基于實(shí)際船舶分布的星載AIS仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 昕，李洪星，陳 萍，方 莉

(1.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876;2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

2002年，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)提出了船舶用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)［1］，并強(qiáng)制要求在海洋中航行的船舶使用。將AIS設(shè)備掛載至衛(wèi)星，即星載AIS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廣海域的持續(xù)監(jiān)視［2］。雖然國(guó)內(nèi)的船載和岸基AIS系統(tǒng)建設(shè)已趨于完善，但對(duì)星載AIS技術(shù)的研究相比國(guó)外仍較落后［2，3］。

由于AIS最初的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮到衛(wèi)星檢測(cè)AIS信號(hào)這樣的需求，因此星載AIS技術(shù)不可避免地要應(yīng)對(duì)新的技術(shù)挑戰(zhàn)［4］:① 衛(wèi)星的速度快，接收到的AIS信號(hào)有較大的多普勒頻偏;②由于衛(wèi)星檢測(cè)的覆蓋范圍較大，在同一時(shí)隙可能接收到2個(gè)或者多個(gè)信號(hào)的混疊。

面對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)，構(gòu)建星載AIS仿真系統(tǒng)進(jìn)行深入研究十分重要。文獻(xiàn)［5］分析了不同信號(hào)參數(shù)對(duì)沖突信號(hào)解調(diào)性能的影響，但并未考慮船舶分布情況對(duì)不同信號(hào)參數(shù)組合概率的影響;文獻(xiàn)［6，7］提出了檢測(cè)概率的近似模擬方法，但船舶分布模型采用隨機(jī)均勻分布，并不符合實(shí)際情況;文獻(xiàn)［8］分析了船舶聚集在港口時(shí)的理論檢測(cè)概率，但沒(méi)有結(jié)合沖突信號(hào)解調(diào)算法進(jìn)行分析。

綜上，現(xiàn)有AIS仿真系統(tǒng)中往往存在2個(gè)問(wèn)題:①船舶分布數(shù)據(jù)不符合實(shí)際情況;② 理論檢測(cè)概率［7］和沖突信號(hào)解調(diào)算法仿真得到的檢測(cè)概率缺乏對(duì)比分析。針對(duì)以上2個(gè)問(wèn)題，依據(jù)實(shí)際船舶分布情況，結(jié)合不同信號(hào)解調(diào)算法的檢測(cè)概率，搭建了星載AIS仿真平臺(tái)。

1 星載AIS系統(tǒng)

星載AIS系統(tǒng)中，船載AIS設(shè)備廣播信號(hào)，衛(wèi)星接收機(jī)接收信號(hào)并解調(diào)。待發(fā)送的二進(jìn)制信息按照AIS國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［9］規(guī)定被封裝成如圖1所示的報(bào)文信息。

圖1 AIS幀結(jié)構(gòu)

圖1中，同步序列為“01”交替的二進(jìn)制信息，校驗(yàn)序列是長(zhǎng)16 bit的CRC校驗(yàn)序列，開(kāi)始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志均為“ 01111110”［9］。

封裝后的報(bào)文信息接著經(jīng)過(guò)NRZI變換和GMSK調(diào)制，其中GMSK調(diào)制的帶寬時(shí)延積BT=0.4。最后，GMSK調(diào)制信號(hào)對(duì)VHF發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)頻［標(biāo)準(zhǔn)］后發(fā)送。調(diào)頻信號(hào)工作在2個(gè)信道，頻率分別為161.975 MHz和162.025 MHz，帶寬根據(jù)不同情況設(shè)定為 25 kHz或 12.5 kHz［9］。

星載AIS設(shè)備搭載在低軌衛(wèi)星上，衛(wèi)星在地面的掃描半徑r可根據(jù)下式計(jì)算

式中，R為地球半徑;h為衛(wèi)星高度。范圍內(nèi)不同船舶發(fā)送的信號(hào)在衛(wèi)星接收端有不同的功率、頻偏、時(shí)延和入射方向等信號(hào)參數(shù)，不同的信號(hào)參數(shù)對(duì)解調(diào)性能存在影響。掃描范圍確定后，即可根據(jù)船舶位置計(jì)算各參數(shù)。

