CN111600647B - 一种星载ais信号多重时隙冲突能量检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，包括：突发能量起始检测模块，用于对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置；突发能量结束检测模块，用于对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的结束位置；数据切割和存储模块，用于根据起始位置和结束位置截取需处理的时隙信号并进行FIFO存储。结合AIS的发射信号特性和单天线接收的最大解调能力，面对多种复杂时隙冲突环境，设计了新型高效的信息确定和截取的方法，在确定了每重时隙冲突信号中强信号的起始位置的同时，保留了强信号和弱信号的消息完整长度，防止多重信号中各重信号的信息截断和丢失，提升了解多重时隙冲突的综合处理能力。

Description

一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及星载通信技术领域，具体涉及一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统及检测方法。

背景技术

星载AIS系统利用近地轨道卫星接收AIS信号，能够实现对天线覆盖范围所有海域内船舶的监测。船载AIS采用SOTDMA方式解决小区内时隙冲突问题，而在星载环境下，由于卫星视场内有成千上百个小区，各小区之间并没有协调机制，导致在同一时隙内，会出现两个或两个以上信号同时发射的情况，那么在卫星接收端就会导致混叠冲突信号的发生。

面对多种复杂时隙冲突环境，对混叠冲突信息解调时，目前存在的缺陷是：容易发生各重信号的信息截断和丢失，解调效率低下。

发明内容

为解决解调混叠冲突信息中存在的问题，本申请提供一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统及检测方法。

本发明提供的技术方案是：

本发明提供一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，包括：

突发能量起始检测模块，用于对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置；

突发能量结束检测模块，用于对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的结束位置；

数据切割和存储模块，用于根据所述起始位置和结束位置截取需处理的时隙信号，并进行FIFO存储。

进一步优选的，所述突发能量起始检测模块采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的上升沿，估算冲突混叠信号中强信号的起始位置和弱混叠信号的起始位置。

进一步优选的，所述突发能量结束检测模块采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的下降沿，估算冲突混叠信号中强信号的结束位置和弱混叠信号的结束位置。

进一步优选的，所述双台阶多滑动窗口的第一级台阶高度比值为AIS信号低解调信噪比的2倍，所述双台阶多滑动窗口的第二级台阶高度比值为单天线AIS接收时隙冲突信号功率比的1.6倍。

进一步优选的，所述双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置或结束位置，具体包括：

弱信号窗口采用一个滑动窗口，强信号窗口采用两个相邻的滑动窗口，强、弱信号间间隔一个滑动窗口，通过第一级台阶的比值关系和第二级台阶的比值关系确定双台阶信号的上升沿窗口或下降沿窗口；

判断两个相邻的滑动窗口的功率值是否大于噪声门限，若是，则将上升沿窗口位置或下降沿窗口位置发送至数据切割和存储模块。

进一步优选的，所述数据切割和存储模块根据所述起始位置和结束位置进行最大包络切割，且若判断出信号长度大于5个时隙，则以5个时隙进行切割。

本发明还提供一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测方法，包括步骤：

对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置；

对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的结束位置；

根据所述起始位置和结束位置截取需处理的时隙信号，并进行FIFO存储。

进一步优选的，采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的上升沿，估算冲突混叠信号中强信号的起始位置和弱混叠信号的起始位置；

及，采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的下降沿，估算冲突混叠信号中强信号的结束位置和弱混叠信号的结束位置。

进一步优选的，所述双台阶多滑动窗口的第一级台阶高度比值为AIS信号低解调信噪比的2倍，所述双台阶多滑动窗口的第二级台阶高度比值为单天线AIS接收时隙冲突信号功率比的1.6倍。

进一步优选的，所述双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置或结束位置，具体包括：

弱信号窗口采用一个滑动窗口，强信号窗口采用两个相邻的滑动窗口，强、弱信号间间隔一个滑动窗口，通过第一级台阶的比值关系和第二级台阶的比值关系确定双台阶信号的上升沿窗口或下降沿窗口；

