卫星自动识别系统观测模型及检测概率分析

宋果林 邹光南 王艳峰 石云 尤启迪

(北京卫星信息工程研究所, 北京 100086)



卫星自动识别系统观测模型及检测概率分析

宋果林 邹光南 王艳峰 石云 尤启迪

(北京卫星信息工程研究所, 北京 100086)

针对卫星自动识别系统(AIS)天线的覆盖面积大、包含多个自组织区可能导致接收信号碰撞的特点，分析了星载AIS接收信号重叠碰撞的机制，对卫星AIS观测模型进行了等效蜂窝模型的建模，将AIS信号到达卫星接收机的过程等效为泊松随机过程，在此基础上分析了卫星AIS对船舶的检测概率，并对影响检测概率的各个因素进行了仿真分析，根据仿真结果提出了两种提高船舶检测概率的方法，对优化AIS的设计、分析系统对船舶的检测概率有一定的参考作用。

卫星自动识别系统；自组织时分多址；自组织区；观测模型；信号碰撞；检测概率

1 引言

卫星自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)是在传统陆基AIS的基础上，通过使用低轨小卫星或小卫星星座接收船载AIS站台发出的包含船舶静态数据、动态数据、航行、安全等信息的AIS信号，并将其转发到地面站进行分析、处理，从而实现大范围乃至全球海域的舰船监视。国外2004年前后开始卫星AIS的相关研究，美国2006年成功发射了第一颗搭载AIS载荷的卫星[1-2]。目前，成功在轨运行的AIS卫星包括美国轨道通信公司(ORBCOMM)的Vesselsat-1/Vesselsat-2和第二代轨道通信(ORBCOMM Generation 2，OG2)系列卫星、Aprize系列卫星，加拿大ExactEarth公司的ExactView系列卫星，挪威的AIS纳卫星星座(AIS Nanosatellite Constellation，AISSat-1&AISSat-2)等。这些AIS卫星或AIS卫星星座在全球海洋运输监管中发挥着愈来愈重要的作用，如加拿大COM DEV公司2008年4月发射的星载AIS试验系统NTS已为加拿大政府提供了大量星载AIS数据服务，特别是为2010年温哥华冬奥会安保服务做出了重要贡献[3]；美国ORBCOMM公司的OG2卫星星座旨在提供全球船舶监管与服务。发展我国的卫星AIS，可用于降低水上交通事故概率、加强远海海域船舶交通监管、加快海上搜寻救助工作以及调整贸易战略和战略物资的运输安全等方面，因此亟需验证并建立自己的卫星AIS。

对于卫星AIS检测概率的分析，文献[4-5]将天线的观测区域和自组织区域等效为正方形，在假设观测时间等于发射间隔的基础上推导出卫星AIS的检测概率，该模型比较简单，易于处理，但其模型近似的误差较大。文献[6]基于文献[4]的研究，分析了卫星AIS三重碰撞的概率，但未对系统在信号碰撞下对船舶的检测能力做详细分析。

针对卫星AIS接收信号存在信号碰撞导致对船舶的检测概率降低的问题，文章在分析卫星AIS接收信号重叠碰撞的基础上，采用蜂窝模型对卫星对地的观测模型进行了等效的建模分析，将AIS信号到达卫星接收机的过程等效为泊松随机过程，进而推导出卫星AIS的检测概率，并且对影响检测概率的参数进行了仿真分析，根据仿真结果提出了两种提高船舶检测概率的方法，仿真结果对优化AIS的设计、分析船舶的检测概率有一定的参考作用。

2 观测模型及检测概率

2.1 AIS基本原理

根据国际电联(ITU)相关标准规定[7]，AIS采用自组织时分多址(Self-Organized Time Division Multiple Access，SOTDMA)协议，在CH87B(161.975 MHz)和CH88B(162.025 MHz)两个频道上同时接收船舶的静态数据、动态数据、航行信息以及安全信息等[8]，同时交替地在这两个频道上，在属于自己的时隙位置上发送AIS信号。船载AIS站台可以在SOTDMA协议下有效地与半径约20 海里(nm)区域内的AIS站台或岸基站通信，即在一个自组织区域内通信。根据SOTDMA协议，每个AIS设备单元都预留时隙以备以后的AIS信号发射，从而避免在同一个自组织区域内与别的AIS信号发生冲突。

卫星AIS将传统岸基AIS扩展到天基应用中，不但有了更大的观测面积，同时可以弥补传统AIS无法实现远洋船舶监控的缺点，实现全球船舶的动态监控，并且不需要更改已装备的AIS设备。

