星载AIS系统信号模拟源的仿真实现

栗霖雲，陈 萍，方 莉

(北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876)

0 引言

船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)［1］主要用于相邻船舶之间通信［2］，其通信距离仅为20海里左右［3］，无法实现对远海域船舶的监管。而星载AIS系统［4］可利用卫星天线接收海面传播的AIS信号，实现对卫星监测范围内船舶运行状况的实时监管，但由于其覆盖面积广，星载天线接收到的多个AIS信号不可避免地会发生相互冲突的现象［5，6］，给信息的解析增加了难度。

目前，对星载AIS系统的研究受到了各国的高度重视，为便于研究AIS冲突信号的解调算法，提高星载 AIS 系统的检测性能［7，8］，不可避免地需要获取星载AIS系统的信号源数据。国内可通过购买国外的数据或者自主发射接收卫星这两种途径来达到这一目的，但其成本太高，不易实现。因此，在计算机仿真平台上设计星载AIS信号模拟源，根据实际情况模拟卫星接收到的AIS信号成为了最佳选择。

本文将卫星监测时间内天线接收到的所有AIS信号的参数信息记录在Excel表格中，作为模拟源的输入，以此来模拟产生卫星天线所接收到的冲突信号。通过建立卫星检测范围船舶分布模型［9，10］，根据船舶与卫星的相对位置计算获得Excel表格中的参数，因此该参数符合实际情况。

1 卫星接收信号的数学模型

AIS系统采用自组织时分多址技术(Self-Organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)［2］，在一定范围内可自发形成自组织网络小区，处于小区内的船舶所发送的AIS信号不存在时隙碰撞。而星载AIS系统覆盖范围广［11］，作用于多个独立的AIS自组织小区，因此卫星天线接收到的信号r(t)往往是多个无冲突AIS信号叠加而成，该信号的数学模型可表示为:

式中，si(t)为第i(i=1，2…，N)艘船舶所发射的AIS信号;Ai为si(t)经过信道衰落到达卫星天线后的幅值;τi为si(t)到达卫星天线时，该信号相对于其时隙起点的时延;fdi为由卫星与第i艘船舶间的相对运动所产生的多普勒频移;N为接收到的信号个数;n(t)为接收噪声，在接收机带宽内可将其视为高斯白噪声。

2 星载AIS系统模拟源的设计方案

2.1 星载AIS系统模拟源的输入参数

星载AIS系统模拟源模拟产生天线接收到的AIS冲突信号，需要将各船舶发送信号的参数作为模拟源的输入，这里将所有信号参数以表格形式储存在Excel文件中，储存格式如表1所示。

表1 模拟源输入参数表

表1中，各船舶发送的AIS信号按照到达卫星天线的先后顺序逐行记录，第1列记录发送该信号的船号;第2列为信号到达卫星天线的时间，该参数单位为样值点，这里的信号采样倍数为4;第3列为信号功率;第4列为信号多普勒频偏;第5列为信号到卫星的波达方向，采用角度制。模拟源根据表格中的参数逐行产生无冲突的AIS信号，之后将信号叠加在相应时刻得到卫星接收到的有冲突信号。

2.2 星载AIS系统模拟源的方案流程

星载AIS系统模拟源的设计方案如图1所示。设计中通过“设置模拟源参数”来设置模拟产生AIS信号的信噪比等参数，然后依据船号给各船舶分配二进制报文，以便在解调后确定检测出的信息。

图1 星载AIS系统模拟源的设计方案

图1中，步骤“AIS信号调制”完全依据AIS协议标准［1］规定予以实现，首先通过将待发射的二进制信息进行HDLC打包，形成帧格式如图2所示的报文信息，之后对该报文信息进行NRZI编码，最后进行GMSK调制产生AIS调制信号。

图2 AIS数据帧格式

根据AIS协议要求，GMSK调制过程中，带宽时间积BT设置为0.4，调频指数h设置为0.5，这2个参数为固定参数，不允许进行修改。

3 计算机仿真实现与结论

根据图1所示的设计方案，对AIS信号模拟源在MATLAB仿真平台上进行代码实现，无冲突AIS信号的实部波形及其幅值波形如图3所示，两重冲突情况下AIS信号的实部波形及其幅值波形如图4所示。

模拟源运行结束后，将根据各AIS信号到达卫星的时刻绘制出时隙图如图5所示。图5中每个矩形按钮都表示一帧AIS信号，按钮上的数字代表发送该帧信息的船号，各信号按照发送的先后顺序排列在图中，可以很直观地观察出各时隙的信号冲突情况。图中将信号分为2行显示，将解调出来的船舶用颜色标记，便于2种不同解调算法性能对比。图5下方的滑动条用来调整显示的时间范围。此外，还可通过点击矩形按钮查看该帧信号的具体参数，如图6所示。

图3 无冲突AIS信号的实部波形和幅值波形

图4 两重冲突AIS信号的实部波形和幅值波形

图5 AIS信号时隙

图6 信息参数显示

4 结束语

通过设计并实现星载AIS系统信号模拟源，不仅为冲突AIS信号解调算法的研究提供了信号源，而且通过将AIS信号冲突情况以及解调算法的解调结果绘制成时隙图，方便对解调结果进行分析，有助于算法对比，对算法的改进以及优化提供很大帮助。

［1］GB/T 20068-2006.船载自动识别系统(AIS)技术要求［S］.

［2］张 宇，许昌如，周建军.通用自动识别系统的SOTDMA通信模型初探［J］.船海工程，2003(6):41-43.

［3］张 哲，马桂山.卫星探测AIS的分析及其发展研究［J］.航海技术，2010(3):38-40.

［4］杨 倩.我国应用星载基站AIS系统研究［J］.中国海事，2011(1):53-55.

［5］钟 杰，王怀胜，郑 力.星载AIS接收冲突分析及仿真［J］.电讯技术，2010，50(10):6-11.

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［7］潘宝凤，梁先明.星载AIS接收系统设计及关键技术［J］.电讯技术，2011，51(5):1-5.

［8］刘 彤，吴建华，雷金平.AIS通信系统性能分析［J］.交通科技，2004(4):134-136.

［9］何 民，许 斌，钟 杰.基于卫星的AIS接收链路设计及仿真［J］.电讯技术，2010，50(9):114-118.

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［11］ERIKSEN T，HOYE G，NARHEIM B，et a1.Maritime Monitoring Using a Space—Based AIS Receiver［J］.Acta Astronautica，2005，58(10):537-549.