CN106899316A - 多天线天基ais接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多天线天基AIS接收机，包含天线阵列、射频前端和数字处理单元。天线阵列包含多个单极子天线，接收海洋船舶AIS信号；射频前端包含多个射频接收通道，完成射频信号放大滤波和变频；数字处理单元采用盲分离和差分解调方法，完成多时隙碰撞信号分离解调。本发明优点在于分离时隙碰撞信号数量多、解调方法简单，能够有效监视高船舶密度海域；对阵列构型和孔径没有特殊要求，特别适合小卫星平台。

Description

多天线天基AIS接收机
技术领域
本发明属于卫星通信领域，尤其涉及一种多天线天基AIS接收机。
背景技术
船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)是近年来国际海事组织大力推广的一种海事交通管制系统，用于实现船岸间以及船舶之间的交管通信，避免船只碰撞事故的发生。但是AIS信号地面传播受视线限制(典型通信距离在20海里左右)，地面无法实现大范围、远距离接收，而卫星覆盖区域广，可实现远距离AIS信号接收，掌握大范围海区乃至全球区域的海事交通情况。
由于卫星具有高速运动和大范围观测的特点，因此天基观测对AIS信号的接收处理与在地面船载、岸基接收时的情形有很大不同，必须考虑同信道干扰等特殊问题。AIS系统以自组织时分多址(SO-TDMA)方式广播船只信息，在每个自组织区域内，不同船只占据不同时隙进行通信(TDMA)，彼此之间不会发生时隙碰撞，因此地面接收不用考虑同信道干扰问题。而卫星AIS接收系统有较大的观测范围，天线波束往往覆盖多个自组织区域，因此来自不同区域船只的AIS信号到达卫星接收机时可能出现在同一时隙(即时隙碰撞)，尤其在卫星波束覆盖港口附近、繁忙水道等船只密集区域的情形下，AIS信号出现时隙碰撞的概率是较大的。若碰撞信号之间的功率差别(载波干扰比C/I)小于10dB，则接收机由于同信道干扰(CCI)而无法正确解调该时隙的信号，从而导致相应的船只信息丢失。
单天线天基AIS接收技术采用干扰抵消方法，首先利用Viterbi解调方法，从碰撞信号中恢复出强信号的信息序列，并采用参数估计方法精确估计出强信号的相位和频率；然后根据估计的信息序列、相位和频率，采用GMSK调制方法，重新调制出强信号，并将恢复出的强信号与原始碰撞信号相减；最后，对剩余的弱信号进行解调处理。该技术仅能实现2个时隙碰撞的AIS信号的分离与解调，并且要求碰撞信号的功率差大于5dB，所以，无法实现高概率碰撞的繁忙水域的船舶监视。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多天线天基AIS接收机，克服了单天线天基AIS接收机载波干扰比要求高、解时隙碰撞能力弱的缺点，实现了大空域范围内，强同频干扰环境下多AIS信号分离解调，满足高速增长的海上运输和远洋贸易对海上交通大区域、全天候、高概率的监视需求。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多天线天基AIS接收机，包括依次设置的天线阵列、射频前端和数字处理单元。
所述天线阵列包括并联的N个四分之一波长的单极子天线，N≥2，用于接收海洋船舶发射的AIS信号。
所述射频前端包括M个并联的射频接收模块，M＝N，M个射频接收模块分别对应接收N个单极子天线的AIS信号，并分别将其放大滤波，并一次下变频至中频信号。
所述数字处理单元包括依次连接的A/D采样和接口模块、信号检测和预处理模块、信号分离模块、信号解调模块、数据存储模块和数据传输模块，信号检测和预处理模块再与数据存储模块连接，A/D采样和接口模块接收射频前端的中频信号，将其转换为数字中频信号，并将其送入信号检测和预处理模块，信号检测和预处理模块对数字中频信号进行帧头检测、数字抽取滤波、数字下变频，得到数字基带信号，将数字基带信号送入信号分离模块进行信号分离，之后送入信号解调模块，进行解调，得到有效的AIS报文信息，再通过数据传输模块传输。
进一步地，所述射频接收模块包括依次连接的第一LC带通滤波器、低噪声放大器、第二LC带通滤波器、第一LC低通滤波器、射频放大器、混频器、第二LC低通滤波器、第一晶体带通滤波器、第一中频放大器、第二晶体带通滤波器、第二中频放大器。