AIS在时间分配上采用帧的概念，一帧为1 min，分为2250个时隙，每个时隙为26.67 ms，每个时隙可发送256 bit码元信息[9]。图1为采用高级数据链路控制(High-level Data Link Control，HDLC)规程标准格式的AIS数据分组格式，根据AIS消息类型的不同，数据分组的长度也不同。一次连续的传输最多只能占用5个连续时隙，对一个较长的数据分组来说，只需采用一个开销数据(上升沿、同步序列、标记、帧校验序列、缓冲)。数据分组的长度不应超过数据传输所需的长度，即AIS不应另增填补码[10]。

图1 AIS数据分组格式Fig.1 Packet format of AIS information

SOTDMA基本原理如图2所示，AIS将本船舶所在自组织区域内的其他船舶的通信状态进行解析后，获得双通道时隙的使用情况表，根据时隙状态表，按照SOTDMA协议要求选择出AIS发射机使用的发射时隙，并通过AIS信息中的通信状态字段广播出去，以避免与其他船只的发射时隙相冲突[11]。AIS收发机在本次发射的报文中都预留有下一次发射的时隙信息，以便通知其数据链路上的其他台站不要占用这个时隙。数据链路在3～8 min之内会重新选择一次时隙，以此来解决有可能产生的通信碰撞[12]。这个预留的过程是在SOTDMA协议下完成，不需要基站控制参与时隙的分配。

图2 AIS系统SOTDMA原理示意图Fig.2 Principle of SOTDMA

2.2 卫星AIS对地观测模型建模

对于卫星AIS，在卫星覆盖时间范围内，同一船舶发出的多条AIS信号至少一条被卫星正确接收解析，就表明该船舶被检测到。卫星AIS中单颗卫星的有效覆盖范围通常包含上百个SOTDMA自组织区域，从而实现对更广区域、更多船舶的监控，但同时也带来了新的问题，如接收信号发生碰撞导致信号无法正确解调等，影响卫星AIS对船舶的检测能力。AIS信号的碰撞机理可分为两类[13-14]：

(1)不同SOTDMA自组织区域同一时隙碰撞：由于接收区域内包含多个自组织区域，不同自组织区域内的舰船可能会在同一个时隙内发送AIS信息，并同时到达星载接收机，产生AIS信号碰撞，如图3所示。

图3 不同SOTDMA自组织区域同一时隙碰撞示意图Fig.3 AIS information from different cell collided in the same slot

(2)不同SOTDMA自组织区域、不同时隙信号因传输延时造成碰撞：由于星载接收机可接收信号的区域大，天线波束覆盖区域内的舰船虽然在不同的时隙内发送AIS信息，但当舰船间距离足够远时，由于信号传输时延影响也可产生AIS信号同时到达而造成的碰撞。

以上两种情况产生的AIS信号碰撞现象，都会导致AIS信息接收错误，使得对舰船检测的概率降低。对于标准的AIS信息，其包含有16 bit的缓冲部分，其中12 bit为距离延迟，对应的保护距离为375 km。对于轨道高度为800 km的AIS卫星，其12 bit距离延迟对应的地面保护距离为1623 km，约为877 nm。由此可知当卫星的天线波束在海面的覆盖半径小于877 nm时，卫星AIS接收到的冲突信号只有第一种，但当卫星天线波束在海面的覆盖半径大于877 nm时，卫星AIS接收到的冲突信号两种类型均有。如图4所示，区域(I)内的船只发射的AIS信号到达卫星接收机时只存在第一种类型的碰撞，区域(IIa)(IIb)内的船只发射的AIS信号到达卫星接收机时两种类型的信号碰撞均有可能存在[4]。

图4中，h为AIS卫星的轨道高度，R为海面船舶到卫星的斜距，Rmax为海面船舶到卫星的最大斜距，ΔR为保护距离。

为分析卫星AIS的检测概率，对卫星AIS对地观测模型做如下的等效建模，如图5所示。

模型等效与假设如下：

(1)将每个自组织区域等效为边长为20 nm的正六边形；

(2)自组织区域中的船舶报告间隔相同；

(3)观测时间采用相应轨道高度的太阳同步轨道卫星的观测时间；

(4)AIS信号到达卫星的过程为一泊松过程[15]。

图4 卫星AIS系统观测区域划分示意图Fig.4 Observation area division of satellite-borne AIS

图5 卫星AIS区域划分Fig.5 Field of view division of satellite-borne AIS

2.3 卫星AIS对船舶检测概率分析

海面上处于不同自组织区域的船舶上的AIS站台采用SOTDMA协议发送AIS消息，到达卫星的AIS信号近似服从泊松分布，卫星同时收到k条信息的概率为

(1)

