劉興龍, 初秀民, 馬楓, 劉潼, 聶陽

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063；3.武漢理工大學(xué) 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063)

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山區(qū)航道虛擬航標(biāo)基站布設(shè)間距研究

劉興龍1,2,3, 初秀民2,3, 馬楓2,3, 劉潼1,2,3, 聶陽1,2,3

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063；3.武漢理工大學(xué) 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063)

摘要：針對(duì)山區(qū)航道中布設(shè)虛擬航標(biāo)基站缺乏指導(dǎo)方法的問題，從基站AIS信號(hào)覆蓋的角度推導(dǎo)基站布設(shè)間距模型。首先，通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)采集山區(qū)航道AIS信號(hào)場強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)Egli模型總體上高估了山區(qū)航道中AIS信號(hào)衰減的速度，山體遮擋會(huì)造成AIS信號(hào)場強(qiáng)快速下降。然后，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用曲線擬合誤差的方法修正Egli模型的參數(shù)，得到適合于山區(qū)航道的AIS信號(hào)場強(qiáng)評(píng)估的修訂模型。修訂模型對(duì)AIS信號(hào)場強(qiáng)的評(píng)估精度提高到94%以上，較Egli模型提高了55%以上。最后，基于修訂模型，以-107 dB·m作為基站信號(hào)覆蓋范圍邊界，推導(dǎo)山區(qū)航道的虛擬航標(biāo)基站布設(shè)間距模型。該模型能保證船舶接收到基站信號(hào)的可靠性高于80%。

關(guān)鍵詞：助航設(shè)施；虛擬航標(biāo)；場強(qiáng)；Egli模型；曲線擬合；參數(shù)修正；山區(qū)航道

虛擬航標(biāo)(virtual aids to navigation, virtual AtoN)是指能在電子導(dǎo)航系統(tǒng)中顯示而物理上不存在的數(shù)字信息物標(biāo)。其工作模式是通過船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)基站播發(fā)航標(biāo)信息電文，由船載導(dǎo)航系統(tǒng)接收電文并解析顯示[1]。虛擬航標(biāo)的運(yùn)行依賴可靠的AIS通訊網(wǎng)絡(luò)，需合理布設(shè)AIS基站以保障有效的信號(hào)覆蓋。

當(dāng)前，國內(nèi)外通常將虛擬航標(biāo)用于標(biāo)識(shí)臨時(shí)性禁航區(qū)，或者通航水域狹窄不便于采用物理航標(biāo)的航段[2-4]。但是，針對(duì)虛擬航標(biāo)基站布設(shè)間距問題，當(dāng)前尚無有針對(duì)性的研究。虛擬航標(biāo)基站的設(shè)置，需要保證基站發(fā)出的AIS信號(hào)可靠的傳達(dá)到船舶。文獻(xiàn)[5-7]通過分析AIS系統(tǒng)的工作原理，從理論上分析了AIS時(shí)隙沖突問題；HASEGAWA 等[8]采用軟件仿真方法量化分析了繁忙水域的AIS信道擁堵率。劉傳潤等[9]考慮到AIS信道擁堵問題，提出了船舶分布不均衡條件下珠江口AIS基站布設(shè)方法。山區(qū)航道船舶密度小，不存在AIS信道擁擠。然而，山區(qū)航道環(huán)境多變，對(duì)AIS通信鏈路產(chǎn)生很大影響，需從信號(hào)鏈路可靠性的角度考慮山區(qū)航道AIS基站布設(shè)。在無線電信號(hào)場強(qiáng)評(píng)估模型中，射線追蹤[10-11]和傅里葉變換拋物方程模型[12-14]具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是這兩種方法的前提是建立詳細(xì)的地形地貌數(shù)學(xué)模型，無法應(yīng)用于大尺度空間的AIS信號(hào)場強(qiáng)評(píng)估。因此，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮u(píng)估AIS基站信號(hào)覆蓋可靠性，是唯一可行的辦法。

本文根據(jù)在山區(qū)航道實(shí)地采集的AIS信號(hào)場強(qiáng)分布，分析Egli模型在山區(qū)航道AIS信號(hào)評(píng)估中的誤差分布特征，然后，基于修正的Egli模型推導(dǎo)山區(qū)航道AIS基站有效覆蓋范圍，以此確定基站的合理布設(shè)間距。

