CN105634670A - 一种适合卫星接收的多重ais消息解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，采用基于滑动窗口的解调处理方法，克服了多重AIS消息碰撞引起的信号帧起止位置难以判断的问题，将常规的解调之前进行帧头判断的方法改为在解调得到比特序列之后才寻找帧头和帧尾，从而使帧头和帧尾的判断难度大大降低；采用栈结构辅助的多重解调控制，在多路信号碰撞的条件下，成功实现多路信号的解调，把有希望解调的帧都解调出来。本解调方法运算复杂度不高，适合用于星上实时处理。

Description

一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法
技术领域
本发明涉及一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，特别涉及一种低轨道(LEO)卫星接收AIS信号的多重消息解调方法，该方法可以用在使用简单接收天线的星载AIS接收系统中。
背景技术
随着全球经济一体化进程，海上运输和贸易高速增长，迫切需要创建一个系统来实现对全球海域的监控，提高海上运输的安全。传统的地面/海面AIS系统传输距离近，无法实现远距离目监视。卫星覆盖范围广，星载AIS系统可以实现对全球范围内海域的监视，近年来得到各国的重视。
在低轨卫星上接收AIS消息面临主要的技术难题之一，就是多路消息碰撞问题。海面船只的AIS是由近距离范围的终端以自组织时分多址方式工作的，在一个小区内的船只可以实现无碰撞的AIS发射和接收。而一颗卫星会覆盖大量的AIS小区，来自不同小区船只、相同时隙的AIS信号在到达卫星时，发生碰撞的概率很大；另外，由于卫星覆盖区内各船舶到卫星的距离相差较大，各船舶AIS消息到达卫星的时刻相差很大，导致相邻时隙的AIS消息也有产生部分碰撞的可能。相同频段上的多路信号叠加在一起，给信号的解调造成了很大困难。一方面，多路AIS消息碰撞和AIS消息到达时刻的不确定性，使得卫星接收机收到的AIS消息的起止时刻很难确定；另一方面，相同频点上的多路AIS消息的叠加，使得多路AIS消息互相干扰非常严重，强信号被弱信号干扰导致误码率升高，弱信号则被强信号淹没而无法实现解调。
在地面/海面设备中，因为时隙信息是已知的，而且不存在消息碰撞问题，所以可以通过简单的能量检测法判断AIS消息起止时间。但在卫星接收的情况下，消息到达时刻的不确定性使得卫星接收机难以基于时隙判断消息的大致起止时刻，而多路消息的叠加又使得卫星接收信号的能量变化不再具有类似地面/海面的简单规律，所以在卫星上使用简单的能量检测法判断AIS消息的起止位置失败的概率很高。为将叠加在一起的多路AIS信号分开，有学者提出了盲信号分离的方法。但这类方法的运算复杂度过高，不适合用于星上实时处理。
所以，目前急需一种能够在多路信号碰撞下实现AIS信号的解调，进而提升多重AIS信号解调性能的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，在卫星接收AIS消息存在多路消息碰撞的条件下，解决消息碰撞导致的帧头帧尾位置不易判断的问题和弱信号无法解调的问题，最终将重叠的多路强弱不同的AIS信号解调出来。
本发明的技术解决方案是：一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，步骤如下：
(1)利用输入样值缓存存储足够的I、Q形式的复基带信号样值后，从滑动窗口的初始位置A开始取样值，共取出N个符号时间的样值，用于一次解调，其中N为正整数，表示一个滑动窗口的长度；
(2)对位置A+M到位置A+M+L-1总共L个符号时间的样值，利用联合参数估计方法对定时偏差和载波频偏进行参数估计，并利用参数估计结果对整个滑动窗口内信号进行符号同步和载波频率恢复；其中，整个窗口即为N个符号时间的样值，其中L为联合参数估计算法输入样值所占的符号时间数，A表示滑动窗口起始位置，M表示窗口以符号时间度量的滑动距离；
(3)对符号同步和载波频率恢复后的信号，利用非相干序列检测算法进行解调，得到比特序列判决结果；
(4)在上一步判决得到的比特序列中，从前往后寻找帧头，若找到A+M+32的位置还没有找到帧头，则结束本次解调，窗口向后滑动M个符号时间后，以新窗口的开头为解调初始位置，进入步骤(1)进行下一次解调；若找到帧头，则在解调完一帧长度后进行CRC校验，实现一次完整的单重解调，并判断CRC校验结果，若CRC校验失败，则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；
(5)CRC校验失败，则将本次失败帧头的位置压入“失败帧头栈”中，用于指示下次解调；同时以本次失败帧头末端的位置为解调初始位置，进入步骤(1)继续进行新的解调；
