0 引　言

船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）作为船舶导航与水上交通监管的核心关键设备，通过自动交换船舶静态信息、动态信息及航行相关信息，为船舶避碰决策、船舶交通服务（VTS）监管、水上搜救等提供精准数据支撑，是保障海上航行安全、提升航运管理效率的重要基础设施。但是船舶航行环境具有特殊性与复杂性，长期面临风浪颠簸、甲板作业碰撞、设备吊装与维护过程中的意外跌落等冲击工况，这些工况直接对甲板安装或室内布置的AIS设备构成严重威胁。AIS设备在遭遇跌落或冲击载荷时，其信号传输链路极易受损，进而引发信号中断、幅值衰减、相位偏移、信噪比下降及数据丢包等问题。此类信号故障将直接导致船舶与周边船舶、VTS中心的信息交互失效：一方面，船舶无法及时获取周边船舶的动态信息，避碰决策缺乏数据支撑，大幅提升碰撞事故风险；另一方面，VTS中心难以对船舶实施有效监管，无法精准掌握船舶航行状态，对水上交通秩序管控与应急处置响应造成严重影响。因此，针对船舶特定冲击工况，开展AIS信号抗跌落技术研究，提升AIS设备在冲击载荷下的信号传输稳定性，已成为解决船舶航行安全问题的迫切需求。

当前，国内外关于AIS设备抗摔相关技术的研究，多聚焦于设备整体结构的抗冲击防护设计。在船舶领域，王峰等^[1]对纳米改性的增强软质聚氨酯泡沫抗冲击性能进行研究，其可以用于AIS设备的缓冲结构，提升设备整体的抗摔能力，核心目标是避免冲击载荷导致设备壳体破裂、内部核心部件物理损坏。此类研究虽在一定程度上降低了设备摔坏的概率，但未充分考虑冲击载荷对AIS信号传输链路的针对性影响，存在明显的技术局限。

在通用电子设备领域，信号抗冲击技术已形成部分研究成果，张智扬等^[2]对蜂窝夹芯结构用连接接头抗冲击性能进行研究，采用加固型射频接头、优化电路焊点工艺、设计自适应信号补偿算法^[3]等，提升通信设备在冲击工况下的信号稳定性。但船舶场景的冲击工况具有独特性：1）冲击载荷呈现多方向、高频次、宽幅值范围的特点，与陆地电子设备的冲击工况差异显著；2）船舶航行环境还伴随高温、高盐雾、强电磁干扰等因素，与冲击载荷形成多因素耦合作用，进一步加剧信号失真风险。因此，通用电子设备的信号抗冲击技术难以直接适配船舶场景，存在明显的适配性不足问题^[4]。

本文提出AIS信号链路结构设计以及抗失真补偿算法设计，并模拟船舶AIS设备在典型冲击工况的载荷数据，实现对算法的仿真验证。

1 跌落冲击下AIS信号失真机理

船舶AIS信号传输链路是保障信息交互的核心载体，主要由天线、射频模块、基带芯片及接口电路构成闭环传输路径：天线负责AIS射频信号的接收与发射，射频模块完成信号的放大、滤波及频率转换，基带芯片实现信号的调制解调与数据处理，接口电路则保障各模块间的电气连接与信号适配，各部件协同工作确保AIS信号的稳定传输。船舶航行场景中的跌落冲击载荷，通过惯性作用引发链路关键部件的力学响应，进而导致其结构或电气性能劣化，最终诱发信号失真^[5]。

冲击载荷对链路关键部件的影响具有显著的耦合特性：天线作为暴露式部件，易在冲击作用下发生位移偏移或结构变形，导致其辐射方向图畸变、增益下降，直接削弱信号接收与发射能力；射频接头受冲击振动影响易出现松动，导致接触阻抗突变，引发信号传输过程中的反射与衰减；基带芯片及接口电路的焊点则可能因冲击载荷产生的交变应力发生疲劳脱落，破坏电路连通性，造成信号传输中断或误码。上述部件损伤直接触发多维度信号失真表现，其物理成因具有明确的关联性：天线相位中心偏移及射频链路相位噪声增加引发相位偏移；链路部件的非理想特性引入额外噪声，降低信号信噪比；而焊点脱落与接头松动则可能导致信号传输的瞬时中断，表现为数据丢包，最终破坏AIS信号的有效传输^[6]。

