海上VHF无线信号传播模型测试验证研究

2021

第6期

ＤＯＩ：１０．１６８３１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ１６７３－２２７８．２０２１．０６．０１０

邓祝森，男，正高级工程师，毕业于大连海事大学交通运输管理工程（航标管理）

专业，现任交通运输部北海航海保障中心副主任。长期从事航标管理、船舶管理、信

息化建设等管理和研究工作，先后主持或参与７０余项技术标准、管理规定编制，主持

或参与４０余项科技创新研究课题，获国家专项资金支持１项，获省部级科技奖励３项、

发明专利１项、实用新型专利２项、外观设计专利１项。

ＶＨＦ Ｒａｄｉｏ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ

海上ＶＨＦ无线信号传播模型测试验证研究

邓祝森，夏启兵，李 巍 ，苏 青 ，郭泽辉

11122

（１．北海航海保障中心 天津 ３００４５０；２．遨海科技有限公司 辽宁 大连 １１６０００）

１１１２２

ＤＥＮＧ Ｚｈｕ－ｓｅｎ， ＸＩＡ Ｑｉ－ｂｉｎｇ， ＬＩ Ｗｅｉ， ＳＵ Ｑｉｎｇ， ＧＵＯ Ｚｅ－ｈｕｉ

（）

１．ＮＧＣＮ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｃｈｉｎａ； ２． Ａｏｈａｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｄａｌｉａｎ， Ｌｉａｏｎｉｎｇ ， Ｃｈｉｎａ

３００４５０，１１６０００

以甚高频数据交换系统（ＶＨＦ Ｄａｔａ Ｅｘｃｈａｎｇｅ

摘 要：

Ｓｙｓｔｅｍ，ＶＤＥＳ）为研究对象，合理选用有效可行的海上传播

模型，并通过两次海上航行试验，验证ＶＤＥＳ系统中各信

道在不同距离下的通信能力，判断影响ＶＤＥＳ系统通信距

离的主要因素，为ＶＤＥＳ系统的建设提供技术支撑。

甚高频数据交换系统；传播模型；通信距离

关键词：

Abstract:

Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ＶＨＦ ｄａｔａ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｓｙｓｔｅｍ （ＶＤＥＳ） ，

ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｍａｒｉｔｉｍｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ

ｍｏｄｅｌ， ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＶＤＥＳ

ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｅａｃｈ ｃｈａｎｎｅｌ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｗｏ ｓｅａ

ｖｏｙａｇｅ ｔｅｓｔｓ， ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＶＤＥＳ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ

ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＶＤＥＳ ｓｙｓｔｅｍ．

Key words:

ＶＨＦ ｄａｔａ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｓｙｓｔｅｍ； ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ

中图分类号：文献标志码：

Ｕ６７５．７ Ａ

文章编号：

１６７３－２２７８（２０２１）０６－００２４－０５

收稿日期：２０２０－１２－２３；修回日期：２０２１－０３－１８

交通运输部海事局通过近10年的AIS岸基系统建

设，现已建成全世界最大的AIS岸基网络，覆盖了沿海30

海里以内水域和内河四级及以上高等级航道。但随着海

上无线数据通信业务量和船岸、船舶之间的数据业务交

流需求快速增长，以实现船舶相互识别和避免碰撞为主

要目标的AIS，却逐渐额外承担起了船岸数据通信的任

务，导致AIS信息阻塞等问题，进而影响航行安全。2013

年，国际海事组织（IMO）提出发展VDES系统，以解决

AIS数据通信的压力。

VDES系统是AIS系统的加强和升级版，在集成了现

有AIS功能的基础上，增加了特殊应用报文（ASM）和宽

带甚高频数据交换（VDE）功能，可以有效缓解现有AIS

数据通信的压力，为保护船舶航行安全提供有效的辅助

手段，同时也将全面提升水上数据通信的能力和频率使

24

用效率。因此在设计VDES系统时，有必要对海上无线信

号的传输损耗

[1-3]

