CN111934749A - 一种宽窄波束协同的星载ais报文实时接收处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统，包括：宽窄波束协同模块：多副VHF频段天线组成天线阵，多波束形成网络使天线阵形成多个宽、窄波束对AIS信号进行接收；多通道并行处理模块：采用多通道AIS接收机，每个通道处理单个波束接收到的AIS信号，完成信号的滤波、放大、采样以及报文的解调和船舶重要信息提取，同时具备解信号时隙冲突能力。本发明通过宽窄波束同时接收、多通道并行处理、重要信息星上提取、报文秒信息与星时同步等手段，具有综合提升船舶目标检测率，提取船舶精简信息，获取报文精确时戳等特点。

Description

一种宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统

技术领域

本发明涉及宇航飞行器技术领域。具体地，涉及一种宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统。

背景技术

自动识别系统(Automatic Identification System，简称AIS系统)是指一种应用于船和岸、船和船之间的海事安全与通信的新型助航系统。采用GMSK调制，以SOTDMA通信方式在海上VHF频段自动连续发送静态数据、航行相关信息和安全信息等，同时也自动接收周围船舶发出的这些信息，并与海岸基站进行信息交换。SOTDMA协议规定了每一个SOTDMA通信小区都被限制在约20海里的范围内，在同一小区内，用户之间通信时隙不重叠，从而不会产生相互干扰。由于大范围海域航行安全性、国防、环境保护的需要，近些年来提出了星载接收AIS信号的概念，通过星载手段接收AIS信号时，由于卫星覆盖视场范围很大，可覆盖多个自组织区域，来自不同自组织区域中的船只在相同时隙发送的AIS信号在被卫星接收时，发生时隙冲突的概率很大；另外，由于卫星覆盖区域内各船舶到卫星的距离不同，船只在不同时隙发送的AIS消息也有发生时隙冲突的可能。在发生时隙冲突的情况下，多重AIS信号完整解调难度很大，船舶检测率降低，此问题在港口等船舶密集区域更为严重。为了提高星载对AIS报文接收处理的效能，提升船舶检测率，需提出一种场景适应性强、船舶检测率高、智能化水平高的AIS报文接收处理系统。

专利申请号为CN1089931A，发明名称为“多天线天基AIS接收机”的专利，提出了一种采用多天线及多通道对AIS信号进行接收处理的系统，系统复杂度较低。但其天线波束覆盖范围固定，对不同船舶密度的区域适应性不强，同时不具备对报文重点信息提取能力，智能化程度较低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统。

根据本发明提供的一种宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统，其特征在于，包括：

宽窄波束协同模块：多副VHF频段天线组成天线阵，多波束形成网络使天线阵形成多个宽、窄波束对AIS信号进行接收；

多通道并行处理模块：采用多通道AIS接收机，每个通道处理单个波束接收到的AIS信号，完成信号的滤波、放大、采样以及报文的解调和船舶重要信息提取，同时具备解信号时隙冲突能力；

AIS报文实时解调解析模块：对收到的采用GMSK调制的AIS信号进行解调，得到原始报文，对其中包含重要信息的报文进行解析形成精简的船舶信息，同时提取报文中的秒信息与星上时间广播同步可得到船舶发送AIS报文的精确时间。

优选地，所述宽窄波束协同模块：

4副八木天线组成天线阵，多波束形成网络使天线阵形成1个宽波束和4个窄波束，宽波束指向星下点，通过bulter矩阵网络形成4个指向不同的窄波束，分别指向偏离星下点方向一定角度的4个位置，宽波束3dB波束宽度大于60°，窄波束6dB波束宽度小于60°。

优选地，所述宽窄波束协同模块：

宽波束视场较大，用于对远海等船舶稀疏区域广域接收；

窄波束视场较小，用于近海、繁忙航道等船舶密集区域，减少单波束视场内船舶数量，改善时隙冲突情况，提升系统在船舶密集区域的目标检测率，4个窄波束指向星下点不同方向，窄波束视场间相互拼接，扩展覆盖范围；

宽窄波束同时进行侦收，后端通道独立进行解调处理。

优选地，所述多通道并行处理模块：

多通道AIS接收机包括：射频前端模块、数字处理模块及二次电源模块；

二次电源模块将卫星平台母线转换为多种电压输出；

射频前端模块完成信号的预选、放大、滤波；

数字处理模块完成信号的采样、报文解调和船舶重要信息提取；

多通道AIS接收机接收机配置5个独立工作的通道，对5个波束的信号并行接收处理，同时具备对两重时隙冲突的信号解调的能力。

优选地，所述AIS报文实时解调解析模块：

令AIS接收机完成对AIS信号的解调，得到AIS原始报文，对报文中的消息ID字段进行解析获取其ID号，对消息ID为：1、2、3、5、18、19、27的消息进行解析；

