基于衛(wèi)星平臺(tái)的AIS接收機(jī)設(shè)計(jì)

王洪波

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都610036)

0 引言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是一種通過(guò)無(wú)線的方式廣播自身動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息，以便其他船舶和岸基觀通站可以接收到相關(guān)信息，保證船舶航行的安全性。受限于VHF頻段的傳輸特點(diǎn)，一般岸基觀通站和船上的AIS船臺(tái)設(shè)備只能接收視距范圍大約40海里內(nèi)的AIS信號(hào)[1]。為解決上述問(wèn)題，基于衛(wèi)星平臺(tái)的星載AIS接收機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

基于衛(wèi)星平臺(tái)的AIS信號(hào)偵收，對(duì)于遠(yuǎn)洋海運(yùn)安全、國(guó)際反恐反海盜、海軍遂行軍事行動(dòng)以及遠(yuǎn)洋漁業(yè)等都有重要意義。尤其是對(duì)星載AIS接收機(jī)獲取的AIS態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和深度挖掘，目前已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)作，被用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。

當(dāng)前，世界各國(guó)對(duì)星載AIS接收機(jī)給予高度重視，美國(guó)已經(jīng)發(fā)射了多顆AIS偵察衛(wèi)星[2]，其中，TACSAT-2衛(wèi)星于2006年發(fā)射，采用陣列天線，軌道高度為420 km，采用FPGA實(shí)現(xiàn)1 bit差分解調(diào)[3]，完成AIS信號(hào)的解調(diào)解譯。通過(guò)陣列天線波束形成技術(shù)提高了天線增益，獲得了較好的效果。同時(shí)，美國(guó)還發(fā)展了VesselSat等多個(gè)型號(hào)的AIS衛(wèi)星，目前也有實(shí)現(xiàn)AIS衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行的計(jì)劃[4]。歐空局也組織歐洲多個(gè)國(guó)家聯(lián)合研制發(fā)射了搭載AIS偵察載荷的等衛(wèi)星[5]。挪威的NTS組織發(fā)射了自己的AISSat-1專(zhuān)用AIS偵察衛(wèi)星[6]，這些衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)揮了很好的效益。

由于空間應(yīng)用的特殊環(huán)境，星載平臺(tái)AIS信號(hào)接收機(jī)設(shè)計(jì)存在信號(hào)時(shí)延、多普勒頻移以及高靈敏度等問(wèn)題[7]。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，侯聰在實(shí)時(shí)解調(diào)的AIS 信號(hào)偵察[8]中，采用GPS秒脈沖同步的方式，對(duì)信號(hào)起始位置進(jìn)行搜索；蘇正楊提出了一種采用頻偏搜索匹配的方式[9]，對(duì)多普勒頻偏進(jìn)行補(bǔ)償；馬杜祥、郭鑫、劉琛等人采用基于FFT星載AIS信號(hào)頻偏估計(jì)算法[10]，獲取星上接收的AIS信號(hào)的多普勒頻率偏移。上述星載AIS信號(hào)接收算法和方案設(shè)計(jì)，有的需要星載GPS接收機(jī)秒脈沖同步，有的需要進(jìn)行FFT計(jì)算和搜索匹配，都對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和星上接收機(jī)計(jì)算資源提出了較高的要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，文章提出了基于低軌衛(wèi)星平臺(tái)的AIS信號(hào)接收機(jī)的工程化實(shí)現(xiàn)方案，采用流水線的訓(xùn)練序列模板匹配技術(shù)和瞬時(shí)測(cè)頻實(shí)時(shí)糾偏技術(shù)，有效地解決了星載平臺(tái)AIS信號(hào)偵收所面臨的問(wèn)題。

1 AIS信號(hào)特征

1.1 信號(hào)的調(diào)制方式

AIS系統(tǒng)在海上工作在VHF頻段，信號(hào)在指定的CH87B(頻率：161.975 MHz)和CH88B(頻率：162.025 MHz )2個(gè)頻道上發(fā)射[11]。

AIS信號(hào)采用GMSK調(diào)制方式，碼速率為9.6 kbps，BT=0.4，采用NRZI編碼方式。中心頻率分別是161.975 MHz和162.025 MHz。AIS單個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)帶寬不超過(guò)25 kHz，AIS信號(hào)功率譜分布如圖1所示。

