星载AIS信号接收机解时隙冲突研究

陈 赞，陆文斌，方诗峰，钟海文，刘 露

(1. 上海航天技术研究院804所，上海 201109; 2. 上海航天技术研究院803所，上海 201109)

星载AIS信号接收机解时隙冲突研究

陈 赞1，陆文斌1，方诗峰1，钟海文1，刘 露2

(1. 上海航天技术研究院804所，上海 201109; 2. 上海航天技术研究院803所，上海 201109)

介绍了星载AIS信号接收技术及其广阔的应用前景，指出了该技术应用时存在时隙冲突问题——接收到时间和频率重叠的AIS信号，并从多天线接收技术及AIS信号解调技术两方面阐述了解决时隙冲突的方法，利用Simulink平台对这两种技术进行了仿真。仿真结果表明，这两种方法能很好地解决时隙冲突问题，提高星载AIS接收机性能。

星载；AIS；时隙冲突；多天线；解调

0 引言

全球经济和贸易的繁荣促进了船舶运输业的飞速发展，如何确保船只航行的安全、避免船只的碰撞、实现对航行船舶的有效监管已成为国际社会研究的热点；另一方面，危险物品运输、人口及货物走私、全球恐怖主义活动等又极大地增加了国际社会对海上船舶进行检测、识别及跟踪的应用需求。基于上述应用背景和应用需求，国际海事组织(IMO)于2002年提出船舶自动识别系统(AIS)。AIS是一种船载的广播转发器系统，它能够自动和连续地为其他船只和岸台发送本船信息，系统也可以自主接收其他船只和岸台广播的信息。有关来往船只的船名、位置、速度、船向、船只类型等均可通过AIS系统获得[1]。

AIS信号具有信息丰富、定位精度高、全天候等诸多优点，提出后即获得了快速发展，目前已基本普及使用。但AIS是一种陆/海基站系统，通信距离通常为视距。

而卫星载荷接收AIS信号存在的主要问题是时隙冲突问题，解时隙冲突是星载AIS信号接收机的关键技术。

1 时隙冲突

船载AIS使用SOTDMA通信协议，该协议将1 min等效为一帧，每帧分为2 250个时隙，一个时隙的时间宽度为26.67 ms，每艘船每次利用一个或两个连续时隙来广播信号。为了避免两艘船舶的AIS设备同时发射信号，每一个SOTDMA通信区域都被限制在约20海里范围内，在该区域内的所有船舶都可按SOTDMA协议进行通信，而不会发生多艘船舶同时发射信号的情况。

但卫星载荷接收AIS信号时，普通卫星天线不可能做到接收天线波束恰好仅覆盖一个SOTDMA通信区域，接收天线波束通常同时覆盖数十、甚至数百个SOTDMA通信区域[2]。

此时，来自接收天线波束覆盖范围内不同SOTDMA通信区域的AIS信号发生时隙冲突的情况是不可避免的。

这里的时隙冲突包含以下两种情况：

(1)多艘船舶利用同一个时隙发射信号，导致这些信号到达星载接收平台时在时域上发生完全重叠或部分重叠的现象；

(2)多艘船舶利用不同时隙发射信号时，由于到达星载平台时经过的距离不同而产生不同的时延，也会导致接收到的信号产生部分重叠现象。

在图1中，卫星接收天线同时覆盖了两个SOTDMA通信区域，来自左边SOTDMA通信区域内的船A、船B、船C分别利用时隙A、B、C发送信息，而来自右边SOTDMA通信区域内的船C、船D、船E分别利用时隙C、D、E发送信息，由于来自这两个SOTDMA通信区域内的船C同时利用时隙C发送信号，卫星平台上的AIS信号接收机所接收到的来自同一时隙C的两个信号在时间上将完全重叠或部分重叠，从而发生时隙冲突[3]。

图1 卫星接收信号产生时隙冲突原理示意图

2 解时隙冲突

解时隙冲突是从冲突信号中提取出各信号并正确解调出相关信息，下面从多天线接收、AIS信号解调两个方面来解决时隙冲突问题。

2.1多天线接收

卫星上的多个接收天线，因信号传播路径不同，引起不同天线接收到的AIS信号相位的差异，这里利用这个相位的差异性来解决时隙冲突问题。下面以双天线接收为例进行说明。

用X1、X2分别表示AIS信号1、2；用Y1、Y2分别表示AIS接收机两根天线接收到的信号，假设天线2相对于天线1对AIS信号1、2分别产生A和B的相位差。

Y1=X1+X2

(1)

Y2=X1ejA+X2ejB

(2)

则如果将其中一个接收信号增加一个相位，再将两个接收信号进行如下处理：

Y=Y1-Y2ejP

(3)

(4)

这样就可以从冲突信号中除去AIS信号1，以便解调出AIS信号2，再反过来解调AIS信号1。实际使用时不一定要将AIS信号1完全去掉，只要冲突信号中AIS信号1幅度较小并能解调出AIS信号2即可。