进行分析，根据信号在海上传输的损

耗，合理设计VDES系统的相关参数，以获得较好的通信

效果。本文旨在验证和分析VDES系统的通信能力，确定

影响VDES系统通信距离的主要因素，为VDES系统的建

设提供技术支持。

一、海面传播模型

［４］

无线电波在海面的传播路径主要是通过空气传播

的直达波和经过海面反射的反射波。一般来说，覆盖海

面较远距离的基站位置通常选择在沿海高处，高度为

50~500 m。由于海面无线电波传播损耗很小，无线电波

可以传播到很远的海面上。此时，地球不能再看作平面，

而应把它看作球面，即地球曲率将对无线电波传播产生

影响。

根据接收端和发射天线之间的距离，可将海面传播

环境分为3个区域（见图1）。

图１ 海上传播环境分段示意图

（1）无线视距传播

所谓视距是指在收发天线之间的路径上没有阻挡，

忽略地面绕射现象。设地球半径R=6 370 km，发射机与

接收机的天线高度分别为ht和hr，则收发点间的视距距

离可通过式（1）计算得出。

（1）

（2）海面明区无线电波的传播损耗

在明区的范围内，从基站到10 km区域内，接收机

的信号以直射波为主，传播的路径损耗的近似公式如式

（2）所示：

（2）

式中d（km）为传播距离，f（MHz）为电波频率， 为

率， 为

海面修正因子。

从10 km到0.7倍的视距范围内，到达接收机的信号

由直射波和海面的一次反射波信号组成。传播的路径损

耗如式（3）所示：

专家视点

（3）

式中h

tr

和h分别为发射天线及接收天线的高度，单位

为m，d为传播距离，单位为km， 为海面修正因子。

m， 为海

（3）海面半阴影、阴影区无线电波的传播损耗

进入半阴影区以后，当发射机的无线信号辐射到海

面时，会产生多个反射波，但被接收机接收到的一般只有

一个反射波，其它反射波由于反射角不同被反射到其它

区域。因此海面无线传播还具有二波特征，考虑到船体

损耗和地球曲率的影响，并根据实测数据进行修正，海

面传播模型如式（4）所示：

（4）

式中，L

patht

为海面传播路径损耗；h为基站天线高度

（m）；h

r

为移动台天线高度（m）；为波长（m）；d为距离

λ

（km）；L

boatearth

为船体穿透损耗；L为超过视线距离后的

地球曲率引起的绕射损耗；a为海上修正系数，L0为自由

空间传播损耗（dB），如式（5）所示：

（5）

式中，d为传播距离（km）；f为无线信号频率（MHz）。

（4）海上传播模型分析

该模型是在900 MHz频段上拟合出来的，对VHF

通信频段的覆盖预测有借鉴意义。根据无线电波传播机

理，无线电波在传播时会受大气折射，使无线电波在地球

表面上的传播路径会跟随地球表面而发生弯曲，在VHF

信号频段内，这种弯曲现象较为明显。综合考虑大气折

射效应，无线电波传播的有效视距可用下面的经验计算

式（6）近似计算。

（6）

当船舶进入半阴影区以后，发射机的无线信号辐射

到海面时，会产生多个反射波，由于VHF天线部署于船体

甲板上，故不存在船体穿透损耗，所以仅需考虑海面无

线传播的二波特征和地球曲率的影响，需根据实测数据

进行修正。此外，该模型在超过视线距离后的绕射损耗

的预测还比较简单，有待继续研究。

二、传播模型验证

2019年9月和10月，北海航海保障中心联合遨海科

技有限公司先后两次在天津港附近进行了海上覆盖测

试，检验VDES系统在船岸通信过程中，通信距离对接收

信号强度的影响，以确定VDES系统的海面传播模型，为

中国海事

25

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沿海VDES岸基的建设选址提供依据。

（一）理论测算

传输路径损耗

[5]