判断两个相邻的滑动窗口的功率值是否大于噪声门限，若是，则将上升沿窗口位置作为突发信号的起始位置或将下降沿窗口位置作为突发信号的结束位置。

依据本发明提供的星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统及检测方法，具有的有益效果是：

结合AIS的发射信号特性和单天线接收的最大解调能力，面对多种复杂时隙冲突环境，设计了新型高效的信息确定和截取的方法，在确定了每重时隙冲突信号中强信号的起始位置的同时，保留了强信号和弱信号的消息完整长度，减少了后端信号解调中帧头同步扫描的搜索范围，防止了多重信号中各重信号的信息截断和丢失，提升了解多重时隙冲突的综合处理能力。

附图说明

图1为星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统原理图；

图2为时隙冲突及脉冲干扰滑窗检测示意图；

图3为解多重时隙冲突处理流程图；

图4为星载AIS信号多重时隙冲突能量检测方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

为了解决星载AIS通信系统在某些区域时隙冲突严重，有效接收解调消息效率低下的瓶颈，本申请提出了星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统及检测方法，采用双台阶多滑动窗能量检测算法，并根据接收的AIS信号特性给出了最佳设置参数，可以有效解决卫星接收到的目标信号信噪比低、时隙冲突严重的情况下的有效消息提取，为未来复杂、多功能的海上AIS信号接收应用打下了基础。

首先，需要说明的是，卫星接收AIS信号和船舶接收AIS信号之间有3个主要参数的不同，一是由于卫星与船舶相对高速运动导致星载AIS接收的混叠信号之间存在多普勒频移；二是由于不同距离功率衰减导致接收到的混叠信号源之间存在功率差；三是由于船舶与接收天线位置不同导致接收到的混叠信号源之间存在时延差。

这些因素对单天线接收的冲突信号分离及抗干扰解调算法都会产生重大影响。其中经过仿真和实测分析，对时隙冲突信号分离和解调影响最大的是功率差，单天线AIS接收时隙冲突信号如果功率差在4dB以下，冲突混叠的消息基本上都解不出，可以丢弃。

对于多重时隙冲突混叠信号的解调，每解一重混叠的AIS信号前都需要进行能量检测以确定最大幅度信号的起始位置和有效数据长度，为此，本申请提供一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，其原理图如图1所示，包括：突发能量起始检测模块、突发能量结束检测模块、数据切割和存储模块。

其中，突发能量起始检测模块用于对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置；突发能量结束检测模块用于对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的结束位置；数据切割和存储模块用于根据所述起始位置和结束位置截取需处理的时隙信号，并进行FIFO存储。

具体的，突发能量起始检测模块和突发能量结束检测模块，分别采用GPS的UTC帧头时刻范围估计和双台阶多滑动窗口结合的处理方法，根据卫星到船的最大和最小距离，评估出卫星上行突发信号最大延时和最小延时的差值ΔT，只对每个时隙开始时刻的ΔT数据进行多滑动窗口法检测。

例如，突发能量起始检测模块采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的上升沿，估算冲突混叠信号中强信号的起始位置和弱混叠信号的起始位置；突发能量结束检测模块采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的下降沿，估算冲突混叠信号中强信号的结束位置和弱混叠信号的结束位置。

本申请中的双台阶多滑动窗口包括第一级台阶和第二级台阶，其中，双台阶多滑动窗口的第一级台阶高度比值为AIS信号低解调信噪比的2倍，双台阶多滑动窗口的第二级台阶高度比值为单天线AIS接收时隙冲突信号功率比的1.6倍。通过该参数设置，以此适应低信噪比和时隙冲突信号低功率比的环境。

上述的参数是最佳参数，其理由是：因为AIS信号是GMSK调制，有效解调的最低门限是信噪比6dB，即至少幅度差2倍时的信噪比数据，若参数低于2倍后端解调超过理论极限值解不了，且第一阶台阶容易误判，故，第一级台阶高度比值为AIS信号低解调信噪比的2倍。经过大量仿真和理论分析，两个混叠信号功率差小于4dB(即幅度差1.6倍)是无法分离和正确解调出来的，第二级台阶目的是找到混叠后较大信号的位置，且确保这个较大信号截取出来后后续可以解调出来，故，第二级台阶高度比值为单天线AIS接收时隙冲突信号功率比的1.6倍。