(6)CRC校验成功，将成功解调的消息输出，同时使用本帧消息的比特序列对I、Q形式的复基带信号所包含的AIS信号进行重构，然后从输入样值缓存中的I、Q形式的复基带样值中减去重构后的信号，完成已解调信号的对消；所述的AIS信号重构包括比特组帧，GMSK调制，精确估计并施加频偏、相偏、时偏；
(7)对消完成后选取下一次解调起始位置：从步骤(5)中的“失败帧头栈”中取出最近一次失败解调帧头的起始位置，判断该位置与本次成功解调帧头的距离，若距离小于一帧的长度，则进入步骤(1)从该失败帧头位置重新开始一次解调；若距离大于一帧的长度，则选择从本次成功解调帧头的位置开始新一轮的解调。
本发明与现有技术的相比的有益效果：
(1)本发明采用基于滑动窗口的解调处理方法，针对卫星AIS多路信号碰撞导致帧头和帧尾不易判断的问题，利用滑动窗口不断移动位置进行解调，不在解调之前进行帧头判断，而是在解调得到比特序列之后才寻找帧头和帧尾，从而使帧头和帧尾的判断难度大大降低。
(2)本发明采用栈结构辅助的多重解调控制，为了在多路信号碰撞的情况下，尽量把每个有希望解调的帧都成功解调出来，利用“失败帧头栈”结构辅助的多重解调控制方法，根据每次解调结果的不同，结合栈中保存的失败帧头，控制下次解调的起始位置，成功实现多路信号的解调。
(3)本发明在进行解调时，从本次滑动窗口起始位置之后第M个样值开始的128个符号时间的样值进行解调，上述方式可以保证用于参数估计的样值段处于一个AIS帧中间的有效位置，避免出现选取段中包含帧头前或帧尾后的无效样值的情况，同时128个符号时间的样值可以保证参数估计有足够的精度，满足后续解调步骤的需要，采用128个符号时间是经过大量的实验和论证得到的结果，能够使得整个解调过程更加精准。
附图说明
图1为本发明利用滑动窗口对AIS消息解调的示意图；
图2为本发明栈结构辅助的多重解调控制流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的描述：
如图1、2所述，本发明一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，其特征在于步骤如下：
(1)利用输入样值缓存存储足够的I、Q形式的复基带信号样值后，从滑动窗口的初始位置A开始取样值，共取出N个符号时间的样值，用于一次解调，其中N为正整数，表示一个滑动窗口的长度；
(2)对位置A+M到位置A+M+L-1总共L个符号时间的样值，利用联合参数估计方法对定时偏差和载波频偏进行参数估计，并利用参数估计结果对整个滑动窗口内信号进行符号同步和载波频率恢复；其中，整个窗口即为N个符号时间的样值，其中L为联合参数估计算法输入样值所占的符号时间数，A表示滑动窗口起始位置，M表示窗口以符号时间度量的滑动距离；L取128；选取128个符号时间可以保证用于参数估计的样值段处于一个AIS帧中间的有效位置，避免出现选取段中包含帧头前或帧尾后的无效样值的情况，同时128个符号时间的样值可以保证参数估计有足够的精度，满足后续解调步骤的需要；
(3)对符号同步和载波频率恢复后的信号，利用非相干序列检测算法进行解调，得到比特序列判决结果；非相干序列检测算法采用基于Viterbi算法的非相干序列检测算法。
(4)在上一步判决得到的比特序列中，从前往后寻找帧头，若找到A+M+32的位置还没有找到帧头，则结束本次解调，窗口向后滑动M个符号时间后，以新窗口的开头为解调初始位置(新窗口指的是窗口向后滑动M个符号时间的位置)，进入步骤(1)进行下一次解调；若找到帧头，则在解调完一帧长度后进行CRC校验，实现一次完整的单重解调，并判断CRC校验结果，若CRC校验失败，则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；
得到判决比特序列后，在比特序列中寻找帧头(ITU-RM.1371标准规定AIS帧起始的32比特为“01010101010101010101010101111110”，我们将其视为帧头)。如果在从窗口起始位置开始的M+32个比特没有找到帧头，就停止本次帧头搜索，窗口向后滑动M个符号时间后，继续下一次解调。因为再往后找，即使找到了帧头，当前窗口内剩余的比特数也不够一个AIS帧了。如果在指定样值段内找到了帧头，那么当前窗口的解调就可以得到一个完整AIS帧，依据ITU-RM.1371标准的规定对该帧进行CRC校验，得到本次解调帧的校验结果。根据CRC校验结果是“成功”或“失败”，执行不同的后续处理；参数设置要求：滑动距离M的值与硬件处理速度有关，要保证为算法预留足够的处理时间；相邻两个滑窗重叠区的长度(N-M个符号时间)应大于一个默认AIS消息帧的长度，以保证在滑动过程中不漏掉任何一帧；
(5)CRC校验失败，则将本次失败帧头的位置压入“失败帧头栈”中，用于指示下次解调；同时以本次失败帧头末端的位置为解调初始位置，进入步骤(1)继续进行新的解调；
