星載AIS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)?

潘寶鳳，梁先明

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

星載AIS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)?

潘寶鳳，梁先明

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對(duì)星載AIS（船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）接收系統(tǒng)覆蓋范圍廣、運(yùn)動(dòng)速度快等特點(diǎn)，提出了三種實(shí)現(xiàn)信號(hào)有效接收的總體方案。采用盲分離陣列信號(hào)處理方法、非線性測(cè)頻和非相干解調(diào)方法解決了星載AIS接收系統(tǒng)中面臨的信號(hào)碰撞、多普勒頻移信號(hào)解調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)問題，仿真和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性和可行性。

星載AIS；接收系統(tǒng)；信息碰撞；多普勒頻移；盲源分離

1 引言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是國(guó)際海事組織（IMO）、國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU-R）于2000年共同強(qiáng)力推廣的一個(gè)具有船舶自動(dòng)識(shí)別、通信和導(dǎo)航功能的新型助航電子系統(tǒng)。安裝AIS應(yīng)答機(jī)的船舶能自動(dòng)和連續(xù)地播發(fā)出本船靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、航次及安全短消息；同時(shí)，也自動(dòng)地接收周圍船舶發(fā)出的類似信息，并與海岸AIS基站進(jìn)行信息交互，達(dá)到規(guī)避船舶碰撞、領(lǐng)航調(diào)度和航運(yùn)管理等航行決策的目的［1］。

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程，海上運(yùn)輸和貿(mào)易高速增長(zhǎng)，而海盜活動(dòng)、走私等也愈演愈烈。如果利用AIS信息和雷達(dá)等其它信息綜合判證，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)海盜、走私等可疑船只，可在一定程度上遏制海上犯罪。雖然當(dāng)前船臺(tái)、岸站AIS系統(tǒng)支持確定船舶信息，但傳輸距離僅約40 nmile，迫切需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)全球海域的監(jiān)控。衛(wèi)星平臺(tái)由于覆蓋范圍廣，星載AIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全球范圍內(nèi)海域的監(jiān)視，近年來得到各國(guó)的重視。美國(guó)、德國(guó)、加拿大都先后發(fā)射了載有AIS接收設(shè)備的衛(wèi)星。

要發(fā)展星載AIS系統(tǒng)，不可避免要應(yīng)對(duì)新的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中重點(diǎn)要解決的是AIS信息碰撞時(shí)如何提高衛(wèi)星對(duì)艦船的檢測(cè)概率問題。通常采用延長(zhǎng)衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間、增加對(duì)感興趣區(qū)域的訪問頻度和減少天線覆蓋范圍的方法，但以上方法僅當(dāng)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)艦船密度較低時(shí)，可以達(dá)到比較好的檢測(cè)效果，其時(shí)效性和衛(wèi)星利用率較低。文獻(xiàn)［2］提出利用3副正交的偶極子天線，采用干擾對(duì)消的方法，可將2 000艘船的檢測(cè)概率從35%提高到71%。加拿大發(fā)射的NTS衛(wèi)星［3］，利用COM DEV Ltd.AIS接收機(jī)，通過信號(hào)分離技術(shù)使時(shí)頻重疊AIS信號(hào)的檢測(cè)概率大大增加，但具體技術(shù)細(xì)節(jié)不詳。關(guān)于碰撞AIS信號(hào)的分離技術(shù)研究，國(guó)內(nèi)剛剛處于起步階段。另外，由于衛(wèi)星的快速運(yùn)動(dòng)，星載AIS接收機(jī)還面臨對(duì)大多譜勒頻移信號(hào)的解調(diào)問題。此外，還有星載AIS天線的適應(yīng)性設(shè)計(jì)、AIS信號(hào)衰減等問題。

2 星載AIS接收系統(tǒng)總體方案設(shè)想

星載AIS接收系統(tǒng)主要用于接收AIS信號(hào)，高效地完成對(duì)艦船目標(biāo)的檢測(cè)，并將收到的艦船信息下發(fā)到地面相關(guān)接收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球海域內(nèi)艦船目標(biāo)的監(jiān)視。

