星載AIS混合信號單通道盲分離技術研究

高萬明

摘? ?要：近年來我國航海作業和航海安全受到嚴重威脅，星載AIS技術的發展越來越重要。單通道盲分離技術利用單天線接收混合信號，以其設計低復雜度、低成本的優點，得到廣泛研究。文章介紹了星載AIS技術的相關知識，針對星載AIS混合信號單通道盲分離算法，分析出降低算法復雜度、提高分離性能的重要性。

關鍵詞：航海安全;星載AIS技術;單通道盲分離;降低算法復雜度;提高分離性能

近年來，我國具有對海事安全威脅以及海上交通安全對海上通信的迫切需求[1]，但是，現有的海上通信手段受距離的限制，例如船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）的通信距離為20海里左右，無法實現對遠洋船的監視和管理，隨著遙感衛星技術的發展，可考慮將衛星技術與AIS技術融合，即利用星載AIS技術，實現遠距離接收AIS信號，能夠為遠洋船舶的管理提供基礎。

星載AIS通過在低軌道遙感衛星上搭載AIS接收機，能夠在更大覆蓋范圍內接收AIS船舶播發送的AIS信號，但是，當遙感衛星覆蓋范圍的船舶數量較多時，星載AIS接收機將接收到多個AIS船舶的AIS信號，這些信號會相互混疊，即在時域上可能會重疊，在頻域上可能會相同，在空域上可能會相近，結果可能會導致接收到AIS信號概率大大降低[2]。

針對用單通道盲分離的方法對星載AIS混合信號進行分離的問題，已經有很多學者致力于相關研究，例如王聰等[3]提出了一種基于Laurent分解的星載AIS解調算法，該算法將Laurent分解原理引入到星載AIS混合信號的單通道盲分離中。胡昌海[4]基于單參數（時延）差異的混合信號盲分離，提出了利用判決反饋的方法，實現混合AIS信號分離。廖燦輝[5]提出了利用逐留存路徑處理（Persurvivorprocessing，PSP）的方法，實現抗頻偏的AIS信號分離，將PSP思想引入到星載AIS混合信號的單通道盲分離中。

1? ? 星載AIS

1.1? 星載AIS工作原理

星載AIS通過在低軌遙感衛星上搭載AIS接收和發射機，解碼接收到的AIS信號，然后將解碼的AIS信號轉發到星載AIS地面站進行處理，實現對遠洋船舶的管理。星載AIS使用的是低軌道衛星，與靜止衛星不同，其對地面的覆蓋是不連續的，屬于非實時通信系統。即衛星收到用戶報文后直接解碼，若衛星覆蓋區內有地面站，就直接轉發給地面站。否則，報文將存儲在衛星的存儲器中，等到衛星覆蓋區內出現地面站時，再將報文轉發給地面站。

1.2? 星載AIS信號及其模型

星載AIS信號使用高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）調制方式，對碼元進行高斯濾波預處理[6]，然后對矩形波進行高斯濾波，產生一種基帶平滑波形，具有帶寬窄且尖銳截止、鄰道干擾小等較好的頻譜特性，更適合海上復雜的信號環境。GMSK調制是一種相位連續的恒包絡調制，具有較好的頻譜效率和功率特性，因而在AIS系統中獲得了廣泛的應用。而現實中，GMSK信號大多是突發的混合信號，而這些突發的混合信號一般參數估計誤差比較大。

考慮兩個同頻（或近似同頻）的GMSK混合信號的單通道接收，接收基帶等效信號的一般形式可表示為：

其中，h1（t）和h2（t）為兩信號的瞬時幅度，Δω1和Δω2為兩信號的殘余頻偏，θ1和θ2為初始相位，v（t）為加性高斯白噪聲，s1（t）和s2（t）分別為基帶數字調制信號，根據GMSK信號的Laurent展開式可知，GMSK信號相當于用主脈沖GMSKp（t）進行成型濾波，則接收端經匹配濾波后的信號可表示為：

其中，T是符號周期，兩信號具有相同的符號周期;τi（t）為第i個信號與本地接收機之間的時鐘漂移，假定0≤τi（t）

將接收信號按符號速率采樣，令yk=y（kT），hi，k=hi（kT），vk=v（kT），τi，k=τi（kT），

設Rpp（t）的持續時間長為L0T，從（1-L1）T到L2T，L0=L1+L2。

定義L0×1向量為：

第k個接收混合信號可以表示成更簡潔的形式：

其中，定義為兩向量對應項的乘積：

單通道盲分離根據接收的序列yk，k=0，1，…，得到符號序列ai，k，k=0，1，…的估計。

2? ? 單通道盲分離問題概述

近年來，混合信號盲分離已成為信號處理領域中的熱點和難點問題，由于電磁環境變得越來越復雜，通信領域中的混合信號越來越多，信號日益密集會造成同頻信號混合等。一方面，這類信號極大地影響了接收性能;另一方面，傳統的單信號處理的方法已不再適應。混合信號盲分離可分為兩種途徑：（1）多通道盲分離方法，即在遙感衛星上安裝多根接收天線。（2）單通道盲分離方法，即在遙感衛星上安裝單根接收天線。目前，多通道盲分離的技術已經有較為成熟的理論和方法，但考慮到多天線的設計復雜度和成本，因此，迫切需要研究用單通道盲分離的方法來分離混合信號[7]。

單通道盲分離需要根據接收的一路AIS信號分離出多個AIS源信號，這在數學角度上看可能存在不確定解。以兩路信號x1和x2為例，方程y=x1+x2，對同一個y值，x1和x2有多種解。但在實際應用中，如果借助信號本身的特征將有可能實現分離。如對通信信號而言，x1和x2不可能取任意值，而是受發送符號和調制參數的約束，在這些約束條件下，方程y=x1+x2可能存在確定解。

