星載AIS接收系統設計及關鍵技術?

潘寶鳳，梁先明

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

星載AIS接收系統設計及關鍵技術?

潘寶鳳，梁先明

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

針對星載AIS（船舶自動識別系統）接收系統覆蓋范圍廣、運動速度快等特點，提出了三種實現信號有效接收的總體方案。采用盲分離陣列信號處理方法、非線性測頻和非相干解調方法解決了星載AIS接收系統中面臨的信號碰撞、多普勒頻移信號解調等關鍵技術問題，仿真和外場實驗驗證了方案的有效性和可行性。

星載AIS；接收系統；信息碰撞；多普勒頻移；盲源分離

1 引言

船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）是國際海事組織（IMO）、國際航標協會（IALA）、國際電信聯盟（ITU-R）于2000年共同強力推廣的一個具有船舶自動識別、通信和導航功能的新型助航電子系統。安裝AIS應答機的船舶能自動和連續地播發出本船靜態、動態、航次及安全短消息；同時，也自動地接收周圍船舶發出的類似信息，并與海岸AIS基站進行信息交互，達到規避船舶碰撞、領航調度和航運管理等航行決策的目的［1］。

隨著全球經濟一體化進程，海上運輸和貿易高速增長，而海盜活動、走私等也愈演愈烈。如果利用AIS信息和雷達等其它信息綜合判證，能及時發現海盜、走私等可疑船只，可在一定程度上遏制海上犯罪。雖然當前船臺、岸站AIS系統支持確定船舶信息，但傳輸距離僅約40 nmile，迫切需要創建一個系統來實現對全球海域的監控。衛星平臺由于覆蓋范圍廣，星載AIS系統可以實現對全球范圍內海域的監視，近年來得到各國的重視。美國、德國、加拿大都先后發射了載有AIS接收設備的衛星。

要發展星載AIS系統，不可避免要應對新的技術挑戰，其中重點要解決的是AIS信息碰撞時如何提高衛星對艦船的檢測概率問題。通常采用延長衛星觀測時間、增加對感興趣區域的訪問頻度和減少天線覆蓋范圍的方法，但以上方法僅當觀測區域內艦船密度較低時，可以達到比較好的檢測效果，其時效性和衛星利用率較低。文獻［2］提出利用3副正交的偶極子天線，采用干擾對消的方法，可將2 000艘船的檢測概率從35%提高到71%。加拿大發射的NTS衛星［3］，利用COM DEV Ltd.AIS接收機，通過信號分離技術使時頻重疊AIS信號的檢測概率大大增加，但具體技術細節不詳。關于碰撞AIS信號的分離技術研究，國內剛剛處于起步階段。另外，由于衛星的快速運動，星載AIS接收機還面臨對大多譜勒頻移信號的解調問題。此外，還有星載AIS天線的適應性設計、AIS信號衰減等問題。

2 星載AIS接收系統總體方案設想

星載AIS接收系統主要用于接收AIS信號，高效地完成對艦船目標的檢測，并將收到的艦船信息下發到地面相關接收系統，實現對全球海域內艦船目標的監視。

星載AIS接收系統實現方案大體上可分為3種，下面分別介紹。

（1）方案1

星載AIS接收系統對接收到的AIS信號進行低噪聲放大后，送到后端的信號處理模塊，完成信號的采集、存儲，當衛星過頂時，再將存儲的數據進行編碼、調制和調頻，通過衛星下行鏈路，轉發到地面接收處理系統，事后完成AIS信號的解調、解譯。

該方案的優點是：星上AIS接收系統的設計簡單、可靠性高；可以充分利用地面計算資源，采用復雜的信號處理算法，實現對接收的時隙碰撞AIS信號的處理；信號處理效果好，艦船檢測概率高。

但該方案實現起來存在以下不足：實時性差；系統總體成本費用高；由于是對原始AIS信號進行數據采集、存儲，數據容量大，對星載存儲器和數據傳輸通道要求極高；另外，對地面接收系統的要求也比較高，要求有高增益的接收天線和復雜的接收系統。