2 船舶AIS信号抗跌落核心技术设计 2.1 抗冲击型AIS信号链路机械结构设计

针对船舶冲击与振动耦合工况下AIS信号链路的易损特性，抗冲击型结构设计围绕柔性适配、刚性防护与协同缓冲的核心思路展开，旨在系统性提升链路各部件的抗冲击性能。柔性天线与缓冲固定结构设计重点适配船舶宽频带振动环境，采用低弹性模量的柔性辐射单元与多向弹性支撑机构组合方案，结合船舶振动频谱特性优化支撑点布局与弹性件刚度参数。使天线在冲击载荷作用下能够产生可控形变以高效吸收冲击能量，同时有效抑制振动引发的姿态偏移，保障辐射方向图的稳定性，避免因天线姿态变化导致的信号收发效率下降。

射频链路抗松动连接技术从接触可靠性与抗冲击能力双维度进行优化，选用带防脱卡扣的螺纹锁紧式射频接头，配合镀金接触界面提升接触稳定性，减少氧化层形成带来的接触不良问题。对核心芯片引脚及射频链路关键焊点采用真空回流焊与点胶加固复合工艺，通过优化焊膏成分与点胶位置，提升焊点的抗疲劳强度，降低冲击振动下焊点开裂的风险。同步集成屏蔽与缓冲功能，在接头与链路壳体之间增设导电橡胶缓冲垫。该缓冲垫既能够阻挡外部电磁干扰，又可通过自身形变吸收冲击能量，实现电磁屏蔽与冲击防护的一体化设计，有效削弱冲击载荷对射频信号传输连续性的影响。

核心电路抗冲击防护设计聚焦芯片与电路模块的抗冲击能力强化，采用陶瓷与金属复合的加固型封装方案。该封装结构通过陶瓷的高绝缘性与金属的高刚性协同作用，提升芯片本体对冲击载荷的耐受能力，避免芯片内部线路因冲击发生断裂。基于前期冲击载荷分布仿真结果，优化缓冲垫的材料选型与布局方式，选用聚氨酯泡沫与硅橡胶复合材质的缓冲垫，并在电路基板与设备壳体之间构建分级缓冲结构。外层采用高弹性聚氨酯泡沫吸收大部分冲击能量，内层选用低模量硅橡胶进一步衰减残余振动，通过缓冲垫的形变梯度高效吸收冲击能量，显著降低冲击载荷向核心电路的传递效率，从而避免焊点脱落与电路线路断裂等故障的发生。

2.2 信号抗失真补偿算法设计

船舶冲击与振动耦合工况下，结构防护虽能削弱载荷传递效率，但残余冲击仍可能引发AIS信号幅值波动相位偏移及瞬时丢包等失真问题。此类失真具有突发性时变性特征，且AIS信号传输需满足实时性与低延迟要求，传统固定参数补偿算法难以适配动态失真场景。因此信号抗失真补偿算法设计以实时检测自适应补偿轻量化实现为核心逻辑，通过精准识别失真特征动态调整补偿参数，实现冲击诱发信号失真的快速修正，同时适配AIS基带芯片的硬件资源约束。

1）冲击诱发信号失真的实时检测算法

失真实时检测的核心目标是快速识别信号失真状态，为补偿策略启动提供触发依据。船舶冲击导致的AIS信号失真主要表现为信噪比下降与相位偏移，二者具有强相关性且易于实时计算，因此选取信噪比与相位偏差作为核心特征参数。设计思路为首先对接收信号进行帧同步与载波恢复，提取每帧信号的实测信噪比与相位偏差；其次基于船舶AIS正常工作状态下的大量实测数据，统计得到信噪比阈值与相位偏差阈值；最后通过加权融合构建失真度指标，量化信号失真程度，当失真度指标达到失真触发阈值时启动补偿流程。

失真度指标计算基于信噪比与相位偏差的加权融合构建，表达式为：

${ D={\omega }_{1}\cdot \max \left(0,1-\dfrac{{{SNR}}_{\text{meas}}}{{{SNR}}_{\text{th}}}\right)+{\omega }_{2}\cdot \max \left(0,\dfrac{|\Delta {\phi }_{\text{meas}}|}{\Delta {\phi }_{\text{th}}}\right)。} $

(1)