本申请中采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置或结束位置，具体包括：

弱信号窗口采用一个滑动窗口，强信号窗口采用两个相邻的滑动窗口，强、弱信号间间隔一个滑动窗口，通过第一级台阶的比值关系和第二级台阶的比值关系确定双台阶信号的上升沿窗口或下降沿窗口；

判断两个相邻的滑动窗口的功率值是否大于噪声门限，若是，则将上升沿窗口位置或下降沿窗口位置发送至数据切割和存储模块。

数据切割和存储模块根据突发能量起始位置中最前面的位置和结束位置中最后面的位置进行最大包络切割。并根据单个AIS消息最大占用5个时隙的规则，若判断出信号长度大于5个时隙，则以5个时隙强行进行切割，切割后的信号进行FIFO存储和合路，然后传给后续的解调过程。

下面对多重时隙冲突能量检测的过程进行具体说明，具体请参考图2。

为保证解调信号无失真且消耗资源最小，对AIS的GMSK接收信号采用4倍符号速率过采样处理，因AIS信号在标准中规定功率上升沿或下降沿宽度小于8个符号，所以滑动窗口的大小最佳选择为32个采样点。

强、弱信号间间隔一个滑动窗口，基本上可以避开沿口宽度。如图2所示，弱信号端采用一个滑动窗口，起始检测中的窗口1，并间隔1个窗口(窗口2)，判断窗口3和窗口4和窗口1的比值关系，若窗口3和窗口4的32个采样点能量总和大于窗口1的2倍，且窗口3和窗口4的能量值大于噪声门限(噪声门限值根据实际硬件调试确认)，则确定检测到信号能量的第一级起始上升沿。

在检测到第一级上升沿后，若在信号结束下降沿以前检测到第二级滑动窗口c和d的能量值大于窗口a(其中a和c间隔1个窗口宽度，c和d窗口相邻)，则确定第二级起始上升沿位置。

其中，强信号窗口选用相邻的2个滑动窗口是为了消除图2中脉冲干扰信号的影响，防止后端的数据切割和存储模块误启动；第一级台阶高度比选择2倍是根据AIS最低解调信噪比能力；第二级台阶高度比选择1.6倍是根据单天线AIS解时隙冲突最大需要4dB功率差。以此适应低信噪比和时隙冲突信号低功率比的环境。

如图3所示，由于解每重时隙冲突时只解信号最强的那个，所以可以把剩余冲突信号统一看成信号弱的那个。强信号和弱信号冲突时隙根据时间差可分为三类情况。

若两个信号时延差很小则由一级台阶就可以确定起始位置。若时延差很大，则只有满足强信号幅度比弱信号幅度大1.6倍(功率差4dB)时才可能正确解调出强信号，此时在前面确定两级台阶的基础上，还要进一步判断窗口c和d是否大于窗口3和4幅度的2.6倍(强信号+弱信号)。若大于2.6倍则确定窗口c和d为本次优先解调的强信号的起始位置；若小于或等于2.6倍则以窗口3和4为本次解调的强信号起始位置。最后还要判断滑动窗口3、4、c、d的功率值是否大于噪声门限值，大于噪声门限则把强信号的上升沿窗口位置和整体数据截取的起始位置送给后续的数据切割和存储模块。

以上是对突发信号起始位置的检测，而对于突发信号的结束位置的估算方法类似于起始位置的估算方法，此处不作赘述。

本发明提供的星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，结合AIS的发射信号特性和单天线接收的最大解调能力，面对多种复杂时隙冲突环境，设计了新型高效的信息确定和截取的方法，在确定了每重时隙冲突信号中强信号的起始位置的同时，保留了强信号和弱信号的消息完整长度，减少了后端信号解调模块中帧头同步扫描的搜索范围，防止了多重信号中各重信号的信息截断和丢失，提升了解多重时隙冲突的综合处理能力。

