基于卫星平台的AIS接收机设计

2019-05-05王洪波

无线电工程 2019年5期

王洪波

(中国西南电子技术研究所，四川成都610036)

0 引言

船舶自动识别系统是一种通过无线的方式广播自身动态和静态信息，以便其他船舶和岸基观通站可以接收到相关信息，保证船舶航行的安全性。受限于VHF频段的传输特点，一般岸基观通站和船上的AIS船台设备只能接收视距范围大约40海里内的AIS信号[1]。为解决上述问题，基于卫星平台的星载AIS接收机应运而生。

基于卫星平台的AIS信号侦收，对于远洋海运安全、国际反恐反海盗、海军遂行军事行动以及远洋渔业等都有重要意义。尤其是对星载AIS接收机获取的AIS态势数据进行二次开发和深度挖掘，目前已经进行商业化运作，被用于国民经济的各个领域。

当前，世界各国对星载AIS接收机给予高度重视，美国已经发射了多颗AIS侦察卫星[2]，其中，TACSAT-2卫星于2006年发射，采用阵列天线，轨道高度为420 km，采用FPGA实现1 bit差分解调[3]，完成AIS信号的解调解译。通过阵列天线波束形成技术提高了天线增益，获得了较好的效果。同时，美国还发展了VesselSat等多个型号的AIS卫星，目前也有实现AIS卫星组网运行的计划[4]。欧空局也组织欧洲多个国家联合研制发射了搭载AIS侦察载荷的等卫星[5]。挪威的NTS组织发射了自己的AISSat-1专用AIS侦察卫星[6]，这些卫星已经发挥了很好的效益。

由于空间应用的特殊环境，星载平台AIS信号接收机设计存在信号时延、多普勒频移以及高灵敏度等问题[7]。针对此类问题，侯聪在实时解调的AIS 信号侦察[8]中，采用GPS秒脉冲同步的方式，对信号起始位置进行搜索；苏正杨提出了一种采用频偏搜索匹配的方式[9]，对多普勒频偏进行补偿；马杜祥、郭鑫、刘琛等人采用基于FFT星载AIS信号频偏估计算法[10]，获取星上接收的AIS信号的多普勒频率偏移。上述星载AIS信号接收算法和方案设计，有的需要星载GPS接收机秒脉冲同步，有的需要进行FFT计算和搜索匹配，都对卫星平台和星上接收机计算资源提出了较高的要求。

针对上述问题，文章提出了基于低轨卫星平台的AIS信号接收机的工程化实现方案，采用流水线的训练序列模板匹配技术和瞬时测频实时纠偏技术，有效地解决了星载平台AIS信号侦收所面临的问题。

1 AIS信号特征

1.1 信号的调制方式

AIS系统在海上工作在VHF频段，信号在指定的CH87B(频率：161.975 MHz)和CH88B(频率：162.025 MHz )2个频道上发射[11]。

AIS信号采用GMSK调制方式，码速率为9.6 kbps，BT=0.4，采用NRZI编码方式。中心频率分别是161.975 MHz和162.025 MHz。AIS单个频点的信号带宽不超过25 kHz，AIS信号功率谱分布如图1所示。

图1 AIS信号功率谱分布图

1.2 AIS信息数据格式

AIS报文信息层数据帧格式符合HDLC高级链路控制协议，每帧数据总长为256 bit，正好占用一个TDMA时隙。信息帧包含了同步训练序列和启动标志，报文的错误检测和控制采用CRC校验的方式。

通过对星上接收到的AIS信息数据段解析，可以获取船舶的动态信息，如船舶的位置、航向和航速；静态信息，如船舶的MMSI号、长度、宽度、国籍和吃水深度等信息。AIS报文信息帧[12]的数据格式如图2所示。

