星載AIS信號接收機(jī)解時(shí)隙沖突研究

陳 贊，陸文斌，方詩峰，鐘海文，劉 露

(1. 上海航天技術(shù)研究院804所，上海 201109; 2. 上海航天技術(shù)研究院803所，上海 201109)

星載AIS信號接收機(jī)解時(shí)隙沖突研究

陳 贊1，陸文斌1，方詩峰1，鐘海文1，劉 露2

(1. 上海航天技術(shù)研究院804所，上海 201109; 2. 上海航天技術(shù)研究院803所，上海 201109)

介紹了星載AIS信號接收技術(shù)及其廣闊的應(yīng)用前景，指出了該技術(shù)應(yīng)用時(shí)存在時(shí)隙沖突問題——接收到時(shí)間和頻率重疊的AIS信號，并從多天線接收技術(shù)及AIS信號解調(diào)技術(shù)兩方面闡述了解決時(shí)隙沖突的方法，利用Simulink平臺對這兩種技術(shù)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，這兩種方法能很好地解決時(shí)隙沖突問題，提高星載AIS接收機(jī)性能。

星載；AIS；時(shí)隙沖突；多天線；解調(diào)

0 引言

全球經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的繁榮促進(jìn)了船舶運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，如何確保船只航行的安全、避免船只的碰撞、實(shí)現(xiàn)對航行船舶的有效監(jiān)管已成為國際社會研究的熱點(diǎn)；另一方面，危險(xiǎn)物品運(yùn)輸、人口及貨物走私、全球恐怖主義活動等又極大地增加了國際社會對海上船舶進(jìn)行檢測、識別及跟蹤的應(yīng)用需求?；谏鲜鰬?yīng)用背景和應(yīng)用需求，國際海事組織(IMO)于2002年提出船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)。AIS是一種船載的廣播轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)，它能夠自動和連續(xù)地為其他船只和岸臺發(fā)送本船信息，系統(tǒng)也可以自主接收其他船只和岸臺廣播的信息。有關(guān)來往船只的船名、位置、速度、船向、船只類型等均可通過AIS系統(tǒng)獲得[1]。

AIS信號具有信息豐富、定位精度高、全天候等諸多優(yōu)點(diǎn)，提出后即獲得了快速發(fā)展，目前已基本普及使用。但AIS是一種陸/海基站系統(tǒng)，通信距離通常為視距。

而衛(wèi)星載荷接收AIS信號存在的主要問題是時(shí)隙沖突問題，解時(shí)隙沖突是星載AIS信號接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 時(shí)隙沖突

船載AIS使用SOTDMA通信協(xié)議，該協(xié)議將1 min等效為一幀，每幀分為2 250個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間寬度為26.67 ms，每艘船每次利用一個(gè)或兩個(gè)連續(xù)時(shí)隙來廣播信號。為了避免兩艘船舶的AIS設(shè)備同時(shí)發(fā)射信號，每一個(gè)SOTDMA通信區(qū)域都被限制在約20海里范圍內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)的所有船舶都可按SOTDMA協(xié)議進(jìn)行通信，而不會發(fā)生多艘船舶同時(shí)發(fā)射信號的情況。

但衛(wèi)星載荷接收AIS信號時(shí)，普通衛(wèi)星天線不可能做到接收天線波束恰好僅覆蓋一個(gè)SOTDMA通信區(qū)域，接收天線波束通常同時(shí)覆蓋數(shù)十、甚至數(shù)百個(gè)SOTDMA通信區(qū)域[2]。

此時(shí)，來自接收天線波束覆蓋范圍內(nèi)不同SOTDMA通信區(qū)域的AIS信號發(fā)生時(shí)隙沖突的情況是不可避免的。

這里的時(shí)隙沖突包含以下兩種情況：

(1)多艘船舶利用同一個(gè)時(shí)隙發(fā)射信號，導(dǎo)致這些信號到達(dá)星載接收平臺時(shí)在時(shí)域上發(fā)生完全重疊或部分重疊的現(xiàn)象；

(2)多艘船舶利用不同時(shí)隙發(fā)射信號時(shí)，由于到達(dá)星載平臺時(shí)經(jīng)過的距離不同而產(chǎn)生不同的時(shí)延，也會導(dǎo)致接收到的信號產(chǎn)生部分重疊現(xiàn)象。

