射設備類型是A類還是B類來確定； 接收信號功率Pr為

式中： Vin為AIS解調處理模塊的AD模擬輸入電壓， 可根據AIS解調處理模塊AD輸出的數字信號幅度Ar計算得到； Rin為輸入阻抗， 一般為50 Ω。

AIS發射天線采用全向天線， 由式（4）可知， AIS信號的大氣波導傳輸損耗LbAIS為

LbAIS=32.45+20lgfAIS+20lgd－F（7）

式中： LbAIS可通過式（5）求解； fAIS為AIS信號頻率約為162 MHz； 接收天線高度z已知， 因此， 波導高度D可通過增益函數F（z， D）進行求解。

通過AIS傳輸損耗計算得到波導高度D后， 可以通過式（4）計算不同頻率信號的大氣波導傳輸特性。

3 仿真及實測結果對比分析

對基于EREPS的大氣波導傳輸損耗計算方法進行仿真， 假設電磁波頻率為300 MHz， 電磁波傳播距離為0～500 km， 波導高度為0～400 m， 接收天線高度為400 m， 仿真結果如圖4所示。

進行大氣波導傳輸損耗測試， 測試點為A點， 布設AIS接收機和超短波信號監測設備， 接收天線增益為10 dB， 在附近海域選取B、 C、 D三點（距離A點距離分別為327 km、 368 km和412 km）布設功率為50 W的超短波電臺， 發射天線增益為12 dB， 超短波電臺通信頻率為300 MHz， 在測試海域有超視距船只的情況下開展測試， 通過超視距船只的AIS信號傳輸損耗計算波導高度， 計算300 MHz電磁波的傳輸損耗。 計算結果與實測結果對比見表2。

4 大氣波導探測結果可視化方法

為能更直觀地顯示大氣波導探測結果， 根據超視距AIS信號估算附近海域的大氣波導強弱， 本文提出了一種大氣波導探測結果可視化方法。 該方法通過解析接收到的超視距AIS信號， 得到超視距船舶位置、 設備類型和接收信號幅度等信息。 以探測到的超視距船舶位置為大氣波導最強點， 假定距離最強點超過150 km時損耗為無窮大， 利用式（7）計算出最強點附近各個位置的大氣波導傳輸損耗， 并繪制等功率線， 通過不同的顏色表示大氣波導的強弱。 可視化顯示可以較為直觀地附近海域大氣波導的存在性以及強弱。

為了驗證上述基于AIS的大氣波導探測結果可視化方法的有效性， 按照第3節的測試方法進行測試， 在A點監測能否成功接收超短波電臺信號， 若成功接收， 則根據其功率值計算大氣波導衰減。 將通過超短波電臺信號計算得到的大氣波導傳輸損耗與基于AIS的大氣波導探測結果可視化顯示的結果進行比對， 驗證其有效性。

圖5給出了大氣波導較強、 較弱和極弱情況下基于

AIS的探測結果的可視化顯示， 從圖中可以看出， 可視化顯示是根據超視距船只位置估算附近大氣波導的強弱， 能夠較為直觀的顯示附近海域的大氣波導存在情況。 表3給出了不同情況下基于AIS的大氣波導探測結果可視化的大氣波導衰減與實測大氣波導衰減值對比， 可以看出， 大氣波導探測結果可視化方法與實測結果基本吻合， 具有一定實用價值。

5 總? 結

本文提出了一種基于AIS的大氣波導實時探測方法， 該方法能夠實現對超視距兩點間大氣波導的實時探測， 彌補了現有探測方法的不足。 同時， 本文還提出了一種基于AIS的大氣波導傳輸損耗計算方法， 以及一種結合海圖的大氣波導探測結果可視化方法。 由于測試時間較短， 且大氣波導出現具有一定隨機性， 只能通過有限的實測數據和仿真數據對本文方法進行驗證， 結果表明本文方法具有一定的精度， 且具有一定實用性。 由于本文方法需要接收船舶AIS信號， 故適用于海上船舶較密集海域。

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A Real-Time Detection Method of Atmospheric Duct Based on AIS

Abstract： In the process of conducting the atmospheric waveguide transmission characteristic test in the sea area， it is found that whether the over-the-horizon ships can be detected by the Automatic Identification System （AIS） has a great correlation with the strength of the atmospheric waveguide. Therefore， this paper proposes a real-time detection method of the atmospheric waveguide based on AIS. This method can detect whether there is an atmospheric waveguide between two points beyond the horizon in real time， which effectively makes up for the defect that the current atmospheric waveguide detection method can only detect the current area. This paper also gives the calculation method of atmospheric waveguide transmission loss based on AIS and a visualization method of atmospheric waveguide detection results. The comparison between the experimental data and the simulation results shows that the method in this paper has high accuracy and certain practical value.

Key words： atmospheric waveguide; automatic? identification system; over-the-horizon; transmission loss; visuali-zation