第一LC带通滤波器接收单极子天线输入的AIS信号，用于信道预选，滤除远端带外干扰信号，将滤除干扰信号后的AIS信号送入低噪声放大器进行信号低噪声放大，将经过低噪声放大后的信号送入第二LC带通滤波器滤除带通滤波器寄生通带干扰后，送入第一LC低通滤波器，滤除第二LC带通滤波器远端的干扰，并送入射频放大器，进行信号放大，将放大后的信号送入混频器，将射频信号下变频至中频信号，将中频信号送入第二LC低通滤波器滤除混频器的镜像干扰后，送入第一晶体带通滤波器，滤除邻信道强干扰信号，并将其送入第一中频放大器中进行中频信号放大，将放大后的中频信号送入第二晶体带通滤波器，再次滤除邻信道强干扰信号，最后送入第二中频放大器，将中频信号放大。
进一步地，所述A/D采样和接口模块包括ADC接口控制模块和P个并联的A/D转换器，P＝N，P个并联的A/D转换器分别与ADC接口控制模块连接；P个并联的A/D转换器分别采集射频前端输出的信号采样，ADC接口控制模块，用于A/D转换器接口和采样时序控制，并将其送入信号检测和预处理模块。
进一步地，所述信号分离模块采用盲分离方法。
进一步地，所述信号解调模块包括依次连接的频偏估计模块、符号定时模块、差分解调模块、寻找起始标志模块、CRC校验模块，频偏估计模块与差分解调模块连接，频偏估计模块将信号分离后的数字基带信号进行多普勒偏移补偿，之后送入符号定时模块，确定最佳比特采样时刻，再通过差分解调模块进行信息恢复，寻找起始标志模块进行帧同步，最后通过CRC校验模块进行信息纠错，得到有效的AIS报文信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)可实现多时隙碰撞信号分离和解调，能够有效监视高船舶密度海域。
(2)不严格要求阵列通道一致性，对阵列构型和孔径没有特殊要求，大大降低了工程实现难度，且性能不依赖于空域分辨率，特别适合小卫星平台。
(3)无须采用复杂信号解调方法，降低实现复杂度。
附图说明
图1是本发明所述的多天线天基AIS接收机整体结构示意图。
图2是本发明所述的射频接收模块结构示意图。
图3是本发明所述的信号分离模块原理示意图。
图4是本发明所述的信号分离模块处理流程图。
图5是本发明所述的信号解调模块原理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种多天线天基AIS接收机，包括依次设置的天线阵列1、射频前端2和数字处理单元3。
所述天线阵列1包括并联的N个四分之一波长的单极子天线，N≥2，用于接收海洋船舶发射的AIS信号。
所述射频前端2包括M个并联的射频接收模块，M＝N，M个射频接收模块分别对应接收N个单极子天线的AIS信号，并分别将其放大滤波，并一次下变频至中频信号。
所述数字处理单元3包括依次连接的A/D采样和接口模块31、信号检测和预处理模块32、信号分离模块33、信号解调模块34、数据存储模块35和数据传输模块36，信号检测和预处理模块32再与数据存储模块35连接，A/D采样和接口模块31接收射频前端2的中频信号，将其转换为数字中频信号，并将其送入信号检测和预处理模块32，信号检测和预处理模块32对数字中频信号进行帧头检测、数字抽取滤波、数字下变频，得到数字基带信号，将数字基带信号送入信号分离模块33进行信号分离，之后送入信号解调模块34，进行解调，得到有效的AIS报文信息，再通过数据传输模块36传输。
结合图2，所述射频接收模块包括依次连接的第一LC带通滤波器211、低噪声放大器212、第二LC带通滤波器213、第一LC低通滤波器214、射频放大器215、混频器216、第二LC低通滤波器217、第一晶体带通滤波器218、第一中频放大器219、第二晶体带通滤波器2110、第二中频放大器2111。
第一LC带通滤波器211接收单极子天线输入的AIS信号，用于信道预选，滤除远端带外干扰信号，将滤除干扰信号后的AIS信号送入低噪声放大器212进行信号低噪声放大，将经过低噪声放大后的信号送入第二LC带通滤波器213滤除带通滤波器寄生通带干扰后，送入第一LC低通滤波器214，滤除第二LC带通滤波器213远端的干扰，并送入射频放大器215，进行信号放大，将放大后的信号送入混频器216，将射频信号下变频至中频信号，将中频信号送入第二LC低通滤波器217滤除混频器216的镜像干扰后，送入第一晶体带通滤波器218，滤除邻信道强干扰信号，并将其送入第一中频放大器219中进行中频信号放大，将放大后的中频信号送入第二晶体带通滤波器2110，再次滤除邻信道强干扰信号，最后送入第二中频放大器2111，将中频信号放大。
