基于實際船舶分布的星載AIS仿真系統設計

張 昕，李洪星，陳 萍，方 莉

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

0 引言

2002年，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)提出了船舶用自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)［1］，并強制要求在海洋中航行的船舶使用。將AIS設備掛載至衛星，即星載AIS可以實現對廣海域的持續監視［2］。雖然國內的船載和岸基AIS系統建設已趨于完善，但對星載AIS技術的研究相比國外仍較落后［2，3］。

由于AIS最初的設計沒有考慮到衛星檢測AIS信號這樣的需求，因此星載AIS技術不可避免地要應對新的技術挑戰［4］:① 衛星的速度快，接收到的AIS信號有較大的多普勒頻偏;②由于衛星檢測的覆蓋范圍較大，在同一時隙可能接收到2個或者多個信號的混疊。

面對技術挑戰，構建星載AIS仿真系統進行深入研究十分重要。文獻［5］分析了不同信號參數對沖突信號解調性能的影響，但并未考慮船舶分布情況對不同信號參數組合概率的影響;文獻［6，7］提出了檢測概率的近似模擬方法，但船舶分布模型采用隨機均勻分布，并不符合實際情況;文獻［8］分析了船舶聚集在港口時的理論檢測概率，但沒有結合沖突信號解調算法進行分析。

綜上，現有AIS仿真系統中往往存在2個問題:①船舶分布數據不符合實際情況;② 理論檢測概率［7］和沖突信號解調算法仿真得到的檢測概率缺乏對比分析。針對以上2個問題，依據實際船舶分布情況，結合不同信號解調算法的檢測概率，搭建了星載AIS仿真平臺。

1 星載AIS系統

星載AIS系統中，船載AIS設備廣播信號，衛星接收機接收信號并解調。待發送的二進制信息按照AIS國家標準［9］規定被封裝成如圖1所示的報文信息。

圖1 AIS幀結構

圖1中，同步序列為“01”交替的二進制信息，校驗序列是長16 bit的CRC校驗序列，開始標志和結束標志均為“ 01111110”［9］。

封裝后的報文信息接著經過NRZI變換和GMSK調制，其中GMSK調制的帶寬時延積BT=0.4。最后，GMSK調制信號對VHF發射機進行調頻［標準］后發送。調頻信號工作在2個信道，頻率分別為161.975 MHz和162.025 MHz，帶寬根據不同情況設定為 25 kHz或 12.5 kHz［9］。

星載AIS設備搭載在低軌衛星上，衛星在地面的掃描半徑r可根據下式計算

式中，R為地球半徑;h為衛星高度。范圍內不同船舶發送的信號在衛星接收端有不同的功率、頻偏、時延和入射方向等信號參數，不同的信號參數對解調性能存在影響。掃描范圍確定后，即可根據船舶位置計算各參數。

船載AIS設備間通信由于統一采用了SOTDMA接入技術保障時隙的同步、確定初始時隙以及預約工作時隙。該技術會在通信范圍內建立自組織區域，可以有效避免船舶間的時隙沖突。但星載AIS覆蓋范圍廣，可接收到來自多個自組織區域船舶發送的信號，因此可能產生時隙沖突［10］，如圖2所示。

圖2 時隙沖突示意

2個自組織小區相互獨立地分配時隙，被分配發送信號的時隙以灰色表示，時隙分配表在衛星接收端疊加到一起，導致了表中有2個時隙存在沖突，沖突時隙在時隙表中以黑色表示。在沖突時隙中接收到的混疊信號稱為沖突信號，衛星觀測范圍內的船數越多，出現多重沖突信號的幾率就越大。接收到n重時隙沖突信號概率與觀測范圍內船數的關系曲線如圖3所示。

圖3 沖突數概率與總船數關系曲線

圖3中，4條曲線分別表示500、1000、1500和2000艘船時，衛星接收信號沖突重數的分布情況。可以看出，隨著船數的增多，接收到多重沖突信號的概率越來越高，而接收到無沖突信號的概率越來越低。

2 系統仿真方案設計

根據星載AIS系統特點和AIS信號生成方式，星載AIS系統級仿真方案設計流程如圖4所示。

圖4 AIS仿真系統設計流程

仿真生成星載AIS數據，首先需要根據船舶分布情況建立船舶分布模型，該模型包含船舶的經緯度、船號和信號發送間隔等信息。為了更符合真實情況，船舶分布數據可定期從航海網站抓取，以多次觀測數據為基礎建立船舶分布模型。

然后，使用船舶位置計算在衛星接收端各船舶發送信號的功率、頻偏和時延等參數［11，12］。之后根據SOTDMA方法為所有信號分配時隙并模擬生成觀測時間內衛星接收到的AIS信號［13，14］。為了便于分析，假設衛星觀測時間內觀測范圍不變，且船舶在觀測時間內近似靜止。

最后，假設解調算法可以正確解出N重沖突信號，根據時隙分配情況計算出理論船舶檢測概率，同時對信號使用解調算法解調，將解調結果與理論檢測概率對比分析。

3 仿真結果及分析

3.1 船舶分布模型

設定衛星高度600 km，可根據式(1)計算出觀測范圍直徑約2880 nmile。以上海附近船舶平均分布情況為例，觀測范圍內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中的圓圈表示該區域內存在船舶，每個圓覆蓋的區域半徑20 nmile。設定掃描范圍內的總船數后，將船舶隨機分配到各小區后模擬生成AIS信號。