船載AIS設(shè)備間通信由于統(tǒng)一采用了SOTDMA接入技術(shù)保障時(shí)隙的同步、確定初始時(shí)隙以及預(yù)約工作時(shí)隙。該技術(shù)會(huì)在通信范圍內(nèi)建立自組織區(qū)域，可以有效避免船舶間的時(shí)隙沖突。但星載AIS覆蓋范圍廣，可接收到來(lái)自多個(gè)自組織區(qū)域船舶發(fā)送的信號(hào)，因此可能產(chǎn)生時(shí)隙沖突［10］，如圖2所示。

圖2 時(shí)隙沖突示意

2個(gè)自組織小區(qū)相互獨(dú)立地分配時(shí)隙，被分配發(fā)送信號(hào)的時(shí)隙以灰色表示，時(shí)隙分配表在衛(wèi)星接收端疊加到一起，導(dǎo)致了表中有2個(gè)時(shí)隙存在沖突，沖突時(shí)隙在時(shí)隙表中以黑色表示。在沖突時(shí)隙中接收到的混疊信號(hào)稱為沖突信號(hào)，衛(wèi)星觀測(cè)范圍內(nèi)的船數(shù)越多，出現(xiàn)多重沖突信號(hào)的幾率就越大。接收到n重時(shí)隙沖突信號(hào)概率與觀測(cè)范圍內(nèi)船數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 沖突數(shù)概率與總船數(shù)關(guān)系曲線

圖3中，4條曲線分別表示500、1000、1500和2000艘船時(shí)，衛(wèi)星接收信號(hào)沖突重?cái)?shù)的分布情況?？梢钥闯?，隨著船數(shù)的增多，接收到多重沖突信號(hào)的概率越來(lái)越高，而接收到無(wú)沖突信號(hào)的概率越來(lái)越低。

2 系統(tǒng)仿真方案設(shè)計(jì)

根據(jù)星載AIS系統(tǒng)特點(diǎn)和AIS信號(hào)生成方式，星載AIS系統(tǒng)級(jí)仿真方案設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 AIS仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

仿真生成星載AIS數(shù)據(jù)，首先需要根據(jù)船舶分布情況建立船舶分布模型，該模型包含船舶的經(jīng)緯度、船號(hào)和信號(hào)發(fā)送間隔等信息。為了更符合真實(shí)情況，船舶分布數(shù)據(jù)可定期從航海網(wǎng)站抓取，以多次觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立船舶分布模型。

然后，使用船舶位置計(jì)算在衛(wèi)星接收端各船舶發(fā)送信號(hào)的功率、頻偏和時(shí)延等參數(shù)［11，12］。之后根據(jù)SOTDMA方法為所有信號(hào)分配時(shí)隙并模擬生成觀測(cè)時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星接收到的AIS信號(hào)［13，14］。為了便于分析，假設(shè)衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間內(nèi)觀測(cè)范圍不變，且船舶在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)近似靜止。

最后，假設(shè)解調(diào)算法可以正確解出N重沖突信號(hào)，根據(jù)時(shí)隙分配情況計(jì)算出理論船舶檢測(cè)概率，同時(shí)對(duì)信號(hào)使用解調(diào)算法解調(diào)，將解調(diào)結(jié)果與理論檢測(cè)概率對(duì)比分析。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 船舶分布模型

設(shè)定衛(wèi)星高度600 km，可根據(jù)式(1)計(jì)算出觀測(cè)范圍直徑約2880 nmile。以上海附近船舶平均分布情況為例，觀測(cè)范圍內(nèi)2013年10月～2014年3月，如圖5所示。

圖5 上海附近海域船舶分布

圖5中的圓圈表示該區(qū)域內(nèi)存在船舶，每個(gè)圓覆蓋的區(qū)域半徑20 nmile。設(shè)定掃描范圍內(nèi)的總船數(shù)后，將船舶隨機(jī)分配到各小區(qū)后模擬生成AIS信號(hào)。

3.2 參數(shù)分布情況

在圖5的基礎(chǔ)上，以衛(wèi)星正下方區(qū)域?yàn)閰⒖嘉恢茫撐恢霉β蕿? dB，頻偏為0 Hz。計(jì)算所有發(fā)送信號(hào)的功率和頻偏并統(tǒng)計(jì)其聯(lián)合分布概率，如圖6所示。

