CN103973607A - 一种可用于星载ais系统的冲突信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种可用于星载船舶自动识别系统（AutomaticIdentificationSystem,AIS）冲突信号的处理方法，包括：先对接收到的AIS信号根据帧结构中已知信息做同步与信道估计，并对接收信号做检测，获得的检测结果为一单路信号；利用检测结果重构单路信号获得一重构信号；接收到的AIS信号减去重构信号获得一剩余信号；对剩余信号重新做同步与信道估计，并再次检测单路信号。重复多次后直到检测不出信号为止。该方法可以有效地从单通道接收信号中检测出多路发送信号。

Description

一种可用于星载AIS系统的冲突信号处理方法

技术领域

本发明属于航天航海通信技术领域，具体涉及一种可用于星载AIS系统的冲突信号分离方法。

背景技术

当多个信号发送端对同一信号接收端发送信号时，信号接收端因同时接收到多路信号而出现信号碰撞现象，使用传统信号处理方法将无法获得正确的发送信号。

在航海领域中，船舶自动识别系统( Automatic Identification System, AIS) 是国际海事组织( IMO) 、国际航标协会( IALA) 、国际电信联盟( ITU- R) 于2000年共同强力推广的一个具有船舶自动识别、通信和导航功能的新型助航电子系统。安装了AIS 系统的船台可向他船及基站自动播发本船动态信息、静态信息、航次信息和安全短消息等相关信息。

当前岸站AIS 报文传输支持确定船舶的位置，但传输距离仅为30 nmile，不能提供全球海洋覆盖。而天基星载AIS 信号侦察系统可收到几百海里乃至上千海里内船舶的AIS 信号，下传到地面站接收系统后，可形成国家周边海域乃至全球海域的船舶目标态势信息。借助天基星载AIS 信号侦察系统还可扩充天基侦察平台探测手段，补充已有传感器的目标属性识别能力，快速获得海上关注目标状态，目前已经受到了各国高度关注。船舶自动识别系统（AIS）使用SOTDMA通信协议，该协议将一分钟等效为一帧，每帧分为2250个时隙，一个时隙的时间长度为26.67ms，每艘船每次利用一个或者两个时隙来广播信号。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。

由于星载AIS接收机侦收范围大，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，从而产生AIS信号的碰撞现象。AIS信号的碰撞机理分为两类：一类是由于接收区域内包含多个自组织区域，不同组织区域内的舰船可能会在同一个时隙内发送AIS信息，并同时到达星载接收机，产生AIS信号碰撞；另一类是由于星载接收机可侦察信号的区域大，监测区域内的舰船虽然在不同的时隙内发送AIS信息，但当舰船间距离足够远时，由于信号传输时延影响也可产生AIS信号同时到达的现象。在遇上以上两种情况产生的AIS信号碰撞现象时，使用传统方法接收AIS信息都会发生错误。

发明内容

为了克服现阶段AIS冲突信号处理方法上存在的缺陷，本发明提供一种可用于星载AIS系统的冲突信号分离方法，具体的技术方案如下：

一种AIS冲突信号分离方法，包括如下步骤：

对初始信号做同步检测，获得一单路信号；

对所述单路信号进行重构，获得一重构信号；

从所述初始信号中减去所述重构信号，获得一剩余信号；

对所述剩余信号重复以上步骤，直至将每一个单路信号都分离出来。

作为优化方案，同步检测的方法具体为：

根据所述初始信号的帧结构中的已知信息对所述初始信号做同步与信道估计，获得同步信息和信道估计信息；

根据所述同步信息和信道估计信息对所述初始信号做时延与频偏纠正，获得纠正信号；

对所述纠正信号做检测，获得所述单路信号。

作为优化方案，采用非相干解调算法或相干解调算法对所述纠正信号做检测；所述相干解调算法包括Viterbi算法。

作为优化方案，所述重构的方法具体为：

对所述单路信号按照信号发送端中的编码、调制过程做同样的编码、调制，获得一处理信号；

根据获得的所述同步信息和信道估计信息对所述处理信号做相应的时延与频偏调整，以及按信道估计信息乘以相应的幅度与相位偏转，获得所述重构信号。

作为优化方案，所述直至将每一个单路信号分离都出来的判断方法为：所得的剩余信号无法再次检测出单路信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）可以在有限接收天线的条件下实现对多路信号的接收；

