CN115347978B - 一种识别ais帧头数据的方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种识别AIS帧头数据的方法、装置及存储介质，包括：S1，接收AIS信号，解调为音频信号后采集；S2，将采集的时域数据帧通过快速傅里叶变换转换成频谱图；S3，对频谱图进行分析，将最大能量对应的频率为2400hz且最大能量区域的能量占比大于预定的能量占比阈值的数据帧初步判断为AIS帧头数据；S4，当连续采集到两个AIS帧头数据时，将两个连续的AIS帧头数据以及其前一个数据帧和后一个数据帧组成的数据组作为帧头缓存数据；S5，将帧头缓存数据与AIS标准帧头数据以流动窗口的形式进行相关系数计算，确定帧头起始位置。利用上述技术方案，利用频谱图来判断帧头数据，降低了总体的计算量。

Description

一种识别AIS帧头数据的方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及AIS技术领域，特别是涉及一种识别AIS帧头数据的方法、装置及存储介质。

背景技术

船舶自动识别系统(AIS，Automatic identification System)是一种船舶导航设备，其集成了计算机网络技术、无线通信技术等，将船舶的船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息向附近区域广播，同时接收附近区域的广播消息，以避免船舶发生碰撞。

根据AIS系统的技术标准可知，AIS信号的调制方式是根据带宽进行调整的调频高斯滤波最小频移键控(GMSK)。AIS接收系统在接收到高频载波的AIS信号后，对其进行GMSK解调，获得音频信号，然后再通过译码获得比特流。

图1示出了从连续信号中解析出AIS基带信号主要包括的步骤，具体为：AD采样、帧同步、位同步、bit判决、纠错和编码输出。为了实现上述的AIS基带信号的解析，首先必须从连续杂乱的信号中识别出帧头，才能区别有效信号和噪音信号，继而实现帧同步和位同步。通过将采集到的数据与AIS标准帧头数据进行相关计算，可以判断是否为AIS帧头数据，但由于连续信号的输入，如果以流动窗口的方式对采集到的数据进行相关性计算，则计算量巨大且耗时长，不符合实际场景的实时解析。

发明内容

本发明的实施例提供了一种识别AIS帧头数据的方法、装置及存储介质，以通过较少的计算量高效地识别出AIS信号的帧头数据。

为了实现上述目的，一方面提供了一种识别AIS帧头数据的方法，包括：

S1，接收AIS信号，将所述AIS信号解调为音频信号，按预定的比特采样率对所述音频信号进行采集；

S2，将采集到的时域数据帧经过窗函数提取后，通过快速傅里叶变换转换成频域的频谱图；

S3，对所述频谱图的频谱能量分布进行分析，将最大能量对应的频率为2400hz且最大能量区域的能量占比大于预定的能量占比阈值的频谱图所对应的数据帧初步判断为AIS帧头数据；

S4，当根据频谱图确定连续采集到两个AIS帧头数据时，将所述两个连续的AIS帧头数据以及所述两个连续的AIS帧头数据的前一个数据帧和后一个数据帧组成的数据组作为帧头缓存数据记录下来；

S5，将所述帧头缓存数据与AIS标准帧头数据以流动窗口的形式进行相关系数计算，确定帧头数据的起始位置。

优选地，所述的方法，其中，在所述步骤S5之前还包括将所述帧头缓存数据输入4800hz的低通滤波器进行滤波的步骤；

且在所述步骤S5中，将经过4800hz低通滤波器进行滤波后的数据与标准AIS帧头数据以流动窗口的形式进行相关系数计算，当计算结果大于预定的相关系数阈值时，确定所述AIS帧头数据为有效AIS帧头数据。

优选地，所述的方法，其中，所述步骤S5中，确定有效AIS帧头数据之后还包括：S6，将计算得到的相关系数接近为1的位置确定所述有效AIS帧头数据的帧头起始位置，其中接近为1指的是距离1的差值小于预定的阈值。