1AIS信號(hào)衰減原理與場強(qiáng)評(píng)估模型

山區(qū)航道具有河谷深、航道彎、周圍植被豐富的特點(diǎn)。AIS信號(hào)在山區(qū)航道內(nèi)傳播時(shí)，受到的電磁干擾可以忽略，但是會(huì)受到水流，航道兩邊巖壁、植被的反射和吸收。因此，山區(qū)航道中AIS信號(hào)損耗主要是由自由空間傳播衰減和山體遮擋引起的。本文主要探討山體遮擋和傳播距離對(duì)AIS信號(hào)衰減的影響。

AIS基站在某點(diǎn)的信號(hào)場強(qiáng)ER為基站在天線處激發(fā)的場強(qiáng)與信號(hào)傳播到該點(diǎn)的場強(qiáng)損耗之差：

(1)

式中：ET為基站在天線處激發(fā)的場強(qiáng)，dB·m；Lps是信號(hào)傳播產(chǎn)生的中值路徑損耗，dB。當(dāng)信號(hào)無直射傳播路徑時(shí)，會(huì)發(fā)生繞射效應(yīng)，如圖1所示。繞射路徑的距離計(jì)算公式如下

(2)

式中：dD為繞射距離，km；d1為基站天線與山體的距離，km；d2為接收天線與山體的距離，km；hm為山體海拔高度，m；hT為基站天線海拔高度，m；hR為接收機(jī)天線海拔高度，m。

(a)信號(hào)繞射示意圖

(b)繞射距離幾何示意圖圖1　信號(hào)繞射原理圖Fig. 1　The schematic diagram of the signal diffraction

圖1(a)中陰影三角形表示發(fā)射天線和接收天線之間的山體，AIS信號(hào)通過繞射路徑②從a點(diǎn)到達(dá)b點(diǎn)，圖1(b)是信號(hào)繞射傳輸?shù)膸缀斡?jì)算簡圖。

AIS工作頻段為161.975 MHz和162.025 MHz。適用于162 MHz頻率的信號(hào)傳播損耗預(yù)測的模型有Okumura-Hata模型、 Egli模型和Cost231-Hata模型，其中Okumura-Hata模型和Cost231-Hata模型主要針對(duì)城市中的無線電傳播。Egli模型是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型，能夠反映信號(hào)在不同環(huán)境下的衰減規(guī)律和趨勢(shì)，相對(duì)于其他地形來說，Egli 模型對(duì)評(píng)估丘陵地形的場強(qiáng)較為精確[15]。Egli電波傳輸損耗經(jīng)驗(yàn)公式如下

Lps=88+20lgf+40lgd-20lg(hthr)-Kh

(3)

式中：f為電波頻率，MHz；ht為基地臺(tái)發(fā)射天線高度，m；hr為移動(dòng)臺(tái)接收天線高度，m；d為收、發(fā)天線之間的距離，km；Kh為地形校正因子，dB。

當(dāng)測試點(diǎn)周圍地形平均起伏高度Kh等于15 m時(shí)，Kh取0；當(dāng)測試點(diǎn)周圍地形平均起伏高度H大于或小于15 m時(shí)，則應(yīng)加地形校正因子。對(duì)150 MHz頻段，地形校正因子Kh可由下式求得

Kh=-0.143H+2.143

(4)

式中：H為測試點(diǎn)周圍地形平均起伏高度，m。

式(3)的實(shí)際適用范圍是：距離在1 km以上至視距范圍內(nèi)，頻率40～400 MHz。

2模型檢驗(yàn)

Egli模型沒有專門針對(duì)內(nèi)河山區(qū)航道展開研究，需探討該模型在內(nèi)河山區(qū)航道的適用性。為此，選擇長江上游三峽大壩-葛洲壩之間典型的山區(qū)航道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)地采集信號(hào)場強(qiáng)數(shù)據(jù)。

2.1實(shí)驗(yàn)原理

傳統(tǒng)信號(hào)場強(qiáng)測量工具難以捕捉到AIS信號(hào)并測定其場強(qiáng)。AIS接收到報(bào)文的誤包率與信號(hào)場強(qiáng)有直接關(guān)系，可以采用采集誤包率計(jì)算信號(hào)場強(qiáng)的方法來測量場強(qiáng)[16]。實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)SAAB R40型AIS基站分別作為信號(hào)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，該型號(hào)基站的場強(qiáng)-誤包率關(guān)系如下

