AIS地面測試系統(tǒng)設(shè)計概要

沈天翼+馮文全+張杰斌+劉曦

摘 要

星載AIS系統(tǒng)通過對可視范圍內(nèi)的船舶信號進(jìn)行監(jiān)聽和解調(diào)，并將解調(diào)后的信息打包下傳至地面站，為海洋管理及船舶運(yùn)營提供了大范圍、高效率的狀態(tài)數(shù)據(jù)。AIS分系統(tǒng)接收機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對船載AIS信號的實(shí)時捕獲和數(shù)據(jù)解調(diào)功能，為完成對AIS分系統(tǒng)接收機(jī)的綜合測試，進(jìn)行AIS地面測試系統(tǒng)信號源的研制。AIS地面測試系統(tǒng)信號源主要任務(wù)是通過對低軌衛(wèi)星、船舶狀態(tài)等的仿真和維持，依據(jù)國際電聯(lián)無線電通訊部門ITU-RM.1371-5建議書規(guī)定的通信協(xié)議實(shí)時生成仿真數(shù)據(jù)、通信幀并模擬生成AIS信號，從而對AIS星載接收機(jī)功能和性能進(jìn)行評估。

【關(guān)鍵詞】星載AIS 測試系統(tǒng)

星載AIS系統(tǒng)通過低軌道衛(wèi)星接收海面船舶發(fā)送的AIS信號，解碼后轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)地球站，從而監(jiān)督管理遠(yuǎn)海域中航行的船只。然而存在一些問題：

（1）由于衛(wèi)星運(yùn)行速度快，接收到的來自海面的AIS信號有較大的多普勒頻偏；

（2）由于衛(wèi)星觀測范圍廣闊，衛(wèi)星天線將會同時接收多個獨(dú)立海面區(qū)域發(fā)來的船只信號，造成信號沖突，若直接放棄解調(diào)沖突信號，會大大降低星載AIS系統(tǒng)性能。由于AIS信號在衛(wèi)星接收端的沖突不可避免，因此需要搭建AIS測試系統(tǒng)，以便對沖突信號的解調(diào)算法進(jìn)行研究。

1 總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)組成及原理

AIS地面測試系統(tǒng)信號源由三部分組成，分別為上位機(jī)主控軟件、基帶信號處理板、射頻通道模塊如圖1所示。

信號源主控軟件主要由通信模塊、界面顯示模塊、軌道及場景運(yùn)算模塊構(gòu)成。通信模塊負(fù)責(zé)主控軟件與基帶信號處理板中運(yùn)行的ARM軟件的以太網(wǎng)通信功能；界面顯示模塊負(fù)責(zé)信號源主控軟件的主體框架并提供圖形化用戶接口界面；軌道及場景運(yùn)算模塊則負(fù)責(zé)完成衛(wèi)星軌道計算和所模擬的海面終端場景計算。

基帶信號處理板的核心處理器件為ARM和FPGA。

其中，ARM軟件負(fù)責(zé)：

（1）與主控軟件的網(wǎng)絡(luò)通信接口，接收并解析衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、場景終端數(shù)據(jù)、用戶配置數(shù)據(jù)，反饋信號源當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和硬件設(shè)備狀態(tài)等基礎(chǔ)信息；

（2）根據(jù)協(xié)議的要求產(chǎn)生基帶AIS幀數(shù)據(jù)；

（3）根據(jù)不同的工作模式對FPGA進(jìn)行配置。

FPGA軟件負(fù)責(zé)完成：

（1）GMSK信號調(diào)制；

（2）信道特性調(diào)制；

（3）主用通道信號與碰撞通道信號的合成；

（4）信號自環(huán)接收解調(diào)驗(yàn)證。

FPGA調(diào)制產(chǎn)生的GMSK信號送至ADC芯片轉(zhuǎn)換和發(fā)射，經(jīng)過射頻通道模塊進(jìn)行濾波和功率調(diào)整后發(fā)射輸出。射頻通道模塊的工作模式由ARM通過串行總線進(jìn)行控制。此外，設(shè)備提供一路備用發(fā)射通道，直接輸出DAC原始信號。

1.2 工作模式設(shè)計

信號源主控軟件根據(jù)衛(wèi)星軌道、海面終端分布及衛(wèi)星天線方向圖等約束條件在一定可視范圍內(nèi)選擇船只終端，并將所選終端信息（含基帶數(shù)據(jù)信息和信道特性信息）通過網(wǎng)口發(fā)送給ARM。ARM解析收到的數(shù)據(jù)包，并且進(jìn)行時隙分配，通過EIM總線將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至FPGA。