根据不同消息ID对应的格式，对消息中的重要信息进行提取，生成统一格式的船舶重要信息；

所述完成对AIS信号的解调包括：通过对接收到的信号进行载波同步、符号同步、GMSK信号解调以及AIS帧解析校验；

所述重要信息包括：

船舶MMSI号、位置、航速、航向以及尺寸。

优选地，所述AIS报文实时解调解析模块：

获取以48位0.1ms计数的星上时间广播可以计算得到UTC时间的年，月，日，时，分信息，结合报文中的UTC秒信息，精确得到AIS报文的发送时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1)本发明采用宽窄波束协同设计，在船舶稀疏区域采用宽波束接收，在船舶密集区域采用多个指向不同的窄波束接收，对不同船舶密度区域适应性强，目标检测率高；

2)本发明采用多通道并行处理设计，每个处理通道可独立处理1个波束接收到的信号，并具备时隙冲突信号的处理能力，系统处理效率高、能力强；

3)本发明采用AIS报文实时解调解析设计，星上解析重点报文，形成船舶精简信息，利用星时广播计算报文发送精确时间，智能化程度高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统的具体系统组成示意图；

图2为四八木天线阵列组阵示意图；

图3为宽波束和窄波束覆盖示意图；

图4为船舶重要信息格式示意图。

具体实施方案

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统。采用宽窄波束协同设计：4副VHF频段天线组成天线阵，多波束形成网络使天线阵形成若干1个宽波束和4个窄波束对AIS信号进行接收，利用宽窄波束不同的对地覆盖视场提高对不同船舶密度区域的适应性，综合提升船舶检测率；多通道并行处理设计：采用五通道AIS接收机，每个通道处理单个波束接收到的AIS信号，完成信号的滤波、放大、采样以及报文的解调和船舶重要信息提取，同时具备解信号时隙冲突能力；

所述时隙冲突：1、时隙，是由AIS通信协议得来的，在一个小区域内自组织的通信协议，实现了不同的船发送报文都在不同的时隙内；2、星载接收地面AIS报文的情况下，由于接收范围的扩大，可以收到若干区域的AIS信号，所以可以接收到在时域、频域上有一定重叠的信号，类似于“同频多信号”的概念；3、时隙冲突是在AIS报文处理领域一个固定的说法，解时隙冲突是指在几个信号重叠的情况下，能够采用一定的方法对信号进行分离、解调。

AIS报文实时解调解析设计：对收到的采用GMSK调制的AIS信号进行解调，得到原始报文，对其中包含重要信息的报文进行解析形成精简的船舶信息，同时提取报文中的秒计数值与星上时间广播同步可得到船舶发送AIS报文的精确时间。

具体的，VHF天线采用八木天线，4副八木天线组成2X2的阵列，如图2所示。多波束形成网络采用bulter矩阵网络对四个八木天线形成不同的馈电相位，使阵列形成4个分别指向偏离星下点+X\-X\+Y\-Y方向各20°的窄波束和1个指向星下点的宽波束；宽波束3dB波束宽度大于60°，窄波束6dB波束宽度小于60°。宽波束视场较大，用于对远海等船舶稀疏区域广域接收；窄波束视场较小，用于近海、繁忙航道等船舶密集区域，减少单波束视场内船舶数量，改善时隙冲突情况，提升系统在船舶密集区域的目标检测率，窄波束视场间相互拼接，扩展覆盖范围，具体波束覆盖示意如图3所示。

具体的，多通道AIS接收机由射频前端、数字处理、二次电源模块组成，二次电源模块将卫星平台母线转换为多种电压输出，射频前端模块完成信号的预选、放大、滤波，数字处理模块完成信号的采样、报文解调和船舶重要信息提取。接收机可对A类终端信号：161.975MHz、162.025MHz，长距离终端信号：156.775MHz、156.825MHz共计4个频点进行接收处理。接收机配置5个独立工作的通道，可对5个波束的信号并行接收处理，采用时频联合同步、调制信号重构和干扰消除、组合算法解调等方法，实现解出二重时隙冲突信号。

具体的，AIS接收机通过对接收到的信号进行载波同步、符号同步、GMSK信号解调、AIS帧解析校验等步骤完成对AIS信号的解调，得到AIS原始报文，对报文中的消息ID字段进行解析获取其ID号，对消息ID为：1、2、3、5、18、19、27的消息进行解析。根据不同消息ID对应的格式，对消息中的船舶MMSI号、位置(经纬度)、航速、航向、尺寸等重要信息进行提取，生成统一格式的船舶重要信息，如图4所示。

