一种基于AIS的大气波导实时探测方法

刘伯栋 麻曰亮 董政 张耀春

摘 要：      在海域进行大气波导传输特性试验的过程中， 发现是否能够通过船舶自动识别系统（Automatic Identification System， AIS）探测到超视距船舶与大气波导强弱具有很大相关性， 据此本文提出一种基于AIS的大气波导实时探测方法。 该方法能够实时探测超视距两点间是否存在大气波导， 有效地弥补了当前大气波导探测方法仅能对当前区域进行探测的缺陷， 并给出了基于AIS的大气波导传输损耗计算方法， 以及一种大气波导探测结果的可视化方法。

关键词：     大气波导； 船舶自动识别系统； 超视距； 传输损耗； 可視化

中图分类号：      TJ760

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2024）01-0128-05

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0177

0 引  言

大气波导是特定气象条件下对流层中形成的类似于波导管的特殊气层结构， 电磁波在其内部来回反射向前传播的方式称为大气波导传播。 由于电磁波在大气波导中传播衰减相较于标准大气中要小得多， 并且大气波导可使电磁波沿着地球曲率方向传播， 因此大气波导极大地增加了电磁波的有效作用距离， 达到“超视距”传播的效果［1-4］。

随着信息技术飞速发展， 海上侦察、 海洋运输、 海上救援等海上作业越来越依赖于海上电磁环境。 大气波导作为电磁环境的重要组成部分， 也就难以避免地会影响到上述海上作业的进行， 因此开展大气波导探测技术研究十分有必要。 现有的大气波导探测方法［5-11］主要有两类： 遥感探测法和接触探测法。 遥感探测法利用气象卫星、 雷达、 GNSS、 微波辐射仪、 激光雷达等设备来遥感大气波导， 此类方法能够实现快速反演探测， 人力物力耗费小， 但一般精度较低； 接触探测法利用高精度气象传感器直接测量大气的温、 湿、 压和折射率等参数轮廓线， 或利用高精度气象水文仪器测量大气的温、 湿、 压、 风速风向和海温参数， 代入一定模型， 从而判断是否存在大气波导， 此类方法探测时间较长， 且只能探测当前探测区域是否存在大气波导， 无法确定两点间（超视距）是否存在连续的大气波导。 本文提出一种基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System， AIS）的VHF频段大气波导实时探测技术， 该方法能够在一定程度上弥补现有方法的不足。

1 基于AIS的大气波导探测方法

1.1 船舶自动识别系统

船舶自动识别系统［12-13］是一种用于船-船、 船-岸、 岸-船通信、 维护海事安全的助航系统， 由主控单元、 GPS模块、 VHF通信模块和船舶设备接口等部分组成。 AIS不断将船舶名称、 船舶MMSI码、 船舶尺寸、 船舶类型、 航行状态、 转向率、 航速、 航线设计、 危险货物类型以及潮汐、 事故、 天气预报等进行广播， 同时接收其他船舶AIS信号以及岸上基站播发的如天气、 航行通告等信息， 这样船舶和岸上基站都能够及时掌握附近海情， 有效保障船舶航行安全。 AIS设备分A类设备和B类设备， 采用双频点TDMA制式， 频点为161.975 MHz和162.025 MHz， A类设备发射功率12.5 W， B类设备发射功率2 W。

1.2 基于AIS的大气波导探测方法

选取测试点A， 在该点布设AIS接收机用于接收附近海域船舶播发的AIS信号。 电磁波视距传输极限如下：

式中： A点海拔高度H1为400 m； 船舶天线高度H2约为10 m， 由式（1）可计算得到AIS信号视距传输距离Rmax为95 km。 图1为不同时段测试点A接收到船舶信息情况。

图1中， 三角形表示船舶， 红色圆圈标记的三角形表示与测试点A距离＞95 km的船舶， 即超视距船舶。 由于该海域船舶数量庞大且分布较为密集， 所以可以初步确定大气波导较强时， 超视距船舶AIS信号可以通过大气波导传输至测试点A； 大气波导较弱时， 测试点A只能接收到视距范围内的船舶信号。