圖1 AIS信號(hào)功率譜分布圖

1.2 AIS信息數(shù)據(jù)格式

AIS報(bào)文信息層數(shù)據(jù)幀格式符合HDLC高級(jí)鏈路控制協(xié)議，每幀數(shù)據(jù)總長(zhǎng)為256 bit，正好占用一個(gè)TDMA時(shí)隙。信息幀包含了同步訓(xùn)練序列和啟動(dòng)標(biāo)志，報(bào)文的錯(cuò)誤檢測(cè)和控制采用CRC校驗(yàn)的方式。

通過(guò)對(duì)星上接收到的AIS信息數(shù)據(jù)段解析，可以獲取船舶的動(dòng)態(tài)信息，如船舶的位置、航向和航速；靜態(tài)信息，如船舶的MMSI號(hào)、長(zhǎng)度、寬度、國(guó)籍和吃水深度等信息。AIS報(bào)文信息幀[12]的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2 AIS信息幀格式

2 星上接收AIS信號(hào)的可行性分析

2.1 衛(wèi)星接收信號(hào)的靈敏度

衛(wèi)星對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)不同位置的AIS信號(hào)輻射源偵收時(shí)，其作用距離L、接收天線波束角α和衛(wèi)星高度H之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星在軌覆蓋示意

當(dāng)衛(wèi)星軌道高度H一定時(shí)，對(duì)于星下海上運(yùn)行的AIS船臺(tái)輻射源接收距離的關(guān)系如下：

R2=L2+ (R+H)2- 2L(R+H)cosα。

設(shè)定衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度H=600 km，天線波束夾角α=50°，則信號(hào)傳輸最大距離為L(zhǎng)=1 012 km。

海上船舶的Class A類(lèi)AIS船臺(tái)設(shè)備，其信號(hào)發(fā)射功率為12.5 W。

對(duì)162 MHz的AIS信號(hào)EIRP=41 dBm，AIS接收天線增益為-6 dB。計(jì)算傳輸衰減則到達(dá)衛(wèi)星的AIS信號(hào)，根據(jù)衛(wèi)星傳輸鏈路計(jì)算接收到的功率為：

C=EIRP-L+Gr-LF= -103 dBm。

根據(jù)信號(hào)靈敏度的要求，計(jì)算前端接收機(jī)靈敏度。其中，S為靈敏度，S= -103 dBm，SNR為滿足解調(diào)要求的信噪比要求，SNR= 14 dB，kTB為接收機(jī)的內(nèi)部熱噪聲：

S=kTB+NF+SNR。

經(jīng)計(jì)算滿足靈敏度要求的前端接收通道的噪聲系數(shù)NF=11 dB。目前滿足上述噪聲系數(shù)要求的接收通道還是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

2.2 信號(hào)多普勒頻移

低軌衛(wèi)星平臺(tái)的AIS接收機(jī)屬于空間高速運(yùn)行的平臺(tái)，因此帶來(lái)了信號(hào)的多普勒頻移。空間高速運(yùn)動(dòng)的物體接收信號(hào)帶來(lái)多普勒頻移可以按照下述公式計(jì)算：

式中，c為光速；f0為信號(hào)中心頻率。

空間運(yùn)行的AIS接收機(jī)頻率具有±Δf頻率漂移，實(shí)際中頻率偏移的方向，取決于接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和信號(hào)傳播方向的相對(duì)關(guān)系。多普勒頻率偏移對(duì)載波同步帶來(lái)不利的影響。

對(duì)于衛(wèi)星軌道為600 km的星載平臺(tái)，其運(yùn)動(dòng)速度為7.56 km/s。在信號(hào)傳輸仰角為0°時(shí)，多普勒頻移最大±4 kHz。

考慮到多普勒頻移，需要在前端濾波器的帶寬和矩形進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保證有效信號(hào)不會(huì)因?yàn)轭l移而被濾掉。采用非相干差分解調(diào)的方式，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)頻并糾偏，以確保對(duì)解調(diào)碼值極性的正確判斷。

2.3 信號(hào)時(shí)延

海上AIS系統(tǒng)通信組網(wǎng)方式為SOTDMA機(jī)制，即采用自組織時(shí)分多址的機(jī)制協(xié)調(diào)海上船舶、燈塔或鉆井平臺(tái)的AIS信號(hào)的發(fā)射。將1 min分成2 250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙時(shí)間長(zhǎng)度26.67 ms，并將時(shí)隙分配給每個(gè)用戶，AIS船臺(tái)設(shè)備按照自己的位置報(bào)告率在指定時(shí)隙中發(fā)送信息。系統(tǒng)時(shí)隙分配如圖4所示。