基于上述的星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，本发明还提供一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测方法，其流程图如图4所示，具体包括以下步骤。

S100：对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置。

S200：对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的结束位置。

S300：根据起始位置和结束位置截取需处理的时隙信号，并进行FIFO存储。

其中，在S100中采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的上升沿，估算冲突混叠信号中强信号的起始位置和弱混叠信号的起始位置，在S200中采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的下降沿，估算冲突混叠信号中强信号的结束位置和弱混叠信号的结束位置。

具体的，双台阶多滑动窗口的第一级台阶高度比值为AIS信号低解调信噪比的2倍，双台阶多滑动窗口的第二级台阶高度比值为单天线AIS接收时隙冲突信号功率比的1.6倍；该参数的设置具体请参考上述描述，此处不作赘述。

双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置或结束位置，具体包括：

弱信号窗口采用一个滑动窗口，强信号窗口采用两个相邻的滑动窗口，强、弱信号间间隔一个滑动窗口，通过第一级台阶的比值关系和第二级台阶的比值关系确定双台阶信号的上升沿窗口或下降沿窗口；

判断两个相邻的滑动窗口的功率值是否大于噪声门限，若是，则将上升沿窗口位置作为突发信号的起始位置或将下降沿窗口位置作为突发信号的结束位置。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，其特征在于，包括：

突发能量起始检测模块，用于对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置；

突发能量结束检测模块，用于对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的结束位置；

数据切割和存储模块，用于根据所述起始位置和结束位置截取需处理的时隙信号，并进行FIFO存储；

其中，采用所述双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置或结束位置，具体包括：

弱信号窗口采用一个滑动窗口，强信号窗口采用两个相邻的滑动窗口，强、弱信号间间隔一个滑动窗口，通过第一级台阶高度比值为AIS信号低解调信噪比的2倍和第二级台阶高度比值为单天线AIS接收时隙冲突信号功率比的1.6倍确定突发信号的上升沿窗口或下降沿窗口；

判断两个相邻的滑动窗口的功率值是否大于噪声门限，若是，则将上升沿窗口位置或下降沿窗口位置发送至数据切割和存储模块。

2.如权利要求1所述的星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，其特征在于，所述突发能量起始检测模块采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的上升沿，估算冲突混叠信号中强信号的起始位置和弱混叠信号的起始位置。

3.如权利要求1所述的星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，其特征在于，所述突发能量结束检测模块采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的下降沿，估算冲突混叠信号中强信号的结束位置和弱混叠信号的结束位置。

4.如权利要求1所述的星载AIS信号多重时隙冲突能量检测系统，其特征在于，所述数据切割和存储模块根据所述起始位置和结束位置进行最大包络切割，且若判断出信号长度大于5个时隙，则以5个时隙进行切割。

5.一种星载AIS信号多重时隙冲突能量检测方法，其特征在于，包括步骤：

对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置；

对接收的多时隙冲突混叠的AIS信号采用双台阶多滑动窗口估算突发信号的结束位置；

根据所述起始位置和结束位置截取需处理的时隙信号，并进行FIFO存储；

其中，采用所述双台阶多滑动窗口估算突发信号的起始位置或结束位置，具体包括：

弱信号窗口采用一个滑动窗口，强信号窗口采用两个相邻的滑动窗口，强、弱信号间间隔一个滑动窗口，通过第一级台阶高度比值为AIS信号低解调信噪比的2倍和第二级台阶高度比值为单天线AIS接收时隙冲突信号功率比的1.6倍确定突发信号的上升沿窗口或下降沿窗口；

判断两个相邻的滑动窗口的功率值是否大于噪声门限，若是，则将上升沿窗口位置作为突发信号的起始位置或将下降沿窗口位置作为突发信号的结束位置。

6.如权利要求5所述的星载AIS信号多重时隙冲突能量检测方法，其特征在于，采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的上升沿，估算冲突混叠信号中强信号的起始位置和弱混叠信号的起始位置；

及，采用双台阶多滑动窗口检测突发信号的下降沿，估算冲突混叠信号中强信号的结束位置和弱混叠信号的结束位置。

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