为进一步排除图1（b）中没有接收到超视距船舶信号是因为海面上本身就没有船舶的可能性， 在海域选取点B， 点B与测试点A距离约为300 km， 在点B布设超短波电台， 在测试点A布设信号监测设备。 当测试点A处的AIS接收机显示点B附近有船舶时， 监测到点B的电台信号电平值较高； 反之， 电平值也相应较低或监测不到信号。

通过上述试验可得出结论， 海上超视距船舶AIS信号能否成功接收， 与海上大气波导强弱具有较大的相关性。 据此， 本文提出基于AIS的大气波导探测方法， 图2为该方法的示意图， AIS接收机从AIS信号中解析出船舶坐标、 信号幅度、 AIS设备类型等信息， 进而得到距离、 发射功率等信息， 利用这些信息计算大气波导传输损耗， 最后将大气波导探测结果在海图上显示。

2 大气波导传输损耗计算方法

2.1 基于抛物方程的大气波导传输损耗计算方法

无线电波在自由空间中传播是电波传播研究中最基本、 最简单的一种， 是一种理想化的电磁波传播方式。 电磁波在自由空间中传播其能量不会因反射、 折射、 绕射、 吸收和散射等作用损耗， 但电磁波在传播过程中会因向空间扩散而损耗， 这种损耗成为电磁波的自由空间传输损耗， 且距离越远， 损耗越大。 理想的无线传输条件是不存在的， 一般认为传播路径上无障碍物阻挡， 到达接收天线的地面反射信号场强忽略不计， 这种情况下就认为电磁波是在自由空间传播。 而传输媒质以及障碍物等对电波的吸收、 散射、 绕射和反射产生的损耗称为媒质传输损耗。

电磁波的大气波导传播理论主要有几何光学理论、 波导模理论、 抛物线方程［14］等。 在求解麦克斯韦方程时， 使用球坐标系考察点源的电磁波的球形扩散行为就得到了抛物线方程， 在该方程中假定大气折射率沿方位向对称分布且缓慢变化。 只要知道上部边界条件和地面边界条件， 就可以求解该方程， 计算相对比较容易， 很好解决了大气折射率水平不均匀的问题。 因此该方法成为目前最具优势和应用最广泛的大气波导传播算法。 下面给出基于抛物方程的电磁波在大气波导中传输损耗的求解方法。

设电磁波在大气波导中传输损耗为Lb， 则

Lb=32.45+20lgf+20lgd－A（2）

式中： f为电磁波频率； d为传播距离； A为衰减因子。

式中： x和z分別为电磁波传播的水平距离和接收天线高度； u（x， z）为水平距离x、 高度z处的场强。 在采用抛物方程求解u（x， z）时， 需给定初始场及上下边界条件。 在工程应用中， 难以获取初始场的上下边界， 直接求解式（3）比较困难。

用于电磁波传播效应的预测和评估的工程师折射效应预报系统（Engineers Refractive Effects Prediction System， EREPS）中， 使用依据实验数据而得到基于式（2）的经验公式［16］， 计算电磁波在大气波导内的传输损耗：

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

式中： f为电磁波的频率； F为接受天线高度z和波导高度D有关的增益函数； d为电磁波传播距离； α为天线方向性因子， 不同天线具有不同的方向性因子， 其中， 全向天线方向性因子α=1。 不同频率范围F计算方法不同， 见表 1。

2.2 基于AIS的大气波导传输损耗计算方法

图3为AIS信号发射与接收解调过程示意图。 图3中， Ps为AIS发射机的发射功率， Gs为发射天线增益， LbAIS为AIS信号经大气波导的传输损耗， Gr为接收天线增益， GA为接收放大器增益， Pr为接收信号功率， 可得AIS信号的大气波导传输损耗：

LbAIS=Ps+Gs+Gr+GA－Pr（5）

式中： 发射天线增益Gs、 接收天线增益Gr、 接收放大器增益GA均已知; 发射功率Ps可通过解析接收到的AIS信号可以识别发射设备类型是A类还是B类来确定； 接收信号功率Pr为

