CN114422002A - 一种基于自适应波束形成的广域ais监视装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，涉及AIS空中监视技术领域。该装置包括天线单元、波束合成模块、AIS报文处理机、报文信息融合模块及信号方位计算和预报模块；本发明采用AIS报文信号接收的等边三角形AIS天线阵列的基础上，利用AIS系统特点，实现对报文时隙、频点和信源方位的预报；进而利用先验信息对AIS同时隙同频点报文进行自适应波束形成，实现空间分集接收。本发明通过相对简单的结构和软硬件配置，实现了自适应波束形成的空间分集的效果，减小监视系统受同时隙、同频点信号冲突的影响，提高AIS监视效率，扩大AIS的监控范围，为准确实时监控大范围海域舰船信息提供了能力支撑。

Description

一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置
技术领域
本发明涉及AIS空中监视技术领域，具体涉及一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置。
背景技术
民用AIS系统时分频分混合复用技术，系统使用2个信道，并将每分钟分为2250个时隙。参与AIS网络的AIS设备在侦听其他广播报文的基础上，利用自组织时分多址接入(SOTDMA)并广播自身的船只信息，与周围船只共同实现自组织通信，达到避撞的效果。
民用AIS系统中，水面船舶受通视条件限制，参与平台数量有限，通过SOTDMA方式形成的自组织子网能够达到足够小时隙冲突，并且与其他子网构成一个无边界、平滑过渡的整体，使参与到其中的船舶均能够充分获得周围船舶的信息。
AIS空中监视平台通过空中平台接收和处理水面船舶AIS广播报文，从而获取广域船舶态势信息。空中监视平台的通视范围随着平台高度提高而迅速扩大，覆盖范围远超船舶自组织子网，使得空中监视平台的接收处理中面临严重报文冲突问题。
为了改善空中监视平台的性能，在不更改现有AIS系统的条件下通常从空域和时域处理两方面入手，即使用多阵元的阵列天线分离更多波达方向的信号，或者利用信号时域估计方法实现重叠信号的分离，降低同时隙接收信号冲突概率，提升系统监视容量和监视范围。
现有技术中，从空域分离冲突信号就对天线提出了较高的要求，阵列天线的装配条件、相应的体积、重量和处理代价远高于常规AIS天线。从时域分离信号是利用盲信号分离的方法实现同频同时信号的分离，如FASTICA方法等。盲信号分离处理需对接收信号进行实时自适应处理，其设计复杂度、处理代价远大于传统AIS接收处理，工程实现难度高。
总之现有技术中AIS空中监视装置的软、硬件配置复杂，广域AIS监视中存在不能有效分离同时隙同频点冲突报文，且由于信号冲突导致的报文成功获取概率随监视范围扩大而下降的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术广域AIS监视中存在不能有效分离同时隙同频点冲突报文，且由于信号冲突导致的报文成功获取概率随监视范围扩大而下降的问题。
本发明目的在于提供一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，该装置在不更改现有AIS、不显著增加天线复杂度和接收处理的条件下，利用多通道天线硬件设备结合AIS系统特点，实现了自适应波束形成的空间分集处理方式，可有效分离同时隙同频点冲突报文，提高空海AIS监视效率，扩大AIS的监控范围，为准确实时监控大范围海域舰船信息提供了能力支撑。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，该AIS监视装置包括天线单元、波束合成模块、AIS报文处理机、报文信息融合模块及信号方位计算和预报模块；
所述天线单元，用于从发射AIS信号的信源获取若干组AIS无线电信号，并传输至波束合成模块；
所述波束合成模块，用于根据获取的AIS无线电信号及信号方位信息预报确定具有相对互补天线方向图特性的波束合成加权系数；根据所述波束合成加权系数进行波束合成，得到合成后的结果；并把合成后的结果通过通道传输至对应AIS报文处理机进行报文信息提取；针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；
所述报文信息融合模块，用于接收AIS报文处理机提取的报文信息，并对所述报文信息进行融合；
所述信号方位计算和预报模块，用于从融合后的报文信息中提取信源位置信息，并结合该AIS监视装置位置计算信号的方位角预测值，同时，根据ITDMA和SOTDMA报文中时隙预约相关的信息预报相同信源的未来发射时隙；在此基础上，逐个将下一时隙在AIS1和AIS2两个频点的报文信号方位预报传送到波束合成模块；实现对报文时隙、频点和信源方位的预报。
工作原理是：基于现有技术中AIS空中监视装置的软、硬件配置复杂，广域AIS监视中存在不能有效分离同时隙同频点冲突报文，且由于信号冲突导致的报文成功获取概率随监视范围扩大而下降的问题。本发明设计了一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，在现有AIS报文处理机的基础上，本发明装置在不更改现有AIS、不显著增加天线复杂度和接收处理的条件下，设计了配合的天线单元、波束合成模块、报文信息融合模块及信号方位计算和预报模块，利用多通道天线硬件设备结合AIS系统特点，实现了自适应波束形成的空间分集，可有效分离同时隙同频点冲突报文，提高空海AIS监视效率，扩大AIS的监控范围，为准确实时监控大范围海域舰船信息提供了能力支撑。