当同时收到k(k≥2)条消息时，信号发生碰撞，k条以上(含k条)消息碰撞的概率为

(2)

若接收系统能容忍k-1条(含k-1)以下信号碰撞，则能正确检测船舶的概率为

(3)

式中：Tobs为AIS卫星对地观测时间，即卫星一次通过时，卫星与船舶上AIS台站的实际通信时间长度。

若接收机无分离碰撞信号的能力，则能正确检测船舶的概率为

(4)

3 影响检测概率的参数分析

3.1 卫星的轨道高度h及天线的扫描宽度ΔS的影响

AIS卫星的轨道高度通常介于500～1000 km，过低的轨道高度会减少卫星对地面的观测时间；过高的轨道将导致链路损耗增大，对卫星AIS接收机的性能提出了更高的要求。卫星的轨道高度将直接影响到卫星AIS的观测时间Tobs和观测区域ΔS的大小这两个参数，表1是轨道高度h对观测时间Tobs和观测区域ΔS的影响。在采用覆球波束天线的情况下，卫星轨道高度对检测概率的影响如图6所示。

表1 不同轨道的太阳同步轨道卫星的观测

由表1和图6仿真结果可知：在采用覆球波束天线的情况下，由于轨道高度的增加会引起卫星观测时间的增加，进而提高系统对船舶的检测概率。结合目前已经发射的AIS卫星，Aprize-3～10卫星的轨道高度均介于550～700 km之间，挪威的AISSat-1/AISSat-2系列卫星轨道高度在650 km左右，美国ORBCOMM公司的OG2系列卫星轨道高度在750 km左右，其他的AIS卫星的轨道高度也都介于450～850 km之间，以下仿真的条件设为轨道高度h=800 km，AIS信号发送间隔ΔT=6 s。

图6 不同轨道高度下自组织区的检测概率Fig.6 Ship detection probability as a function of number of cells at different altitudes

3.2 卫星观测区域内自组织区域总数M的影响

当卫星AIS观测时间分别为15、10、5、3 min时，观测区域内自组织区域总数M对检测概率的影响如图7所示。

图7 不同观测时间下自组织区总数对检测概率的影响Fig.7 Ship detection probability as a function of number of cells for different observation times

由图7仿真结果可知：其他参数保持不变，检测概率随着观测区域内自组织区域数量增加而下降。因为自组织区域数量的增加会导致到达卫星的AIS信号的数量增加，信号在同一时隙碰撞的概率增大，从而导致船舶的检测概率下降。

3.3 卫星AIS的观测时间Tobs的影响

卫星AIS的观测时间Tobs与天线的扫描宽度ΔS直接相关，天线的扫描宽度ΔS越宽，卫星对海面某一点的观测时间Tobs越长。对于卫星AIS，其天线的扫描宽度ΔS与星载天线的形式密切相关。对于目前已经在轨运行的AIS微小卫星，其天线大多采用单极子天线，如Aprize-3～10系列卫星、挪威的AISSat-1/AISSat-2卫星、德国的Rubin-7/8/9系列卫星等；少部分卫星采用偶极子天线和螺旋天线，如美国的VesselSat-1/2采用正交偶极子天线、德国的AISat采用长达4 m的螺旋天线。在观测区域内自组织区域总数分别为1000、2000、3000、4000时，观测时间Tobs对检测概率的影响如图8所示。

图8 不同自组织区总数下观测时间对检测概率的影响Fig.8 Ship detection probability as a function of observation time for different number of cells

由图8仿真结果可知：其他参数保持不变，检测概率随着观测时间的增长而显著地提高。但在实际应用中，观测时间的增加意味着天线覆盖的区域增大，其包含的自组织区域的个数也相应的增加，由检测概率与自组织区域数量的关系可知，检测概率随自组织区域总数的增加而减少。因此对于观测时间的优化需要结合综合考虑自组织区域数量对检测概率的影响。