(6)CRC校验成功，将成功解调的消息输出，同时使用本帧消息的比特序列对I、Q形式的复基带信号所包含的AIS信号进行重构，然后从输入样值缓存中的I、Q形式的复基带样值中减去重构后的信号，完成已解调信号的对消；所述的AIS信号重构包括比特组帧，GMSK调制，精确估计并施加频偏、相偏、时偏；
由于常规解调过程中的参数估计采用的是非数据辅助的方式，所以参数估计的精度并不高。而要对消息的波形进行重构以用于信号抵消，就要求参数估计精度很高，才可以精确重构出原始信号波形，否则信号的抵消过程将对剩余有用信号造成明显的破坏。为提高重构过程的参数估计精度，我们把已解调的比特序列利用起来，用数据辅助的参数估计，得到对信号频偏、相偏、时偏和幅度的精确估计结果。然后，利用精估计结果，对重新调制的GMSK信号进行精确定时、频偏、相位和幅度的恢复。这样得到的重构信号，(近似)就是本次成功解调的AIS帧在解调之前的样值序列。从原始样值序列中减去本次重构信号，即可得到剩余的有用信号。
(7)对消完成后选取下一次解调起始位置：从步骤(5)中的“失败帧头栈”中取出最近一次失败解调帧头的起始位置，判断该位置与本次成功解调帧头的距离，若距离小于一帧的长度，则进入步骤(1)从该失败帧头位置重新开始一次解调；若距离大于一帧的长度，则选择从本次成功解调帧头的位置开始新一轮的解调。
本发明可以通过FPGA实现，整个算法资源消耗小，适合于宇航级可编程器件的实现。本发明的方法已经应用到实际的产品当中，成功实现了多重AIS信号的解调。多重解调的性能与信号碰撞的具体情况有关，如各路信号的相对时延、各路信号的相对功率大小、信噪比差异等。我们以三台信号源同时在相同频点上发出三路AIS信号，在三路信号的功率分别相差8dB、三路信号的相对时延随机变化、SNR等于20dB的情况下，解调器实测的性能大致为：第一重(最强)信号解调成功率大于95％，第二重信号解调成功率约35％，第三重(最弱)信号解调成功率约10％。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，其特征在于步骤如下：
(1)利用输入样值缓存存储足够的I、Q形式的复基带信号样值后，从滑动窗口的初始位置A开始取样值，共取出N个符号时间的样值，用于一次解调，其中N为正整数，表示一个滑动窗口的长度；
(2)对位置A+M到位置A+M+L-1总共L个符号时间的样值，利用联合参数估计方法对定时偏差和载波频偏进行参数估计，并利用参数估计结果对整个滑动窗口内信号进行符号同步和载波频率恢复；其中，整个窗口即为N个符号时间的样值，其中L为联合参数估计算法输入样值所占的符号时间数，A表示滑动窗口起始位置，M表示窗口以符号时间度量的滑动距离；
(3)对符号同步和载波频率恢复后的信号，利用非相干序列检测算法进行解调，得到比特序列判决结果；
(4)在上一步判决得到的比特序列中，从前往后寻找帧头，若找到A+M+32的位置还没有找到帧头，则结束本次解调，窗口向后滑动M个符号时间后，以新窗口的开头为解调初始位置，进入步骤(1)进行下一次解调；若找到帧头，则在解调完一帧长度后进行CRC校验，实现一次完整的单重解调，并判断CRC校验结果，若CRC校验失败，则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；
(5)CRC校验失败，则将本次失败帧头的位置压入“失败帧头栈”中，用于指示下次解调；同时以本次失败帧头末端的位置为解调初始位置，进入步骤(1)继续进行新的解调；
(6)CRC校验成功，将成功解调的消息输出，同时使用本帧消息的比特序列对I、Q形式的复基带信号所包含的AIS信号进行重构，然后从输入样值缓存中的I、Q形式的复基带样值中减去重构后的信号，完成已解调信号的对消；所述的AIS信号重构包括比特组帧，GMSK调制，精确估计并施加频偏、相偏、时偏；
(7)对消完成后选取下一次解调起始位置：从步骤(5)中的“失败帧头栈”中取出最近一次失败解调帧头的起始位置，判断该位置与本次成功解调帧头的距离，若距离小于一帧的长度，则进入步骤(1)从该失败帧头位置重新开始一次解调；若距离大于一帧的长度，则选择从本次成功解调帧头的位置开始新一轮的解调。
2.根据权利要求1所述的一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，其特征在于：步骤(2)中所述的L取128。
3.根据权利要求1所述的一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，其特征在于：步骤(3)中非相干序列检测算法采用基于Viterbi算法的非相干序列检测算法。
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