(5)

式中：x為信號(hào)場強(qiáng)，dB·m；y為誤包率，%。其中

a1= 0.002 764 174 133 771 31

b1= 0.018 634 874 670 452 4

c1= 0.028 213 052 805 819 6

a2= 0.007 532 172 652 725 43

b2= 0.154 800 207 306 823

具體實(shí)驗(yàn)過程如下，在岸邊設(shè)置一臺(tái)SAAB R40基站發(fā)送信號(hào)并統(tǒng)計(jì)信號(hào)發(fā)射頻數(shù)，在測試點(diǎn)利用另一臺(tái)SAAB R40接收信號(hào)并統(tǒng)計(jì)頻數(shù)，對(duì)比接收到的信號(hào)頻數(shù)和發(fā)送的信號(hào)頻數(shù)，得到SAAB R40在測試點(diǎn)的誤包率，根據(jù)式(5)計(jì)算該點(diǎn)的實(shí)際場強(qiáng)。

2.2實(shí)驗(yàn)環(huán)境與過程

實(shí)驗(yàn)所采用的SAAB R40型基站發(fā)射功率為12.5 W，在天線處產(chǎn)生的信號(hào)場強(qiáng)為33 dB·m?；驹O(shè)置在石牌水域躉船上，經(jīng)緯度坐標(biāo)為(111°08′47.69″，30°47′00.26″)，天線高度距離水面14 m。石牌水域是典型的山區(qū)航道，河道兩側(cè)高山聳立，利用Google Earth查詢可知，航道兩側(cè)山體平均高度約為

150 m。在天氣晴朗條件下，測試人員攜帶一臺(tái)SAAB R40型基站作為接收機(jī)乘坐海事巡邏艇抵達(dá)各個(gè)測試點(diǎn)，分別接收15～30 min信號(hào)。石牌水域地形及基站、測試點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2　測試點(diǎn)地理環(huán)境圖Fig. 2　Geographic figure of test site

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，采用式(5)計(jì)算出的實(shí)測AIS信號(hào)場強(qiáng)和根據(jù)Egli模型計(jì)算出的理論場強(qiáng)如表1所示。

表1　長江石牌河段AIS信號(hào)場強(qiáng)分析表

圖3為理論場強(qiáng)與實(shí)際場強(qiáng)對(duì)比結(jié)果。由圖3可以看出，實(shí)測AIS信號(hào)場強(qiáng)隨著傳輸距離的增加緩慢下降，符合Egli模型中場強(qiáng)隨距離遞增而減小的趨勢(shì)，但是下降幅度低于Egli模型所計(jì)算出的場強(qiáng)；山體遮擋會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度急劇下降。統(tǒng)計(jì)Egli模型計(jì)算出的場強(qiáng)誤差可以發(fā)現(xiàn)，在沒有山體遮擋的情況下，理論場強(qiáng)與實(shí)際場強(qiáng)的差值隨著距離增加單調(diào)減小，在有山體遮擋的情況下，理論場強(qiáng)與實(shí)際場強(qiáng)的差值同樣隨著距離增加單調(diào)減小，但是誤差值大于無山體遮擋的情況，如圖4所示。可以得出結(jié)論，Egli模型能夠反映山區(qū)航道中AIS信號(hào)隨傳輸距離增加而場強(qiáng)減小的趨勢(shì)，但是存在較大誤差，需對(duì)模型進(jìn)行修正后才能適用于山區(qū)航道。

圖3　理論場強(qiáng)與實(shí)際場強(qiáng)對(duì)比圖Fig. 3　Comparison of theoretical field strength and practical field strength

圖4　場強(qiáng)差值規(guī)律圖Fig. 4　Difference between theoretical field strength and practical field strength

3模型修正與布局模型推導(dǎo)

針對(duì)在內(nèi)河山區(qū)航道中Egli模型對(duì)AIS信號(hào)場強(qiáng)評(píng)估存在較大誤差的情況，采用曲線擬合方式修正模型參數(shù)，并以實(shí)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證修正模型。以此為基礎(chǔ)，推導(dǎo)虛擬航標(biāo)基站布設(shè)間距模型。

3.1模型修正

由于山體遮擋會(huì)對(duì)AIS信號(hào)場強(qiáng)產(chǎn)生顯著影響，因此，對(duì)有山體遮擋和無山體遮擋的情況分別進(jìn)行討論。

