自动识别系统消息的卫星检测

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表5考虑了上面的讨论，综合了这一研究中所使用的AIS卫星的特性。

表5

假设的AIS卫星链路的特性

AIS卫星参数 卫星 星座 高度（km） 倾角（度） 周期（分钟） 地球覆盖区 天线 增益（GMB）（dBi） 射束宽度（?3dB）（度） 辐射图 极化 圆极化到线极化的变换损耗（dB） 接收机 在LNA输入端上的噪声系数（dB） BER = 10?5时要求的Eb/N0（dB） 在LNA前的线路/滤波器损耗（dB） 在LNA上的灵敏度（dBm） 1到6颗卫星 950 82.5 104 半径3 281 km（在水平面上） 6 100 GMB ? 12 ( ?/?3dB )2 接近圆极化 3 3 13（包括实现损耗） 2.5 误包率（PER）1%时，? 118 误包率20%时，? 120 保护比（对同频道、同时发生的信号）（dB） PER 1%时15 PER 20%时10 所希望的船舶位置更新周期 单个卫星通过，4小时和12小时 数 值 4

链路预算分析

任何卫星通信系统的最基本的性能量度标准之一是链路预算。对于正在研究的情况，它由计算在卫星上所接收到的来自一艘船舶的信号功率和与卫星的灵敏度进行比较两部分组成。若接收到的功率超过灵敏度，即有正的余量，则能够实现成功的通信。使用这里前面规定的AIS船舶发射机和AIS卫星接收机的参数，为AIS船舶到卫星的路径拟定链路预算。表6描述了可用于侦测从A类船舶来的AIS消息的几何参数和功率计算。

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表6

在最远距离上的船舶到卫星的链路预算 参 数 几何参数 卫星高度（km） 最小发射仰角（度） 卫星天线偏轴角（度） 最大倾斜距离（km） 最大表面距离（km） 功率 发射功率（dBm） 发射增益（dBi） 发射电缆和各种各样的损耗（dB） 在最大距离上的自由空间传播损耗（dB） 极化失配损耗（dB） 在地平线上的卫星天线增益（dBi） 卫星射频线路或滤波器的损耗（dB） 卫星上接收到的功率（dBm） PER 20%时卫星的灵敏度（dBm） 净余量（dB） 950 0 60.5 3 606 3 281 41.0 2.0 3.0 147.8 3.0 1.6 2.5 ? 111.7 ?120.0 8.3 数 值 7

曾经更详尽地研究过的一个因素是船舶天线在很低发射角上的传播损耗。对大多数卫星通信系统而言，在考虑技术因素如衰落和/或规章限制的条件下，通常对地球终端处的地平线以上的某些最小仰角，如3°或5°来设计该系统。对现在的研究而言，发现这些因素不可能应用于VHF地球到卫星的在海水上面的传播。使用为地球到卫星传播损耗预测所设计的无线传播模型，得到了图1所示的曲线，它表示了对在高度950 km上的卫星所估计的中值传播曲线1。该曲线是根据平均海上温带气象条件和海洋状态条件求得的。所得到的数据的正弦形结构是由于从水面来的反射路径的同相和反相相加引起的信号周期性地增强和衰落所产生的。正如从该数据中所看到的那样，名义上的自由空间传播条件应用于直到光学地平线的所有路线，传播损耗在2 dB以内，超过光学地平线的距离以外，传播损耗快速增加。

为了描述净余量与从地球上的星下点到地平线的距离之间的关系，图2根据在表5中所导出的结果作了推广。对这一计算，将自由空间传播应用于地球上的地平线，但不包含前面所表示的同相/反相的衰落结构。正好在卫星下面的局部零点是由于在AIS船舶天线所使用的偶极子天线的天线增益中的零点造成的。因为B类船舶的链路预算技术参数除了功率降低以外，基本上与A类船舶相同，所以，也显示了一条平行曲线，代表卫星上接收B类船舶信号的余量。

1 见http://flattop.its.bldrdoc.gov/if77.html。

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图1

在162 MHz上海水上面的地球到卫星的传播损耗

（卫星在高度950 km）

图2

船舶到卫星的链路余量与离星下点的地球表面距离的关系

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从这些结果可以得出结论，在卫星覆盖区以内的大多数船舶位置上，卫星侦测和解码A类和B类船舶的AIS信号都有足够的链路余量。