正常場景模式的工作流程見圖2。其中，矩形框過程在上位機(jī)主控軟件中完成，平行四邊形框過程在ARM軟件中實(shí)現(xiàn)，圓形框過程在FPGA中實(shí)現(xiàn)。

1.3 仿真模塊設(shè)計

1.3.1 衛(wèi)星軌道仿真

星載AIS的運(yùn)行軌道是低軌衛(wèi)星。一般而言，低軌道衛(wèi)星的軌道高度為二百至兩千千米。在本設(shè)計中采用STK軟件接口生成衛(wèi)星軌道，STK可以通過上位機(jī)中輸入軌道個數(shù)實(shí)時產(chǎn)生衛(wèi)星的各項(xiàng)參數(shù)，包括衛(wèi)星當(dāng)前位置、運(yùn)行速度、角速度和姿態(tài)等。

AIS衛(wèi)星的軌道高度將直接影響其可觀測范圍，如圖3所示。

在不考慮衛(wèi)星天線角度限制的情況下，衛(wèi)星的觀測半徑Rs即為衛(wèi)星到地球切線AB與衛(wèi)星到地面垂線AC之間的弧段BC的長度：

其中，Re為地球半徑近似取6371km，h為衛(wèi)星軌道距離地面高度。按照上式可計算得到地軌衛(wèi)星的對地觀測范圍如表1所示：

1.3.2 船舶分布仿真

在星載AIS系統(tǒng)中，衛(wèi)星接收船載AIS設(shè)備發(fā)送的信號，船般的分布疏密情況會直接影響到信號的時隙分布情況。AIS地面測試系統(tǒng)信號源在生成終端信號時，為了能夠盡量精確地模擬實(shí)際船舶分布，需要以真實(shí)的船舶分布情況為基礎(chǔ)。

為了仿真衛(wèi)星運(yùn)行和船舶運(yùn)動過程中通信時隙的切換以及船舶終端分布情況的變化，在本設(shè)計中規(guī)定主控軟件每1分鐘通過STK軟件接口更新一次衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，并計算星下可觀測范圍內(nèi)的船舶數(shù)據(jù)。

1.3.3 衛(wèi)星信道仿真

星載AIS系統(tǒng)是一個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，衛(wèi)星和船舶都處于相對運(yùn)動當(dāng)中。對于AIS地面測試系統(tǒng)信號源來說，衛(wèi)星移動通信信將產(chǎn)生多方面的影響。在本設(shè)計中，為了模擬出AIS衛(wèi)星天線端接收信號的功率衰減，考慮兩方面的影響因素：自由空間傳輸損耗、天線指向增益變化。

在假設(shè)信源和信宿均采用，無線信號在自由空間中的傳輸損耗主要與傳輸距離和信號頻率相關(guān)。工程中常用的傳輸損耗計算公式為：

其中，Los為傳輸損耗，單位為dB；d為傳輸距離，單位為km；f為頻率，單位為MHz。

根據(jù)上文對衛(wèi)星軌道的分析，可以推算出，信號源針對衛(wèi)星可觀測范圍內(nèi)不同距離的終端所需模擬出的信號增益變化，如表2所示。

對于收發(fā)天線指向不同造成的信號增益變化，在主控軟件中提供天線方向圖數(shù)據(jù)接口，用戶可以按照接口格式提供實(shí)際的天線性能數(shù)據(jù)，信號源將實(shí)時產(chǎn)生復(fù)合方向圖功率約束的模擬信號。