本发明一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置适用于监视范围远大于AIS自组织半径工作状态下的空中平台，能够在较少增加现有天线、信道和处理的条件下，通过相对简单的结构和软硬件配置，达到自适应空间分集的效果，减小监视系统受同时隙、同频点信号冲突的影响，提高AIS监视效率。本发明不需要复杂的天线单元，软硬件要求低，在平台上安装条件要求低，具有很强实用价值。
进一步地，所述天线单元是一个由全向阵元以等边三角形形状分布的三单元阵。
进一步地，相邻所述全向阵元的间距为0.5～0.7倍波长。
进一步地，所述波束合成模块根据获取的三组AIS无线电信号，确定4组波束合成加权系数，其中2组用于AIS1频点、2组用于AIS2频点；
所述波束合成模块在AIS1频点、AIS2频点上确定波束合成加权系数采用相同方式，对于AIS1频点或AIS2频点上确定的波束合成加权系数包括加权系数A和加权系数B。
进一步地，所述的针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；包括：
当无先验时，即预报的报文数量为0，所述加权系数A为[1,exp(2jπ/3),exp(-2jπ/3)]T，所述加权系数B为[1,exp(-2jπ/3),exp(2jπ/3)]T，加权系数A、B对应空间上互补的天线方向图。
进一步地，所述的针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；包括：
当有先验时，且预报的报文数量为1，采用加权系数A形成接收预报报文的波束，并利用MVDR算法计算加权系数；
采用加权系数B形成接收其他未知方向可能存在的信号的波束，并利用LCMV算法计算加权系数。
进一步地，所述的针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；包括：
当有先验时，且预报的报文数量为2，采用加权系数A形成接收第一个预报报文的波束，加权系数B形成接收第二个预报报文的波束；并利用MVDR算法将2个方位交替视为有用信号和干扰信号分别计算加权系数。
进一步地，所述AIS1频点为161.975MHz，所述AIS2频点为162.025MHz。
进一步地，所述AIS1频点或AIS2频点上，每个频点上发送的预报的报文数量为0～2个。
进一步地，该AIS监视装置适用于监视范围远大于AIS自组织半径工作状态下的空中平台。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置能够在较少增加现有天线、信道和处理的条件下，通过相对简单的结构和软硬件配置，实现了自适应波束形成的空间分集的效果，减小监视系统受同时隙、同频点信号冲突的影响，提高AIS监视效率，扩大AIS的监控范围，为准确实时监控大范围海域舰船信息提供了能力支撑。本发明不需要复杂的天线单元，软硬件要求低，在平台上安装条件要求低，具有很强实用价值。本发明适用于监视范围远大于AIS自组织半径工作状态下的空中平台。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置原理框图。
图2为本发明无先验信息条件下A、B两种阵列加权系数对应的天线方向图。
图3为本发明有先验信息条件下预报1个方位为150度报文信号时的天线方向图示例。
图4为本发明有先验信息条件下预报2个方位报文信号时的天线方向图示例，两个方位分别为150度和80度。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，该AIS监视装置包括天线单元、波束合成模块、AIS报文处理机、报文信息融合模块及信号方位计算和预报模块；
所述天线单元，用于从发射AIS信号的信源获取若干组AIS无线电信号，并传输至波束合成模块；
所述波束合成模块，用于根据AIS无线电信号及信号方位预报确定具有相对互补天线方向图特性的波束合成加权系数；根据波束合成加权系数进行波束合成，得到合成后的结果；并把合成后的结果传输至对应AIS报文处理机进行报文信息提取；针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；
即本实施例中首先，天线单元获取三组AIS无线电信号；其次，波束合成模块在逐个时隙为2个AIS频点独立地确定2组波束合成加权系数，并完成每组加权系数对应的3个天线通道到1个合成通道的转换；其中，确定的波束合成加权系在无先验信息或存在不同先验信息时有所区别。
所述报文信息融合模块，用于接收AIS报文处理机提取的报文信息，并对所述报文信息进行融合；
所述信号方位计算和预报模块，用于从融合后的报文信息中提取信源位置信息，并结合该AIS监视装置位置(即图1中本机位置)计算信号的方位角预测值，同时，根据ITDMA和SOTDMA报文中时隙预约相关的信息预报相同信源的未来发射时隙；在此基础上，逐个将下一时隙在AIS1和AIS2两个频点的报文信号方位预报传送到波束合成模块；实现对报文时隙、频点和信源方位的预报。