式中： Vin为AIS解调处理模块的AD模拟输入电压， 可根据AIS解调处理模块AD输出的数字信号幅度Ar计算得到； Rin为输入阻抗， 一般为50 Ω。

AIS发射天线采用全向天线， 由式（4）可知， AIS信号的大气波导传输损耗LbAIS为

LbAIS=32.45+20lgfAIS+20lgd－F（7）

式中： LbAIS可通过式（5）求解； fAIS为AIS信号频率约为162 MHz； 接收天线高度z已知， 因此， 波导高度D可通过增益函数F（z， D）进行求解。

通过AIS传输损耗计算得到波导高度D后， 可以通过式（4）计算不同频率信号的大气波导传输特性。

3 仿真及实测结果对比分析

对基于EREPS的大气波导传输损耗计算方法进行仿真， 假设电磁波频率为300 MHz， 电磁波传播距离为0～500 km， 波导高度为0～400 m， 接收天线高度为400 m， 仿真结果如图4所示。

进行大气波导传输损耗测试， 测试点为A点， 布设AIS接收机和超短波信号监测设备， 接收天线增益为10 dB， 在附近海域选取B、 C、 D三点（距离A点距离分别为327 km、 368 km和412 km）布设功率为50 W的超短波电台， 发射天线增益为12 dB， 超短波电台通信频率为300 MHz， 在测试海域有超视距船只的情况下开展测试， 通过超视距船只的AIS信号传输损耗计算波导高度， 计算300 MHz电磁波的传输损耗。 计算结果与实测结果对比见表2。

4 大气波导探测结果可视化方法

为能更直观地显示大气波导探测结果， 根据超视距AIS信号估算附近海域的大气波导强弱， 本文提出了一种大气波导探测结果可视化方法。 该方法通过解析接收到的超视距AIS信号， 得到超视距船舶位置、 设备类型和接收信号幅度等信息。 以探测到的超视距船舶位置为大气波导最强点， 假定距离最强点超过150 km时损耗为无穷大， 利用式（7）计算出最强点附近各个位置的大气波导传输损耗， 并绘制等功率线， 通过不同的颜色表示大气波导的强弱。 可视化显示可以较为直观地附近海域大气波导的存在性以及强弱。

为了验证上述基于AIS的大气波导探测结果可视化方法的有效性， 按照第3节的测试方法进行测试， 在A点监测能否成功接收超短波电台信号， 若成功接收， 则根据其功率值计算大气波导衰减。 将通过超短波电台信号计算得到的大气波导传输损耗与基于AIS的大气波导探测结果可视化显示的结果进行比对， 验证其有效性。

图5给出了大气波导较强、 较弱和极弱情况下基于

AIS的探测结果的可视化显示， 从图中可以看出， 可视化显示是根据超视距船只位置估算附近大气波导的强弱， 能够较为直观的显示附近海域的大气波导存在情况。 表3给出了不同情况下基于AIS的大气波导探测结果可视化的大气波导衰减与实测大气波导衰减值对比， 可以看出， 大气波导探测结果可视化方法与实测结果基本吻合， 具有一定实用价值。

5 总  结

本文提出了一种基于AIS的大气波导实时探测方法， 该方法能够实现对超视距两点间大气波导的实时探测， 弥补了现有探测方法的不足。 同时， 本文还提出了一种基于AIS的大气波导传输损耗计算方法， 以及一种结合海图的大气波导探测结果可视化方法。 由于测试时间较短， 且大气波导出现具有一定随机性， 只能通过有限的实测数据和仿真数据对本文方法进行验证， 结果表明本文方法具有一定的精度， 且具有一定实用性。 由于本文方法需要接收船舶AIS信号， 故适用于海上船舶较密集海域。

参考文献：

［1］ 张玉生， 郭相明， 赵强， 等. 大气波导的研究现状与思考［J］. 电波科学学报， 2020， 35（6）： 813-831.

Zhang Yusheng， Guo Xiangming， Zhao Qiang， et al. Research Status and Thinking of Atmospheric Duct［J］. Chinese Journal of Radio Science， 2020， 35（6）： 813-831.（in Chinese）

［2］ 康士峰， 张玉生， 王红光. 对流层大气波导［M］. 北京：  科学出版社， 2014.