5 系统内部干扰分析（仅A类）

虽然链路预算表明了在卫星覆盖区内的任何地方，侦测A类船舶的AIS消息有足够的链路余量，但是

由于系统内部的干扰，对系统的侦测性能产生了相当大的限制。在随后的讨论中，描述了三种定量确定由系统内部干扰引起的对系统性能的限制方法。

5.1 分析法

正如前面所描述的那样，用于AIS自己组织的TDMA（SOTDMA）方案保证了时隙使用的协调性，所

以，在一给定的局部地理区域内，在船上单元和岸上单元之间，发生时隙冲突的可能性减至最小。对AIS卫星侦测来说，就不是这样的情况。在天线射束以内，卫星看到许多这样的局部区域。既然一般在各局部之间没有进行协调，在卫星所接收到的许多信号之间，将出现时隙碰撞。当发生一次时隙碰撞时，取决于它们的相对功率电平，两条消息都可能被丢失。随着这些时隙碰撞出现概率的增加，成功地侦测和解码一给定船舶的AIS消息的概率将下降。

用单个有用的AIS消息（D）和一个或多个无用的AIS消息（U）可以对这些时隙碰撞进行研究。只要出现时隙碰撞和综合的D/U功率比小于10 dB，将导致那些消息丢失。开始我们只考虑A类船舶，图2表明了接收到的最大AIS信号与接收到的最小AIS信号之比将为9 dB左右。因而，对发生的任何时隙碰撞而言，D/U将不能够达到所要求的10 dB的值，从而导致大多数数据包丢失。后面将描述一些有可能减少包丢失的潜在的接收机处理技术。

在某些条件下，在时隙碰撞期间，将发生丢失两个数据包。图3对这一情况作了说明。在该图中，外圆代表地球表面上的覆盖区，而圆心是正好在卫星下面的点。小得多的黑色区域代表局部的AIS协调区。我们考虑一下来自位于该局部地区内的一艘船舶的消息的接收情况。由于SOTDMA的结构，来自位于同一局部地区的其它船舶的AIS消息将同时进行协调，所以，无论是当地还是在AIS卫星接收机上，将都不会发生时隙碰撞。但是，在比较大的阴影区内的位于该局部地区以外的船舶的消息将没有进行协调，因而将导致随机出现时隙碰撞和丢失一定百分比的有用消息。在这一区域内，只要从不同的船舶位置到卫星的传播时延的差值小于2 ms左右，GPS定时同步保证了时隙将有效地对齐和只有一个时隙受影响。2 ms的时延相当于在AIS消息的末尾的20个空闲比特位置。在阴影区以外的区域中，该区域由有界白色区域所代表，到卫星的传播时延差比较大将导致时隙的重叠和造成丢失两个时隙。

若我们只研究A类船舶，并假设在卫星的可见域内船舶的地理分布是均匀的这一理想化的状况，则可以用简单的分析法来计算与这种形式的系统内部干扰相联系的统计数据。

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图3

时隙碰撞区的说明

首先，我们考虑一下最明显的情况，即卫星上正在接收来自一给定的船舶的单条消息并且在该环境中只有一艘其它的船舶。数据包碰撞的概率和成功侦测的概率由下式求出： 其中：

Q1,1： 时隙碰撞的概率（从船舶1来的有用消息；从另一艘船舶来的周期性的无用消息） P1,1： 至少有一次不发生碰撞成功侦测的概率（1条有用消息；从另一艘船舶来的周期性的无

用消息）

DC： 无用船舶消息的发射占空因数

k： 0，1或2代表来自位于区0，1或2的船舶的干扰信息 ?T： 消息发射平均间隔时间（s） ?： 消息长度（0.0267 s）。 Q1,1 = k*DC / 2 P1,1 P1,1

= 1 ? (k*DC) / 2 = 1 ? (k*(? / ?T) / 2)

上面方程中包含因子2是考虑了AIS船舶消息在两个AIS频率之间交替发送这一事实。 作为一个例子，使用?T为7 s和从区域2来的竞争的船舶消息，就得到：

P1,1 = 99.6%

将这一例子推广到卫星上正在接收来自一给定船舶的单个消息，而且在该环境中有N艘船舶的情况，成功侦测到信号不发生碰撞的概率由下式求出：

P1,N = (P1,1)N?1

一般情况下，在卫星可视周期期间，一给定的船舶发射M条消息，则在卫星可视周期期间至少成功侦测到一条所发射的消息的概率由下式求出：

PM,N = 1 ? [1 ? (P1,1)N?1]M