圖6 參數(shù)分布概率分布

由圖6可看出，該船舶分布模型衛(wèi)星接收到高功率信號(hào)的概率較高，而功率為5 dB的信號(hào)較少。

3.3 星載AIS設(shè)備接收信號(hào)仿真

船載設(shè)備的信號(hào)發(fā)送間隔根據(jù)船舶速度、船舶類型等參數(shù)確定，取值在2 s～3 min不等，仿真中發(fā)送間隔設(shè)定為12 s。GMSK調(diào)制帶寬時(shí)延積BT設(shè)定為0.4，調(diào)頻指數(shù)為0.5。仿真生成衛(wèi)星在6 min內(nèi)接收到的信號(hào)，前3 μs的信號(hào)復(fù)包絡(luò)波形如圖7所示。

圖7 衛(wèi)星接收AIS信號(hào)復(fù)包絡(luò)波形

圖7顯示了信號(hào)的前11個(gè)時(shí)隙，其中有9個(gè)時(shí)隙被占用，第3個(gè)和第4個(gè)時(shí)隙各自接收到2個(gè)信號(hào)的沖突信號(hào)，使復(fù)包絡(luò)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。

3.4 檢測(cè)概率對(duì)比分析

觀測(cè)時(shí)間內(nèi)一艘船發(fā)送的所有信號(hào)若有一幀被解調(diào)正確，則認(rèn)為該船被成功檢測(cè)，被檢測(cè)出的船數(shù)與總船數(shù)的比值即理論船舶檢測(cè)概率［7］。仿真系統(tǒng)從衛(wèi)星接收信號(hào)的時(shí)隙分配情況統(tǒng)計(jì)出信號(hào)各時(shí)隙的沖突次數(shù)，然后假設(shè)解調(diào)算法可以正確解調(diào)N重沖突，即沖突數(shù)不大于N的時(shí)隙則被認(rèn)為可以被正確解調(diào)。理論檢測(cè)概率與算法檢測(cè)概率對(duì)比如圖8所示，顯示了算法不能正確解調(diào)沖突信號(hào)、能解調(diào)2重沖突信號(hào)和能解調(diào)3重沖突信號(hào)這3種情況下的理論船舶檢測(cè)概率與總船數(shù)的關(guān)系曲線。

可以看出，船舶檢測(cè)概率隨著觀測(cè)區(qū)域內(nèi)船數(shù)的增加而下降。解調(diào)算法若可以解調(diào)多重沖突信號(hào)，船舶檢測(cè)概率會(huì)有大幅度提升。例如觀測(cè)區(qū)域內(nèi)有2000艘船時(shí)，若算法不能解調(diào)沖突信號(hào)則檢測(cè)概率只有5%;若解調(diào)算法可以解調(diào)出三重沖突信號(hào)，則船舶檢測(cè)概率可達(dá)到75%。

為了評(píng)估AIS信號(hào)解調(diào)算法性能，可使用算法解調(diào)系統(tǒng)生成的仿真信號(hào)，將得到的船舶檢測(cè)概率曲線與理論曲線對(duì)比。圖8所示的解調(diào)算法曲線在船數(shù)較多時(shí)略高于可解調(diào)三重沖突信號(hào)的理論曲線，對(duì)多重沖突信號(hào)有著較強(qiáng)的處理能力。

圖8 船舶檢測(cè)概率與船數(shù)關(guān)系曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

提出的仿真系統(tǒng)以實(shí)際船舶分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的仿真平臺(tái)可以生成衛(wèi)星接收到的AIS信號(hào)，并統(tǒng)計(jì)信號(hào)參數(shù)概率分布情況，計(jì)算理論船舶檢測(cè)概率。將解調(diào)算法加入平臺(tái)還能對(duì)解調(diào)算法性能作出分析評(píng)估。通過(guò)仿真結(jié)果和分析可以看出，該平臺(tái)可以對(duì)星載AIS系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果更符合實(shí)際情況。這對(duì)深入研究星載AIS系統(tǒng)有重要的參考價(jià)值。 ■

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