，是指无线信号在空间传播所产生

的损耗，是由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造

成的，反映宏观范围内接收信号功率均值的变化。对于

VDES系统，传输路径损耗的范围与基站的发射功率、船

台的接收灵敏度、天线增益和馈线损耗有关，可用式（7）

推算出VDES系统可承受的最大传输路径损耗，进而可

以理论计算出VDES系统的通信距离，为VDES系统海上

测试方案制定提供依据。

（7）

式中，L

pathTB

为传输路径损耗；P为基站发射功率；L

为基站馈线损耗；G为基站天线增益；G为移动台天线增

TR

益；L

RR

为移动台馈线损耗；P为移动台接收灵敏度。

VDES岸站设备功率为25 W，相当于有43.98 dBm的输

出，天线增益为6 dBi。考虑到线损和接头插损大约为4 dBm

（50m馈线），船站的接收灵敏度按照标准-107 dBm计算，

则海上传输路径损耗最大可为154.98 dBm。

假定海面为光滑的，且不考虑海浪、船只和岛屿对传

输信号的影响。信号传播可采用光滑平面电波传播模型

来计算传播损耗，传播损耗可采用式（8）进行计算：

（8）

式中L

p

为海上传输路径损耗，d为传输距离（km），

h

tr

为岸站高度（m），h为船站高度（m），f为载波频率

（MHz）。

根据部署位置可知，岸站天线高度为70 m，船站天

线高度为15 m，发射信号频率约为162 MHz左右。带入

上述公式，可计算出AIS信道和ASM信道通信距离为92

km（约50 n mail）。

对于VDE信道来说，当使用100 KHz带宽、16QAM

调制方式进行发送时，接收灵敏度按照标准-96 dBm计

算，可计算出VDE信道理论通信距离为31 n mail。

当使用100 KHz带宽、QPSK调制方式进行发送时，

若接收灵敏度按照标准-104 dBm计算，可计算出VDE

信道理论通信距离为50 n mail。

当使用25 KHz带宽、QPSK调制方式进行发送时，若

接收灵敏度按照标准-110 dBm计算，可计算出VDE信道

理论通信距离为70 n mail。

26

（二）第一次海面测试

1. 测试条件

本次海面测试的条件如表1所示：

表１ 测试条件

序号名称内容

1基站位置

北海航海保障中心天津

通信中心办公楼楼顶

2船台位置天津港“海巡152”轮

3基站发射功率25 W

4船台发射功率12.5 W

5基站天线高度海拔70 m

6船台天线高度海拔15 m

7天线增益6 dBi

基站与船台各自依次按AIS、ASM、VDE信道循环发

送测试报文，其中AIS信道的通信速率为9.6 kbps，ASM

信道的通信速率为19.2 kbps，VDE信道的最高通信速率

可达307.2 kbps，由对端记录测试结果。

2. 测试结果及数据分析

2019年9月20日，测试人员分别前往VDES岸站与

VDES船站部署位置进行出航测试。其中VDES船站设

备与VDES岸站设备外接GPS天线与VHF天线，确保设

备运行正常且与GPS同步，同时为准确记录船舶的行驶

轨迹，VDES船站通过串口与罗经和计程仪的传感器进

行连接，接收实际航向、航速等数据。VDES设备将自动

播发动静态消息，其中VDES岸站发送MSG4报文，发送

频率为10秒发送一次；VDES船站发送MSG1/3/5报文，

发送频率随船速进行变化。

首先在船舶系泊状态下完成静态测试，VDES船站

距离VDES岸站1.89n mail，即3.5 km。理论计算VDES

船站接收到VDES岸站发送信号的接收电平应为-41.02

dBm。但实际测试过程中发现，虽然设备能够稳定接收

到AIS信道、ASM信道和VDE信道的报文数据，但通过

监测信号强度发现，接收的信号强度仅为-85 dBm左