图2 AIS信息帧格式

2 星上接收AIS信号的可行性分析

2.1 卫星接收信号的灵敏度

卫星对覆盖区域内不同位置的AIS信号辐射源侦收时，其作用距离L、接收天线波束角α和卫星高度H之间的关系如图3所示。

图3 卫星在轨覆盖示意

当卫星轨道高度H一定时，对于星下海上运行的AIS船台辐射源接收距离的关系如下：

R2=L2+ (R+H)2- 2L(R+H)cosα。

设定卫星运行轨道高度H=600 km，天线波束夹角α=50°，则信号传输最大距离为L=1 012 km。

海上船舶的Class A类AIS船台设备，其信号发射功率为12.5 W。

对162 MHz的AIS信号EIRP=41 dBm，AIS接收天线增益为-6 dB。计算传输衰减则到达卫星的AIS信号，根据卫星传输链路计算接收到的功率为：

C=EIRP-L+Gr-LF= -103 dBm。

根据信号灵敏度的要求，计算前端接收机灵敏度。其中，S为灵敏度，S= -103 dBm，SNR为满足解调要求的信噪比要求，SNR= 14 dB，kTB为接收机的内部热噪声：

S=kTB+NF+SNR。

经计算满足灵敏度要求的前端接收通道的噪声系数NF=11 dB。目前满足上述噪声系数要求的接收通道还是比较容易实现的。

2.2 信号多普勒频移

低轨卫星平台的AIS接收机属于空间高速运行的平台，因此带来了信号的多普勒频移。空间高速运动的物体接收信号带来多普勒频移可以按照下述公式计算：

式中，c为光速；f0为信号中心频率。

空间运行的AIS接收机频率具有±Δf频率漂移，实际中频率偏移的方向，取决于接收机的运动方向和信号传播方向的相对关系。多普勒频率偏移对载波同步带来不利的影响。

对于卫星轨道为600 km的星载平台，其运动速度为7.56 km/s。在信号传输仰角为0°时，多普勒频移最大±4 kHz。

考虑到多普勒频移，需要在前端滤波器的带宽和矩形进行合理设计，保证有效信号不会因为频移而被滤掉。采用非相干差分解调的方式，对信号进行实时测频并纠偏，以确保对解调码值极性的正确判断。

2.3 信号时延

海上AIS系统通信组网方式为SOTDMA机制，即采用自组织时分多址的机制协调海上船舶、灯塔或钻井平台的AIS信号的发射。将1 min分成2 250个时隙，每个时隙时间长度26.67 ms，并将时隙分配给每个用户，AIS船台设备按照自己的位置报告率在指定时隙中发送信息。系统时隙分配如图4所示。

图4 AIS信号的时隙分布

在星载应用环境下，AIS信号的侦收需要考虑信号的传输时延问题。海上AIS船台设备以GPS秒脉冲为起始划分时隙，信号的发射起始以时隙为时间标志。在卫星覆盖范围内接收到海上船舶发射的AIS信号时延Δt与信号传输路径以及信号传输的夹角有关，到达星上的信号的传输延时是不固定的，如图5所示。如果星上AIS侦收设备以GPS秒脉冲同步接收AIS信号，就有可能无法获取信号的起始位置，从而无法解调出完整的AIS信息帧。

图5 星上接收AIS信号时刻图

AIS报文信息帧格式包含训练序列和起始标志。可以通过AIS信息训练序列匹配来实现星上AIS信号同步。利用AIS信号帧的特点，将差分鉴频判决为[-1+1]的序列与标准模板训练序列进行相关。在相关峰值达到阈值时，就认为是AIS信号的起始位置，从而实现星上AIS信号接收同步。

3 接收机方案设计

3.1 技术体制选择

基于软件无线电思想实现的星载AIS接收机，可以选择射频低通采样、中频带通采样和射频带通采样的技术体制[13]。

射频低通采样的不混叠采样率需要大于2倍的信号最高频率，该体制前端AD采样率高，后续数字信号处理压力大，对FPGA或DSP的运算速度和计算资源要求高。中频带通采样需要将射频信号变频中频进行处理，这样接收通道实现复杂，需要专门的频率合成器和混频器，增加了设备的体积和功耗。以上2种体制都不适合在卫星平台上实现。

AIS信号中心频率为162 MHz，总带宽为75 kHz，码速率为9.6 kbps，是典型的低速窄带信号。根据星载应用环境，选择射频带通采样架构，搭建整个AIS信号的接收处理体系。星载AIS单机设备在接收到来自AIS天线的信号后，接收通道只需要对信号进行放大和带通滤波，后端信号采样率按照带通采样的方式计算。该架构接收通道实现简单，不需要进行信号下变频，节省了本振和混频器。同时由于AD采样率低，不会对后续的数字信号处理和解调形成压力。

