張 昕，李洪星，陳 萍，方 莉

(1.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876;2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

2002年，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)提出了船舶用自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)［1］，并強制要求在海洋中航行的船舶使用。將AIS設(shè)備掛載至衛(wèi)星，即星載AIS可以實現(xiàn)對廣海域的持續(xù)監(jiān)視［2］。雖然國內(nèi)的船載和岸基AIS系統(tǒng)建設(shè)已趨于完善，但對星載AIS技術(shù)的研究相比國外仍較落后［2，3］。

由于AIS最初的設(shè)計沒有考慮到衛(wèi)星檢測AIS信號這樣的需求，因此星載AIS技術(shù)不可避免地要應(yīng)對新的技術(shù)挑戰(zhàn)［4］:① 衛(wèi)星的速度快，接收到的AIS信號有較大的多普勒頻偏;②由于衛(wèi)星檢測的覆蓋范圍較大，在同一時隙可能接收到2個或者多個信號的混疊。

面對技術(shù)挑戰(zhàn)，構(gòu)建星載AIS仿真系統(tǒng)進行深入研究十分重要。文獻［5］分析了不同信號參數(shù)對沖突信號解調(diào)性能的影響，但并未考慮船舶分布情況對不同信號參數(shù)組合概率的影響;文獻［6，7］提出了檢測概率的近似模擬方法，但船舶分布模型采用隨機均勻分布，并不符合實際情況;文獻［8］分析了船舶聚集在港口時的理論檢測概率，但沒有結(jié)合沖突信號解調(diào)算法進行分析。

綜上，現(xiàn)有AIS仿真系統(tǒng)中往往存在2個問題:①船舶分布數(shù)據(jù)不符合實際情況;② 理論檢測概率［7］和沖突信號解調(diào)算法仿真得到的檢測概率缺乏對比分析。針對以上2個問題，依據(jù)實際船舶分布情況，結(jié)合不同信號解調(diào)算法的檢測概率，搭建了星載AIS仿真平臺。

1 星載AIS系統(tǒng)

星載AIS系統(tǒng)中，船載AIS設(shè)備廣播信號，衛(wèi)星接收機接收信號并解調(diào)。待發(fā)送的二進制信息按照AIS國家標準［9］規(guī)定被封裝成如圖1所示的報文信息。

圖1 AIS幀結(jié)構(gòu)

圖1中，同步序列為“01”交替的二進制信息，校驗序列是長16 bit的CRC校驗序列，開始標志和結(jié)束標志均為“ 01111110”［9］。

封裝后的報文信息接著經(jīng)過NRZI變換和GMSK調(diào)制，其中GMSK調(diào)制的帶寬時延積BT=0.4。最后，GMSK調(diào)制信號對VHF發(fā)射機進行調(diào)頻［標準］后發(fā)送。調(diào)頻信號工作在2個信道，頻率分別為161.975 MHz和162.025 MHz，帶寬根據(jù)不同情況設(shè)定為 25 kHz或 12.5 kHz［9］。

星載AIS設(shè)備搭載在低軌衛(wèi)星上，衛(wèi)星在地面的掃描半徑r可根據(jù)下式計算

式中，R為地球半徑;h為衛(wèi)星高度。范圍內(nèi)不同船舶發(fā)送的信號在衛(wèi)星接收端有不同的功率、頻偏、時延和入射方向等信號參數(shù)，不同的信號參數(shù)對解調(diào)性能存在影響。掃描范圍確定后，即可根據(jù)船舶位置計算各參數(shù)。

船載AIS設(shè)備間通信由于統(tǒng)一采用了SOTDMA接入技術(shù)保障時隙的同步、確定初始時隙以及預(yù)約工作時隙。該技術(shù)會在通信范圍內(nèi)建立自組織區(qū)域，可以有效避免船舶間的時隙沖突。但星載AIS覆蓋范圍廣，可接收到來自多個自組織區(qū)域船舶發(fā)送的信號，因此可能產(chǎn)生時隙沖突［10］，如圖2所示。

圖2 時隙沖突示意

2個自組織小區(qū)相互獨立地分配時隙，被分配發(fā)送信號的時隙以灰色表示，時隙分配表在衛(wèi)星接收端疊加到一起，導(dǎo)致了表中有2個時隙存在沖突，沖突時隙在時隙表中以黑色表示。在沖突時隙中接收到的混疊信號稱為沖突信號，衛(wèi)星觀測范圍內(nèi)的船數(shù)越多，出現(xiàn)多重沖突信號的幾率就越大。接收到n重時隙沖突信號概率與觀測范圍內(nèi)船數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 沖突數(shù)概率與總船數(shù)關(guān)系曲線

圖3中，4條曲線分別表示500、1000、1500和2000艘船時，衛(wèi)星接收信號沖突重數(shù)的分布情況?？梢钥闯?，隨著船數(shù)的增多，接收到多重沖突信號的概率越來越高，而接收到無沖突信號的概率越來越低。

2 系統(tǒng)仿真方案設(shè)計

根據(jù)星載AIS系統(tǒng)特點和AIS信號生成方式，星載AIS系統(tǒng)級仿真方案設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 AIS仿真系統(tǒng)設(shè)計流程

