張焱　馬金鑫

摘要：星載AIS分系統(tǒng)是一種運(yùn)行在低軌道衛(wèi)星上的AIS信號(hào)監(jiān)聽裝置，其主要功能為實(shí)現(xiàn)對(duì)星下可視范圍內(nèi)船舶AIS信號(hào)的監(jiān)聽和解調(diào)并將解調(diào)后的信息打包下傳至地面站。本文主要介紹了星載AIS分系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理、AIS的信號(hào)格式及AIS信號(hào)源的實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：AIS；信號(hào)格式；信號(hào)源

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0072-02

通用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡稱AIS）是一種新型的船舶避碰系統(tǒng)。船載AIS收發(fā)機(jī)是一種裝備在船舶上的信號(hào)收發(fā)裝置，該裝置一方面對(duì)外實(shí)時(shí)播發(fā)由傳感器收集和人工置入的船舶動(dòng)、靜態(tài)信息，另一方面捕獲周邊其他船舶的動(dòng)、靜態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)船舶對(duì)周邊海洋環(huán)境的實(shí)時(shí)掌握[1]。

星載AIS信號(hào)偵察系統(tǒng)，通過低軌道衛(wèi)星裝配，可收到幾百海里乃至上千海里內(nèi)船舶的AIS信號(hào)并下傳至地面站接收系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)國家周邊海域乃至全球海域的船舶信息跟蹤[2]?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，星載AIS系統(tǒng)目前受到各國的高度關(guān)注。

1 AIS系統(tǒng)概述

AIS分系統(tǒng)由AIS天線、AIS前置放大器、AIS接收機(jī)和高頻電纜組成。衛(wèi)星進(jìn)入在軌飛行段時(shí)，AIS分系統(tǒng)開機(jī)。AIS天線負(fù)責(zé)接收海面船臺(tái)發(fā)送的AIS信號(hào)，AIS分系統(tǒng)接收機(jī)主要完成AIS信號(hào)的接收、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。船舶臺(tái)站發(fā)出的VHF頻段信號(hào)經(jīng)由星載AIS天線接收后，經(jīng)過放大器，濾波、下變頻處理后，實(shí)現(xiàn)AIS信號(hào)的捕獲、跟蹤、解調(diào)功能，并生成AIS數(shù)字電文，通過LVDS信號(hào)接口作為偵聽數(shù)據(jù)接口，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給數(shù)傳分系統(tǒng)，通過1553B總線作為總線數(shù)據(jù)接口，與數(shù)管系統(tǒng)相交互，響應(yīng)整星的指令[3]。

2 信號(hào)格式簡介

AIS系統(tǒng)以幀為傳輸單元，每一幀包含數(shù)據(jù)576000bits，傳輸時(shí)間為1min。AIS系統(tǒng)每一幀的數(shù)據(jù)劃分為2250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的傳輸時(shí)長為26.67ms，傳輸數(shù)據(jù)量為256bit。

AIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式包括8bit的前置碼，24bit已知的訓(xùn)練序列，8bit起始標(biāo)志，168bit數(shù)據(jù)，16bit幀校驗(yàn)序列，8bit結(jié)束標(biāo)志以及24bit緩沖碼，總共256bit的數(shù)據(jù)組成[4]，如表1所示。

AIS系統(tǒng)采用GMSK的調(diào)制方式，對(duì)非歸零碼序列進(jìn)行了了一次高斯低通濾波，然后對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行MSK調(diào)制，即實(shí)現(xiàn)了GMSK調(diào)制。

AIS整個(gè)信號(hào)源實(shí)現(xiàn)過程為：

首先進(jìn)行NRZ編碼：

其中，為0，為輸入的0、1序列。將輸出進(jìn)行不歸零反轉(zhuǎn)；相位積分后分別得同向與正交支路。

由于同步序列與開始標(biāo)志為確定的數(shù)字序列，故取該32bit數(shù)字序列為本地訓(xùn)練序列，用于尋找采樣輸入的信號(hào)的訓(xùn)練序列位置并粗略估計(jì)頻偏值大小。

信號(hào)處理過程中采用4倍采樣，所以在取本地訓(xùn)練序列時(shí)將調(diào)制的GMSK序列每隔4個(gè)點(diǎn)取一個(gè)，最終得到本地訓(xùn)練序列[5]。IQ調(diào)試信號(hào)如圖1所示。添加噪聲，通過濾波器輸出，進(jìn)入基帶信號(hào)處理過程。

3 信號(hào)解調(diào)算法簡介

接收機(jī)硬件主芯片選用TI公司的SMJ320C6701浮點(diǎn)DSP，DSP的工作頻率為112MHz，外部總線寬度32 bits（字訪問模式）。AIS接收機(jī)采用線性相干解調(diào)算法對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理，接收機(jī)需要獲取信號(hào)的初始相位，并進(jìn)行精確的載波提取，需要接收機(jī)擁有本振、鎖相環(huán)、載波恢復(fù)電路等。信號(hào)處理流程主要為：頻偏粗估計(jì)、頻偏補(bǔ)償、FFT頻偏精確估計(jì)、FFT頻偏補(bǔ)償、相位估計(jì)、鎖相環(huán)、采樣判決、誤碼率判斷及三次采樣串行搜索。

GMSK調(diào)制信號(hào)可以看作一種線性相位調(diào)制，即OQPSK偏移正交相移鍵控，其正交支路較同相支路延時(shí)了一個(gè)碼元周期T。對(duì)同相支路和正交支路分別以兩個(gè)碼元周期2T為間隔進(jìn)行定時(shí)采樣，并且兩支路錯(cuò)開一個(gè)碼元周期T采樣。將對(duì)應(yīng)的同相分量和正交分量相乘，即可得到采樣輸出信號(hào)yn。

采樣后的信號(hào)yn再進(jìn)行判決輸出，為正，則判為1，為負(fù)，則判為0。得到判決數(shù)據(jù)an，最后經(jīng)差分譯碼輸出即為所得序列bn。如圖2所示，藍(lán)色實(shí)線為yn，紅色虛線為以0為門限所得到的判決數(shù)據(jù)an。

三次采樣串行搜索是指：通常捕獲偏離的采樣點(diǎn)在±1個(gè)點(diǎn)的區(qū)間范圍，為消除捕獲偏離采樣點(diǎn)帶來的誤碼、誤包影響，分別在原最佳單采樣點(diǎn)捕獲解調(diào)的方案上，加入了最佳采樣點(diǎn)附近±1，即三采樣點(diǎn)串行解調(diào)，形成三次循環(huán)計(jì)算，以誤碼率為判斷基準(zhǔn)，當(dāng)信號(hào)誤碼情況為0時(shí)，跳出循環(huán)，進(jìn)行下一個(gè)時(shí)隙的信號(hào)處理。

4 結(jié)語

本文主要介紹了AIS的信號(hào)格式及AIS信號(hào)源的實(shí)現(xiàn)過程，簡單介紹了AIS信號(hào)解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于工程實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[5]向哲，胡勤友，施朝健，楊春.基于AIS數(shù)據(jù)的受限水域船舶領(lǐng)域計(jì)算方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2015，15（05）：110-117.