星載AIS接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案大體上可分為3種，下面分別介紹。

（1）方案1

星載AIS接收系統(tǒng)對(duì)接收到的AIS信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后，送到后端的信號(hào)處理模塊，完成信號(hào)的采集、存儲(chǔ)，當(dāng)衛(wèi)星過頂時(shí)，再將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制和調(diào)頻，通過衛(wèi)星下行鏈路，轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收處理系統(tǒng)，事后完成AIS信號(hào)的解調(diào)、解譯。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：星上AIS接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高；可以充分利用地面計(jì)算資源，采用復(fù)雜的信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收的時(shí)隙碰撞AIS信號(hào)的處理；信號(hào)處理效果好，艦船檢測(cè)概率高。

但該方案實(shí)現(xiàn)起來存在以下不足：實(shí)時(shí)性差；系統(tǒng)總體成本費(fèi)用高；由于是對(duì)原始AIS信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)容量大，對(duì)星載存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)傳輸通道要求極高；另外，對(duì)地面接收系統(tǒng)的要求也比較高，要求有高增益的接收天線和復(fù)雜的接收系統(tǒng)。

（2）方案2

星載AIS接收系統(tǒng)對(duì)接收到的AIS信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后，送到后端的信號(hào)處理模塊，完成時(shí)隙碰撞AIS信號(hào)的分離和AIS信號(hào)的解調(diào)、解譯，解譯結(jié)果經(jīng)過編碼、調(diào)制和調(diào)頻后，通過UHF通信終端實(shí)時(shí)下發(fā)到AIS地面接收站，包括船載機(jī)動(dòng)接收站。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)時(shí)性高；系統(tǒng)總體成本費(fèi)用低；數(shù)據(jù)容量小，對(duì)星上數(shù)據(jù)傳輸通道的要求低，便于實(shí)現(xiàn)；地面接收系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可靈活多點(diǎn)布置。

但該方案實(shí)現(xiàn)起來存在以下不足：AIS星上處理算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大；星上硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)處理能力要求高，硬件設(shè)備復(fù)雜、成本高；信號(hào)處理效果相對(duì)較差。

（3）方案3

星載AIS接收系統(tǒng)通過天線接收AIS信號(hào)，接收的AIS射頻信號(hào)送到AIS接收機(jī)，經(jīng)接收信道低噪聲放大、濾波后，對(duì)輸入的AIS射頻信號(hào)直接進(jìn)行帶通采樣、數(shù)字下變頻，當(dāng)接收到的信號(hào)質(zhì)量比較好時(shí)，可直接完成信號(hào)的解調(diào)、解譯，解譯結(jié)果存入存儲(chǔ)器中，并通過UHF信道以廣播的方式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)洋機(jī)動(dòng)艦船上；當(dāng)接收信號(hào)質(zhì)量差時(shí)，可以直接將數(shù)字下變頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，待衛(wèi)星飛回境內(nèi)時(shí)將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括解調(diào)數(shù)據(jù)和原始采樣數(shù)據(jù)通過遙感鏈路回放下傳到地面固定接收站。機(jī)動(dòng)接收站可實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星下傳的AIS解譯結(jié)果，完成艦船目標(biāo)的態(tài)勢(shì)顯示；地面固定接收站可對(duì)下傳的復(fù)雜AIS信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分離，再完成信號(hào)的解調(diào)、解譯和艦船目標(biāo)的態(tài)勢(shì)顯示，并可通過其它數(shù)據(jù)傳輸通道，將解譯結(jié)果發(fā)送到相關(guān)的艦船上。其組成框圖如圖1所示。

與方案1和方案2相比，方案3既考慮到了AIS信息的有效性，又考慮到了對(duì)AIS信號(hào)的接收處理效果，在不增加星上設(shè)備硬件和算法復(fù)雜度情況下，保證了對(duì)艦船AIS信號(hào)高的檢測(cè)概率，推薦使用。

3 星載AIS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3．1 時(shí)隙碰撞時(shí)AIS信號(hào)的分離

