星載AIS系統(tǒng)信號模擬源的仿真實(shí)現(xiàn)

栗霖雲(yún)，陳 萍，方 莉

(北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京100876)

0 引言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)［1］主要用于相鄰船舶之間通信［2］，其通信距離僅為20海里左右［3］，無法實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)海域船舶的監(jiān)管。而星載AIS系統(tǒng)［4］可利用衛(wèi)星天線接收海面?zhèn)鞑サ腁IS信號，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星監(jiān)測范圍內(nèi)船舶運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)管，但由于其覆蓋面積廣，星載天線接收到的多個(gè)AIS信號不可避免地會(huì)發(fā)生相互沖突的現(xiàn)象［5，6］，給信息的解析增加了難度。

目前，對星載AIS系統(tǒng)的研究受到了各國的高度重視，為便于研究AIS沖突信號的解調(diào)算法，提高星載 AIS 系統(tǒng)的檢測性能［7，8］，不可避免地需要獲取星載AIS系統(tǒng)的信號源數(shù)據(jù)。國內(nèi)可通過購買國外的數(shù)據(jù)或者自主發(fā)射接收衛(wèi)星這兩種途徑來達(dá)到這一目的，但其成本太高，不易實(shí)現(xiàn)。因此，在計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)上設(shè)計(jì)星載AIS信號模擬源，根據(jù)實(shí)際情況模擬衛(wèi)星接收到的AIS信號成為了最佳選擇。

本文將衛(wèi)星監(jiān)測時(shí)間內(nèi)天線接收到的所有AIS信號的參數(shù)信息記錄在Excel表格中，作為模擬源的輸入，以此來模擬產(chǎn)生衛(wèi)星天線所接收到的沖突信號。通過建立衛(wèi)星檢測范圍船舶分布模型［9，10］，根據(jù)船舶與衛(wèi)星的相對位置計(jì)算獲得Excel表格中的參數(shù)，因此該參數(shù)符合實(shí)際情況。

1 衛(wèi)星接收信號的數(shù)學(xué)模型

AIS系統(tǒng)采用自組織時(shí)分多址技術(shù)(Self-Organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)［2］，在一定范圍內(nèi)可自發(fā)形成自組織網(wǎng)絡(luò)小區(qū)，處于小區(qū)內(nèi)的船舶所發(fā)送的AIS信號不存在時(shí)隙碰撞。而星載AIS系統(tǒng)覆蓋范圍廣［11］，作用于多個(gè)獨(dú)立的AIS自組織小區(qū)，因此衛(wèi)星天線接收到的信號r(t)往往是多個(gè)無沖突AIS信號疊加而成，該信號的數(shù)學(xué)模型可表示為:

式中，si(t)為第i(i=1，2…，N)艘船舶所發(fā)射的AIS信號;Ai為si(t)經(jīng)過信道衰落到達(dá)衛(wèi)星天線后的幅值;τi為si(t)到達(dá)衛(wèi)星天線時(shí)，該信號相對于其時(shí)隙起點(diǎn)的時(shí)延;fdi為由衛(wèi)星與第i艘船舶間的相對運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移;N為接收到的信號個(gè)數(shù);n(t)為接收噪聲，在接收機(jī)帶寬內(nèi)可將其視為高斯白噪聲。

2 星載AIS系統(tǒng)模擬源的設(shè)計(jì)方案

2.1 星載AIS系統(tǒng)模擬源的輸入?yún)?shù)

星載AIS系統(tǒng)模擬源模擬產(chǎn)生天線接收到的AIS沖突信號，需要將各船舶發(fā)送信號的參數(shù)作為模擬源的輸入，這里將所有信號參數(shù)以表格形式儲(chǔ)存在Excel文件中，儲(chǔ)存格式如表1所示。

表1 模擬源輸入?yún)?shù)表

表1中，各船舶發(fā)送的AIS信號按照到達(dá)衛(wèi)星天線的先后順序逐行記錄，第1列記錄發(fā)送該信號的船號;第2列為信號到達(dá)衛(wèi)星天線的時(shí)間，該參數(shù)單位為樣值點(diǎn)，這里的信號采樣倍數(shù)為4;第3列為信號功率;第4列為信號多普勒頻偏;第5列為信號到衛(wèi)星的波達(dá)方向，采用角度制。模擬源根據(jù)表格中的參數(shù)逐行產(chǎn)生無沖突的AIS信號，之后將信號疊加在相應(yīng)時(shí)刻得到衛(wèi)星接收到的有沖突信號。

