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微小卫星星载AIS关键技术研究

程云  
【摘要】:AIS系统由于其巨大的民用价值和潜在军事应用价值,已引起多个国家和组织的高度重视,成为近年来海洋监视领域的热点发展方向之一。随着航天技术特别是微小卫星技术的蓬勃发展和日趋成熟,微小卫星星载AIS系统为大范围、全天候、全天时的海洋监测任务提供了可能,且具有成本低、可快速组装、快速测试、快速发射、快速应用以及便于维护与升级等显著优势。然而,相对于传统的地面AIS系统,星载AIS系统覆盖范围广、传输距离远且卫星在轨高速运行,导致了AIS接收信号的多网冲突、多普勒频移、传输时延大和信噪比低等问题,严重制约了星载AIS系统的侦收性能。此外,依靠单个AIS卫星实施大面积海域监测的实时性较低,难以真正实用化。针对上述问题,本文在对星载AIS系统建模和分析的基础上,重点从三个方面对提高系统侦收性能的关键技术进行了深入研究,并以我国领海重点海域监测为背景,对区域覆盖的AIS卫星星座进行了设计与优化。全文的主要工作如下:首先,对星载AIS系统的特点进行了研究,建立了系统的观测模型与检测概率模型。从AIS协议出发,研究了SOTDMA通信机制和时隙分配流程,分析了星载AIS的多普勒频移、路径时延、多网信号冲突和接收信号链路等,其中,重点研究了AIS信号的多网冲突问题,并建立了星载AIS的观测模型,定义了两类信号冲突。在此基础之上,通过引入非均匀分布因子,建立了基于船舶分布密度函数的星载AIS检测概率模型,对比了船舶均匀和非均匀分布情况下的检测概率变化情况,验证了模型的合理性。之后,通过仿真分别研究了船舶二维分布特性、AIS信号报告周期、轨道高度、天线幅宽以及B类船舶对检测概率的影响,为后续开展关键技术研究,提高系统侦收性能指明了方向。其次,分别从AIS接收天线、AIS接收机设计和混叠信号盲分离三个方面重点对提高星载AIS检测性能的关键技术展开了研究。(1)对星载AIS接收天线设计和波束形成技术进行了研究。以2018年全球AIS船舶侦收任务为背景,分析了星载AIS系统对接收天线的要求。以“天拓一号”星载AIS系统为例,分析了接收天线及波束对侦收性能的影响,提出了一种基于方向性天线及波束扫描的AIS信号侦收天线设计方法,该方法通过控制天线幅宽产生较小的瞬时覆盖范围,提高瞬时检测概率水平,同时,控制天线进行波束扫描可以获得较宽的等效覆盖范围,保持了星载AIS系统覆盖范围广的优点。基于上述设计思想,分别提出了两种AIS天线设计方案:基于螺旋天线及波束扫描的方案和基于ESPAR天线及波束扫描的方案,分别研究了波束扫描方法,确定了最优天线幅宽、波束扫描范围和扫描速率。仿真结果表明:所提出的天线设计方案可显著提高船舶检测概率水平,对全球主要海域的船舶检测概率水平均有明显的提升。(2)对星载AIS接收机技术进行了研究。针对星载AIS信号的多普勒频移和同信道干扰导致的接收机误码率性能差的问题,提出了一种新型多信道并行处理的星载AIS接收机方案,对接收机的结构和软件设计进行了介绍,重点对解调算法进行了研究。新的AIS接收机采用在传统通信信道的基础上增设了两个候选通道可覆盖(159~163)MHz,既可作为主信道的备份,又可作为未来远距离AIS信号传输的专用备选信道。通过设置多子信道的并行处理一定程度上缓解了多普勒频移的影响,提高了解码性能。采用N比特联合差分解调算法增强了接收机的抗频偏和同信道干扰能力,对AIS接收机的解调性能具有较好的提升作用,从而进一步改善了星载AIS系统的侦收性能。(3)对星载AIS混叠信号盲分离方法进行了研究。针对不可避免的星载AIS信号多网冲突问题,考虑到微小卫星平台接收天线数目的限制,提出了一种基于幅度差异重构抵消的盲分离方法来分离两个AIS信号混叠冲突。首先,通过预分析确定了分离两个AIS混叠信号对检测概率提升的有效性,之后,理论推导了参数估计误差对重构抵消性能的影响,重点研究了混叠信号的参数估计方法,提出了采用二次估计方法以提高参数的估计精度,对参数实时跟踪方法和参数估计性能界进行了分析,并通过仿真分析了混叠信号中弱AIS信号分量的解调性能,验证了该方法的有效性。最后,为进一步改善星载AIS系统的侦收性能,提高系统的实时性,以区域覆盖的应用为背景,采用遗传算法进行了AIS星座的设计与优化。对AIS卫星的覆盖性能进行了分析和建模,基于点覆盖分析法对目标区域进行了设置和网格点划分,建立了目标区域的覆盖模型。结合星载AIS系统的特点,进行了星座参数的设计与影响分析。根据区域覆盖的任务目标建立了星座优化设计的求解模型,针对最少卫星数目和最大平均覆盖时间这个多目标优化问题,提出了一种分层优化的自适应遗传算法,并借助于Matlab和STK软件平台进行联合仿真得到了一种最优星座设计方案。


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