由于星載AIS接收機(jī)偵收范圍大，可以覆蓋多個(gè)工作小區(qū)，從而產(chǎn)生AIS信號(hào)的碰撞現(xiàn)象。AIS信號(hào)的碰撞機(jī)理分為兩類［2］：一類是由于接收區(qū)域內(nèi)包含多個(gè)自組織區(qū)域，不同組織區(qū)域內(nèi)的艦船可能會(huì)在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送AIS信息，并同時(shí)到達(dá)星載接收機(jī)，產(chǎn)生AIS信號(hào)碰撞；另一類是由于星載接收機(jī)可偵收信號(hào)的區(qū)域大，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的艦船雖然在不同的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送AIS信息，但當(dāng)艦船間距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，由于信號(hào)傳輸時(shí)延影響也可產(chǎn)生AIS信號(hào)同時(shí)到達(dá)的現(xiàn)象。

以上兩種情況產(chǎn)生的AIS信號(hào)碰撞現(xiàn)象，都會(huì)導(dǎo)致AIS信息接收錯(cuò)誤，使得對(duì)艦船檢測(cè)的概率降低。

3．1．1 時(shí)隙碰撞AIS信號(hào)的分離方法

對(duì)于同頻同時(shí)的多個(gè)信號(hào)分離，目前主要通過高精度測(cè)向加波束合成的方式和盲分離方式。前一種方式由于受天線、信道不一致性以及天線互耦、測(cè)向精度、環(huán)境條件等影響在實(shí)際工程中應(yīng)用困難很大，但是理論上效果比較好；后一種方式是在未知源信號(hào)和傳輸通道參數(shù)的情況下，根據(jù)輸入源信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，僅由觀測(cè)信號(hào)檢測(cè)并分離出源信號(hào)中各個(gè)獨(dú)立成分，對(duì)于天線、信道等要求不高。本文只討論信號(hào)的盲源分離。

盲源分離是指在輸入信號(hào)未知情況下，由觀測(cè)到的系統(tǒng)輸出信號(hào)來辨識(shí)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)信號(hào)分離的目的，從而恢復(fù)原始信號(hào)。盲源分離的基本原理框圖如圖2所示。

設(shè)原始信號(hào)為s（t），經(jīng)過未知通道混合矩陣A并加噪后為x（t），盲分離的實(shí)質(zhì)是在源信號(hào)s（t）和混合矩陣A都未知的情況下，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)x（t）利用各源信號(hào)之間獨(dú)立統(tǒng)計(jì)特性確定一分離矩陣W，使得y（t）=W*x（t）成為s（t）的估計(jì)。

當(dāng)前，信號(hào)盲分離主要有基于陣元域的信號(hào)盲分離和基于波束域的信號(hào)盲分離兩大類方法，其中基于陣元域的算法包括隨機(jī)梯度法、自然梯度法、EASI（等變換自適應(yīng)）算法等；另一大類是采用盲波束形成方式，其基本思路是利用觀察信號(hào)估算期望信號(hào)的方向矢量，從而通過求逆得到分離矩陣（波束形成的權(quán)向量）。

本文采用1996年Cardoso J.F.和Laheld B.H.［4］提出的一種借助獨(dú)立性的等變化自適應(yīng)分離EASI算法，完成了對(duì)時(shí)隙碰撞AIS信號(hào)的分離。

Cardoso J.F.以極大似然函數(shù)作為準(zhǔn)則，最大化對(duì)數(shù)似然獲得最佳的分離矩陣，并提出了相對(duì)梯度的概念，即代替一般的隨機(jī)梯度，其分離矩陣的迭代函數(shù)為

式中，f（y（k））是y（k）的非線性變換函數(shù)，它的選取與信號(hào)的高斯性有關(guān)，對(duì)于亞高斯信號(hào)，一般非線性函數(shù)選取為

由于盲分離的一個(gè)重要條件是原始信號(hào)之間是相互統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，所以在進(jìn)行盲分離前需對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行白化處理，使得白化后的信號(hào)彼此線性無關(guān)，與原始信號(hào)之間只保留一個(gè)正交關(guān)系。

3．1．2 AIS信號(hào)分離試驗(yàn)效果

AIS信號(hào)分離試驗(yàn)采用五元天線陣，四通道接收機(jī)，利用改裝后的3個(gè)AIS發(fā)射源產(chǎn)生2個(gè)或3個(gè)相碰撞的AIS信號(hào)，由信號(hào)處理終端完成信號(hào)的采集存儲(chǔ)，事后完成信號(hào)的分離。試驗(yàn)框圖如圖3所示。