天線角度約束包括海面終端天線的發(fā)射方向φT和衛(wèi)星接收機(jī)天線的接收方向φR，如圖4所示。endprint

2 硬件設(shè)計方案

2.1 基帶處理板卡設(shè)計方案

基帶處理板卡包含邏輯處理單元、數(shù)據(jù)管理單元、時鐘管理單元、兩路中頻輸入接口、兩路中頻輸出接口、外部接口和電源模塊等六個部分。

邏輯處理單元的功能是實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制、解調(diào)、數(shù)學(xué)信號處理等，主要的器件是Xilinx公司的XC7K325T，兼容XC7K410T。數(shù)據(jù)管理單元的功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口通信、配合FPGA完成整個板卡的管理，選用的是Cortex-A9，LINUX操作系統(tǒng)。時鐘管理單元的功能是為AD、DA、FPGA、ARM提供時鐘信號，主要器件是TI公司的LMK03806。中頻輸入接口主要的器件是TI公司的ADS42LB69，16bit，最大采樣率為250MHz，最大模擬帶寬為1GHz。中頻輸出接口主要的器件是TI公司的AD9788，16bit，最大采樣率為800MHz，可輸出DC～400M的中頻信號。外部接口部分包括16位LVTTL輸入、16位LVTTL輸出、4位LVDS輸入、4位LVDS輸出，實(shí)現(xiàn)板卡與外界的數(shù)字信號傳輸。電源模塊的功能是為整個板卡提供所需要的電壓，保證板卡的正常工作。

2.2 射頻通道模塊設(shè)計方案

射頻通道模塊的主要功能是：對信號源產(chǎn)生的射頻信號進(jìn)行帶通濾波和功率調(diào)整，并且對自環(huán)輸入信號進(jìn)行帶通濾波。

所采用的4個頻點(diǎn)的信號中心頻率為：161.975MHz、162.025MHz、156.775 MHz、156.825 MHz。因此可以選擇將輸入、輸出帶通濾波器的中心頻率設(shè)計為fc=160MHz，截止帶寬設(shè)計為fstop=10MHz。LC濾波器的矩形系數(shù)一般在1.2～1.3之間，因此帶通濾波器的3dB帶寬為f3dB≈7.7～8.3MHz，足以滿足AIS信號的頻帶要求。濾波器的幅頻特性如圖5所示。

在本項(xiàng)目中，規(guī)定信號源的輸出功率范圍需達(dá)到-130dBm～-20dBm，且功率調(diào)節(jié)分辨率為1dB。

在基帶信號處理板中，通過調(diào)節(jié)FPGA輸出數(shù)字信號的幅度以及調(diào)整DAC芯片的幅度控制參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不小于20dB的輸出功率變化范圍。因此，還需要在射頻通道模塊中解決剩余的90dB功率動態(tài)范圍。

射頻通道模塊中采用Analog Device公司的HMC759LP3E實(shí)現(xiàn)可變衰減模塊。HMC759LP3E是一款最大衰減可達(dá)31.75dB的數(shù)控衰減器，其步進(jìn)精度為±0.25dB，頻率適應(yīng)范圍1-～300MHz，采用串行數(shù)字總線控制，輸入IP3高達(dá)+40dBm。

3 主控軟件設(shè)計方案

信號源主控軟件主要由通信模塊、界面顯示模塊、軌道及場景運(yùn)算模塊構(gòu)成 。

3.1 主控軟件結(jié)構(gòu)

如圖6所示，信號源主控軟件的工作原理為：

第一步，用戶通過主控軟件界面，設(shè)置信號源的工作模式和工作參數(shù)；

第二步，提供軟件接口，供用戶指定終端場景分布、衛(wèi)星軌道、天線方向圖和基帶AIS信息幀數(shù)據(jù)；

第三步，使用Socket API實(shí)現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)接收與發(fā)送；

第四步，根據(jù)內(nèi)部通信協(xié)議，對信道特性數(shù)據(jù)和基帶幀數(shù)據(jù)進(jìn)行組包封裝；

第五步，接收ARM反饋的信號源工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，顯示在軟件界面。

3.2 工作流程設(shè)計

主控軟件流程如圖7所示。

3.3 主控軟件界面

主控軟件主界面如圖8所示。

如圖9所示，主控軟件界面部分，分為通道信號編輯區(qū)，日志記錄區(qū)和指令區(qū)，同時，仿真軟件具備基帶數(shù)據(jù)管理功能，能夠讓用戶導(dǎo)入和導(dǎo)出需要的基帶數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

對解調(diào)算法進(jìn)行性能方面的研究，需要利用星載AIS信號數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。所以，仿真設(shè)計星載AIS信號模擬源，并對模擬信號進(jìn)行全面分析，對比不同解調(diào)算法的解調(diào)性能，將有助于加快AIS沖突信號解調(diào)算法的研究。

本文實(shí)現(xiàn)了AIS的測試系統(tǒng)的軟硬件功能，為進(jìn)一步解決信號沖突算法，提供了仿真數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)。

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作者簡介

沈天翼（1992-），男，碩士在讀，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航、軟件仿真平臺等。

作者單位

北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京市 100191endprint