国际电联无线电通信部门(ITU-R)，发布的关于AIS的标准《ITU-R M.1371-4建议书》中：AIS报文(或者称为AIS消息)，总共有27种不同的类型，用来表示：位置报告、基站报告、静态和航行相关数据、安全相关广播等等不同的信息，根据协议中对报文格式的规定，在每种报文的格式中前6个比特定义为的消息ID，27类消息对应使用消息ID为1～27。但这27个ID的消息中，一部分消息为不常用(正常状态下不发送)或者对星载AIS接收来说信息价值不大(例如UTC时间广播、安全相关的广播、助航设备消息等)。因此，本发明所设计的AIS系统，对所有消息进行解调，但只对含有重要信息的消息进行进一步解析，提取其中的重要信息，形成精简的信息。这些消息的ID为：1、2、3、5、18、19、27。

具体的，星上时间广播一般是以某一UTC时间为固定起点的48bit的0.1ms相对时间计数，而AIS原始报文中通常只给出发送此条报文的UTC时间的秒信息，根据以下计算可以得到发送报文的精确UTC时刻：T_AIS＝[INT(T_Sat/10^4×60)×60+S_AIS]/10^4，其中T_Sat为星时UTC广播，S_AIS为AIS报文秒信息，T_AIS为AIS报文发送UTC时刻。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统，其特征在于，包括：

宽窄波束协同模块：多副VHF频段天线组成天线阵，多波束形成网络使天线阵形成多个宽、窄波束对AIS信号进行接收；

多通道并行处理模块：采用多通道AIS接收机，每个通道处理单个波束接收到的AIS信号，完成信号的滤波、放大、采样以及报文的解调和船舶重要信息提取，同时具备解信号时隙冲突能力；

AIS报文实时解调解析模块：对收到的采用GMSK调制的AIS信号进行解调，得到原始报文，对其中包含重要信息的报文进行解析形成精简的船舶信息，同时提取报文中的秒信息与星上时间广播同步可得到船舶发送AIS报文的精确时间。

2.根据权利要求1所述的宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统，其特征在于，所述宽窄波束协同模块：

4副八木天线组成天线阵，多波束形成网络使天线阵形成1个宽波束和4个窄波束，宽波束指向星下点，通过bulter矩阵网络形成4个指向不同的窄波束，分别指向偏离星下点方向一定角度的4个位置，宽波束3dB波束宽度大于60°，窄波束6dB波束宽度小于60°。

3.根据权利要求1所述的宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统，其特征在于，所述宽窄波束协同模块：

宽波束视场较大，用于对远海等船舶稀疏区域广域接收；

窄波束视场较小，用于近海、繁忙航道等船舶密集区域，减少单波束视场内船舶数量，改善时隙冲突情况，提升系统在船舶密集区域的目标检测率，4个窄波束指向星下点不同方向，窄波束视场间相互拼接，扩展覆盖范围；

宽窄波束同时进行侦收，后端通道独立进行解调处理。

4.根据权利要求1所述的宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统，其特征在于，所述多通道并行处理模块：

多通道AIS接收机包括：射频前端模块、数字处理模块及二次电源模块；

二次电源模块将卫星平台母线转换为多种电压输出；

射频前端模块完成信号的预选、放大、滤波；

数字处理模块完成信号的采样、报文解调和船舶重要信息提取；

多通道AIS接收机接收机配置5个独立工作的通道，对5个波束的信号并行接收处理，同时具备对两重时隙冲突的信号解调的能力。

5.根据权利要求1所述的宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统，其特征在于，所述AIS报文实时解调解析模块：

令AIS接收机完成对AIS信号的解调，得到AIS原始报文，对报文中的消息ID字段进行解析获取其ID号，对消息ID为：1、2、3、5、18、19、27的消息进行解析；

根据不同消息ID对应的格式，对消息中的重要信息进行提取，生成统一格式的船舶重要信息；

所述完成对AIS信号的解调包括：通过对接收到的信号进行载波同步、符号同步、GMSK信号解调以及AIS帧解析校验；

所述重要信息包括：

船舶MMSI号、位置、航速、航向以及尺寸。

6.根据权利要求1所述的宽窄波束协同的星载AIS报文实时接收处理系统，其特征在于，所述AIS报文实时解调解析模块：

获取以48位0.1ms计数的星上时间广播可以计算得到UTC时间的年，月，日，时，分信息，结合报文中的UTC秒信息，精确得到AIS报文的发送时间。

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