圖4為重疊的兩個(gè)AIS信號(hào)的頻譜圖，圖5為2個(gè)混疊AIS信號(hào)分離后的頻域、時(shí)域波形，圖6是對(duì)分離后的兩個(gè)AIS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到的基帶波形，與單獨(dú)信號(hào)的解調(diào)基帶波形基本一致，說明分離效果很好。

3．2 帶多普勒頻移時(shí)AIS信號(hào)的檢測(cè)與解調(diào)

由于衛(wèi)星與船之間的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收到的AIS信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生多普勒頻偏。對(duì)于運(yùn)行在離海平面600 km、速度為7.56 km／s的AIS星載系統(tǒng)，其最大頻偏可達(dá)4.082 kHz，而實(shí)際AIS有效信號(hào)帶寬只有幾千赫，所以多普勒的影響還是非常顯著的。這里不能采用通常的AFC環(huán)路捕獲及跟蹤，因?yàn)锳IS信號(hào)的同步序列很短（為24 bit），AFC環(huán)路捕獲需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)造成AIS信息的丟失。

文獻(xiàn)［5］給出了一種GMSK信號(hào)的多普勒頻移快捕和跟蹤方法，根據(jù)突發(fā)通信時(shí)幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用獨(dú)特碼和FFT并行處理信號(hào)能量檢測(cè)、幀同步和多普勒頻移快捕，并采用判決反饋PLL環(huán)跟蹤多普勒頻移的變化，利用準(zhǔn)相干解調(diào)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶多普勒頻移時(shí)GMSK信號(hào)的解調(diào)。

文獻(xiàn)［6］提出了一種基于軟件無線電平臺(tái)的1 bit／2 bit GMSK混合差分接收機(jī)方案，可在附加高斯白噪聲和存在大多普勒頻移的條件下，對(duì)星載環(huán)境無碰撞AIS信號(hào)進(jìn)行可靠解調(diào)。接收機(jī)有兩種工作狀態(tài)：信號(hào)捕獲狀態(tài)和解調(diào)狀態(tài)。用寬帶濾波器和1 bit差分進(jìn)行信號(hào)的捕獲，用窄帶濾波器和2 bit差分完成信號(hào)的解調(diào)。在解調(diào)前，先要進(jìn)行信號(hào)捕獲，在解調(diào)過程還未結(jié)束時(shí)，不進(jìn)行信號(hào)的捕獲。

本文針對(duì)AIS信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)和在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙時(shí)進(jìn)行輻射的工作特點(diǎn)，采用一種基于非線性實(shí)時(shí)測(cè)頻的乒乓解調(diào)的方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶多譜勒頻移AIS信號(hào)的解調(diào)。該方案實(shí)現(xiàn)的基本流程是首先查找標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙，進(jìn)行高精度測(cè)頻、數(shù)據(jù)緩存，再根據(jù)測(cè)頻結(jié)果，采用非相干解調(diào)法完成對(duì)AIS信號(hào)的解調(diào)。利用MATLAB進(jìn)行了此方法的解調(diào)仿真。程序產(chǎn)生AIS

信號(hào)數(shù)據(jù)流，如圖7所示，時(shí)域上相鄰兩個(gè)信號(hào)間頻率間隔為800 Hz，即每個(gè)AIS信號(hào)的載波頻率不同，且在標(biāo)準(zhǔn)頻率±4 kHz范圍內(nèi)變化，利用上述方法對(duì)產(chǎn)生的AIS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，通過將圖8和圖9原始碼元序列和解調(diào)后的碼元序列比對(duì)可以看出，該方案解調(diào)結(jié)果正確。

圖8和圖9中，橫坐標(biāo)表示位序號(hào)，縱坐標(biāo)用“1”或“-1”電平代表“0”、“1”碼。

3．3 星載AIS天線的設(shè)計(jì)

對(duì)于星載AIS天線的設(shè)計(jì)必須考慮以下幾個(gè)方面：

（1）將來的AIS載荷衛(wèi)星可能體積上會(huì)很小，甚至可能是超小型或微型衛(wèi)星，因此天線的體積、重量都不可能太大和太重；

（2）AIS天線的波束寬度最好不要太寬，否則，其覆蓋的區(qū)域面積就會(huì)很大，監(jiān)測(cè)到的艦船數(shù)量也會(huì)很多，AIS信號(hào)發(fā)生碰撞的機(jī)率就會(huì)增加，使得信號(hào)的偵收難度加大，艦船檢測(cè)概率降低，當(dāng)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)艦船目標(biāo)數(shù)超過3 000艘時(shí)，其艦船檢測(cè)概率將會(huì)急劇地成數(shù)量級(jí)地下降；