3.2 參數分布情況

在圖5的基礎上，以衛星正下方區域為參考位置，該位置功率為0 dB，頻偏為0 Hz。計算所有發送信號的功率和頻偏并統計其聯合分布概率，如圖6所示。

圖6 參數分布概率分布

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

3.3 星載AIS設備接收信號仿真

船載設備的信號發送間隔根據船舶速度、船舶類型等參數確定，取值在2 s～3 min不等，仿真中發送間隔設定為12 s。GMSK調制帶寬時延積BT設定為0.4，調頻指數為0.5。仿真生成衛星在6 min內接收到的信號，前3 μs的信號復包絡波形如圖7所示。

圖7 衛星接收AIS信號復包絡波形

圖7顯示了信號的前11個時隙，其中有9個時隙被占用，第3個和第4個時隙各自接收到2個信號的沖突信號，使復包絡產生劇烈波動。

3.4 檢測概率對比分析

觀測時間內一艘船發送的所有信號若有一幀被解調正確，則認為該船被成功檢測，被檢測出的船數與總船數的比值即理論船舶檢測概率［7］。仿真系統從衛星接收信號的時隙分配情況統計出信號各時隙的沖突次數，然后假設解調算法可以正確解調N重沖突，即沖突數不大于N的時隙則被認為可以被正確解調。理論檢測概率與算法檢測概率對比如圖8所示，顯示了算法不能正確解調沖突信號、能解調2重沖突信號和能解調3重沖突信號這3種情況下的理論船舶檢測概率與總船數的關系曲線。

可以看出，船舶檢測概率隨著觀測區域內船數的增加而下降。解調算法若可以解調多重沖突信號，船舶檢測概率會有大幅度提升。例如觀測區域內有2000艘船時，若算法不能解調沖突信號則檢測概率只有5%;若解調算法可以解調出三重沖突信號，則船舶檢測概率可達到75%。

為了評估AIS信號解調算法性能，可使用算法解調系統生成的仿真信號，將得到的船舶檢測概率曲線與理論曲線對比。圖8所示的解調算法曲線在船數較多時略高于可解調三重沖突信號的理論曲線，對多重沖突信號有著較強的處理能力。

圖8 船舶檢測概率與船數關系曲線

4 結束語

提出的仿真系統以實際船舶分布數據為基礎建立的仿真平臺可以生成衛星接收到的AIS信號，并統計信號參數概率分布情況，計算理論船舶檢測概率。將解調算法加入平臺還能對解調算法性能作出分析評估。通過仿真結果和分析可以看出，該平臺可以對星載AIS系統進行仿真，結果更符合實際情況。這對深入研究星載AIS系統有重要的參考價值。 ■

［1］張 哲，馬桂山.衛星探測AIS的分析及其發展的研究［J］.航海技術，2010(3):38－40.

［2］計科峰，趙和鵬，邢相薇，等.小衛星載AIS海洋監視技術研究進展［J］.雷達科學與技術，2013(1):9－15.

［3］徐 彬，芮國勝，張 嵩.星載AIS技術發展與展望［J］.現代導航，2011(4):296 －301.

［4］劉 暢.船舶自動識別系統(AIS)關鍵技術研究［D］.大連:大連海事大學，2013:15－17.

［5］王 聰，柳 征，姜文利，等.一種新的星載自動識別系統檢測概率計算方法［J］.宇航學報，2013，34(3):395－401.

［6］DAHL O F H.Space-based AIS Receiver for Maritime Traffic Monitoring Using Interference Cancellation［D］.Norway:Norwegian University of Science and Technology，2006:80－95.

［7］王海硯，席在杰，楊文靜.星載AIS檢測概率計算模型與算法分析［J］.電訊技術，2012，51(11):42 －46.

［8］曹 勁，馬永華，尋 遠.機載AIS接收機沖突概率分析［J］.電訊技術，2010，50(10):57 －62.

［9］2006 G B T.船載自動識別系統(AIS)技術要求［S］，2006.

［10］HOYE G K，ERIKSEN T，MELAND B J，et al.Spacebased AIS for Global Maritime Traffic Monitoring［J］.Acta Astronautica，2008，62(2):240 －245.

［11］REITEN K，SCHLANBUSCH R，KRISTIANSEN R，et al.Link and Doppler Analysis for Space-based AIS Reception［C］∥Recent Advances in Space Technologies，2007.RAST＇07.3rd International Conference on.IEEE，2007:556－561.

［12］王浩波，黃 偉，劉存才.無線信道干擾概率對網絡性能影響分析［J］.無線電通信技術，2012，38(1):10 －11.

［13］栗霖雲，陳 萍，方 莉.星載AIS系統信號模擬源的仿真實現［J］.無線電工程，2014，44(1):62 －64.

［14］李大為.基于無線移動信道建模與仿真技術探究［J］.無線電通信技術，2013，39(2):32－35.