（2）可以满足对大面积区域的侦察需要。侦察区域越大，包含的小区数目越多，发送信号有冲突概率的越高，从而本方法可以有效地扩大侦察面积，因此尤其适用于天基星载平台的应用；

（3）可以适用各种冲突数目的情况。本方法每步过程的执行次数与需分离的冲突信号数目相对应，通过模块化的实现可以开发出适用不同平台的侦察与接收设备，并且可以根据需求灵活配置。

附图说明

图1为AIS信号帧结构示意图；

图2为AIS信号发送端的信号编码过程；

图3为传统接收机中的AIS信号处理流程图；

图4为本发明提供的AIS冲突信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图以实施例的方式详细描述本发明。

实施例：

如图1所示，帧结构中已知信息包括：作为帧同步头的训练序列，帧开始标志，数据段，校验序列，帧结束标志，以及最后的缓冲序列。

AIS采用面向比特的协议，该协议以ISO/IEC 3309:1993规定的高级数据链路控制(HDLC)为基础。

训练序列是由交替的0和1(010101......)组成的，共24比特。

帧开始标记与帧结束标志的长度均为8比特，由标准的HDLC标记组成，其作用为标识一帧的开端与末端。

数据段在一个标准数据包中数据部分长度应为168比特。

帧校验序列(FCS)采用循环冗余校验(CRC)16bit多项式来计算校验。CRC计算中应该只包含已包括位填充的数据部分。

缓冲部分通常为24bit长，是为了应对实际应用中的各种可能情况对数据信息可能造成的影响。

以上所述各部分字段中，数据部分和FCS比特流受位填充控制。即一旦发现输出位流中连续出现5个以上1时，应在该连续多个1后插入一个0。这种方法适用于除开始标志与结束标志以外的所有比特。

根据图1所示的帧结构，装载了AIS系统的船舶上的AIS信号发送机对原始AIS信息比特进行编码、调制的过程如图2所示。作为发送端的AIS信号发送机对需要发送的原始AIS信息比特所做的操作依次为：CRC校验，比特填充，添加开始标志和结束标志，NRZI变换，最后对信号做GMSK调制。最终得到AIS信号。

传统的AIS信号接收端对信号的处理步骤如图3所示。首先对接收到的AIS信号做同步，获得起始位置、频率偏移等同步信息。然后对信号做信道估计，获得信道估计信息。对信号做检测得到一检测信号，对检测信号做NRZI反变换，去填充比特，做CRC校验后获得原始AIS信息比特。最后对原始AIS信息比特进行消息识别和消息显示。这种传统的接收机在有信号冲突的情况下通常无能为力。尤其对于冲突中相对较弱的信号，因其受到强信号的干扰，无法根据帧头的训练序列准确地做同步与信道估计，也就无法对信号做正确的解调。

本发明的方法流程图如图4所示，是对传统AIS信号处理方法的改进，其中也包含了传统接收机的AIS信号处理过程。

对初始信号即接收的AIS冲突信号进行步骤一：利用图1帧结构中的确知信息（包括训练序列、开始标志及结束标志等）先做一次同步与信道估计，并以此检测出一AIS单路信号。由于同步过程中接收机搜索出的是多重冲突信号中最强信号，检测出的信号也是最强信号，因此在此步骤中检测出的AIS单路信号具有较高的可靠性。