所述A/D采样和接口模块31包括P个并联的A/D转换器和ADC接口控制模块315，P＝N，P个并联的A/D转换器分别与ADC接口控制模块315连接；P个并联的A/D转换器分别采集射频前端输出的信号采样，ADC接口控制模块315，用于A/D转换器接口和采样时序控制，并将其送入信号检测和预处理模块32。
结合图3和图4，所述信号分离模块33采用盲分离方法，实现多个时隙碰撞信号的分离。多个AIS信号组成源信号s＝[s1,…,sn]T，信道响应函数和阵列响应函数归并为混合矩阵A，所以输入的混合信号x＝As。W是解混矩阵，x通过解混矩阵后，所得输出y(即y＝Wx)是分离后信号，是源信号最优逼近。
盲分离方法，步骤如下：
首先中心化接收到的AIS时隙碰撞信号x，并对中心化后的数据进行白化处理，得到白化矩阵Z；根据白化矩阵，估计分离信号个数Ms；进入迭代循环，若当前循环次数i<Ms，则随机初始化解混向量wi，并计算如下代价函数：
其中，第i个分离的信号白化矩阵白化自相关矩阵N1为接收AIS信号的数据长度。若当前循环次数i≥Ms，则退出循环，根据最优解混矩阵计算分离输出的信号y＝WZ。
结合图5，所述信号解调模块34包括依次连接的频偏估计模块、符号定时模块、差分解调模块、寻找起始标志模块、CRC校验模块，频偏估计模块与差分解调模块连接，频偏估计模块将信号分离后的数字基带信号进行多普勒偏移补偿，之后送入符号定时模块，确定最佳比特采样时刻，再通过差分解调模块进行信息恢复，寻找起始标志模块进行帧同步，最后通过CRC校验模块进行信息纠错，得到有效的AIS报文信息。
实施例1如下：
一种多天线天基AIS接收机，包括依次设置的天线阵列1、射频前端2和数字处理单元3。
所述天线阵列1包括并联的四个四分之一波长的单极子天线，分别为第一单极子天线11、第二单极子天线12、第三单极子天线13和第四单极子天线14，用于接收海洋船舶发射的AIS信号。
所述射频前端2包括四个并联的射频接收模块，分别为第一射频接收模块21、第二射频接收模块22、第三射频接收模块23和第四射频接收模块24，四个射频接收模块分别对应接收四个单极子天线的AIS信号，并分别将其放大滤波，并一次下变频至中频信号。
所述数字处理单元3包括依次连接的A/D采样和接口模块31、信号检测和预处理模块32、信号分离模块33、信号解调模块34、数据存储模块35和数据传输模块36，信号检测和预处理模块32再与数据存储模块35连接，A/D采样和接口模块31接收射频前端2的中频信号，将其转换为数字中频信号，并将其送入信号检测和预处理模块32，信号检测和预处理模块32对数字中频信号进行帧头检测、数字抽取滤波、数字下变频，得到数字基带信号，将数字基带信号送入信号分离模块33进行信号分离，之后送入信号解调模块34，进行解调，得到有效的AIS报文信息，再通过数据传输模块36传输。数据存储模块35采用flash存储。
所述射频接收模块包括依次连接的第一LC带通滤波器211、低噪声放大器212、第二LC带通滤波器213、第一LC低通滤波器214、射频放大器215、混频器216、第二LC低通滤波器217、第一晶体带通滤波器218、第一中频放大器219、第二晶体带通滤波器2110、第二中频放大器2111；
第一LC带通滤波器211接收单极子天线输入的AIS信号，用于信道预选，滤除远端带外干扰信号，将滤除干扰信号后的AIS信号送入低噪声放大器212进行信号低噪声放大，将经过低噪声放大后的信号送入第二LC带通滤波器213滤除带通滤波器寄生通带干扰后，送入第一LC低通滤波器214，滤除第二LC带通滤波器213远端的干扰，并送入射频放大器215，进行信号放大，将放大后的信号送入混频器216，将射频信号下变频至中频信号，将中频信号送入第二LC低通滤波器217滤除混频器216的镜像干扰后，送入第一晶体带通滤波器218，滤除邻信道强干扰信号，并将其送入第一中频放大器219中进行中频信号放大，将放大后的中频信号送入第二晶体带通滤波器2110，再次滤除邻信道强干扰信号，最后送入第二中频放大器2111，将中频信号放大。
所述A/D采样和接口模块31包括第一A/D转换器311、第二A/D转换器312、第三A/D转换器313、第四A/D转换器314和ADC接口控制模块315，第一A/D转换器311、第二A/D转换器312、第三A/D转换器313、第四A/D转换器314并联，且分别与ADC接口控制模块315连接；四路并联的A/D转换器分别采集射频前端输出的信号采样，采样率设置为384kHz，ADC接口控制模块315，用于A/D转换器接口和采样时序控制，并将其送入信号检测和预处理模块32。
所述信号分离模块33采用盲分离方法。