优选地，所述的方法，其中，所述4800hz的低通滤波器为等纹波低通滤波器。

优选地，所述的方法，其中，在所述步骤S6之后，还包括：

S7，对所述有效AIS帧头数据的峰峰值取平均，得到直流分量；

S8，获取所述有效AIS帧头数据与所述直流分量相交的交点位置，并根据所述相交的位置确定所述有效AIS帧头数据中比特起始的位置。

优选地，所述的方法，其中，所述AIS信号的帧头长度为24bit，所述步骤S2中，比特采样率为8，经过窗函数提取后一次处理的数据帧的长度为64个数据。

优选地，所述的方法，其中，使用双线程同步识别AIS帧头数据；当第一线程识别出AIS帧头数据并继续进行后续有效性判断时，启用第二线程检测是否有新的AIS帧头。

另一方面，提供了一种识别AIS帧头数据的装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有至少一段程序，所述至少一段程序由处理器执行以实现上文任一所述的方法。

又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其中，所述存储介质中存储有至少一段程序，所述至少一段程序由所述处理器执行以实现如上文任一所述的方法。

又一方面，提供了一种包括上文所述计算机可读存储介质的AIS设备。

上述技术方案具有如下技术效果：

本发明实施例的识别AIS帧头数据的技术方案在对接收的连续AIS信号后解调并采集后，通过利用快速傅里叶变换将采集的预定长度的时域数据转换成频域的频谱图并对频谱图进行能量分布分析来初步确定AIS帧头数据，而无需对连续信号持续进行相关系数计算，减少了计算量。

在进一步的实施例中，初步确定AIS帧头数据并记录帧头缓存数据之后，对帧头缓存数据进行4800hz的低通滤波，然后再针对滤波后的帧头缓存数据进行相关系数计算来确定有效的AIS帧头数据及其实际的帧起始位置；进而再确定直流分量和帧头数据的bit起始位置，从而减少了总体计算量，并提高了数据包帧头检测的准确性；

在进一步的实施例中，通过双线程同步识别AIS帧头数据，避免了新帧的漏掉，且在两条AIS信号发生冲突时可以很好的读取信号较大AIS数据，进一步提高了数据包帧头检测的准确性。

附图说明

图1为现有技术的从连续信号中解析出AIS基带信号的流程示意图；

图2-1为提取的干净原始帧信号示例；图2-2为图2-1所示的时域信号对应的频谱图；图2-3为叠加了一定信纳比的噪声后的原始帧信号示例；图2-4为图2-3所示的时域信号对应的频谱图；

图3为本发明一实施例的识别AIS帧头数据的方法的流程示意图；

图4-1为标准的AIS帧头同步信号示例；图4-2为缓存的原始帧头数据示例；图4-3为将图4-2的原始帧头数据进行4800hz滤波后的数据波形；图4-4为将图4-3所示波形与图4-1所示标准帧头同步信号进行相关系数计算获得的结果；

图5为本发明实施例的识别AIS帧头数据的装置的结构示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例一：

AIS的波特率是9600，其数据帧是以连续24bit的01010101训练位构成的，经过NRZI转码后则为00110011，经过高斯滤波器后，则形成2400hz的正弦波。本发明的实现基于上述认识。进一步地，发明人发现：一组信号叠加了噪音信号后，只要其信纳比大于一定值的话，其频谱特性并不会发生较大的变化。例如，参见图2-1、图2-2、图2-3和图2-4，其中图2-1为提取的干净的原始帧信号示例，图2-2为图2-1的时域信号对应的频谱图。如图2-2，该频谱图中，最大能量对应的频率＝2400hz，最大能量区域对应的能量占比＝0.89206。图2-3为提取的叠加了一定信纳比的噪声后的原始帧信号，图2-4为图2-3对应时域信号的频谱图。该图中，最大能量对应的频率＝2400hz，最大能量区域对应的能量占比＝0.52021。图2-2和图2-4所示频谱图的频谱特性并未发生较大的变化。由此可知，连续输入的信号，在利用窗函数将其分割成固定长度的数据后，通过傅里叶变换获取到频谱图，通过分析这个频谱图的频谱能量是否仍集中在2400hz，可以初步判定对对应的时域数据是否为帧头数据后。初步确定为帧头数据后，再通过简化的相关系数来计算相关性可以更加高效地判断出有效的帧头数据，且总体计算量不大。