在圖1中，衛(wèi)星接收天線同時(shí)覆蓋了兩個(gè)SOTDMA通信區(qū)域，來自左邊SOTDMA通信區(qū)域內(nèi)的船A、船B、船C分別利用時(shí)隙A、B、C發(fā)送信息，而來自右邊SOTDMA通信區(qū)域內(nèi)的船C、船D、船E分別利用時(shí)隙C、D、E發(fā)送信息，由于來自這兩個(gè)SOTDMA通信區(qū)域內(nèi)的船C同時(shí)利用時(shí)隙C發(fā)送信號，衛(wèi)星平臺上的AIS信號接收機(jī)所接收到的來自同一時(shí)隙C的兩個(gè)信號在時(shí)間上將完全重疊或部分重疊，從而發(fā)生時(shí)隙沖突[3]。

圖1 衛(wèi)星接收信號產(chǎn)生時(shí)隙沖突原理示意圖

2 解時(shí)隙沖突

解時(shí)隙沖突是從沖突信號中提取出各信號并正確解調(diào)出相關(guān)信息，下面從多天線接收、AIS信號解調(diào)兩個(gè)方面來解決時(shí)隙沖突問題。

2.1多天線接收

衛(wèi)星上的多個(gè)接收天線，因信號傳播路徑不同，引起不同天線接收到的AIS信號相位的差異，這里利用這個(gè)相位的差異性來解決時(shí)隙沖突問題。下面以雙天線接收為例進(jìn)行說明。

用X1、X2分別表示AIS信號1、2；用Y1、Y2分別表示AIS接收機(jī)兩根天線接收到的信號，假設(shè)天線2相對于天線1對AIS信號1、2分別產(chǎn)生A和B的相位差。

Y1=X1+X2

(1)

Y2=X1ejA+X2ejB

(2)

則如果將其中一個(gè)接收信號增加一個(gè)相位，再將兩個(gè)接收信號進(jìn)行如下處理：

Y=Y1-Y2ejP

(3)

(4)

這樣就可以從沖突信號中除去AIS信號1，以便解調(diào)出AIS信號2，再反過來解調(diào)AIS信號1。實(shí)際使用時(shí)不一定要將AIS信號1完全去掉，只要沖突信號中AIS信號1幅度較小并能解調(diào)出AIS信號2即可。

2.2 AIS信號解調(diào)

AIS信號采用GMSK調(diào)制方式，目前常用的GMSK解調(diào)方法主要有兩大類：非相干解調(diào)(non-coherent detection)和相干解調(diào)(coherent detection)。

差分解調(diào)屬于典型的非相干解調(diào)，其利用接收信號及其延遲信號進(jìn)行解調(diào)，基本原理框圖如圖2所示。

圖2 差分解調(diào)原理框圖

圖中Tb為碼元周期，n表示延遲時(shí)間長度，以碼元數(shù)表示，當(dāng)n為1、2時(shí)分別表示1 bit差分解調(diào)和2 bit差分解調(diào)。C代表復(fù)常數(shù)，取決于延遲碼元數(shù)，n為1時(shí)，C為-j。

結(jié)合相干解調(diào)與相關(guān)器的最大似然序列檢測器(MLSD)是連續(xù)相位信號(CPM)的最佳檢測器(GMSK是CPM的一種)，但復(fù)雜度和計(jì)算量較大。最大似然序列檢測器通過狀態(tài)網(wǎng)格搜索最小歐式距離的路徑，維特比算法是執(zhí)行這種搜索的有效方法。如圖3所示為最大似然序列檢測器原理圖。

圖3 最大似然序列檢測器原理框圖

由于沖突信號的信號強(qiáng)度和延遲時(shí)間多種多樣，造成衛(wèi)星接收到的AIS沖突信號千變?nèi)f化，仿真不可能窮盡所有情況，這里選取其中具有代表性的組合進(jìn)行仿真。