然后进行步骤二：将步骤一中检测出的AIS单路信号按照图2所示的流程重新做AIS编码与调制，并利用步骤一中同步估计获得的时延、频偏估计对信号做时延纠正与频偏纠正，然后依据信道估计信息实现对该AIS单路信号的重构。此时获得的重构信号是接收到的AIS冲突信号中最强的一路信号分量。

步骤三：从初始信号即接收到的AIS冲突信号中减去步骤二中获得的重构信号，即从接收到的AIS冲突信号中分离掉了最强的信号分量，获得一剩余信号，该剩余信号为初始信号中除最强信号以外的其他信号的冲突信号。信号分离是在冲突信号中消除重构信号的过程。

到此为止，完成了一次AIS单路信号的检测与分离过程。

对第一次分离之后的剩余信号，重新按照上述AIS单路信号的检测与分离过程，做同步与信道估计、检测、重构以及分离。第二次检测与分离出的信号是第一次过程完成之后的最强信号，亦即接收的AIS冲突信号中的第二强信号。

上述过程可以重复迭代多次，依次检测出AIS冲突信号中的各路单路信号。其重复次数取决于需检测的冲突信号数目。直到单路信号检测及分离过程的处理结果即剩余信号，无法再同步检测出新的信号时，确认已将冲突AIS信号中的所有单路信号检测出来，将检测出的各路信号作输出进行消息识别和显示。

本实施例针对GMSK调制的信号，可采用的检测方法包括一比特差分解调，二比特差分解调，Viterbi算法检测等。其中前两种属非相干解调，并不需要准确的信道信息，但性能相对较差。而Viterbi算法属于相干解调，需要准确的信道信息，其抗噪声性能较好。本发明中采用检测算法可以是非相干解调算法或相干解调算法。但由于相干解调算法中的Viterbi算法是在序列上搜索最大似然信号，具有最佳的性能。

本实施例中的同步包括时间同步与频率同步，两者可以分别实现，也可以联合实现。同步可获得AIS信号的起始位置和频率偏移等同步信息。

信道估计是指对信道响应的幅度与相位的估计，获得的信道参数等信道估计信息，可用于对信号的相干检测中。

时延与频偏纠正是指对接收信号依据时延与频偏估计值做相应的时间移位与频率偏移。

检测包括相干检测与非相干检测，本发明可采用的检测算法包括但不限于：Viterbi检测算法，差分检测算法。本实施例采用的是Viterbi检测算法。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种AIS冲突信号分离方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对初始信号做同步检测，获得一单路信号；

（2）对所述单路信号进行重构，获得一重构信号；

（3）从所述初始信号中减去所述重构信号，获得一剩余信号；

（4）判断每一个单路信号是否都已被分离出来：若否，则所述剩余信号作为初始信号，转为执行步骤（1）；若是，则输出所有单路信号。

2.如权利要求1所述的一种AIS冲突信号分离法，其特征在于，所述同步检测的方法具体为：

根据所述初始信号的帧结构中的已知信息对所述初始信号做同步与信道估计，获得同步信息和信道估计信息；

根据所述同步信息和信道估计信息对所述初始信号做时延与频偏纠正，获得纠正信号；

对所述纠正信号做检测，获得所述单路信号。

3.如权利要求2所述的一种AIS冲突信号分离法，其特征在于，采用非相干解调算法或相干解调算法对所述纠正信号做检测；所述相干解调算法包括Viterbi算法。

4.如权利要求2所述的一种AIS冲突信号分离法，其特征在于，所述重构的方法具体为：

对所述单路信号按照信号发送端中的编码、调制过程做同样的编码、调制，获得一处理信号；

根据获得的所述同步信息和信道估计信息对所述处理信号做相应的时延与频偏调整，以及按信道估计信息乘以相应的幅度与相位偏转，获得所述重构信号。

5.如权利要求1所述的一种AIS冲突信号分离法，其特征在于，所述直至将每一个单路信号分离都出来的判断方法为：所得的剩余信号无法再次检测出单路信号。