如图3，本发明一实施例的识别AIS帧头数据的方法包括如下步骤：

S1，接收AIS信号，将AIS信号解调为音频信号，按预定的比特采样率对所述音频信号进行采集。

接收到AIS信号后通过硬件解调，将MSK调制信号解调为音频信号，以预定的比特(bit)采样率sps来采集AIS基带数据；示例性地，该实施例中sps取8，因为AIS信号的波特率为9600，因此总采样率为9600*8，数据包帧头长度为24*8＝192比特。

S2，将采集到的时域数据帧经过窗函数提取后，通过快速傅里叶变换转换成频域的频谱图。

利用频谱分析初步判断是否为帧头数据，其中AIS的帧头长度为24bit，用x来表示一次处理数据帧的长度，即通过窗函数提取x长度的数据帧，然后将其通过傅里叶变换转换成频域的频谱图。

优选地，x取64，即一次处理64个数据，这可以保证至少连续两个数据帧都能够完全位于AIS帧头数据之中，同时x为2的N次方，方便使用快速傅里叶变换，提高计算效率。再者，取帧头缓冲长度为64*4，能够保证完全包含AIS帧头数据。

S3，对频谱图的频谱能量分布进行分析，将最大能量对应的频率为2400hz且最大能量区域的能量占比大于预定的能量占比阈值的频谱图所对应的数据帧初步判断为AIS帧头数据。

其中，在该步骤确定的AIS帧头数据为初步确定的帧头数据；能量占比阈值预先设定，优选地，如可以为0.5。

S4，当根据频谱图确定连续采集到两个AIS帧头数据时，将所述两个连续的AIS帧头数据以及两个连续的AIS帧头数据的前一个数据帧和后一个数据帧组成的数据组作为帧头缓存数据记录下来。该实施例中，共4个数据帧的数据组作为帧头缓存数据。该例中，一次处理数据帧的长度为64比特，因此帧头缓存长度为64*4比特。

S5，将帧头缓存数据与AIS标准帧头数据以流动窗口的形式进行相关系数计算，确定帧头数据的起始位置。

具体地，在步骤S5之前，还包括：将所记录的帧头缓存数据输入4800hz的低通滤波器进行滤波的步骤。示例性地，这里的滤波器使用equiripple等纹波低通滤波器。且在步骤S5中，将滤波后的数据以流动窗口的形式依次与标准AIS帧头数据进行相关系数计算，当计算结果大于预定的相关系数阈值时，确定所述AIS帧头数据为有效AIS帧头数据。通过该步骤即成功地获取到了AIS帧头的起始位置。图4-1示出了标准的AIS帧头同步信号；图4-2示出了缓存的原始帧头数据示例；图4-3示出了将图4-2的原始帧头数据进行4800hz滤波后的数据波形；图4-4示出了将图4-3所示波形与图4-1所示标准帧头同步信号进行相关系数计算获得的结果。由图4-4可知，从相关系数值为接近为1的点开始，后面的数据即为有效的帧头数据了。即，根据计算得到的相关系数接近为1的位置可以确定出有效AIS帧头数据的帧头起始位置。其中接近为1指的相关系数的值距离1的差值小于预定的阈值。

通过两组数据的相关系数的计算，可以判断两种数据的相关程度，当相关系数大时，即得认为两组数据相关。该实施例中仅需对滤波后的、缓存的帧头数据进行相关计算，与对连续信号进行相关计算相比，计算量小很多。

上述步骤实现了对AIS同步信号的识别，即实现了帧同步，为了后续的bit判决，还必须做到位同步。通过对获取到的同步信号即对有效AIS帧头数据的峰峰值取平均，得到直流分量，再通过获取同步信号即有效AIS帧头数据与直流分量相交的交点位置推算出bit起始的位置，即为位同步。此时便可值AIS数据帧准确的起始位置，作为后续bit判断的基础。

具体地，首先求出有效帧头数据与直流分量交点的位置，其交点位置应该为2*sps的整数倍，该例中2*sps＝16，但因噪音干扰会有偏差，计算出各个交点的偏差值，即计算与实际应该为交点位置的2*sps的整数倍对应的点相比的偏差值，取所有交点的偏差值平均后的值为整段帧头数据的偏差值；整段帧头数据的偏差值再加上sps/2，该例中sps/2＝4，即得到了bit起始点。