(1)一個(gè)干擾信號

設(shè)各信號信噪比(SNR)均為13 dB(下同)，改變干擾信號幅度及延遲時(shí)間(相對于目標(biāo)信號)，仿真誤碼率如表1所示。

表1 一個(gè)干擾信號幅度時(shí)延對應(yīng)誤碼率 (%)

從上表仿真結(jié)果可以看出無論干擾延遲是多少，當(dāng)干擾信號幅度小于0.65時(shí)誤碼率都已變得很小。

(2)兩個(gè)干擾信號

這里仿真干擾信號有兩個(gè)的情況，由于延遲情況特別多，不再一一舉例，以兩個(gè)干擾信號為例，改變干擾信號幅度來仿真誤碼率，干擾信號1和干擾信號2相對于目標(biāo)信號分別延遲1 bit、2 bit，對應(yīng)誤碼率如表2所示。

表2 兩個(gè)信號不同幅度對應(yīng)誤碼率

(3)多個(gè)干擾信號

實(shí)際中衛(wèi)星接收的AIS信號沖突的種類很多，主要由沖突信號的個(gè)數(shù)、沖突信號的幅度和沖突信號的延遲時(shí)間等因素決定。這里舉例說明最大似然序列檢測器的抗干擾性能。

假設(shè)干擾信號有6個(gè)，相對于目標(biāo)信號分別延遲1 bit、2 bit、3 bit、4 bit、5 bit、6 bit，各信號信噪比(SNR)均為13 dB，改變干擾信號幅度來模擬誤碼率。結(jié)果如表3所示。

表3 多個(gè)干擾信號不同幅度對應(yīng)誤碼率

從以上仿真結(jié)果可以看出，GMSK最大概率序列檢測器具有較強(qiáng)的抗干擾(解沖突)能力，特別是當(dāng)干擾數(shù)較少時(shí)。

綜合上述內(nèi)容，對于星載AIS接收系統(tǒng)，優(yōu)先選擇基于相關(guān)解調(diào)的最大似然序列檢測器，其不僅具有較強(qiáng)的抗噪聲能力，而且在解時(shí)隙沖突方面有不錯(cuò)的性能。

3 結(jié)束語

星載AIS接收技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景，包括航運(yùn)、國防、環(huán)境保護(hù)等多方面，但衛(wèi)星載荷接收AIS信號存在的時(shí)隙沖突問題限制了其作用的發(fā)揮，只有有效解決時(shí)隙沖突問題，才能更好地應(yīng)用星載AIS接收技術(shù)。

本文從多天線接收技術(shù)及AIS信號解調(diào)技術(shù)兩方面闡述了解決時(shí)隙沖突的方法，并進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明這兩種方法能很好地解決時(shí)隙沖突問題，提高星載AIS接收機(jī)性能。

[1] 郝盛,陳滌非.星載AIS收發(fā)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)初探[J].航空電子技術(shù),2007,38(4):7-11.

[2] HICKS J E, CLARK J S, STOCKER J, et al. AIS/GMSK receiver on FPGA platform for satellite application[J]. Proceedings of SPIE, 2005, 5819: 403-414.

[3] BURZIGOTTI P, GINESI A, COLAVOLPE G. Advanced receiver design for satellite-based AIS signal detection[C]. 2010 5th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal Processing for Space Communication Workship, 2010: 1-8.

Research on time slot collision of spaceborne AIS signal receiver

Chen Zan1, Lu Wenbin1, Fang Shifeng1, Zhong Haiwen1, Liu Lu2

(1. No.804 Research Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China;2. No.803 Research Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

The technolgy of receiving AIS signal by satellites and its broad application prospects are introduced, time slot confilct—receiving more than one AIS signal at the same time is the main problem during using this technology. In order to solve the problem,two methods which are the antenna technology and the demodulation technology are introduced, then the two methods are simulated using Simulink,the results prove that the two methods can solve time slot confilct well and improve spaceborne AIS receiver performance.

satellite-based; AIS; time slot conflict; multi-antenna; demodulation

TP312

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.019

陳贊，陸文斌，方詩峰，等.星載AIS信號接收機(jī)解時(shí)隙沖突研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(17)：65-67.

2017-04-12)

陳贊(1982-)，男，本科，工程師，主要研究方向：航天測控通信和數(shù)據(jù)傳輸。