右，与理论计算存在较严重的偏差。

经过对部署环境重新考察分析，在VDES船站与

VDES岸站的直线路径上存在遮挡物，影响了接收信号的

信号强度。经与北海航海保障中心天津通信中心的管理

人员沟通，提高VDES岸站天线的安装位置，使VHF天线

高度增加3 m，以减少遮挡物对VHF信号的影响，重新开

始静态测试。测试结果表明，接收的信号强度变为-60

dBm左右，与之前天线位置的接收信号强度改善了将近

25 dBm左右。虽然测试结果距理论值还存在19 dBm左

右的差异，但却是天津通信中心测试点所能提供的最佳

条件，此次出航试验以此天线高度进行测试，通信距离

受到一些影响。全程信号质量检测情况如图2所示：

图２ 全程信号质量检测情况

通过对不同信道的报文收发情况进行分析：20 n mail

以内，各信道收发报文正常；20 n mail以后，VDE信道开

始出现明显丢包；25 n mail以后，AIS信道开始出现明显

丢包；28 n mail以后，ASM信道开始出现明显丢包。由此

证明，基站天线位置和高度对整个VDES系统通信质量影

响显著，尤其是直视通路上的遮挡障碍物，对此次试验结

果产生了严重影响，造成试验结果与理论分析存在较大

差异。为进一步验证VDES系统海上传输模型的正确性，

排除遮挡障碍物对VDES系统的影响，拟变更天线安装位

置，重新开展一次海上试验。

（三）第二次海面测试

1. 测试条件

将VDES岸站安装位置变更到天津海事局船舶交通管

理中心（VTS中心）塔顶，其他测试条件保持与第一次海上

测试一致。

2. 测试结果及数据分析

2019年10月23日，测试人员分别前往VDES岸站与

VDES船站部署位置进行出航测试，测试流程保持与第

一次海上测试一致，具体结果如下：

由于VTS中心与码头之间存在遮挡障碍物，所以在

船舶驶离港口时，VDES设备接收的信号强度比理论值偏

低，但随着船舶离VTS中心的距离逐渐拉近，遮挡因素

逐步减弱，VDES设备接收的信号强度会逐渐增强。其接

专家视点

收信号强度变化如图3所示：

图３ 接收信号强度变化情况

由图3可知，船舶到达VTS中心附近时，遮挡因素已

基本排除，当VDES船站距离VDES岸站1 n mail时，理论

计算VDES船站接收到VDES岸站发送信号的接收电平应

为-34.02 dBm，实际测试结果与理论计算相符。在确定

排除遮挡障碍物影响因素后，船舶继续驶离VTS中心，开

始全程测试，测试报文涵盖AIS报文、ASM报文和VDE

报文。

（四）两次海面测试对比分析

两次海面测试VDES船站全程接收信号强度变化如

图4所示：

图４ 接收信号强度折线图

绿色曲线为理论VDES设备接收信号强度与传输距

离的变化曲线，可由式（7）和式（8）推导计算得出。

蓝色曲线为此次随航测试VDES设备接收信号强度与

传输距离的变化曲线，与理论变化曲线存在3 dBm左右的

差异，该差异一方面是由海上多径效应造成，另一方面是

由发射信号波动造成。根据ITU-R M.2092建议草案，发

射机功率允许存在±1.5 dBm的偏差，属于正常偏差范围。

红色曲线为第一次随航测试VDES设备接收信号强

度与传输距离的变化曲线。由于第一次随航测试路线中

存在遮挡因素，所以测试结果与理论偏差较大，与此次

随航测试VDES设备接收信号强度进行对比，接收的信

号强度在相同距离下相差在12 dBm左右。

中国海事

27

2021

第6期

通过此次出海试验可以看出，在距离基站视距范

围内，预测接收信号的强度与实测接收信号误差很小

（≤3 dBm），因此本文所提出的海面传播模型在该范

围内可以比较准确地进行覆盖预测。当实际通信环境、

工作频率、最大通信距离确定时，可根据路径损耗的估

算值选取岸站天线、船站天线的适当高度。

（五）VDES信号特性分析

VDES系统主要由AIS信号、ASM信号和VDE信号