信号经过采样后，其频谱为原始模拟信号频谱的周期延拓，为了保证频谱无混叠，并由采样后信号完全恢复原信号，其带通采样的采样频率满足如下条件：

同时要满足fs≥2B条件，保证信号采样后不会有频谱混叠现象。

在实际设计时需要兼顾设备通信接口和数传接口的传输速率需求，选择合适的采样时钟。

3.2 总体方案设计

星载AIS接收机采用一体化模块化处理平台，应用软件无线电设计思路，采用射频带通采样并由后端信号采集处理单元完成信号的数字下变频和信号解调解译，生成AIS报文信息[14]。

如图6所示，接收机由接收信道单元和信号处理单元组成，对外接口与卫星平台的数传、星务、GPS/BD系统以及星上电源进行连接。

图6 AIS接收机总体设计

天线部分完成对海上AIS船台设备发出的AIS信号进行接收。考虑到星载AIS接收机的对地覆盖区域，采用双天线空间异构互补设计。增加对观测区域的覆盖时间和覆盖面积，提高对中远海的轨道利用率和信号侦收的卫星过顶时间。

天线的设计必须考虑工作频段、极化方式、侦察范围和电磁兼容性等因素，由于卫星平台十分紧凑，同时搭载多种对地天线，如测控、数传等。在天线设计时，必须根据平台的实际使用环境，通过仿真进行天线的优化布局和外形设计。使用模样件实际测试天线，根据测试结果适度完善天线设计。

接收信道部分设计，需要根据信号处理功能对射频部分的接收频段、增益、接收带宽、噪声系数、邻道抑制和灵敏度等指标需求进行综合考虑。在设计上采用2个完全独立的通道，对两路AIS天线信号进行接收、放大和滤波。模块直接接收两路AIS天线接收到的射频信号，不对射频信号作变频处理，从而减小了模块的体积和功耗。接收信道部分对AIS信号的放大和滤波，为后端的信号采样处理提供合适的信号电平、带宽和动态。

信号处理部分完成信号采集，进行无混叠的抽取、正交变换、数字下变频和信号解调解译。由于每个通道的AIS信号含有2个频点，需要针对不同频点的信号进行数字下变频处理。

对经过数字下变频处理后的数据进行实时测频，获取信号的瞬时频率，并对多普勒频移进行实时纠偏。采用流水线方式对AIS信号进行训练序列标准模板匹配，完成星上信号接收同步。

在FPGA完成信号的预处理和解调后，将解调码流送往DSP，并由DSP完成解调码的解译生成AIS报文。AIS报文信息进行组帧后由星上数传分系统下传到地面数据应用中心，由地面中心生成有效的AIS情报信息和态势数据。

3.3 信号处理流程

星上AIS接收机在接收到天线射频信号后，信道模块完成信号的放大、滤波等功能。信号处理模块对信号进行采样，在数字域进行信号预处理、解调和解译工作。信号预处理和解调由FPGA完成，AIS信息报文解译由DSP完成。

信号经过AD采样量化后，首先进行无混叠的抽取；然后针对AIS的2个频点f1和f2分别进行数字下变频将信号变换到零频[15-16]。在经过滤波抽取后，得到信号的IQ向量。

利用IQ值计算瞬时相位，进一步获取瞬时频率。利用实时训练序列匹配技术和实时阈值，获取码片极性，得到解调码流。AIS接收机信号预处理过程如图7所示。

图7 AIS接收机信号预处理

FPGA在获取解调码后，以中断的方式通知DSP对解调码进行缓存。在搜索到同步头后，获取完整的一帧解调码，并对NRZI编码进行解差分、去位填充工作。

在经过字节翻转后，进行AIS信息帧有效数据的CRC校验[17-18]。对校验通过的AIS信息帧按照ITU-R M.1371-4标准进行解译，获取海上船舶的动静态信息，然后通过数传下传到地面应用系统。AIS报文信息解译过程如图8所示。