2.2 星載AIS系統(tǒng)模擬源的方案流程

星載AIS系統(tǒng)模擬源的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。設(shè)計(jì)中通過“設(shè)置模擬源參數(shù)”來設(shè)置模擬產(chǎn)生AIS信號的信噪比等參數(shù)，然后依據(jù)船號給各船舶分配二進(jìn)制報(bào)文，以便在解調(diào)后確定檢測出的信息。

圖1 星載AIS系統(tǒng)模擬源的設(shè)計(jì)方案

圖1中，步驟“AIS信號調(diào)制”完全依據(jù)AIS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［1］規(guī)定予以實(shí)現(xiàn)，首先通過將待發(fā)射的二進(jìn)制信息進(jìn)行HDLC打包，形成幀格式如圖2所示的報(bào)文信息，之后對該報(bào)文信息進(jìn)行NRZI編碼，最后進(jìn)行GMSK調(diào)制產(chǎn)生AIS調(diào)制信號。

圖2 AIS數(shù)據(jù)幀格式

根據(jù)AIS協(xié)議要求，GMSK調(diào)制過程中，帶寬時(shí)間積BT設(shè)置為0.4，調(diào)頻指數(shù)h設(shè)置為0.5，這2個(gè)參數(shù)為固定參數(shù)，不允許進(jìn)行修改。

3 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)論

根據(jù)圖1所示的設(shè)計(jì)方案，對AIS信號模擬源在MATLAB仿真平臺(tái)上進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)，無沖突AIS信號的實(shí)部波形及其幅值波形如圖3所示，兩重沖突情況下AIS信號的實(shí)部波形及其幅值波形如圖4所示。

模擬源運(yùn)行結(jié)束后，將根據(jù)各AIS信號到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)刻繪制出時(shí)隙圖如圖5所示。圖5中每個(gè)矩形按鈕都表示一幀AIS信號，按鈕上的數(shù)字代表發(fā)送該幀信息的船號，各信號按照發(fā)送的先后順序排列在圖中，可以很直觀地觀察出各時(shí)隙的信號沖突情況。圖中將信號分為2行顯示，將解調(diào)出來的船舶用顏色標(biāo)記，便于2種不同解調(diào)算法性能對比。圖5下方的滑動(dòng)條用來調(diào)整顯示的時(shí)間范圍。此外，還可通過點(diǎn)擊矩形按鈕查看該幀信號的具體參數(shù)，如圖6所示。

圖3 無沖突AIS信號的實(shí)部波形和幅值波形

圖4 兩重沖突AIS信號的實(shí)部波形和幅值波形

圖5 AIS信號時(shí)隙

圖6 信息參數(shù)顯示

4 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)星載AIS系統(tǒng)信號模擬源，不僅為沖突AIS信號解調(diào)算法的研究提供了信號源，而且通過將AIS信號沖突情況以及解調(diào)算法的解調(diào)結(jié)果繪制成時(shí)隙圖，方便對解調(diào)結(jié)果進(jìn)行分析，有助于算法對比，對算法的改進(jìn)以及優(yōu)化提供很大幫助。

［1］GB/T 20068-2006.船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)技術(shù)要求［S］.

［2］張 宇，許昌如，周建軍.通用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的SOTDMA通信模型初探［J］.船海工程，2003(6):41-43.

［3］張 哲，馬桂山.衛(wèi)星探測AIS的分析及其發(fā)展研究［J］.航海技術(shù)，2010(3):38-40.

［4］楊 倩.我國應(yīng)用星載基站AIS系統(tǒng)研究［J］.中國海事，2011(1):53-55.

［5］鐘 杰，王懷勝，鄭 力.星載AIS接收沖突分析及仿真［J］.電訊技術(shù)，2010，50(10):6-11.

［6］Ole Fredrik Haakonsen Dahl.Space-Based AIS Receiver for Maritime Traffic Monitoring Using Interference cancellation［D］.Trondheim，Norway:Norwegian University of Science and Technology，2006:30-35.

［7］潘寶鳳，梁先明.星載AIS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)［J］.電訊技術(shù)，2011，51(5):1-5.

［8］劉 彤，吳建華，雷金平.AIS通信系統(tǒng)性能分析［J］.交通科技，2004(4):134-136.

［9］何 民，許 斌，鐘 杰.基于衛(wèi)星的AIS接收鏈路設(shè)計(jì)及仿真［J］.電訊技術(shù)，2010，50(9):114-118.

［10］吳團(tuán)峰，朱愛民，楊喜根，等.GMSK信號的多普勒頻移快捕和跟蹤［J］.信號處理，2006，22(1):114-118.

［11］ERIKSEN T，HOYE G，NARHEIM B，et a1.Maritime Monitoring Using a Space—Based AIS Receiver［J］.Acta Astronautica，2005，58(10):537-549.