仿真生成星載AIS數(shù)據(jù)，首先需要根據(jù)船舶分布情況建立船舶分布模型，該模型包含船舶的經(jīng)緯度、船號和信號發(fā)送間隔等信息。為了更符合真實情況，船舶分布數(shù)據(jù)可定期從航海網(wǎng)站抓取，以多次觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立船舶分布模型。

然后，使用船舶位置計算在衛(wèi)星接收端各船舶發(fā)送信號的功率、頻偏和時延等參數(shù)［11，12］。之后根據(jù)SOTDMA方法為所有信號分配時隙并模擬生成觀測時間內(nèi)衛(wèi)星接收到的AIS信號［13，14］。為了便于分析，假設(shè)衛(wèi)星觀測時間內(nèi)觀測范圍不變，且船舶在觀測時間內(nèi)近似靜止。

最后，假設(shè)解調(diào)算法可以正確解出N重沖突信號，根據(jù)時隙分配情況計算出理論船舶檢測概率，同時對信號使用解調(diào)算法解調(diào)，將解調(diào)結(jié)果與理論檢測概率對比分析。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 船舶分布模型

設(shè)定衛(wèi)星高度600 km，可根據(jù)式(1)計算出觀測范圍直徑約2880 nmile。以上海附近船舶平均分布情況為例，觀測范圍內(nèi)2013年10月～2014年3月，如圖5所示。

圖5 上海附近海域船舶分布

圖5中的圓圈表示該區(qū)域內(nèi)存在船舶，每個圓覆蓋的區(qū)域半徑20 nmile。設(shè)定掃描范圍內(nèi)的總船數(shù)后，將船舶隨機分配到各小區(qū)后模擬生成AIS信號。

3.2 參數(shù)分布情況

在圖5的基礎(chǔ)上，以衛(wèi)星正下方區(qū)域為參考位置，該位置功率為0 dB，頻偏為0 Hz。計算所有發(fā)送信號的功率和頻偏并統(tǒng)計其聯(lián)合分布概率，如圖6所示。

圖6 參數(shù)分布概率分布

由圖6可看出，該船舶分布模型衛(wèi)星接收到高功率信號的概率較高，而功率為5 dB的信號較少。

3.3 星載AIS設(shè)備接收信號仿真

船載設(shè)備的信號發(fā)送間隔根據(jù)船舶速度、船舶類型等參數(shù)確定，取值在2 s～3 min不等，仿真中發(fā)送間隔設(shè)定為12 s。GMSK調(diào)制帶寬時延積BT設(shè)定為0.4，調(diào)頻指數(shù)為0.5。仿真生成衛(wèi)星在6 min內(nèi)接收到的信號，前3 μs的信號復(fù)包絡(luò)波形如圖7所示。

圖7 衛(wèi)星接收AIS信號復(fù)包絡(luò)波形

圖7顯示了信號的前11個時隙，其中有9個時隙被占用，第3個和第4個時隙各自接收到2個信號的沖突信號，使復(fù)包絡(luò)產(chǎn)生劇烈波動。

3.4 檢測概率對比分析

觀測時間內(nèi)一艘船發(fā)送的所有信號若有一幀被解調(diào)正確，則認為該船被成功檢測，被檢測出的船數(shù)與總船數(shù)的比值即理論船舶檢測概率［7］。仿真系統(tǒng)從衛(wèi)星接收信號的時隙分配情況統(tǒng)計出信號各時隙的沖突次數(shù)，然后假設(shè)解調(diào)算法可以正確解調(diào)N重沖突，即沖突數(shù)不大于N的時隙則被認為可以被正確解調(diào)。理論檢測概率與算法檢測概率對比如圖8所示，顯示了算法不能正確解調(diào)沖突信號、能解調(diào)2重沖突信號和能解調(diào)3重沖突信號這3種情況下的理論船舶檢測概率與總船數(shù)的關(guān)系曲線。

可以看出，船舶檢測概率隨著觀測區(qū)域內(nèi)船數(shù)的增加而下降。解調(diào)算法若可以解調(diào)多重沖突信號，船舶檢測概率會有大幅度提升。例如觀測區(qū)域內(nèi)有2000艘船時，若算法不能解調(diào)沖突信號則檢測概率只有5%;若解調(diào)算法可以解調(diào)出三重沖突信號，則船舶檢測概率可達到75%。

為了評估AIS信號解調(diào)算法性能，可使用算法解調(diào)系統(tǒng)生成的仿真信號，將得到的船舶檢測概率曲線與理論曲線對比。圖8所示的解調(diào)算法曲線在船數(shù)較多時略高于可解調(diào)三重沖突信號的理論曲線，對多重沖突信號有著較強的處理能力。

圖8 船舶檢測概率與船數(shù)關(guān)系曲線

4 結(jié)束語

提出的仿真系統(tǒng)以實際船舶分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的仿真平臺可以生成衛(wèi)星接收到的AIS信號，并統(tǒng)計信號參數(shù)概率分布情況，計算理論船舶檢測概率。將解調(diào)算法加入平臺還能對解調(diào)算法性能作出分析評估。通過仿真結(jié)果和分析可以看出，該平臺可以對星載AIS系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果更符合實際情況。這對深入研究星載AIS系統(tǒng)有重要的參考價值。 ■

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