圖4 AIS信號(hào)的時(shí)隙分布

在星載應(yīng)用環(huán)境下，AIS信號(hào)的偵收需要考慮信號(hào)的傳輸時(shí)延問(wèn)題。海上AIS船臺(tái)設(shè)備以GPS秒脈沖為起始劃分時(shí)隙，信號(hào)的發(fā)射起始以時(shí)隙為時(shí)間標(biāo)志。在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)接收到海上船舶發(fā)射的AIS信號(hào)時(shí)延Δt與信號(hào)傳輸路徑以及信號(hào)傳輸?shù)膴A角有關(guān)，到達(dá)星上的信號(hào)的傳輸延時(shí)是不固定的，如圖5所示。如果星上AIS偵收設(shè)備以GPS秒脈沖同步接收AIS信號(hào)，就有可能無(wú)法獲取信號(hào)的起始位置，從而無(wú)法解調(diào)出完整的AIS信息幀。

圖5 星上接收AIS信號(hào)時(shí)刻圖

AIS報(bào)文信息幀格式包含訓(xùn)練序列和起始標(biāo)志?？梢酝ㄟ^(guò)AIS信息訓(xùn)練序列匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)星上AIS信號(hào)同步。利用AIS信號(hào)幀的特點(diǎn)，將差分鑒頻判決為[-1+1]的序列與標(biāo)準(zhǔn)模板訓(xùn)練序列進(jìn)行相關(guān)。在相關(guān)峰值達(dá)到閾值時(shí)，就認(rèn)為是AIS信號(hào)的起始位置，從而實(shí)現(xiàn)星上AIS信號(hào)接收同步。

3 接收機(jī)方案設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)體制選擇

基于軟件無(wú)線電思想實(shí)現(xiàn)的星載AIS接收機(jī)，可以選擇射頻低通采樣、中頻帶通采樣和射頻帶通采樣的技術(shù)體制[13]。

射頻低通采樣的不混疊采樣率需要大于2倍的信號(hào)最高頻率，該體制前端AD采樣率高，后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理壓力大，對(duì)FPGA或DSP的運(yùn)算速度和計(jì)算資源要求高。中頻帶通采樣需要將射頻信號(hào)變頻中頻進(jìn)行處理，這樣接收通道實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要專(zhuān)門(mén)的頻率合成器和混頻器，增加了設(shè)備的體積和功耗。以上2種體制都不適合在衛(wèi)星平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

AIS信號(hào)中心頻率為162 MHz，總帶寬為75 kHz，碼速率為9.6 kbps，是典型的低速窄帶信號(hào)。根據(jù)星載應(yīng)用環(huán)境，選擇射頻帶通采樣架構(gòu)，搭建整個(gè)AIS信號(hào)的接收處理體系。星載AIS單機(jī)設(shè)備在接收到來(lái)自AIS天線的信號(hào)后，接收通道只需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和帶通濾波，后端信號(hào)采樣率按照帶通采樣的方式計(jì)算。該架構(gòu)接收通道實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行信號(hào)下變頻，節(jié)省了本振和混頻器。同時(shí)由于AD采樣率低，不會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理和解調(diào)形成壓力。

信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣后，其頻譜為原始模擬信號(hào)頻譜的周期延拓，為了保證頻譜無(wú)混疊，并由采樣后信號(hào)完全恢復(fù)原信號(hào)，其帶通采樣的采樣頻率滿足如下條件：

同時(shí)要滿足fs≥2B條件，保證信號(hào)采樣后不會(huì)有頻譜混疊現(xiàn)象。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要兼顧設(shè)備通信接口和數(shù)傳接口的傳輸速率需求，選擇合適的采樣時(shí)鐘。

3.2 總體方案設(shè)計(jì)

星載AIS接收機(jī)采用一體化模塊化處理平臺(tái)，應(yīng)用軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)思路，采用射頻帶通采樣并由后端信號(hào)采集處理單元完成信號(hào)的數(shù)字下變頻和信號(hào)解調(diào)解譯，生成AIS報(bào)文信息[14]。