式中：D为信号失真度指标，取值为0～1，越接近1表明失真越严重；ω₁为信噪比权重系数，基于船舶场景中信噪比对信号解码影响更大的分析确定；ω₂为相位偏差权重系数，且ω₁＋ω₂=1；SNR_meas为接收信号的实测信噪比，通过帧内信号幅值方差与噪声方差计算得到；SNR_th为AIS信号正常解码的最低信噪比阈值，符合ITU-R M.1371建议标准；Δφ_meas为接收信号的实测相位偏差，通过载波恢复后的相位与理想相位差值计算；Δφ_th为相位偏差允许阈值，基于AIS调制解调误码率要求确定。

检测算法通过线性加权融合2个核心特征，既保证了检测的全面性，又通过阈值约束避免了微小波动导致的误触发，能够满足AIS信号实时处理要求。

2）自适应信号补偿策略

自适应补偿策略基于失真度指标动态调整补偿参数，实现幅值相位及数据传输的协同修正，确保补偿效果与失真程度精准匹配。幅值校正针对冲击导致的信号幅值衰减或波动，采用动态增益调整机制，根据失真度指标实时优化幅值校正系数。幅值校正系数与失真度指标呈正相关关系，表达式为：

$ G=1+{k}_{D}\cdot D。$

(2)

经幅值校正后的信号表达式为：

$ {s}_{\text{amp}}(t)=G\cdot {s}_{\text{in}}(t)。$

(3)

式中：G为幅值校正系数，取值为1～2，避免过度增益引入噪声；k_D为增益调节系数，通过冲击实验数据拟合确定；s_in(t)为输入失真信号；s_amp(t)为幅值校正后的信号。

相位校准基于实测相位偏差进行反向补偿，消除冲击导致的相位偏移。相位校准后的信号为

$ {s}_{\text{phs}}(t)={s}_{\text{amp}}(t)\cdot {e}^{-{\mathrm{j}}\Delta {{\phi }_{\text{meas}}}} 。$

(4)

式中：s_phs(t)为相位校准后的信号；j为虚数单位，通过复数乘法实现相位偏移修正。

丢包重传优化协议针对冲击引发的瞬时丢包，结合船舶AIS采用的SOTDMA协议，优化重传优先级与时机。重传优先级通过失真度指标与数据紧急度的加权融合确定，权重P为：

$ P=\alpha \cdot D+\beta \cdot \eta 。$

(5)

式中：P为重传优先级；α为失真度权重；β为数据紧急度权重；η为数据紧急度；船舶动态信息与静态信息采用差异化取值。当重传优先级达到设定阈值时，优先占用下一个空闲时隙重传；未达阈值时采用批量重传机制，平衡重传效果与信道资源占用。

3）算法在AIS基带芯片中的轻量化实现

AIS基带芯片多采用低功耗MCU或专用数字信号处理器，硬件资源有限且需满足信号处理延迟要求。因此算法轻量化实现聚焦于复杂度优化与资源占用控制，核心设计思路围绕特征提取简化补偿参数、精简及运算复杂度控制展开。

在特征提取简化方面，将信噪比计算中的浮点运算改为定点运算，通过数据位宽优化平衡计算精度与算力消耗；相位偏差通过载波恢复模块的现有相位数据直接提取，无需额外增加采样环节，减少硬件资源占用。

在补偿参数精简方面，预先通过冲击实验数据建立失真度指标与补偿系数的映射表，存储于基带芯片的ROM中。补偿过程中直接通过查表调用参数，避免实时计算带来的资源占用与延迟增加。

运算复杂度控制方面，幅值校正与相位校准采用复数乘法的简化实现方案，通过硬件乘法器加速运算；丢包重传优化协议仅在检测到丢包时启动，空闲状态下不占用运算资源。通过上述轻量化设计，确保算法适配AIS基带芯片的硬件约束与实时性要求。

3 实验验证 3.1 测试环境及流程

1） 测试环境。常温常湿实验室环境，采用HT-150型电动跌落试验机模拟船舶典型跌落冲击，跌落高度为1.2 m，对应冲击能量为30 J，垂直冲击方向，信号测试系统由Keysight N9020B频谱分析仪、Tektronix MDO3024示波器、ST-8900型AIS信号专用测试仪组成，同步采集信号误码率、丢包率、信噪比、相位偏移4项核心抗跌落性能指标。