组成。每种信号的调制解调方式都不同，本次试验所有

信号均按照ITU-R.M 2092建议草案规定的调制方式

进行信号生成，具体调制方式如表2所示：

表２ ＶＤＥＳ信号调制方式种类

序号类型调制方式

1AISGMSK/FM（高斯滤波最小频移键控）

2ASMΠM滤 QPSK（QPS正交相移键控）

3VDEΠE相 QPSK（QPS正交相移键控）

48PSK（8移相键控）

516QAM（16正交幅度调制）

其中，GMSK每个符号代表传输一个bit信息，Π/4

QPSK每个符号代表传输2 bit信息，8PSK每个符号代

表传输3 bit信息，16QAM每个符号代表传输4 bit信

息。GMSK具有恒定的包络特性，功率效率高，可用于

相干检测。Π/4 QPSK具有能够非相干解调的优点，

兼顾频带利用率高，包络波动浮动小和能采用差分检

测，有适度的相位跳变，在多径衰落信道中性能好，具

有很好的恒包络性质。8PSK抗链路恶化的能力（抗噪

能力）不如Π/4 QPSK，但提供了更高的数据吞吐量。

16QAM抗链路恶化的能力（抗噪能力）最弱，但数据

吞吐量最高，由于要描述的状态多了，只靠相位区分状

态就不够了，需要加入幅度的变化来表示一个状态，所

以说对接收机的要求最高。

对于VDE数据信道，可以采用Π/4 QPSK、8PSK、

16QAM三种不同调制方式，根据测试情况可知，Π/4

QPSK在整个海上传播模型中，性能最好。第一次数据

通信时，应采用Π/4 QPSK调制方式，然后评估CQI（信

道质量指示），然后根据反馈的CQI（信道质量指示）来

确定后续的数据发送应采用何种调制（如Π/4 QPSK，

8PSK，16QAM）。CQI的范围为1-32之间，当CQI低于

28

16时，说明此时的无线信道质量不好，会发生误码，所

以此时要选择容错性好，但编码效率低的QPSK来进行

调制，以保障数据传输的可靠性。

由于无线电波在海面上传输时，接收端的接收信号

中除了直达波，还有临近船只、海面产生的镜面反射和

漫散射引起的多径分量。不同多径成分具有随机相位和

幅度会引起信号强度的波动，导致小尺度衰落、信号失

真等现象。多径干涉使得接收到的信号是直达信号与

多径信号的叠加信号，会导致严重的码间串扰ISI。建议

将数据调试方式改为OFDM多载波调制，通过在OFDM

符号前添加CP（循环前缀），能够减小多径延时带来的

频率选择性衰落。其中CP长度的选取还需依据信道模

型，进行进一步研究验证。

三、结语

本文以VDES系统为研究对象，分析海上无线信号

的海上传播模型，并针对此模型进行两次出海试验，重

点对设备的AIS、ASM、VDE等信道收发功能进行了测

试，验证VDES设备的接收信号强度在不同距离下是否

与理论计算相符合，统计了设备在不同通信状态的报文

收发情况，分析了设备具有最大通信距离，充分检验了

VDES船岸通信设备的工作稳定性，并确认了VDES系统

的海面传播模型的正确性。同时对VDES信号特性进行

分析，通过评估当前信道质量方法，以确定后续数据的

调制方式，以提高VDE信道的利用率，为VDES系统的

建设提供技术支撑。

参考文献

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京：电子工业出版社，１９９６．

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社，２００７．

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［４］ 何群， 黄云鹏． 关于海面无线传播模型的探讨 ［Ｊ］． 邮电设计技术，

２００４， ０２：３６－３９．

［５］ 罗一锋，李含辉，黄继进． 超短波通信链路分析 ［Ｊ］． 现代电子技

术， ２００６， ０９：４１－４２．

（编辑：崔乃霞）