如圖6所示，接收機(jī)由接收信道單元和信號(hào)處理單元組成，對(duì)外接口與衛(wèi)星平臺(tái)的數(shù)傳、星務(wù)、GPS/BD系統(tǒng)以及星上電源進(jìn)行連接。

圖6 AIS接收機(jī)總體設(shè)計(jì)

天線部分完成對(duì)海上AIS船臺(tái)設(shè)備發(fā)出的AIS信號(hào)進(jìn)行接收?？紤]到星載AIS接收機(jī)的對(duì)地覆蓋區(qū)域，采用雙天線空間異構(gòu)互補(bǔ)設(shè)計(jì)。增加對(duì)觀測(cè)區(qū)域的覆蓋時(shí)間和覆蓋面積，提高對(duì)中遠(yuǎn)海的軌道利用率和信號(hào)偵收的衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)間。

天線的設(shè)計(jì)必須考慮工作頻段、極化方式、偵察范圍和電磁兼容性等因素，由于衛(wèi)星平臺(tái)十分緊湊，同時(shí)搭載多種對(duì)地天線，如測(cè)控、數(shù)傳等。在天線設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)平臺(tái)的實(shí)際使用環(huán)境，通過(guò)仿真進(jìn)行天線的優(yōu)化布局和外形設(shè)計(jì)。使用模樣件實(shí)際測(cè)試天線，根據(jù)測(cè)試結(jié)果適度完善天線設(shè)計(jì)。

接收信道部分設(shè)計(jì)，需要根據(jù)信號(hào)處理功能對(duì)射頻部分的接收頻段、增益、接收帶寬、噪聲系數(shù)、鄰道抑制和靈敏度等指標(biāo)需求進(jìn)行綜合考慮。在設(shè)計(jì)上采用2個(gè)完全獨(dú)立的通道，對(duì)兩路AIS天線信號(hào)進(jìn)行接收、放大和濾波。模塊直接接收兩路AIS天線接收到的射頻信號(hào)，不對(duì)射頻信號(hào)作變頻處理，從而減小了模塊的體積和功耗。接收信道部分對(duì)AIS信號(hào)的放大和濾波，為后端的信號(hào)采樣處理提供合適的信號(hào)電平、帶寬和動(dòng)態(tài)。

信號(hào)處理部分完成信號(hào)采集，進(jìn)行無(wú)混疊的抽取、正交變換、數(shù)字下變頻和信號(hào)解調(diào)解譯。由于每個(gè)通道的AIS信號(hào)含有2個(gè)頻點(diǎn)，需要針對(duì)不同頻點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻處理。

對(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)頻，獲取信號(hào)的瞬時(shí)頻率，并對(duì)多普勒頻移進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏。采用流水線方式對(duì)AIS信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練序列標(biāo)準(zhǔn)模板匹配，完成星上信號(hào)接收同步。

在FPGA完成信號(hào)的預(yù)處理和解調(diào)后，將解調(diào)碼流送往DSP，并由DSP完成解調(diào)碼的解譯生成AIS報(bào)文。AIS報(bào)文信息進(jìn)行組幀后由星上數(shù)傳分系統(tǒng)下傳到地面數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，由地面中心生成有效的AIS情報(bào)信息和態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)。

3.3 信號(hào)處理流程

星上AIS接收機(jī)在接收到天線射頻信號(hào)后，信道模塊完成信號(hào)的放大、濾波等功能。信號(hào)處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，在數(shù)字域進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理、解調(diào)和解譯工作。信號(hào)預(yù)處理和解調(diào)由FPGA完成，AIS信息報(bào)文解譯由DSP完成。

信號(hào)經(jīng)過(guò)AD采樣量化后，首先進(jìn)行無(wú)混疊的抽取；然后針對(duì)AIS的2個(gè)頻點(diǎn)f1和f2分別進(jìn)行數(shù)字下變頻將信號(hào)變換到零頻[15-16]。在經(jīng)過(guò)濾波抽取后，得到信號(hào)的IQ向量。

利用IQ值計(jì)算瞬時(shí)相位，進(jìn)一步獲取瞬時(shí)頻率。利用實(shí)時(shí)訓(xùn)練序列匹配技術(shù)和實(shí)時(shí)閾值，獲取碼片極性，得到解調(diào)碼流。AIS接收機(jī)信號(hào)預(yù)處理過(guò)程如圖7所示。

