基于实际船舶分布的星载AIS仿真系统设计

张 昕，李洪星，陈 萍，方 莉

(1.北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876;2.上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

2002年，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)提出了船舶用自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)［1］，并强制要求在海洋中航行的船舶使用。将AIS设备挂载至卫星，即星载AIS可以实现对广海域的持续监视［2］。虽然国内的船载和岸基AIS系统建设已趋于完善，但对星载AIS技术的研究相比国外仍较落后［2，3］。

由于AIS最初的设计没有考虑到卫星检测AIS信号这样的需求，因此星载AIS技术不可避免地要应对新的技术挑战［4］:① 卫星的速度快，接收到的AIS信号有较大的多普勒频偏;②由于卫星检测的覆盖范围较大，在同一时隙可能接收到2个或者多个信号的混叠。

面对技术挑战，构建星载AIS仿真系统进行深入研究十分重要。文献［5］分析了不同信号参数对冲突信号解调性能的影响，但并未考虑船舶分布情况对不同信号参数组合概率的影响;文献［6，7］提出了检测概率的近似模拟方法，但船舶分布模型采用随机均匀分布，并不符合实际情况;文献［8］分析了船舶聚集在港口时的理论检测概率，但没有结合冲突信号解调算法进行分析。

综上，现有AIS仿真系统中往往存在2个问题:①船舶分布数据不符合实际情况;② 理论检测概率［7］和冲突信号解调算法仿真得到的检测概率缺乏对比分析。针对以上2个问题，依据实际船舶分布情况，结合不同信号解调算法的检测概率，搭建了星载AIS仿真平台。

1 星载AIS系统

星载AIS系统中，船载AIS设备广播信号，卫星接收机接收信号并解调。待发送的二进制信息按照AIS国家标准［9］规定被封装成如图1所示的报文信息。

图1 AIS帧结构

图1中，同步序列为“01”交替的二进制信息，校验序列是长16 bit的CRC校验序列，开始标志和结束标志均为“ 01111110”［9］。

封装后的报文信息接着经过NRZI变换和GMSK调制，其中GMSK调制的带宽时延积BT=0.4。最后，GMSK调制信号对VHF发射机进行调频［标准］后发送。调频信号工作在2个信道，频率分别为161.975 MHz和162.025 MHz，带宽根据不同情况设定为 25 kHz或 12.5 kHz［9］。

星载AIS设备搭载在低轨卫星上，卫星在地面的扫描半径r可根据下式计算

式中，R为地球半径;h为卫星高度。范围内不同船舶发送的信号在卫星接收端有不同的功率、频偏、时延和入射方向等信号参数，不同的信号参数对解调性能存在影响。扫描范围确定后，即可根据船舶位置计算各参数。

船载AIS设备间通信由于统一采用了SOTDMA接入技术保障时隙的同步、确定初始时隙以及预约工作时隙。该技术会在通信范围内建立自组织区域，可以有效避免船舶间的时隙冲突。但星载AIS覆盖范围广，可接收到来自多个自组织区域船舶发送的信号，因此可能产生时隙冲突［10］，如图2所示。

图2 时隙冲突示意

2个自组织小区相互独立地分配时隙，被分配发送信号的时隙以灰色表示，时隙分配表在卫星接收端叠加到一起，导致了表中有2个时隙存在冲突，冲突时隙在时隙表中以黑色表示。在冲突时隙中接收到的混叠信号称为冲突信号，卫星观测范围内的船数越多，出现多重冲突信号的几率就越大。接收到n重时隙冲突信号概率与观测范围内船数的关系曲线如图3所示。

图3 冲突数概率与总船数关系曲线

图3中，4条曲线分别表示500、1000、1500和2000艘船时，卫星接收信号冲突重数的分布情况。可以看出，随着船数的增多，接收到多重冲突信号的概率越来越高，而接收到无冲突信号的概率越来越低。