當(dāng)沒有山體遮擋，存在AIS信號(hào)直射路徑時(shí)，對(duì)Egli模型的誤差分布進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合，通過MATLAB曲線擬合工具箱，得出無山體遮擋下場強(qiáng)誤差的擬合公式為

(6)

式中：d為信號(hào)傳輸距離，km。

將擬合出的式(6)代入式(1)、(3)，可得無山體遮擋情況下AIS基站信號(hào)場強(qiáng)與信號(hào)傳輸距離關(guān)系為

ER=-68.95-20lgf-3.29lgd+20lg(hthr)+Kh

(7)

當(dāng)存在山體遮擋，沒有AIS信號(hào)直射路徑時(shí)，通過MATLAB曲線擬合工具箱，得出存在無山體遮擋下誤差擬合公式如下

(8)

圖5　誤差擬合圖Fig. 5　Error fitting figure

將式(8)代入式(1)、(3)，可得有山體遮擋情況下場強(qiáng)與信號(hào)傳輸距離關(guān)系式為

ER'=-58.62-20lgf-24.24lgd+20lg(hthr)+Kh

(9)

誤差擬合函數(shù)圖像如圖5。

3.2模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證修正模型的準(zhǔn)確度，在長江三峽壩河口河段進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。壩河口河段位于長江三峽大壩下游約2 km處，通過Google Earth查詢可知，航道兩側(cè)山體平均高度約為200 m。實(shí)驗(yàn)的方式同樣采用兩臺(tái)SAAB R40型基站分別作為AIS發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)安置于長江三峽通航管理局辦公樓樓頂，經(jīng)緯度坐標(biāo)為(111°03′33.25″，30°50′29.84″)，發(fā)射天線距離江面垂直高度約為26 m，接收機(jī)放置在海事巡邏艇，天線高度約2 m，如圖6所示。在壩河口河段選擇6個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)測試15～30 min，統(tǒng)計(jì)誤包率，推導(dǎo)場強(qiáng)。測試結(jié)果如表2所示。

可見，修正后的模型對(duì)壩河口山區(qū)航道的AIS信號(hào)場強(qiáng)評(píng)估具有很高的準(zhǔn)確率。在距離最近的測試點(diǎn)(距離2.889 6 km)，信號(hào)場強(qiáng)評(píng)估精度達(dá)到97.69%，比Egli模型準(zhǔn)確率提高55.22%；在距離最遠(yuǎn)的測試點(diǎn)(距離8.167 km)，信號(hào)場強(qiáng)評(píng)估精度達(dá)到94.53%，比Egli模型準(zhǔn)確率提高63.89%。

圖6　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)地理環(huán)境圖Fig. 6　Geographic figure of verification test site

3.3基站布局間距推導(dǎo)

根據(jù)國際航道標(biāo)志協(xié)會(huì)(International Association of Lighthouse Authorities，IALA)對(duì)AIS可靠性的規(guī)定，要求AIS接收機(jī)在-107 dB·m的場強(qiáng)下誤包率不高于20%。當(dāng)前，長江上所有的船載AIS都滿足IALA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以此為依據(jù)，以AIS基站覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)場強(qiáng)不低于-107 dB·m為標(biāo)準(zhǔn)，研究山區(qū)航道中AIS基站最大有效覆蓋范圍。

對(duì)式(7)中的距離d求反函數(shù)，并代入最小接收?qǐng)鰪?qiáng)Ermin= -107 dB·m和AIS信道頻率f=162 MHz，得山區(qū)航道無山體遮擋條件下AIS基站最大有效覆蓋范圍dmax與地形因子Kh，收、發(fā)天線高度ht、hr的關(guān)系為

(10)

當(dāng)存在山體遮擋時(shí)，由式(9)推導(dǎo)可得，山區(qū)航

道無信號(hào)遮擋條件下AIS基站最大有效覆蓋范圍d'max與地形因子Kh，收、發(fā)天線高度ht、hr的關(guān)系為

(11)

在山區(qū)航道布設(shè)AIS基站時(shí)，相鄰兩基站的最大間距應(yīng)小于各基站的最大信號(hào)有效覆蓋范圍之和。其中，間距的計(jì)算是以基站信號(hào)最短傳播路徑為準(zhǔn)，即：當(dāng)基站信號(hào)沿航道傳播無遮擋時(shí)，取直線距離；當(dāng)存在信號(hào)遮擋時(shí)，取信號(hào)最短繞射距離。以式(10)、(11)為基礎(chǔ)計(jì)算山區(qū)航道中AIS基站的布設(shè)間距，可確保船舶在航道內(nèi)接收到虛擬航標(biāo)信號(hào)的誤包率低于20%，維持虛擬航標(biāo)的可靠運(yùn)行。