Kang Shifeng， Zhang Yusheng， Wang Hongguang. Atmospheric Duct in Troposphere Environment［M］. Beijing：  Science Press， 2014.（in Chinese）

［3］ Bean B R， Dutton E J . Radio Meteorology［M］.Washington：U.S.Govt.Drint.Off.， 1966.

［4］ Atkinson B W， Li J G， Plant R S. Numerical Modeling of the Propa-gation Environment in the Atmospheric Boundary Layer over the Persian Gulf［J］. Journal of Applied Meteorology， 2001， 40（3）： 586-603.

［5］ 张瑜， 赵春丽. 电磁盲区随波导内雷达发射角的变化特性［J］. 雷达科学与技术， 2016， 14（6）： 661-664.

Zhang Yu， Zhao Chunli. Characteristics of Radar Shadow Zone Changing with Transmitter Elevation under Evaporation Duct［J］. Radar Science and Technology， 2016， 14（6）： 661-664.（in Chinese）

［6］ 张瑜， 李海涛， 李爽. 复杂环境地区电波折射修正中的折射率精确获取方法［J］. 河南师范大学学报： 自然科学版， 2019， 47（3）： 42-46.

Zhang Yu， Li Haitao， Li Shuang. A Method for Accurately Obtaining Refractive Index of Radio Wave Refraction Correction in Complex Environment［J］. Journal of Henan Normal University： Natural Science Edition， 2019， 47（3）： 42-46.（in Chinese）

［7］ 汪文杰， 许佳立， 黄贤青， 等. 基于海洋安全的大气波导观测方法研究［J］. 海洋科学， 2022， 46（1）： 112-122.

Wang Wenjie， Xu Jiali， Huang Xianqing， et al. Observation Methods of Atmospheric Duct Based on Marine Safety［J］. Marine Sciences， 2022， 46（1）： 112-122.（in Chinese）

［8］ 石广亮， 杨铖， 王健. 基于机器学习的海上蒸发波导特性智能化预测［J］. 指挥与控制学报， 2022， 8（2）： 198-205.

Shi Guangliang， Yang Cheng， Wang Jian. Intelligent Prediction for Marine Evaporation Duct Characteristics Based on Machine Learning［J］. Journal of Command and Control， 2022， 8（2）： 198-205.（in Chinese）

［9］ 王娜， 賀荣国， 金振中. 环渤海大气波导监测和试验方法［J］. 太赫兹科学与电子信息学报， 2019， 17（3）： 408-412.

Wang Na， He Rongguo， Jin Zhenzhong. Atmospheric Duct Monitoring and Test Method in Bohai Zone［J］. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology， 2019， 17（3）： 408-412.（in Chinese）

［10］ 赵辰冰. 海面大气波导探测方法的关键技术研究［D］. 天津： 国家海洋技术中心， 2014.

Zhao Chenbing. Research on Key Technologies of Marine Atmospheric Duct Detection Methods［D］. Tianjin： National Ocean Technology Center， 2014. （in Chinese）

［11］ 陆超. AIS在当代航海技术中的应用［J］. 船舶物资与市场， 2022， 30（9）： 7-9.

Lu Chao. Application of AIS in Contemporary Navigation Techno-logy［J］. Marine Equipment/Materials & Marketing， 2022， 30（9）： 7-9.（in Chinese）

［12］ 劉畅. 船舶自动识别系统（AIS）关键技术研究［D］. 大连： 大连海事大学， 2013.

Liu Chang. Study of Key Technology of Automatic Identification System（AIS）［D］. Dalian： Dalian Maritime University， 2013. （in Chinese）

［13］ 王波. 基于雷达杂波和GNSS的大气波导反演方法与实验［D］. 西安： 西安电子科技大学， 2011.

Wang Bo. Method and Experiment of Atmospheric Ducts Estimation using Radar Clutter and GNSS［D］. Xi'an： Xidian University， 2011. （in Chinese）

［14］ Hitney H. Engineers Refractive Effects Prediction System（EREPS）［J］.Interim Report Naval Ocean Systems Center San Diego Ca， 1994.

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