高萬明

摘? ?要：近年來我國航海作業(yè)和航海安全受到嚴重威脅，星載AIS技術(shù)的發(fā)展越來越重要。單通道盲分離技術(shù)利用單天線接收混合信號，以其設(shè)計低復(fù)雜度、低成本的優(yōu)點，得到廣泛研究。文章介紹了星載AIS技術(shù)的相關(guān)知識，針對星載AIS混合信號單通道盲分離算法，分析出降低算法復(fù)雜度、提高分離性能的重要性。

關(guān)鍵詞：航海安全;星載AIS技術(shù);單通道盲分離;降低算法復(fù)雜度;提高分離性能

近年來，我國具有對海事安全威脅以及海上交通安全對海上通信的迫切需求[1]，但是，現(xiàn)有的海上通信手段受距離的限制，例如船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）的通信距離為20海里左右，無法實現(xiàn)對遠洋船的監(jiān)視和管理，隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，可考慮將衛(wèi)星技術(shù)與AIS技術(shù)融合，即利用星載AIS技術(shù)，實現(xiàn)遠距離接收AIS信號，能夠為遠洋船舶的管理提供基礎(chǔ)。

星載AIS通過在低軌道遙感衛(wèi)星上搭載AIS接收機，能夠在更大覆蓋范圍內(nèi)接收AIS船舶播發(fā)送的AIS信號，但是，當遙感衛(wèi)星覆蓋范圍的船舶數(shù)量較多時，星載AIS接收機將接收到多個AIS船舶的AIS信號，這些信號會相互混疊，即在時域上可能會重疊，在頻域上可能會相同，在空域上可能會相近，結(jié)果可能會導(dǎo)致接收到AIS信號概率大大降低[2]。

針對用單通道盲分離的方法對星載AIS混合信號進行分離的問題，已經(jīng)有很多學(xué)者致力于相關(guān)研究，例如王聰?shù)萚3]提出了一種基于Laurent分解的星載AIS解調(diào)算法，該算法將Laurent分解原理引入到星載AIS混合信號的單通道盲分離中。胡昌海[4]基于單參數(shù)（時延）差異的混合信號盲分離，提出了利用判決反饋的方法，實現(xiàn)混合AIS信號分離。廖燦輝[5]提出了利用逐留存路徑處理（Persurvivorprocessing，PSP）的方法，實現(xiàn)抗頻偏的AIS信號分離，將PSP思想引入到星載AIS混合信號的單通道盲分離中。

1? ? 星載AIS

1.1? 星載AIS工作原理

星載AIS通過在低軌遙感衛(wèi)星上搭載AIS接收和發(fā)射機，解碼接收到的AIS信號，然后將解碼的AIS信號轉(zhuǎn)發(fā)到星載AIS地面站進行處理，實現(xiàn)對遠洋船舶的管理。星載AIS使用的是低軌道衛(wèi)星，與靜止衛(wèi)星不同，其對地面的覆蓋是不連續(xù)的，屬于非實時通信系統(tǒng)。即衛(wèi)星收到用戶報文后直接解碼，若衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)有地面站，就直接轉(zhuǎn)發(fā)給地面站。否則，報文將存儲在衛(wèi)星的存儲器中，等到衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)出現(xiàn)地面站時，再將報文轉(zhuǎn)發(fā)給地面站。

1.2? 星載AIS信號及其模型

星載AIS信號使用高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）調(diào)制方式，對碼元進行高斯濾波預(yù)處理[6]，然后對矩形波進行高斯濾波，產(chǎn)生一種基帶平滑波形，具有帶寬窄且尖銳截止、鄰道干擾小等較好的頻譜特性，更適合海上復(fù)雜的信號環(huán)境。GMSK調(diào)制是一種相位連續(xù)的恒包絡(luò)調(diào)制，具有較好的頻譜效率和功率特性，因而在AIS系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。而現(xiàn)實中，GMSK信號大多是突發(fā)的混合信號，而這些突發(fā)的混合信號一般參數(shù)估計誤差比較大。

考慮兩個同頻（或近似同頻）的GMSK混合信號的單通道接收，接收基帶等效信號的一般形式可表示為：

其中，h1（t）和h2（t）為兩信號的瞬時幅度，Δω1和Δω2為兩信號的殘余頻偏，θ1和θ2為初始相位，v（t）為加性高斯白噪聲，s1（t）和s2（t）分別為基帶數(shù)字調(diào)制信號，根據(jù)GMSK信號的Laurent展開式可知，GMSK信號相當于用主脈沖GMSKp（t）進行成型濾波，則接收端經(jīng)匹配濾波后的信號可表示為：

其中，T是符號周期，兩信號具有相同的符號周期;τi（t）為第i個信號與本地接收機之間的時鐘漂移，假定0≤τi（t）

將接收信號按符號速率采樣，令yk=y（kT），hi，k=hi（kT），vk=v（kT），τi，k=τi（kT），

設(shè)Rpp（t）的持續(xù)時間長為L0T，從（1-L1）T到L2T，L0=L1+L2。

定義L0×1向量為：

第k個接收混合信號可以表示成更簡潔的形式：

其中，定義為兩向量對應(yīng)項的乘積：

單通道盲分離根據(jù)接收的序列yk，k=0，1，…，得到符號序列ai，k，k=0，1，…的估計。

2? ? 單通道盲分離問題概述

近年來，混合信號盲分離已成為信號處理領(lǐng)域中的熱點和難點問題，由于電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，通信領(lǐng)域中的混合信號越來越多，信號日益密集會造成同頻信號混合等。一方面，這類信號極大地影響了接收性能;另一方面，傳統(tǒng)的單信號處理的方法已不再適應(yīng)?；旌闲盘柮し蛛x可分為兩種途徑：（1）多通道盲分離方法，即在遙感衛(wèi)星上安裝多根接收天線。（2）單通道盲分離方法，即在遙感衛(wèi)星上安裝單根接收天線。目前，多通道盲分離的技術(shù)已經(jīng)有較為成熟的理論和方法，但考慮到多天線的設(shè)計復(fù)雜度和成本，因此，迫切需要研究用單通道盲分離的方法來分離混合信號[7]。