（2）方案2

星載AIS接收系統對接收到的AIS信號進行低噪聲放大后，送到后端的信號處理模塊，完成時隙碰撞AIS信號的分離和AIS信號的解調、解譯，解譯結果經過編碼、調制和調頻后，通過UHF通信終端實時下發到AIS地面接收站，包括船載機動接收站。

該方案的優點是：實時性高；系統總體成本費用低；數據容量小，對星上數據傳輸通道的要求低，便于實現；地面接收系統簡單，可靈活多點布置。

但該方案實現起來存在以下不足：AIS星上處理算法復雜，實現難度大；星上硬件設備的實時處理能力要求高，硬件設備復雜、成本高；信號處理效果相對較差。

（3）方案3

星載AIS接收系統通過天線接收AIS信號，接收的AIS射頻信號送到AIS接收機，經接收信道低噪聲放大、濾波后，對輸入的AIS射頻信號直接進行帶通采樣、數字下變頻，當接收到的信號質量比較好時，可直接完成信號的解調、解譯，解譯結果存入存儲器中，并通過UHF信道以廣播的方式實時轉發到遠洋機動艦船上；當接收信號質量差時，可以直接將數字下變頻后的數據進行存儲，待衛星飛回境內時將存儲數據包括解調數據和原始采樣數據通過遙感鏈路回放下傳到地面固定接收站。機動接收站可實時接收衛星下傳的AIS解譯結果，完成艦船目標的態勢顯示；地面固定接收站可對下傳的復雜AIS信號進行信號分離，再完成信號的解調、解譯和艦船目標的態勢顯示，并可通過其它數據傳輸通道，將解譯結果發送到相關的艦船上。其組成框圖如圖1所示。

與方案1和方案2相比，方案3既考慮到了AIS信息的有效性，又考慮到了對AIS信號的接收處理效果，在不增加星上設備硬件和算法復雜度情況下，保證了對艦船AIS信號高的檢測概率，推薦使用。

3 星載AIS系統的關鍵技術

3．1 時隙碰撞時AIS信號的分離

由于星載AIS接收機偵收范圍大，可以覆蓋多個工作小區，從而產生AIS信號的碰撞現象。AIS信號的碰撞機理分為兩類［2］：一類是由于接收區域內包含多個自組織區域，不同組織區域內的艦船可能會在同一個時隙內發送AIS信息，并同時到達星載接收機，產生AIS信號碰撞；另一類是由于星載接收機可偵收信號的區域大，監測區域內的艦船雖然在不同的時隙內發送AIS信息，但當艦船間距離足夠遠時，由于信號傳輸時延影響也可產生AIS信號同時到達的現象。

以上兩種情況產生的AIS信號碰撞現象，都會導致AIS信息接收錯誤，使得對艦船檢測的概率降低。

3．1．1 時隙碰撞AIS信號的分離方法

對于同頻同時的多個信號分離，目前主要通過高精度測向加波束合成的方式和盲分離方式。前一種方式由于受天線、信道不一致性以及天線互耦、測向精度、環境條件等影響在實際工程中應用困難很大，但是理論上效果比較好；后一種方式是在未知源信號和傳輸通道參數的情況下，根據輸入源信號的統計特性，僅由觀測信號檢測并分離出源信號中各個獨立成分，對于天線、信道等要求不高。本文只討論信號的盲源分離。

盲源分離是指在輸入信號未知情況下，由觀測到的系統輸出信號來辨識系統，以實現對多個信號分離的目的，從而恢復原始信號。盲源分離的基本原理框圖如圖2所示。

設原始信號為s（t），經過未知通道混合矩陣A并加噪后為x（t），盲分離的實質是在源信號s（t）和混合矩陣A都未知的情況下，根據觀測數據x（t）利用各源信號之間獨立統計特性確定一分離矩陣W，使得y（t）=W*x（t）成為s（t）的估計。