2）测试对象。选取同一型号AIS设备，机械结构固定为常规配置，通过调整算法参数构建不同测试组，确保变量唯一性；对照组为未采用任何信号补偿算法的常规AIS设备。

测试流程：1）校准测试系统，确保幅值测量误差≤0.2 dB，相位测量误差≤0.5°；2）第一阶段（正交试验）：选取幅值校正系数G、相位补偿权重ω₂、重传优先级权重α为正交试验3因素，各设置3个水平，选用L₉(3³)正交表构建9组正交试验组，安装测试设备并固定于冲击台，启动冲击模拟与信号测试，同步采集4项核心性能指标；3）以信号误码率、丢包率、信噪比、相位偏移为评价指标，采用熵权法确定各指标权重并计算综合性能评分，依据综合性能评分从9组试验中筛选出3～5组综合性能较优的候选参数组合，为后续单一变量寻优做好准备；4）第二阶段：以正交试验筛选的候选参数组合为基础，采用单一变量法，每次仅改变一种参数的水平，其余参数保持固定，重复冲击测试与数据采集；5）每种参数组合/单一变量水平重复测试3次，取平均值作为最终结果，通过对比分析确定最优参数组合。

3.2 测试结果及分析

1）对幅值校正系数G对AIS信号抗跌落性能的影响进行研究，固定参数为相位补偿权重ω₂=0.5、重传优先级权重α=0.6（均为后续验证得出的最优配套参数），仅改变G的取值，取值为1.0～2.9，结果如图1所示。实验结论：随着G值从1.0逐步提升，AIS信号抗跌落性能持续优化，误码率降低、信噪比提升、相位偏移减小；当G=1.6时性能达到最优，超过1.6后性能逐渐劣化，G值过高会导致信号幅值过校正，反而降低传输稳定性。

2）相位补偿权重ω₂单一变量实验结果

相位补偿权重ω₂对AIS信号抗跌落性能的影响，固定参数为幅值校正系数G=1.6、重传优先级权重α=0.6，仅改变ω₂的取值，结果如图2所示。实验结论：随着ω₂值从0.1逐步提升，AIS信号抗跌落性能持续优化，误码率降低、信噪比提升、相位偏移减小；当ω₂=0.5时性能达到最优，超过0.5后性能逐渐劣化，ω₂值过高会导致信号相位过补偿，反而引发信号失真，降低传输稳定性。

3）重传优先级权重α单一变量实验结果

对重传优先级权重α对AIS信号抗跌落性能的影响进行研究，固定参数为幅值校正系数G=1.6、相位补偿权重ω₂=0.5，仅改变α的取值，结果如图3所示。实验结论：随着α值从0.1逐步提升，AIS信号抗跌落性能持续优化，误码率降低、信噪比提升、相位偏移减小；当α=0.6时性能达到最优，超过0.6后性能逐渐劣化，α值过高会导致重传信号过度抢占信道资源，反而阻碍正常信号传输，降低整体传输稳定性。

4 结　语

本文开展的跌落冲击下AIS信号失真机理与抗冲击技术研究，对提升船舶AIS系统在复杂航行环境中的信号传输稳定性、保障船舶航行安全具有重要理论与工程意义。该研究成果可广泛应用于商船、渔业船舶、执法船舶等各类船舶的AIS设备抗冲击优化设计，为海洋航行安全保障体系的完善提供技术支撑。本文结论包括：

1）明确了跌落冲击下AIS信号的失真机理，揭示了冲击载荷通过引发天线形变、射频接头松动、焊点脱落等部件损伤，诱发信号幅值衰减、相位偏移、信噪比下降及丢包等多维度失真的耦合关联机制。

2）提出了机械结构防护+自适应信号补偿的一体化抗冲击解决方案，机械结构设计通过柔性适配、刚性防护与分级缓冲提升链路抗冲击能力，自适应补偿算法实现了失真实时检测与动态参数调整，适配AIS基带芯片硬件约束。

3）实验验证确定了最优补偿参数组合为G=1.6、ω₂=0.5、α=0.6，该组合下AIS信号抗跌落性能最优，误码率可达2.3%、信噪比20.3 dB、相位偏移2.0°，验证了所提技术方案能有效抑制冲击诱发的信号失真，提升传输稳定性。