其中，AIS报文处理机采用现有技术中的AIS报文处理机即可，而其余部分为本发明一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置的特有设计。
本实施例中，所述天线单元是一个由全向阵元以等边三角形或相近形状分布的三单元阵AIS天线阵列。并且相邻所述全向阵元的间距为0.5～0.7倍波长(约1～1.3m)。
进一步地，所述波束合成模块根据获取的三组AIS无线电信号，确定4组波束合成加权系数，其中2组用于AIS1(161.975MHz)频点、2组用于AIS2(162.025MHz)频点；
所述波束合成模块在AIS1频点、AIS2频点上确定波束合成加权系数采用相同方式，对于AIS1频点或AIS2频点上确定的波束合成加权系数包括加权系数A和加权系数B。
所述AIS1频点或AIS2频点上，每个频点上发送的预报的报文数量为0～2个。
工作原理是：基于现有技术中AIS空中监视装置的软、硬件配置复杂，广域AIS监视中存在不能有效分离同时隙同频点冲突报文，且由于信号冲突导致的报文成功获取概率随监视范围扩大而下降的问题。本发明设计了一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，在现有AIS报文处理机的基础上，本发明装置在不更改现有AIS、不显著增加天线复杂度和接收处理的条件下，设计了配合的天线单元、波束合成模块、报文信息融合模块及信号方位计算和预报模块，利用多通道天线硬件设备结合AIS系统特点，实现了自适应波束形成的空间分集，可有效分离同时隙同频点冲突报文，提高空海AIS监视效率，扩大AIS的监控范围，为准确实时监控大范围海域舰船信息提供了能力支撑。
本发明一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置适用于监视范围远大于AIS自组织半径工作状态下的空中平台，能够在较少增加现有天线、信道和处理的条件下，通过相对简单的结构和软硬件配置，达到自适应空间分集的效果，减小监视系统受同时隙、同频点信号冲突的影响，提高AIS监视效率。本发明不需要复杂的天线单元，软硬件要求低，在平台上安装条件要求低，具有很强实用价值。
实施例2
如图1、图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，确定波束合成加权系数的步骤在2个频点上相同，因此这里只对单个频点的步骤进行说明，具体如下：
当无先验信息条件下，即预报的报文数量为0，该AIS监视装置按照图1中的实线流向执行，工作过程为：首先，天线单元从发射AIS信号的信源获取三组AIS无线电信号，并传输至波束合成模块；其次，波束合成模块根据获取的三组AIS无线电信号及信号方位信息预报(这时，即预报的报文数量为0)确定波束合成加权系数；根据所述波束合成加权系数进行波束合成，得到合成后的结果，并把合成后的结果通过A通道、B通道传输至对应AIS报文处理机A、AIS报文处理机B进行报文信息提取；并输出提取的报文信息。
具体地，采用加权系数A为[1,exp(2jπ/3),exp(-2jπ/3)]T和加权系数B为[1,exp(-2jπ/3),exp(2jπ/3)]T，加权系数A、B对应空间上互补的天线方向图，如图2所示。该方向图能够达到优于单个全向天线的覆盖能力，并具有显著的空间选择性，可改善无先验信息条件下的报文信号信干比。
实施例3
如图1、图3、图4所示，本实施例与实施例2的区别在于，当有先验信息条件下，即预报的报文数量为1或2，该AIS监视装置按照图1中的实线加虚线流向执行，工作过程为：
首先，天线单元从发射AIS信号的信源获取三组AIS无线电信号，并传输至波束合成模块；其次，波束合成模块根据获取的三组AIS无线电信号及根据所述信号方位计算和预报模块得到的信号方位信息预报(这时，即预报的报文数量为1或2)确定波束合成加权系数；根据所述波束合成加权系数进行波束合成，得到合成后的结果；并把合成后的结果通过A通道、B通道传输至对应AIS报文处理机A、AIS报文处理机B进行报文信息提取；并输出提取的报文信息。同时，传输提取的报文信息至所述报文信息融合模块。然后，报文信息融合模块接收两个AIS报文处理机提取的报文信息，并对所述报文信息进行融合；当两个AIS报文处理机输出报文相同时只输出一条报文。最后，信号方位计算和预报模块从融合后的报文信息中提取信源位置信息，并结合该AIS监视装置位置计算信号的方位角预测值，同时，根据ITDMA和SOTDMA报文中时隙预约相关的信息预报相同信源的未来发射时隙；在此基础上，逐个将下一时隙在AIS1和AIS2两个频点的报文信号方位预报传送到波束合成模块；每个频点上发送的预报报文数量为0～2个。本发明实现对报文时隙、频点和信源方位的预报。
具体地，预报的报文数量为1(有先验)时，采用加权系数A形成接收预报报文的波束，用MVDR算法在与预报报文信号相距60、120、180、240和300度的方位上假设存在干扰信号，并计算加权系数，当其他未知方向存在信号时，预报报文方向信号可获得较大信干比；采用加权系数B形成接收其他未知方向可能存在的信号的波束，用LCMV算法计算加权系数，当其他未知方向存在信号时，未知方向存在信号可获得较大信干比。例如预报报文信号方位为150度，计算所得的A、B加权系数对应的天线方向图如图3所示。