2 系统仿真方案设计

根据星载AIS系统特点和AIS信号生成方式，星载AIS系统级仿真方案设计流程如图4所示。

图4 AIS仿真系统设计流程

仿真生成星载AIS数据，首先需要根据船舶分布情况建立船舶分布模型，该模型包含船舶的经纬度、船号和信号发送间隔等信息。为了更符合真实情况，船舶分布数据可定期从航海网站抓取，以多次观测数据为基础建立船舶分布模型。

然后，使用船舶位置计算在卫星接收端各船舶发送信号的功率、频偏和时延等参数［11，12］。之后根据SOTDMA方法为所有信号分配时隙并模拟生成观测时间内卫星接收到的AIS信号［13，14］。为了便于分析，假设卫星观测时间内观测范围不变，且船舶在观测时间内近似静止。

最后，假设解调算法可以正确解出N重冲突信号，根据时隙分配情况计算出理论船舶检测概率，同时对信号使用解调算法解调，将解调结果与理论检测概率对比分析。

3 仿真结果及分析

3.1 船舶分布模型

设定卫星高度600 km，可根据式(1)计算出观测范围直径约2880 nmile。以上海附近船舶平均分布情况为例，观测范围内2013年10月～2014年3月，如图5所示。

图5 上海附近海域船舶分布

图5中的圆圈表示该区域内存在船舶，每个圆覆盖的区域半径20 nmile。设定扫描范围内的总船数后，将船舶随机分配到各小区后模拟生成AIS信号。

3.2 参数分布情况

在图5的基础上，以卫星正下方区域为参考位置，该位置功率为0 dB，频偏为0 Hz。计算所有发送信号的功率和频偏并统计其联合分布概率，如图6所示。

图6 参数分布概率分布

由图6可看出，该船舶分布模型卫星接收到高功率信号的概率较高，而功率为5 dB的信号较少。

3.3 星载AIS设备接收信号仿真

船载设备的信号发送间隔根据船舶速度、船舶类型等参数确定，取值在2 s～3 min不等，仿真中发送间隔设定为12 s。GMSK调制带宽时延积BT设定为0.4，调频指数为0.5。仿真生成卫星在6 min内接收到的信号，前3 μs的信号复包络波形如图7所示。

图7 卫星接收AIS信号复包络波形

图7显示了信号的前11个时隙，其中有9个时隙被占用，第3个和第4个时隙各自接收到2个信号的冲突信号，使复包络产生剧烈波动。

3.4 检测概率对比分析

观测时间内一艘船发送的所有信号若有一帧被解调正确，则认为该船被成功检测，被检测出的船数与总船数的比值即理论船舶检测概率［7］。仿真系统从卫星接收信号的时隙分配情况统计出信号各时隙的冲突次数，然后假设解调算法可以正确解调N重冲突，即冲突数不大于N的时隙则被认为可以被正确解调。理论检测概率与算法检测概率对比如图8所示，显示了算法不能正确解调冲突信号、能解调2重冲突信号和能解调3重冲突信号这3种情况下的理论船舶检测概率与总船数的关系曲线。

可以看出，船舶检测概率随着观测区域内船数的增加而下降。解调算法若可以解调多重冲突信号，船舶检测概率会有大幅度提升。例如观测区域内有2000艘船时，若算法不能解调冲突信号则检测概率只有5%;若解调算法可以解调出三重冲突信号，则船舶检测概率可达到75%。

为了评估AIS信号解调算法性能，可使用算法解调系统生成的仿真信号，将得到的船舶检测概率曲线与理论曲线对比。图8所示的解调算法曲线在船数较多时略高于可解调三重冲突信号的理论曲线，对多重冲突信号有着较强的处理能力。

图8 船舶检测概率与船数关系曲线

4 结束语

提出的仿真系统以实际船舶分布数据为基础建立的仿真平台可以生成卫星接收到的AIS信号，并统计信号参数概率分布情况，计算理论船舶检测概率。将解调算法加入平台还能对解调算法性能作出分析评估。通过仿真结果和分析可以看出，该平台可以对星载AIS系统进行仿真，结果更符合实际情况。这对深入研究星载AIS系统有重要的参考价值。 ■

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