2.2 AIS信号解调

AIS信号采用GMSK调制方式，目前常用的GMSK解调方法主要有两大类：非相干解调(non-coherent detection)和相干解调(coherent detection)。

差分解调属于典型的非相干解调，其利用接收信号及其延迟信号进行解调，基本原理框图如图2所示。

图2 差分解调原理框图

图中Tb为码元周期，n表示延迟时间长度，以码元数表示，当n为1、2时分别表示1 bit差分解调和2 bit差分解调。C代表复常数，取决于延迟码元数，n为1时，C为-j。

结合相干解调与相关器的最大似然序列检测器(MLSD)是连续相位信号(CPM)的最佳检测器(GMSK是CPM的一种)，但复杂度和计算量较大。最大似然序列检测器通过状态网格搜索最小欧式距离的路径，维特比算法是执行这种搜索的有效方法。如图3所示为最大似然序列检测器原理图。

图3 最大似然序列检测器原理框图

由于冲突信号的信号强度和延迟时间多种多样，造成卫星接收到的AIS冲突信号千变万化，仿真不可能穷尽所有情况，这里选取其中具有代表性的组合进行仿真。

(1)一个干扰信号

设各信号信噪比(SNR)均为13 dB(下同)，改变干扰信号幅度及延迟时间(相对于目标信号)，仿真误码率如表1所示。

表1 一个干扰信号幅度时延对应误码率 (%)

从上表仿真结果可以看出无论干扰延迟是多少，当干扰信号幅度小于0.65时误码率都已变得很小。

(2)两个干扰信号

这里仿真干扰信号有两个的情况，由于延迟情况特别多，不再一一举例，以两个干扰信号为例，改变干扰信号幅度来仿真误码率，干扰信号1和干扰信号2相对于目标信号分别延迟1 bit、2 bit，对应误码率如表2所示。

表2 两个信号不同幅度对应误码率

(3)多个干扰信号

实际中卫星接收的AIS信号冲突的种类很多，主要由冲突信号的个数、冲突信号的幅度和冲突信号的延迟时间等因素决定。这里举例说明最大似然序列检测器的抗干扰性能。

假设干扰信号有6个，相对于目标信号分别延迟1 bit、2 bit、3 bit、4 bit、5 bit、6 bit，各信号信噪比(SNR)均为13 dB，改变干扰信号幅度来模拟误码率。结果如表3所示。

表3 多个干扰信号不同幅度对应误码率

从以上仿真结果可以看出，GMSK最大概率序列检测器具有较强的抗干扰(解冲突)能力，特别是当干扰数较少时。

综合上述内容，对于星载AIS接收系统，优先选择基于相关解调的最大似然序列检测器，其不仅具有较强的抗噪声能力，而且在解时隙冲突方面有不错的性能。

3 结束语

星载AIS接收技术具有巨大的应用前景，包括航运、国防、环境保护等多方面，但卫星载荷接收AIS信号存在的时隙冲突问题限制了其作用的发挥，只有有效解决时隙冲突问题，才能更好地应用星载AIS接收技术。

本文从多天线接收技术及AIS信号解调技术两方面阐述了解决时隙冲突的方法，并进行了仿真。仿真结果表明这两种方法能很好地解决时隙冲突问题，提高星载AIS接收机性能。

[1] 郝盛,陈涤非.星载AIS收发机的关键技术初探[J].航空电子技术,2007,38(4):7-11.

[2] HICKS J E, CLARK J S, STOCKER J, et al. AIS/GMSK receiver on FPGA platform for satellite application[J]. Proceedings of SPIE, 2005, 5819: 403-414.

[3] BURZIGOTTI P, GINESI A, COLAVOLPE G. Advanced receiver design for satellite-based AIS signal detection[C]. 2010 5th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 11th Signal Processing for Space Communication Workship, 2010: 1-8.

Research on time slot collision of spaceborne AIS signal receiver

Chen Zan1, Lu Wenbin1, Fang Shifeng1, Zhong Haiwen1, Liu Lu2

(1. No.804 Research Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China;2. No.803 Research Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

The technolgy of receiving AIS signal by satellites and its broad application prospects are introduced, time slot confilct—receiving more than one AIS signal at the same time is the main problem during using this technology. In order to solve the problem,two methods which are the antenna technology and the demodulation technology are introduced, then the two methods are simulated using Simulink,the results prove that the two methods can solve time slot confilct well and improve spaceborne AIS receiver performance.

satellite-based; AIS; time slot conflict; multi-antenna; demodulation

TP312

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.019

陈赞，陆文斌，方诗峰，等.星载AIS信号接收机解时隙冲突研究[J].微型机与应用，2017,36(17)：65-67.

2017-04-12)

陈赞(1982-)，男，本科，工程师，主要研究方向：航天测控通信和数据传输。