（3）AIS天線形成的方向圖最好能使觀測(cè)區(qū)域內(nèi)接收到的AIS信號(hào)產(chǎn)生功率差，這樣當(dāng)信號(hào)碰撞時(shí)，便于信號(hào)的分離；

（4）AIS天線最好采用圓極化方式，以減少極化損失。

4 結(jié)束語

本文給出了AIS接收系統(tǒng)總體方案設(shè)想，對(duì)星載AIS接收系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了新的解決方案。今后對(duì)AIS接收系統(tǒng)上星的工程項(xiàng)目，重點(diǎn)需要解決AIS接收天線的適應(yīng)性設(shè)計(jì)、時(shí)隙碰撞AIS信號(hào)分離算法的工程實(shí)現(xiàn)和時(shí)效性問題。另外，還需加強(qiáng)對(duì)單通道接收AIS碰撞信號(hào)分離算法的研究，與陣列處理系統(tǒng)相比，其在天線安裝的適應(yīng)性、系統(tǒng)的小型化方面將更具優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)微小衛(wèi)星。

［1］GB／T 20068-2006，船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）技術(shù)要求［S］. GB／T 20068-2006，Technical Requirements of Shipborne Automatic Identification System（AIS）［S］.（in Chinese）

［2］ Ole Fredrik Haakonsen Dahl.Space-Based AIS Receiver for Maritime Traffic Monitoring Using Interference ancellation［D］.Trondheim，Norway：Norwegian Uninversity of Science and Technology，2006.

［3］ Cain J S，Meger E.Space-Based AIS：Contributing to Global Safety and Security［C］／／Proceedings of the ISU 13th Annual Symposium.Strasbourg，F(xiàn)rance：［s.n.］，2009.

［4］ Cardoso J F，Laheld B H.Equivariant adaptiveSource separation［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，1996，44（12）：3017-3030.

［5］吳團(tuán)鋒，朱愛民，楊喜根，等.GMSK信號(hào)的多普勒頻移快捕和跟蹤［J］.信號(hào)處理，2006，22（1）：114-118. WU Tuan-feng，ZHU Ai-min，YANG Xi-gen，et al.Doppler frequency shift rapid acquisition and tracking for GMSK signals［J］.Signal Processing，2006，22（1）：114-118.（in Chinese）

［6］ HICKS J，CLARK J，STOCKER J，et al.AIS／GMSK Receiver on FPGA Platform for Satellite Application［J］.Proceedings of SPIE，2005，5819：403-414.

PAN Bao-feng was born in Zigong，Sichuan Province，in 1966.She is now a senior engineer.Her research concerns signal processing and the system design for signal reconnaissance.

Email：pan-bao-feng＠sina.com

梁先明（1976—），男，湖南永順人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ艂刹祛I(lǐng)域信號(hào)處理及信號(hào)分析等。

LIANG Xian-ming was born in Yongshun，Hunan Province，in1976.He is now a senior engineer.His research concerns signal processing and signal analysis for communication reconnaissance.

Email：liangxm＠21cn.com

Satellite-based AIS Receiver System Design and Related Key Techniques

PAN Bao-feng，LIANG Xian-ming
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

According to the characters of the space-based AIS（Automatic Identification System）receiver with wide coverage and fast moving speed，three system design schemes are proposed to realize the efficient receiving of signal.The blind source separation array signal processing method，nonlinear frequency measuring and noncoherence demodulation method are used to solve the problems of signal overlapping and the demodulation of Doppler frequency shift signal.Simulations and outfield experiment are presented to verify the validity and feasibility of the proposed scheme.

satellite-based AIS；receiver system；message collision；Doppler frequency shift；blind source separation

TN971

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.001

潘寶鳳（1966—），女，四川自貢人，高級(jí)工程師，主要從事信號(hào)處理及偵察領(lǐng)域系統(tǒng)總體工作；

1001-893X（2011）05-0001-05

2011-04-07；

2011-05-17