當前，信號盲分離主要有基于陣元域的信號盲分離和基于波束域的信號盲分離兩大類方法，其中基于陣元域的算法包括隨機梯度法、自然梯度法、EASI（等變換自適應）算法等；另一大類是采用盲波束形成方式，其基本思路是利用觀察信號估算期望信號的方向矢量，從而通過求逆得到分離矩陣（波束形成的權向量）。

本文采用1996年Cardoso J.F.和Laheld B.H.［4］提出的一種借助獨立性的等變化自適應分離EASI算法，完成了對時隙碰撞AIS信號的分離。

Cardoso J.F.以極大似然函數作為準則，最大化對數似然獲得最佳的分離矩陣，并提出了相對梯度的概念，即代替一般的隨機梯度，其分離矩陣的迭代函數為

式中，f（y（k））是y（k）的非線性變換函數，它的選取與信號的高斯性有關，對于亞高斯信號，一般非線性函數選取為

由于盲分離的一個重要條件是原始信號之間是相互統計獨立，所以在進行盲分離前需對觀測信號進行白化處理，使得白化后的信號彼此線性無關，與原始信號之間只保留一個正交關系。

3．1．2 AIS信號分離試驗效果

AIS信號分離試驗采用五元天線陣，四通道接收機，利用改裝后的3個AIS發射源產生2個或3個相碰撞的AIS信號，由信號處理終端完成信號的采集存儲，事后完成信號的分離。試驗框圖如圖3所示。

圖4為重疊的兩個AIS信號的頻譜圖，圖5為2個混疊AIS信號分離后的頻域、時域波形，圖6是對分離后的兩個AIS信號進行解調得到的基帶波形，與單獨信號的解調基帶波形基本一致，說明分離效果很好。

3．2 帶多普勒頻移時AIS信號的檢測與解調

由于衛星與船之間的高速相對運動，接收到的AIS信號將會產生多普勒頻偏。對于運行在離海平面600 km、速度為7.56 km／s的AIS星載系統，其最大頻偏可達4.082 kHz，而實際AIS有效信號帶寬只有幾千赫，所以多普勒的影響還是非常顯著的。這里不能采用通常的AFC環路捕獲及跟蹤，因為AIS信號的同步序列很短（為24 bit），AFC環路捕獲需要的時間相對較長，會造成AIS信息的丟失。

文獻［5］給出了一種GMSK信號的多普勒頻移快捕和跟蹤方法，根據突發通信時幀結構的特點，采用獨特碼和FFT并行處理信號能量檢測、幀同步和多普勒頻移快捕，并采用判決反饋PLL環跟蹤多普勒頻移的變化，利用準相干解調法實現了對帶多普勒頻移時GMSK信號的解調。

文獻［6］提出了一種基于軟件無線電平臺的1 bit／2 bit GMSK混合差分接收機方案，可在附加高斯白噪聲和存在大多普勒頻移的條件下，對星載環境無碰撞AIS信號進行可靠解調。接收機有兩種工作狀態：信號捕獲狀態和解調狀態。用寬帶濾波器和1 bit差分進行信號的捕獲，用窄帶濾波器和2 bit差分完成信號的解調。在解調前，先要進行信號捕獲，在解調過程還未結束時，不進行信號的捕獲。

本文針對AIS信號的幀結構和在標準時隙時進行輻射的工作特點，采用一種基于非線性實時測頻的乒乓解調的方案實現了對帶多譜勒頻移AIS信號的解調。該方案實現的基本流程是首先查找標準時隙，進行高精度測頻、數據緩存，再根據測頻結果，采用非相干解調法完成對AIS信號的解調。利用MATLAB進行了此方法的解調仿真。程序產生AIS

信號數據流，如圖7所示，時域上相鄰兩個信號間頻率間隔為800 Hz，即每個AIS信號的載波頻率不同，且在標準頻率±4 kHz范圍內變化，利用上述方法對產生的AIS信號進行解調，通過將圖8和圖9原始碼元序列和解調后的碼元序列比對可以看出，該方案解調結果正確。