具体地，预报的报文数量为2(有先验)时，采用加权系数A形成接收第一个预报报文的波束，加权系数B形成接收第二个预报报文的波束，用MVDR算法将2个方位交替视为有用信号和干扰信号分别计算加权系数，使2个信号分别在A、B通道上获得较大信干比。例如预报报文信号方位为150度和80度，计算所得的A、B加权系数对应的天线方向图如图4所示。
本实施例(1)采用AIS报文信号接收的等边三角形AIS天线阵列的基础上，(2)利用AIS系统特点，实现对报文时隙、频点和信源方位的预报；(3)在(1)、(2)基础上利用先验信息对AIS同时隙同频点报文进行自适应波束形成，实现空间分集接收。
本发明装置在不更改现有AIS、不显著增加天线复杂度和接收处理的条件下，利用多通道天线硬件设备结合AIS系统特点，实现了自适应波束形成的空间分集，可有效分离同时隙同频点冲突报文，提高空海AIS监视效率，扩大AIS的监控范围，为准确实时监控大范围海域舰船信息提供了能力支撑。本发明AIS监视装置适用于监视范围远大于AIS自组织半径工作状态下的空中平台。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，该装置包括天线单元、波束合成模块、AIS报文处理机、报文信息融合模块及信号方位计算和预报模块；
所述天线单元，用于从信源获取若干组AIS无线电信号，并传输至波束合成模块；
所述波束合成模块，用于根据AIS无线电信号及信号方位预报确定具有相对互补天线方向图特性的波束合成加权系数；根据波束合成加权系数进行波束合成，得到合成后的结果；并把合成后的结果传输至对应AIS报文处理机进行报文信息提取；针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；
所述报文信息融合模块，用于接收AIS报文处理机提取的报文信息，并对其进行融合；
所述信号方位计算和预报模块，用于从融合后的报文信息中提取信源位置信息，并结合该装置位置计算信号的方位角预测值，以及预报相同信源的未来发射时隙；同时，根据持续建立的预报，逐个提取未来最近一个时隙的报文信号方位预报传送到波束合成模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，所述天线单元是一个由全向阵元以等边三角形形状分布的三单元阵。
3.根据权利要求2所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，相邻所述全向阵元的间距为0.5～0.7倍波长。
4.根据权利要求2所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，所述波束合成模块根据获取的三组AIS无线电信号，确定4组波束合成加权系数，其中2组用于AIS1频点、2组用于AIS2频点；
所述波束合成模块在AIS1频点、AIS2频点上确定波束合成加权系数采用相同方式，对于AIS1频点或AIS2频点上确定的波束合成加权系数包括加权系数A和加权系数B。
5.根据权利要求4所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，所述的针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；包括：
当无先验时，即预报的报文数量为0，所述加权系数A为[1,exp(2jπ/3),exp(-2jπ/3)]T，所述加权系数B为[1,exp(-2jπ/3),exp(2jπ/3)]T，加权系数A、B对应空间上互补的天线方向图。
6.根据权利要求4所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，所述的针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；包括：
当有先验时，且预报的报文数量为1，采用加权系数A形成接收预报报文的波束，并利用MVDR算法计算加权系数；
采用加权系数B形成接收其他未知方向可能存在的信号的波束，并利用LCMV算法计算加权系数。
7.根据权利要求4所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，
所述的针对无先验、有先验分别形成不同空间分集的方向图对应的加权系数；包括：
当有先验时，且预报的报文数量为2，采用加权系数A形成接收第一个预报报文的波束，加权系数B形成接收第二个预报报文的波束；并利用MVDR算法将2个方位交替视为有用信号和干扰信号分别计算加权系数。
8.根据权利要求4所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，所述AIS1频点为161.975MHz，所述AIS2频点为162.025MHz。
9.根据权利要求4所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，所述AIS1频点或AIS2频点上，每个频点上发送的预报的报文数量为0～2个。
10.根据权利要求1所述的一种基于自适应波束形成的广域AIS监视装置，其特征在于，该AIS监视装置适用于监视范围远大于AIS自组织半径工作状态下的空中平台。
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