卫星导航系统中船舶无线通信信号截获方法

曾晓敏

(武汉船舶职业技术学院学院，湖北 武汉 430051)

0 引 言

导航在船舶行业尤为重要，随着我国北斗卫星的不断成熟，通过卫星导航系统截获船舶无线信号越来越常见，但是仍然缺乏对系统分类、总结以及性能的了解。所以可以通过研究全球卫星导航发展中遇到的问题以及成就寻找突破口，从而深入研究我国船舶无线信号截获的问题[1-3]。

船舶无线通信受到诸多因素的影响，尤其是大气中的干扰信号以及噪声环境的影响，导致通信设备有时无法稳定正常工作，传统的截获方法获取的无线通信质量较低，因为无法专业地对网络干扰信号进行检测和识别，所以会出现系统在进行跟踪和分离的过程中，不能有效地获得正确的计算结果。为此，不仅需要了解卫星导航系统的概念、算法，还要考虑其设计原理和应用原理，需要对无线电截获所受到的各种因素进行分析。

1 卫星导航系统

全球卫星导航系统基于一颗或多颗卫星，可全天候为使用者提供精确的三维坐标及相关配套信息。如今，国际上的卫星导航定位也随着时代的发展，成为衡量综合国力的重要因素。通过卫星导航系统发展船舶行业，为海上崛起提供强大的支撑力。

1.1 卫星导航发展现状

卫星导航系统不仅在航天领域得到了应用，目前在船舶海洋工程领域也取得了不小的成绩。

目前，我国与美国、俄罗斯、在国际上具有技术领先优势。其中，美国的GPS 系统是最早发展起来的，其具有以下特点：连续实时全天的定位，精确度高，功能多、应用广泛。较早通过导航定位实现对船舶远洋过程中无线电信号的截获。俄罗斯的“格洛纳斯”系统，其精确度较低但是抗干扰性较强。我国的北斗卫星导航定位系统，是我国自主建立的区域导航系统，其不仅可以实现双向授权，并且也在诸多领域得到了广泛的应用[4-6]。

1.2 卫星导航仿真系统中的模型及计算分析

目前卫星导航仿真系统模型分为卫星信道模型、卫星力学模型以及卫星中差模型3 种。

针对卫星信道模型需要探讨几个重点：1）不同链路卫星。如图1 所示，终端的不同也会形成不同的电波，而这些电波又会因为船舶环境的不同以及频率的不同出现不同的特性，所以卫星链路的不同是研究的一个主要方面。

图1 不同链路卫星示意图Fig.1 Schematic diagram of satellites with different links

2）卫星通信链路的传播。其中建模常用的概率分布主要有3 种：

① Rayleigh 分布

② Rician 分布

③ Log normal 正态分布

3）卫星移动信道建模常用的统计模型分为LOO 模型、Suzuki 模型、Corazza 模型、Abdi 模型。

1.3 卫星导航信号模型设计原理

对于卫星导航信号模拟的设计原理，主要是通过仿真实验研究，通过模拟和仿真建立相关的模型，并以此模型来对相关功能和指标进行测试，这也是获取卫星导航信息的主要方式。通过这种方式比较成功实现了卫星导航信号的模拟，这项技术也对卫星导航系统发展起到了关键的推动作用，是所研究的3 个基础产品之一。

导航的研究要从起点开始，而该起点就是航行体的起点。因此在这一过程中，首先要了解目的点的位置、起始点的位置，以及如何确定自身的位置，以此来对最终的路线和方向进行确定。

卫星导航运作的关键是确定自身的位置，卫星导航系统能够给船体提供自身位置、航行速度以及航行方向等多个运动状态的信息，而且该运动状态的信息是实时的。所以，经常将卫星导航系统称作卫星定位系统。

2 船舶无线通信信号

2.1 无线干扰信号截获实现流程

科技的不断进步，带动无线通信的发展。然而也造成目前世界上的各种无线电频率发生干扰，最终使得部分船舶在进行信息传递及获取的过程中，受到来自多方无线通信的干扰。因此，如何摆脱传统的截获方法，探索出一个适应于我国船舶的信息截获手段显得尤为重要。本文研究将流程大致分为以下步骤：1）干扰信号检测；2）干扰信号识别；3）干扰信号跟踪；4）干扰信号分离。

2.2 基于噪声环境下的船舶无线通信网络截获方法

在噪声环境下，经常使用的系统是岸基AIS 系统，该系统对于在噪声环境下的传输具有良好的稳定性，该系统主要有AIS 主机、通信航标以及众多的行驶船构成。

这些结构都有各自的分工，最主要的是输送无线通信信号，这个主要是由AIS 岸台来完成。岸基AIS 系统结构图如图2 所示。

图2 岸基AIS 系统结构图Fig.2 Structure of shore-based AIS system

针对岸基AIS 系统还需要结合MITS 通信平台进行合作完成信息的传输，船舶无线通信信号如果在噪声环境中连续传播，则需要形成一种统一的载波应用终端，而这一情况需要具体分析是否需要将设备进行统一的联动执行，并通过输入既定的周期，也就是信号传输定频|T|。据此在噪声环境下结合相关物理量，对无线通信信号载波的功率谱加以分析，如下式：

关于信号码速率计算，可联立式（4）。信号码速率计算下式：

式中，h为船舶MITS 通信平台的特征系数。船舶无线通信载波的重复周期方程为：

最终，根据上述方法研究发现，在相同噪声干预环境下，基于不同的分组研究结果，信号载波通信网络图如图3 所示。不同调制方式下的EVM 如图4 所示，EVM 越大表示信号的保真度也越高。不同频率下的EVM 如图5 所示。

图3 信号载波通信网络图Fig.3 Signal carrier communication network diagram

图4 不同调制方式下的EVMFig.4 EVM under different modulation methods

图5 不同频率下的EVMFig.5 EVM at different frequencies

3 船舶无线通信信号截获方法在卫星导航系统中的实现

通过北斗卫星导航系统可精确地判断船舶的具体位置以及运动的基本状态，加上船舶无线通信信号，可以解决其他无线电干扰和在噪声下无线电正常通信的问题，这样使得船舶在航行中可以更加精确地反映出船舶运动的状态和出现的状况。

卫星导航系统如图6 所示。卫星导航系统可以提供更多的帮助，无论气候环境的变化，时间的推移，都能提供导航服务。而正因为该系统的高效、精确、实时性，让无线通信信号发射源更加清晰，无线信号自身的发展也可以消除一定复杂环境的影响。通过卫星导航系统可以更快速地查找出其他干扰信号的信息，以及复杂环境的监测，由此，船舶的无线信号更不容易被干扰，可以通过卫星导航系统截获更准确的船舶无信通信信号。

图6 卫星导航系统Fig.6 Satellite navigation system

4 结 语

本文围绕船舶无线信号的接收及截获，提出通过卫星导航系统对干扰信号进行检测、识别、跟踪、分离，然后完成对无线信号的截获。而对于噪声环境下，无线导航系统与岸基AIS 系统需要获得更加高效的抗干扰能力，以此保证船舶载波信息的稳定传输，对船舶的无线通信信号截获也具备较强的应用可行性。