圖7 AIS接收機(jī)信號(hào)預(yù)處理

FPGA在獲取解調(diào)碼后，以中斷的方式通知DSP對(duì)解調(diào)碼進(jìn)行緩存。在搜索到同步頭后，獲取完整的一幀解調(diào)碼，并對(duì)NRZI編碼進(jìn)行解差分、去位填充工作。

在經(jīng)過(guò)字節(jié)翻轉(zhuǎn)后，進(jìn)行AIS信息幀有效數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)[17-18]。對(duì)校驗(yàn)通過(guò)的AIS信息幀按照ITU-R M.1371-4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解譯，獲取海上船舶的動(dòng)靜態(tài)信息，然后通過(guò)數(shù)傳下傳到地面應(yīng)用系統(tǒng)。AIS報(bào)文信息解譯過(guò)程如圖8所示。

圖8 AIS報(bào)文解譯過(guò)程

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 流水線AIS訓(xùn)練序列模板相關(guān)匹配技術(shù)

衛(wèi)星接收到覆蓋范圍區(qū)域內(nèi)AIS信號(hào)的傳輸時(shí)延與衛(wèi)星的軌道高度、天線波束夾角都有關(guān)系，因此傳輸延遲時(shí)間不固定，將影響到星地間AIS信號(hào)的同步，導(dǎo)致星上AIS信號(hào)無(wú)法正確接收解調(diào)。

傳統(tǒng)的解決方法仍然采用星上GPS/BD秒脈沖作為起始標(biāo)志，以最大傳輸路徑計(jì)算的信號(hào)時(shí)延，作為搜索邊界。但是這種方法增加了對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的要求，也對(duì)FPGA的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源提出了較高的要求。一旦星上秒脈沖沒(méi)有對(duì)齊，將導(dǎo)致整個(gè)AIS信號(hào)接收解調(diào)任務(wù)失敗，不適合在衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備使用。

采用AIS訓(xùn)練序列模板相關(guān)匹配技術(shù)，實(shí)時(shí)緩存信號(hào)碼流與AIS信號(hào)訓(xùn)練序列碼，即由交替的0和1(010101010…)組成的的前置碼進(jìn)行相關(guān)匹配，計(jì)算相關(guān)峰。在得到相關(guān)峰時(shí)即完成了與訓(xùn)練序列標(biāo)準(zhǔn)模板的匹配，從而完成星地間AIS信號(hào)的接收同步。

4.2 瞬時(shí)測(cè)頻實(shí)時(shí)糾偏技術(shù)

AIS信號(hào)采用GMSK調(diào)制方式，碼速率為9.6 kbps，BT=0.4，采用NRZI編碼方式。衛(wèi)星與海上船舶之間的相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移，導(dǎo)致對(duì)AIS信號(hào)的瞬時(shí)測(cè)頻數(shù)值有頻偏。如果采用固定的閾值作為信號(hào)差分極性判斷，將可能導(dǎo)致解調(diào)bit位判斷錯(cuò)誤。

采用相位差分的方式計(jì)算瞬時(shí)頻率，即

f(n)=φ(n)-φ(n-1)=

在經(jīng)過(guò)前級(jí)的FPGA對(duì)信號(hào)的預(yù)處理后，得到信號(hào)的I、Q分量。采用FPGA的CORDIC的IP Core可以獲取信號(hào)的瞬時(shí)相位。在對(duì)相位進(jìn)行差分和平滑后得到信號(hào)的瞬時(shí)頻率。

在星上采用流水線方式實(shí)時(shí)測(cè)頻并以緩存數(shù)據(jù)瞬時(shí)頻率的平均值作為實(shí)時(shí)閾值。由于衛(wèi)星在短時(shí)間內(nèi)速度變化不大，在這段時(shí)間內(nèi)信號(hào)頻率漂移可以忽略。使用當(dāng)前信號(hào)緩存數(shù)據(jù)的瞬時(shí)頻率平均值作為極性判斷閾值，可以有效防止信號(hào)極性的誤判，得到正確的解調(diào)結(jié)果。整個(gè)AIS信號(hào)解調(diào)同步原理如圖9所示。