本質上，單通道盲分離算法利用了各源信號之間調制參數的差異性，如時延差異、符號速率差、幅度差異等，通過提取、放大這些差異來實現滿足特定條件信號的分離，單通道分離的關鍵在于怎樣利用和提取所處理信號的特點，找到源信號之間的差異性。

3? ? 星載AIS混合信號單通道盲分離算法

目前，可行的單通道盲分離算法[8]包括獨立分量法[9]、稀疏分解法、基函數法和多參數協調估計法[10-11]等。對于單通道而言，現有的算法復雜度較高，但對于本文所研究的突發AIS混合信號而言，依然不能滿足實時處理的要求，因此，降低AIS混合信號盲分離算法復雜度是單通道盲分離的關鍵。

在發送信號序列和信道參數均未知的情況下，多參數聯合估計實現單通道盲分離的效果是較佳的，其主要的方法包括粒子濾波算法和逐幸存路徑處理（PSP）算法。研究表明，PSP盲分離算法性能優良，分離誤碼率接近已知參數下的聯合序列估計界，且復雜度遠遠低于粒子濾波算法，是一種十分有效的分離算法。

PSP算法[12]在到維特比算法中使用未知參數估計，進而，實現序列與參數的聯合估計，通過最小化路徑度量來獲得發送數據，其接收機結構如圖1所示。

廖燦輝提出了一種基于逐幸存路徑處理（PSP）的抗頻偏盲分離算法，通過在盲分離過程中對信道變化和頻偏引起的相位變化分別進行跟蹤，能大大提升算法對殘余頻偏的容忍能力。仿真結果表明，傳統PSP算法能容忍的歸一化頻偏誤差不大于2.0×10-4，而抗頻偏算法在歸一化頻偏誤差達1.5×10-2時仍然能收斂，且不需要對初始相位進行估計，同時，分離性能相比理想條件下的PSP算法只下降了約1 dB。

涂世龍針對同頻調制多路線性混合信號的單通道盲分離，根據自適應跟蹤信道參數和逐幸存路徑處理原理的思想提出了RLS-RPSP算法，利用多路RLS收斂速度快的特點，通過分段設置幸存路徑數來保留幸存路徑，既能實現對多路信道響應的同步跟蹤，仿真結果表明，在誤碼率性能相同情況下，新算法相比LMS跟蹤下的M-PSP算法，至少能降低一半的運算復雜度。

4? ? 結語

星載AIS技術對遠洋船舶的管理說，是一種非常好的技術手段，單通道盲分離技術是AIS混合信號處理領域新的研究方向，其研究也越來越深入，理論和實際應用都得到了較大發展。對于本文所研究的突發星載AIS混合信號而言，應該研究一種低復雜度、高分離性能的單通道盲分離算法，以達到實時處理的要求。

[參考文獻]

[1]楊倩.我國應用星載基站AIS系統研究[J].管理研討，2011（1）：53-55.

[2]CERVERA M A，GINESI A.On the performance analysis of a satellite-based AIS system[C].NewYork：International Workshop on Signal Processing for Space Communications. 2008.

[3]王聰，朱守中，姜文利，等.基于Laurent分解的星載AIS解調算法[J].飛行器測控學報，2012（5）：12-13.

[4]胡昌海.星載IAS混合信號盲分離技術研究[D].洛陽：解放軍信息工程大學，2013.

[5]廖燦輝，涂世龍，萬堅.抗頻偏的突發GMSK混合信號單通道盲分離算法[J].通信學報，2013（5）：6-8.

[6]鄭忠國，來飛.AIS系統中NRZI編碼及GMSK的調制與解調的仿真[J].電子質量，2011（10）：38-41.

[7]廖燦輝，萬堅，周世東.兩同頻調制信號混合單通道盲分離的性能界[J].清華大學學報（自然科學版），2010（10）：1646-1650.

[8]彭耿，黃知濤，姜文利，等.單通道盲信號分離研究進展與展望[J].中國電子科學研究院學報，2009（3）：268-277.

[9]黃大偉，戴吾蛟，劉斌，等.單通道獨立分量分析算法的比較分析[J].大地測量與地球動力學，2014（1）：60-61.

[10]涂世龍，陳越新，鄭輝.利用糾錯編碼的同頻調制混合信號單通道盲分離[J].電子與信息學報，2009（9）：2113-2117.

[11]楊勇，張冬玲，彭華.結合編碼信息的單通道盲信號分離改進算法[J].計算機工程與應用，2013（12）：49.

[12]ZHENYU Z，HAMID R，SADJADPOUR，et al.An adaptive per-survivor processing algorithm[J].IEEE Transactions on Communications，2002（11）：6-7.

Study on single-channel blind source separation technology

of satellite-borne AIS hybrid signal

Gao Wanming

（Donghai Navigation Safety Administration（DNSA）MOT， Shanghai 200086， China）

Abstract：In recent years， the navigation operation and safety of our country have been seriously threatened， and the development of space-borne AIS technology is becoming more and more important. Single channel blind separation technology uses single antenna to receive mixed signals， which has been widely studied because of its advantages of low complexity and low cost. In this paper， the related knowledge of space-borne AIS technology is introduced， and the importance of reducing the complexity of the algorithm and improving the separation performance is analyzed for the single-channel blind separation algorithm of space-borne AIS mixed signal.

Key words：navigation safety; space-based Automatic Identification System mix signal; single channel blind source separation; reducing algorithm complexity; improving separation performance