进一步地，在实际的AIS信号传输过程中，可能出现当前帧还未发射完成，即有新的大信号数据帧发出，在空中会覆盖掉旧帧尾部的信息，为避免在出现该情况时，AIS解码漏掉新的数据帧，使用双线程同步识别AIS帧头数据；当第一线程识别出AIS帧头数据并继续进行后续bit判决等步骤时，启用第二线程检测是否有新的AIS帧头。具体地，对每通道信号都启用两路解码，设置主路解码和备用路解码，为节约储存空间和提高效率，备用路解码只针对帧头进行解析。当备用路识别到新的帧头时，则停止主路的解析，将备用路信息转移到主路来，由主路继续往下解析，备用路则重新识别是否有新的ais帧头。本发明实施例采用的双线程检测数据包帧头，避免了新帧的漏掉，且在两条AIS信号发生冲突时可以很好的读取信号较大AIS数据。

实施例二：

本发明还提供一种识别AIS帧头数据的装置，如图5所示，该装置包括处理器501、存储器502、总线503、以及存储在所述存储器502中并可在所述处理器501上运行的计算机程序，处理器501包括一个或一个以上处理核心，存储器502通过总线503与处理器501相连，存储器502用于存储程序指令，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例一的上述方法实施例中的步骤。

进一步地，作为一个可执行方案，所述识别AIS帧头数据的装置可以是计算机单元，该计算机单元可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机单元可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述计算机单元的组成结构仅仅是计算机单元的示例，并不构成对计算机单元的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。例如所述计算机单元还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等，本发明实施例对此不做限定。

进一步地，作为一个可执行方案，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述计算机单元的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机单元的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计算机单元的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

实施例三：

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述方法的步骤。

所述计算机单元集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以进行适当的增减。

本发明实施例还提供了一种包括上述计算机可读存储介质的AIS设备。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种识别AIS帧头数据的方法，其特征在于，包括：

S1，接收AIS信号，将所述AIS信号解调为音频信号，按预定的比特采样率对所述音频信号进行采集；

S2，将采集到的时域数据帧经过窗函数提取后，通过快速傅里叶变换转换成频域的频谱图；

S3，对所述频谱图的频谱能量分布进行分析，将最大能量对应的频率为2400hz且最大能量区域的能量占比大于预定的能量占比阈值的频谱图所对应的数据帧初步判断为AIS帧头数据；

S4，当根据频谱图确定连续采集到两个AIS帧头数据时，将所述两个连续的AIS帧头数据以及所述两个连续的AIS帧头数据的前一个数据帧和后一个数据帧组成的数据组作为帧头缓存数据记录下来；

S5，将所述帧头缓存数据与AIS标准帧头数据以流动窗口的形式进行相关系数计算，确定帧头数据的起始位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S5之前还包括将所述帧头缓存数据输入4800hz的低通滤波器进行滤波的步骤；

且在所述步骤S5中，将经过4800hz低通滤波器进行滤波后的数据与标准AIS帧头数据以流动窗口的形式进行相关系数计算，当计算结果大于预定的相关系数阈值时，确定所述AIS帧头数据为有效AIS帧头数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，确定有效AIS帧头数据之后还包括：S6，将计算得到的相关系数接近为1的位置确定所述有效AIS帧头数据的帧头起始位置，其中接近为1指的是距离1的差值小于预定的阈值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述4800hz的低通滤波器为等纹波低通滤波器。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S6之后，还包括：

S7，对所述有效AIS帧头数据的峰峰值取平均，得到直流分量；

S8，获取所述有效AIS帧头数据与所述直流分量相交的交点位置，并根据所述相交的位置确定所述有效AIS帧头数据中比特起始的位置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AIS信号的帧头长度为24bit，所述步骤S2中，比特采样率为8，经过窗函数提取后一次处理的数据帧的长度为64个数据。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，使用双线程同步识别AIS帧头数据；当第一线程识别出AIS帧头数据并继续进行后续的bit判决步骤时，启用第二线程检测是否有新的AIS帧头。

8.一种识别AIS帧头数据的装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有至少一段程序，所述至少一段程序由处理器执行以实现如权利要求1至7任一所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一段程序，所述至少一段程序由处理器执行以实现如权利要求1至7任一所述的方法。

10.一种包括权利要求9所述计算机可读存储介质的AIS设备。