圖9 AIS信號(hào)同步解調(diào)原理圖

5 算法仿真與地面測(cè)試

5.1 算法仿真

為驗(yàn)證提出的設(shè)計(jì)方案，采用Matlab對(duì)算法進(jìn)行仿真，并對(duì)完成的AIS接收機(jī)開(kāi)展了地面有線測(cè)試。首先依據(jù)AIS協(xié)議產(chǎn)生AIS數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行NRZI編碼、矩形脈沖成形及高斯濾波器加窗，采用FM調(diào)制法產(chǎn)生AIS信號(hào)，信號(hào)頻譜如圖10所示。

圖10 AIS信號(hào)頻譜圖

采用相位差分和平滑方式，進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)頻，獲取AIS信號(hào)的瞬時(shí)頻率曲線，如圖11所示。

圖11 信號(hào)瞬時(shí)測(cè)頻圖

為獲取AIS信號(hào)的起始位置需要對(duì)AIS訓(xùn)練序列進(jìn)行模板匹配，對(duì)訓(xùn)練序列和AIS碼流的求相關(guān)，相關(guān)峰結(jié)果如圖12所示。最后求得AIS信號(hào)的解調(diào)碼流，如圖13所示。

采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)抽取后，每個(gè)碼片為10個(gè)采樣點(diǎn)，從圖12中可以看出，與前240個(gè)點(diǎn)相關(guān)時(shí)，是相關(guān)峰的最大值，而此時(shí)正好是前24 bit訓(xùn)練序列完全匹配的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻記為信號(hào)的起始時(shí)刻。通過(guò)瞬時(shí)相位差平滑的方式進(jìn)行瞬時(shí)測(cè)頻，實(shí)時(shí)得出閾值并進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，獲取解調(diào)結(jié)果。最后對(duì)解調(diào)結(jié)果碼流與根據(jù)AIS協(xié)議生成的數(shù)據(jù)流進(jìn)行比較，結(jié)果表明數(shù)據(jù)一致。

圖12 信號(hào)與訓(xùn)練序列匹配相關(guān)圖

圖13 信號(hào)解調(diào)結(jié)果碼流

5.2 地面有線測(cè)試

對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了地面有線測(cè)試，搭建了如圖14所示的測(cè)試平臺(tái)。采用信號(hào)源回放產(chǎn)生AIS信號(hào)，由外部GPS接收機(jī)提供秒脈沖作為觸發(fā)信號(hào)，在信號(hào)源中設(shè)置不同的延時(shí)，模擬產(chǎn)生不同延時(shí)的信號(hào)起始位置。通過(guò)外部混頻將信號(hào)混頻到AIS的射頻頻率，調(diào)節(jié)本振的頻率模擬產(chǎn)生多普勒頻偏。通過(guò)設(shè)置可調(diào)衰減器后，將信號(hào)功率設(shè)置在指定軌道高度衛(wèi)星平臺(tái)接收到的AIS信號(hào)的功率值。測(cè)試結(jié)果表明，在AIS信號(hào)功率不小于-110 dBm時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，AIS接收機(jī)的解調(diào)正確率都在95%以上，完全滿足低軌衛(wèi)星平臺(tái)偵收AIS信號(hào)的設(shè)計(jì)要求。

圖14 AIS接收機(jī)地面有線測(cè)試平臺(tái)

6 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種低軌衛(wèi)星平臺(tái)AIS信號(hào)偵收的工程化設(shè)計(jì)方案。針對(duì)星載應(yīng)用環(huán)境的特殊要求，采用了基于流水線的訓(xùn)練序列匹配技術(shù)和瞬時(shí)測(cè)頻實(shí)時(shí)糾偏技術(shù)，很好地解決了星上接收AIS信號(hào)的時(shí)延和多普勒頻移問(wèn)題。

通過(guò)仿真分析和地面有線測(cè)試，對(duì)采用的算法和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，提出的設(shè)計(jì)方案適合衛(wèi)星平臺(tái)的應(yīng)用，滿足設(shè)計(jì)要求。

適合于微小衛(wèi)星及鈹鈉衛(wèi)星等更低成本衛(wèi)星平臺(tái)搭載，采用射頻數(shù)字一體化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮軟件無(wú)線電的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)小型化、低功耗和低成本的星載AIS接收機(jī)，將作為今后的研究重點(diǎn)。這樣通過(guò)微小衛(wèi)星組網(wǎng)，優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)和衛(wèi)星編隊(duì)設(shè)計(jì)就可以對(duì)海上AIS運(yùn)行平臺(tái)進(jìn)行全天候、全區(qū)域覆蓋。