表2　長江壩河口河段測點(diǎn)AIS數(shù)據(jù)

4結(jié)論

本文得出如下結(jié)論：

1)在半封閉的山區(qū)航道環(huán)境下，AIS信號(hào)的傳播規(guī)律與開闊地區(qū)存在顯著的差異。Egli模型能夠反映出AIS信號(hào)隨傳播距離增加而場強(qiáng)衰減的趨勢(shì)，但是估計(jì)值普遍低于實(shí)際值，且隨著距離的增加，實(shí)際場強(qiáng)與估計(jì)場強(qiáng)的差值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，差值服從對(duì)數(shù)分布。同時(shí)，有山體遮擋區(qū)域的信號(hào)場強(qiáng)比同等距離下的無山體遮擋信號(hào)場強(qiáng)更低，且差值同樣服從對(duì)數(shù)分布。

2)通過將山區(qū)航道中有信號(hào)遮擋和無信號(hào)遮擋情況下的AIS信號(hào)評(píng)估模型區(qū)分開，基于實(shí)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別修正Egli模型在兩種情況下的模型參數(shù)，可以有效提高虛擬航標(biāo)基站的AIS信號(hào)場強(qiáng)覆蓋范圍的評(píng)估精度。

3)根據(jù)IALA對(duì)AIS船臺(tái)性能的規(guī)定和AIS船臺(tái)誤包率與信號(hào)場強(qiáng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以-107 dB·m作為虛擬航標(biāo)基站的信號(hào)覆蓋邊界，由此推導(dǎo)基站布設(shè)間距是可行的，可保證航道中船舶接收到基站信號(hào)的可靠性高于80%。

4)本文針對(duì)山區(qū)航道特定環(huán)境，對(duì)Egli模型中的距離參數(shù)進(jìn)行了修正，但沒有針對(duì)天線高度對(duì)AIS信號(hào)傳播的影響展開專門研究，后期可對(duì)山區(qū)航道環(huán)境下Egli模型的天線高度參數(shù)進(jìn)行修正，使Egli模型在山區(qū)航道中更加精確。

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Base station spacing of virtual aids to navigation in mountain waterways

LIU Xinglong1,2,3, CHU Xiumin2,3, MA Feng2,3, LIU Tong1,2,3, NIE Yang1,2,3

(1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Intelligent Transportation System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract：To address the problem of the lack of guidelines for deploying virtual aids to navigation (AtoN) base stations in mountain waterways, this research proposes a spacing model for base stations from the perspective of field strength estimations of the automatic identification system (AIS) signal. First, we conducted a field experiment to capture the field strength of the AIS signal. The experimental results show that the Egli model overestimated the attenuation of the AIS signal in mountain waterways, and the palisades severely decreased the field strength of the AIS signal. With the experimental data, we were able to revise the parameters of the Egli model through curve-fitting. Consequently, we achieved a modified Egli model, which can better estimate the field strength of the AIS signal in mountain waterways. Our results show that this modified Egli model increased the accuracy of the estimated field strength of the AIS signal to more than 94%, which is over 55% higher than that of the original Egli model. Finally, taking -107 dB·m as the transmittal boundary condition of the base station’s AIS signal, we derived a virtual AtoN spacing model for base stations in mountain waterways from the modified Egli model. This spacing model can ensure a signal reception rate higher than 80%.

Keywords：navigation aids; virtual aids to navigation; field strength; Egli model; curve fitting; modification of parameters; mountain waterway

中圖分類號(hào)：U644.34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)03-382-06

doi:10.11990/jheu.201410074

作者簡介：劉興龍(1987-), 男, 博士研究生;通信作者：初秀民，E-mail：chuxm@whut.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273234，51479155)；湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體資助項(xiàng)目(2013CFA007)；交通運(yùn)輸部信息化技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目(2013-364-548-200).

收稿日期：2014-10-30.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160104.1701.024.html

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-01-04.

初秀民(1969-), 男, 教授,博士，博士生導(dǎo)師.