單通道盲分離需要根據(jù)接收的一路AIS信號分離出多個AIS源信號，這在數(shù)學(xué)角度上看可能存在不確定解。以兩路信號x1和x2為例，方程y=x1+x2，對同一個y值，x1和x2有多種解。但在實際應(yīng)用中，如果借助信號本身的特征將有可能實現(xiàn)分離。如對通信信號而言，x1和x2不可能取任意值，而是受發(fā)送符號和調(diào)制參數(shù)的約束，在這些約束條件下，方程y=x1+x2可能存在確定解。

本質(zhì)上，單通道盲分離算法利用了各源信號之間調(diào)制參數(shù)的差異性，如時延差異、符號速率差、幅度差異等，通過提取、放大這些差異來實現(xiàn)滿足特定條件信號的分離，單通道分離的關(guān)鍵在于怎樣利用和提取所處理信號的特點，找到源信號之間的差異性。

3? ? 星載AIS混合信號單通道盲分離算法

目前，可行的單通道盲分離算法[8]包括獨立分量法[9]、稀疏分解法、基函數(shù)法和多參數(shù)協(xié)調(diào)估計法[10-11]等。對于單通道而言，現(xiàn)有的算法復(fù)雜度較高，但對于本文所研究的突發(fā)AIS混合信號而言，依然不能滿足實時處理的要求，因此，降低AIS混合信號盲分離算法復(fù)雜度是單通道盲分離的關(guān)鍵。

在發(fā)送信號序列和信道參數(shù)均未知的情況下，多參數(shù)聯(lián)合估計實現(xiàn)單通道盲分離的效果是較佳的，其主要的方法包括粒子濾波算法和逐幸存路徑處理（PSP）算法。研究表明，PSP盲分離算法性能優(yōu)良，分離誤碼率接近已知參數(shù)下的聯(lián)合序列估計界，且復(fù)雜度遠遠低于粒子濾波算法，是一種十分有效的分離算法。

PSP算法[12]在到維特比算法中使用未知參數(shù)估計，進而，實現(xiàn)序列與參數(shù)的聯(lián)合估計，通過最小化路徑度量來獲得發(fā)送數(shù)據(jù)，其接收機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

廖燦輝提出了一種基于逐幸存路徑處理（PSP）的抗頻偏盲分離算法，通過在盲分離過程中對信道變化和頻偏引起的相位變化分別進行跟蹤，能大大提升算法對殘余頻偏的容忍能力。仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)PSP算法能容忍的歸一化頻偏誤差不大于2.0×10-4，而抗頻偏算法在歸一化頻偏誤差達1.5×10-2時仍然能收斂，且不需要對初始相位進行估計，同時，分離性能相比理想條件下的PSP算法只下降了約1 dB。

涂世龍針對同頻調(diào)制多路線性混合信號的單通道盲分離，根據(jù)自適應(yīng)跟蹤信道參數(shù)和逐幸存路徑處理原理的思想提出了RLS-RPSP算法，利用多路RLS收斂速度快的特點，通過分段設(shè)置幸存路徑數(shù)來保留幸存路徑，既能實現(xiàn)對多路信道響應(yīng)的同步跟蹤，仿真結(jié)果表明，在誤碼率性能相同情況下，新算法相比LMS跟蹤下的M-PSP算法，至少能降低一半的運算復(fù)雜度。

4? ? 結(jié)語

星載AIS技術(shù)對遠洋船舶的管理說，是一種非常好的技術(shù)手段，單通道盲分離技術(shù)是AIS混合信號處理領(lǐng)域新的研究方向，其研究也越來越深入，理論和實際應(yīng)用都得到了較大發(fā)展。對于本文所研究的突發(fā)星載AIS混合信號而言，應(yīng)該研究一種低復(fù)雜度、高分離性能的單通道盲分離算法，以達到實時處理的要求。

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Study on single-channel blind source separation technology

of satellite-borne AIS hybrid signal

Gao Wanming

（Donghai Navigation Safety Administration（DNSA）MOT， Shanghai 200086， China）

Abstract：In recent years， the navigation operation and safety of our country have been seriously threatened， and the development of space-borne AIS technology is becoming more and more important. Single channel blind separation technology uses single antenna to receive mixed signals， which has been widely studied because of its advantages of low complexity and low cost. In this paper， the related knowledge of space-borne AIS technology is introduced， and the importance of reducing the complexity of the algorithm and improving the separation performance is analyzed for the single-channel blind separation algorithm of space-borne AIS mixed signal.

Key words：navigation safety; space-based Automatic Identification System mix signal; single channel blind source separation; reducing algorithm complexity; improving separation performance