AIS地面測試系統設計概要

沈天翼+馮文全+張杰斌+劉曦

摘 要

星載AIS系統通過對可視范圍內的船舶信號進行監聽和解調，并將解調后的信息打包下傳至地面站，為海洋管理及船舶運營提供了大范圍、高效率的狀態數據。AIS分系統接收機主要實現對船載AIS信號的實時捕獲和數據解調功能，為完成對AIS分系統接收機的綜合測試，進行AIS地面測試系統信號源的研制。AIS地面測試系統信號源主要任務是通過對低軌衛星、船舶狀態等的仿真和維持，依據國際電聯無線電通訊部門ITU-RM.1371-5建議書規定的通信協議實時生成仿真數據、通信幀并模擬生成AIS信號，從而對AIS星載接收機功能和性能進行評估。

【關鍵詞】星載AIS 測試系統

星載AIS系統通過低軌道衛星接收海面船舶發送的AIS信號，解碼后轉發給相應地球站，從而監督管理遠海域中航行的船只。然而存在一些問題：

（1）由于衛星運行速度快，接收到的來自海面的AIS信號有較大的多普勒頻偏；

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

1 總體設計方案

1.1 系統組成及原理

AIS地面測試系統信號源由三部分組成，分別為上位機主控軟件、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、軌道及場景運算模塊構成。通信模塊負責主控軟件與基帶信號處理板中運行的ARM軟件的以太網通信功能；界面顯示模塊負責信號源主控軟件的主體框架并提供圖形化用戶接口界面；軌道及場景運算模塊則負責完成衛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軟件負責：

（1）與主控軟件的網絡通信接口，接收并解析衛星軌道數據、場景終端數據、用戶配置數據，反饋信號源當前的運行狀態和硬件設備狀態等基礎信息；

（2）根據協議的要求產生基帶AIS幀數據；

（3）根據不同的工作模式對FPGA進行配置。

FPGA軟件負責完成：

（1）GMSK信號調制；

（2）信道特性調制；

（3）主用通道信號與碰撞通道信號的合成；

（4）信號自環接收解調驗證。

FPGA調制產生的GMSK信號送至ADC芯片轉換和發射，經過射頻通道模塊進行濾波和功率調整后發射輸出。射頻通道模塊的工作模式由ARM通過串行總線進行控制。此外，設備提供一路備用發射通道，直接輸出DAC原始信號。

1.2 工作模式設計

信號源主控軟件根據衛星軌道、海面終端分布及衛星天線方向圖等約束條件在一定可視范圍內選擇船只終端，并將所選終端信息（含基帶數據信息和信道特性信息）通過網口發送給ARM。ARM解析收到的數據包，并且進行時隙分配，通過EIM總線將數據打包發送至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主控軟件中完成，平行四邊形框過程在ARM軟件中實現，圓形框過程在FPGA中實現。

1.3 仿真模塊設計

1.3.1 衛星軌道仿真

星載AIS的運行軌道是低軌衛星。一般而言，低軌道衛星的軌道高度為二百至兩千千米。在本設計中采用STK軟件接口生成衛星軌道，STK可以通過上位機中輸入軌道個數實時產生衛星的各項參數，包括衛星當前位置、運行速度、角速度和姿態等。

AIS衛星的軌道高度將直接影響其可觀測范圍，如圖3所示。

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

其中，Re為地球半徑近似取6371km，h為衛星軌道距離地面高度。按照上式可計算得到地軌衛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系統中，衛星接收船載AIS設備發送的信號，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地面測試系統信號源在生成終端信號時，為了能夠盡量精確地模擬實際船舶分布，需要以真實的船舶分布情況為基礎。

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

1.3.3 衛星信道仿真

星載AIS系統是一個衛星移動通信系統，衛星和船舶都處于相對運動當中。對于AIS地面測試系統信號源來說，衛星移動通信信將產生多方面的影響。在本設計中，為了模擬出AIS衛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。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。

根據上文對衛星軌道的分析，可以推算出，信號源針對衛星可觀測范圍內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據接口，用戶可以按照接口格式提供實際的天線性能數據，信號源將實時產生復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射方向φT和衛星接收機天線的接收方向φR，如圖4所示。endprint

2 硬件設計方案

2.1 基帶處理板卡設計方案

基帶處理板卡包含邏輯處理單元、數據管理單元、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現信號的調制、解調、數學信號處理等，主要的器件是Xilinx公司的XC7K325T，兼容XC7K410T。數據管理單元的功能是實現網口通信、配合FPGA完成整個板卡的管理，選用的是Cortex-A9，LINUX操作系統。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，實現板卡與外界的數字信號傳輸。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 射頻通道模塊設計方案

射頻通道模塊的主要功能是：對信號源產生的射頻信號進行帶通濾波和功率調整，并且對自環輸入信號進行帶通濾波。

所采用的4個頻點的信號中心頻率為：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計為fc=160MHz，截止帶寬設計為fstop=10MHz。LC濾波器的矩形系數一般在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。

在本項目中，規定信號源的輸出功率范圍需達到-130dBm～-20dBm，且功率調節分辨率為1dB。

在基帶信號處理板中，通過調節FPGA輸出數字信號的幅度以及調整DAC芯片的幅度控制參數，可以實現不小于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功率動態范圍。

射頻通道模塊中采用Analog Device公司的HMC759LP3E實現可變衰減模塊。HMC759LP3E是一款最大衰減可達31.75dB的數控衰減器，其步進精度為±0.25dB，頻率適應范圍1-～300MHz，采用串行數字總線控制，輸入IP3高達+40dBm。

3 主控軟件設計方案

信號源主控軟件主要由通信模塊、界面顯示模塊、軌道及場景運算模塊構成 。

3.1 主控軟件結構

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，設置信號源的工作模式和工作參數；

第二步，提供軟件接口，供用戶指定終端場景分布、衛星軌道、天線方向圖和基帶AIS信息幀數據；

第三步，使用Socket API實現TCP/IP數據接收與發送；

第四步，根據內部通信協議，對信道特性數據和基帶幀數據進行組包封裝；

第五步，接收ARM反饋的信號源工作狀態數據，顯示在軟件界面。

3.2 工作流程設計

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，日志記錄區和指令區，同時，仿真軟件具備基帶數據管理功能，能夠讓用戶導入和導出需要的基帶數據。

4 結論

對解調算法進行性能方面的研究，需要利用星載AIS信號數據作為基礎。所以，仿真設計星載AIS信號模擬源，并對模擬信號進行全面分析，對比不同解調算法的解調性能，將有助于加快AIS沖突信號解調算法的研究。

本文實現了AIS的測試系統的軟硬件功能，為進一步解決信號沖突算法，提供了仿真數據源的基礎。

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作者簡介

沈天翼（1992-），男，碩士在讀，主要研究方向為衛星導航、軟件仿真平臺等。

作者單位

北京航空航天大學電子信息工程學院 北京市 100191endprint