所述信号解调模块34包括依次连接的频偏估计模块、符号定时模块、差分解调模块、寻找起始标志模块、CRC校验模块，频偏估计模块与差分解调模块连接，频偏估计模块将信号分离后的数字基带信号进行多普勒偏移补偿，弥补多普勒频移对于解调的影响，之后送入符号定时模块，确定最佳比特采样时刻，弥补信号时延对于解调信号的影响，再通过差分解调模块进行信息恢复，寻找起始标志模块进行帧同步，搜索AIS信息帧中特殊起始标志，得到有效信息位，最后通过CRC校验模块进行信息纠错，得到有效的AIS报文信息。
综上所述，本发明可实现多时隙碰撞信号分离和解调，能够有效监视高船舶密度海域。不严格要求阵列通道一致性，对阵列构型和孔径没有特殊要求，大大降低了工程实现难度，且性能不依赖于空域分辨率，特别适合小卫星平台。无须采用复杂信号解调方法，降低实现复杂度。

Claims (5)

1.一种多天线天基AIS接收机，其特征在于，包括依次设置的天线阵列（1）、射频前端（2）和数字处理单元（3）；
所述天线阵列（1）包括并联的N个四分之一波长的单极子天线，N≥2，用于接收海洋船舶发射的AIS信号；
所述射频前端（2）包括M个并联的射频接收模块，M=N，M个射频接收模块分别对应接收N个单极子天线的AIS信号，并分别将其放大滤波，并一次下变频至中频信号；
所述数字处理单元（3）包括依次连接的A/D采样和接口模块（31）、信号检测和预处理模块（32）、信号分离模块（33）、信号解调模块（34）、数据存储模块（35）和数据传输模块（36），信号检测和预处理模块（32）再与数据存储模块（35）连接，A/D采样和接口模块（31）接收射频前端（2）的中频信号，将其转换为数字中频信号，并将其送入信号检测和预处理模块（32），信号检测和预处理模块（32）对数字中频信号进行帧头检测、数字抽取滤波、数字下变频，得到数字基带信号，将数字基带信号送入信号分离模块（33）进行信号分离，之后送入信号解调模块（34），进行解调，得到有效的AIS报文信息，再通过数据传输模块（36）传输。
2.根据权利要求1所述的多天线天基AIS接收机，其特征在于，所述射频接收模块包括依次连接的第一LC带通滤波器（211）、低噪声放大器（212）、第二LC带通滤波器（213）、第一LC低通滤波器（214）、射频放大器（215）、混频器（216）、第二LC低通滤波器（217）、第一晶体带通滤波器（218）、第一中频放大器（219）、第二晶体带通滤波器（2110）、第二中频放大器（2111）；
第一LC带通滤波器（211）接收单极子天线输入的AIS信号，用于信道预选，滤除远端带外干扰信号，将滤除干扰信号后的AIS信号送入低噪声放大器（212）进行信号低噪声放大，将经过低噪声放大后的信号送入第二LC带通滤波器（213）滤除带通滤波器寄生通带干扰后，送入第一LC低通滤波器（214），滤除第二LC带通滤波器（213）远端的干扰，并送入射频放大器（215），进行信号放大，将放大后的信号送入混频器（216），将射频信号下变频至中频信号，将中频信号送入第二LC低通滤波器（217）滤除混频器（216）的镜像干扰后，送入第一晶体带通滤波器（218），滤除邻信道强干扰信号，并将其送入第一中频放大器（219）中进行中频信号放大，将放大后的中频信号送入第二晶体带通滤波器（2110），再次滤除邻信道强干扰信号，最后送入第二中频放大器（2111），将中频信号放大。
3. 根据权利要求1所述的多天线天基AIS接收机，其特征在于，所述A/D采样和接口模块（31）包括ADC接口控制模块（315）和P个并联的A/D转换器，P=N，P个并联的A/D转换器分别与ADC接口控制模块（315）连接；P个并联的A/D转换器分别采集射频前端输出的信号采样，ADC接口控制模块（315），用于A/D转换器接口和采样时序控制，并将其送入信号检测和预处理模块（32）。
4. 根据权利要求1所述的多天线天基AIS接收机，其特征在于，所述信号分离模块（33）采用盲分离方法。
5. 根据权利要求1所述的多天线天基AIS接收机，其特征在于，所述信号解调模块（34）包括依次连接的频偏估计模块、符号定时模块、差分解调模块、寻找起始标志模块、CRC校验模块，频偏估计模块与差分解调模块连接，频偏估计模块将信号分离后的数字基带信号进行多普勒偏移补偿，之后送入符号定时模块，确定最佳比特采样时刻，再通过差分解调模块进行信息恢复，寻找起始标志模块进行帧同步，最后通过CRC校验模块进行信息纠错，得到有效的AIS报文信息。
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