圖8和圖9中，橫坐標表示位序號，縱坐標用“1”或“-1”電平代表“0”、“1”碼。

3．3 星載AIS天線的設計

對于星載AIS天線的設計必須考慮以下幾個方面：

（1）將來的AIS載荷衛星可能體積上會很小，甚至可能是超小型或微型衛星，因此天線的體積、重量都不可能太大和太重；

（2）AIS天線的波束寬度最好不要太寬，否則，其覆蓋的區域面積就會很大，監測到的艦船數量也會很多，AIS信號發生碰撞的機率就會增加，使得信號的偵收難度加大，艦船檢測概率降低，當觀測區域內艦船目標數超過3 000艘時，其艦船檢測概率將會急劇地成數量級地下降；

（3）AIS天線形成的方向圖最好能使觀測區域內接收到的AIS信號產生功率差，這樣當信號碰撞時，便于信號的分離；

（4）AIS天線最好采用圓極化方式，以減少極化損失。

4 結束語

本文給出了AIS接收系統總體方案設想，對星載AIS接收系統的關鍵技術進行了分析，提出了新的解決方案。今后對AIS接收系統上星的工程項目，重點需要解決AIS接收天線的適應性設計、時隙碰撞AIS信號分離算法的工程實現和時效性問題。另外，還需加強對單通道接收AIS碰撞信號分離算法的研究，與陣列處理系統相比，其在天線安裝的適應性、系統的小型化方面將更具優勢，特別是對微小衛星。

［1］GB／T 20068-2006，船載自動識別系統（AIS）技術要求［S］. GB／T 20068-2006，Technical Requirements of Shipborne Automatic Identification System（AIS）［S］.（in Chinese）

［2］ Ole Fredrik Haakonsen Dahl.Space-Based AIS Receiver for Maritime Traffic Monitoring Using Interference ancellation［D］.Trondheim，Norway：Norwegian Uninversity of Science and Technology，2006.

［3］ Cain J S，Meger E.Space-Based AIS：Contributing to Global Safety and Security［C］／／Proceedings of the ISU 13th Annual Symposium.Strasbourg，France：［s.n.］，2009.

［4］ Cardoso J F，Laheld B H.Equivariant adaptiveSource separation［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，1996，44（12）：3017-3030.

［5］吳團鋒，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. WU Tuan-feng，ZHU Ai-min，YANG Xi-gen，et al.Doppler frequency shift rapid acquisition and tracking for GMSK signals［J］.Signal Processing，2006，22（1）：114-118.（in Chinese）

［6］ HICKS J，CLARK J，STOCKER J，et al.AIS／GMSK Receiver on FPGA Platform for Satellite Application［J］.Proceedings of SPIE，2005，5819：403-414.

PAN Bao-feng was born in Zigong，Sichuan Province，in 1966.She is now a senior engineer.Her research concerns signal processing and the system design for signal reconnaissance.

Email：pan-bao-feng＠sina.com

梁先明（1976—），男，湖南永順人，高級工程師，主要研究方向為通信偵察領域信號處理及信號分析等。

LIANG Xian-ming was born in Yongshun，Hunan Province，in1976.He is now a senior engineer.His research concerns signal processing and signal analysis for communication reconnaissance.

Email：liangxm＠21cn.com

Satellite-based AIS Receiver System Design and Related Key Techniques

PAN Bao-feng，LIANG Xian-ming
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

According to the characters of the space-based AIS（Automatic Identification System）receiver with wide coverage and fast moving speed，three system design schemes are proposed to realize the efficient receiving of signal.The blind source separation array signal processing method，nonlinear frequency measuring and noncoherence demodulation method are used to solve the problems of signal overlapping and the demodulation of Doppler frequency shift signal.Simulations and outfield experiment are presented to verify the validity and feasibility of the proposed scheme.

satellite-based AIS；receiver system；message collision；Doppler frequency shift；blind source separation

TN971

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.001

潘寶鳳（1966—），女，四川自貢人，高級工程師，主要從事信號處理及偵察領域系統總體工作；

1001-893X（2011）05-0001-05

2011-04-07；

2011-05-17