3.4 观测区域内舰船AIS信号发射间隔时间ΔT的影响

AIS中包括4种消息类型，即静态信息、动态信息、有关航行的信息、有关安全的消息[13]，不同信息类型在不同的时间期间内有效，因此需要不同的更新间隔，根据相关要求，A类船载移动设备的报告间隔介于2 s～3 min不等；B类船载移动设备报告间隔介于5 s～30 min不等。在观测区域内自组织区域个数M分别为500、1000、2000、3000、4000时，发射间隔ΔT对船舶的检测概率如图9所示。

由图9仿真结果可知：其他参数保持不变，检测概率随着船舶发射AIS信号间隔的增加先提高然后下降。在实际应用中，海面船舶发射AIS信号的间隔根据消息的不同和船舶状态的不同而有所变化。

图9 不同自组织区域总数下AIS消息发送间隔对检测概率的影响Fig.9 Ship detection probability as a function of ship reporting interval for different number of cells

4 提高AIS检测概率的措施

4.1 窄波束天线的设计

对于目前已经在轨运行的AIS微小卫星，其天线大多采用单极子天线，少部分卫星采用偶极子天线和螺旋天线。单极子天线增益低、覆盖范围大，螺旋天线对于天线加工及展开机构要求较高，单极子组阵天线能够形成高增益赋形波束，是一种较好的选择方案。战术卫星-2(TacSat-2)上AIS载荷采用10个单极子阵形成了理想赋形波束[16]，但其安装面积较大，位于卫星的一对太阳翼的结构上，对卫星平台要求较为苛刻。对于微小卫星，采用数量较少的单极子组阵的形式具有一定的工程可实现性。如采用2×2个单极子天线组阵的方式，达到高增益、窄波束赋形效果[17]。窄波束包含的自组织区域个数远小于覆球波束包含的自组织区域的个数，因此可以减少信号的碰撞，并且对天线阵进行多通道设计，当一个通道波束覆盖区域信号严重碰撞时，另一个通道波束能够正常接收解调，提高系统可靠性和对船舶的检测概率。

4.2 采用高效的碰撞信号分离算法

由图10仿真结果可知：若接收机能容忍k重碰撞，即接收机能有效地进行碰撞信号分离，则船舶的检测概率将大大提高，如在自组织区域总数为2500时，若卫星AIS能容忍2重碰撞，则检测概率将从30%提高至75%，若能容忍3重碰撞，则检测概率将从30%提高至95%。

图10 可分离k重碰撞信号条件下自组织区的检测概率Fig.10 Ship detection probability as a function of number of cells for different separation ability

5 结束语

本文在分析卫星AIS基本原理以及AIS信号碰撞的两种机制的基础上，对卫星AIS的观测模型进行了仿真建模，并分析了卫星AIS接收机对船舶的检测概率。由分析和仿真结果可知，检测概率与自组织区域的总数M呈负相关关系，与观测时间Tobs呈正相关的关系，在实际应用中，海面船舶发射AIS信号的间隔ΔT根据消息的不同和船舶状态的不同而有所变化。此外，卫星的轨道高度将直接影响到卫星AIS的观测时间Tobs和观测区域ΔS的大小这两个参数，进而影响检测概率。针对卫星AIS接收信号碰撞严重导致检测概率下降的问题，本文提出了采用窄波束天线和高效的信号分离算法两种方法提高系统对船舶的检测概率，仿真结果表明，采用碰撞信号分离，在自组织区域总数为2500时，若卫星AIS能分离2重碰撞信号，则检测概率将从30%提高至75%，若能分离3重碰撞信号，则检测概率将从30%提高至95%。

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(编辑：李多)

Satellite-borne AIS Observe Model and Detection Probability Analyze

SONG Guolin ZOU Guangnan WANG Yanfeng SHI Yun YOU Qidi

(Beijing Institute of Satellite Information Engineering, Beijing 100086， China)

Considering the fact that the antenna of stellite-borne AIS system has a large coverage zone and covers hundreds of SOTDMA cells that may lead to signal collide, the signal collision mechanisms are analyzed in the paper. An equivalent cellular model is established to analyze the detection probability of ships equipped with AIS system. The process of AIS signals accessing the receiver is considered as Poison process. All factors affecting on the detection probability are also discussed on the formula of detection probability. Two methods used to improve the detection probability are discussed in the paper. The results of the analysis and simulation have a positive effect on designing satellite-borne AIS and analyzing the detection probability of vessels.

satellite-borne AIS; SOTDMA; cell；observation model; signal collision; detection probability

2015-05-06；

2015-06-12

国家自然科学基金青年科学基金项目(61401030)

宋果林，男，硕士研究生，研究方向为卫星通信技术。Email:glsong2006@163.com。

V474

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.022