图8 AIS报文解译过程

4 关键技术

4.1 流水线AIS训练序列模板相关匹配技术

卫星接收到覆盖范围区域内AIS信号的传输时延与卫星的轨道高度、天线波束夹角都有关系，因此传输延迟时间不固定，将影响到星地间AIS信号的同步，导致星上AIS信号无法正确接收解调。

传统的解决方法仍然采用星上GPS/BD秒脉冲作为起始标志，以最大传输路径计算的信号时延，作为搜索边界。但是这种方法增加了对卫星平台的要求，也对FPGA的计算资源和存储资源提出了较高的要求。一旦星上秒脉冲没有对齐，将导致整个AIS信号接收解调任务失败，不适合在卫星平台设备使用。

采用AIS训练序列模板相关匹配技术，实时缓存信号码流与AIS信号训练序列码，即由交替的0和1(010101010…)组成的的前置码进行相关匹配，计算相关峰。在得到相关峰时即完成了与训练序列标准模板的匹配，从而完成星地间AIS信号的接收同步。

4.2 瞬时测频实时纠偏技术

AIS信号采用GMSK调制方式，码速率为9.6 kbps，BT=0.4，采用NRZI编码方式。卫星与海上船舶之间的相对高速运动带来的多普勒频移，导致对AIS信号的瞬时测频数值有频偏。如果采用固定的阈值作为信号差分极性判断，将可能导致解调bit位判断错误。

采用相位差分的方式计算瞬时频率，即

f(n)=φ(n)-φ(n-1)=

在经过前级的FPGA对信号的预处理后，得到信号的I、Q分量。采用FPGA的CORDIC的IP Core可以获取信号的瞬时相位。在对相位进行差分和平滑后得到信号的瞬时频率。

在星上采用流水线方式实时测频并以缓存数据瞬时频率的平均值作为实时阈值。由于卫星在短时间内速度变化不大，在这段时间内信号频率漂移可以忽略。使用当前信号缓存数据的瞬时频率平均值作为极性判断阈值，可以有效防止信号极性的误判，得到正确的解调结果。整个AIS信号解调同步原理如图9所示。

图9 AIS信号同步解调原理图

5 算法仿真与地面测试

5.1 算法仿真

为验证提出的设计方案，采用Matlab对算法进行仿真，并对完成的AIS接收机开展了地面有线测试。首先依据AIS协议产生AIS数据，然后进行NRZI编码、矩形脉冲成形及高斯滤波器加窗，采用FM调制法产生AIS信号，信号频谱如图10所示。

图10 AIS信号频谱图

采用相位差分和平滑方式，进行瞬时测频，获取AIS信号的瞬时频率曲线，如图11所示。

图11 信号瞬时测频图

为获取AIS信号的起始位置需要对AIS训练序列进行模板匹配，对训练序列和AIS码流的求相关，相关峰结果如图12所示。最后求得AIS信号的解调码流，如图13所示。

采样数据经过抽取后，每个码片为10个采样点，从图12中可以看出，与前240个点相关时，是相关峰的最大值，而此时正好是前24 bit训练序列完全匹配的时刻，这个时刻记为信号的起始时刻。通过瞬时相位差平滑的方式进行瞬时测频，实时得出阈值并进行数据解调，获取解调结果。最后对解调结果码流与根据AIS协议生成的数据流进行比较，结果表明数据一致。

图12 信号与训练序列匹配相关图

图13 信号解调结果码流

5.2 地面有线测试

对设计方案进行了地面有线测试，搭建了如图14所示的测试平台。采用信号源回放产生AIS信号，由外部GPS接收机提供秒脉冲作为触发信号，在信号源中设置不同的延时，模拟产生不同延时的信号起始位置。通过外部混频将信号混频到AIS的射频频率，调节本振的频率模拟产生多普勒频偏。通过设置可调衰减器后，将信号功率设置在指定轨道高度卫星平台接收到的AIS信号的功率值。测试结果表明，在AIS信号功率不小于-110 dBm时，经过长时间测试，AIS接收机的解调正确率都在95%以上，完全满足低轨卫星平台侦收AIS信号的设计要求。