AIS通用船舶自動識別系統(tǒng)簡介

張焱　馬金鑫

摘要：星載AIS分系統(tǒng)是一種運行在低軌道衛(wèi)星上的AIS信號監(jiān)聽裝置，其主要功能為實現(xiàn)對星下可視范圍內(nèi)船舶AIS信號的監(jiān)聽和解調(diào)并將解調(diào)后的信息打包下傳至地面站。本文主要介紹了星載AIS分系統(tǒng)的實現(xiàn)原理、AIS的信號格式及AIS信號源的實現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：AIS；信號格式；信號源

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0072-02

通用船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡稱AIS）是一種新型的船舶避碰系統(tǒng)。船載AIS收發(fā)機是一種裝備在船舶上的信號收發(fā)裝置，該裝置一方面對外實時播發(fā)由傳感器收集和人工置入的船舶動、靜態(tài)信息，另一方面捕獲周邊其他船舶的動、靜態(tài)信息，從而實現(xiàn)船舶對周邊海洋環(huán)境的實時掌握[1]。

星載AIS信號偵察系統(tǒng)，通過低軌道衛(wèi)星裝配，可收到幾百海里乃至上千海里內(nèi)船舶的AIS信號并下傳至地面站接收系統(tǒng)，可實現(xiàn)國家周邊海域乃至全球海域的船舶信息跟蹤[2]。基于上述優(yōu)勢，星載AIS系統(tǒng)目前受到各國的高度關(guān)注。

1 AIS系統(tǒng)概述

AIS分系統(tǒng)由AIS天線、AIS前置放大器、AIS接收機和高頻電纜組成。衛(wèi)星進入在軌飛行段時，AIS分系統(tǒng)開機。AIS天線負責接收海面船臺發(fā)送的AIS信號，AIS分系統(tǒng)接收機主要完成AIS信號的接收、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。船舶臺站發(fā)出的VHF頻段信號經(jīng)由星載AIS天線接收后，經(jīng)過放大器，濾波、下變頻處理后，實現(xiàn)AIS信號的捕獲、跟蹤、解調(diào)功能，并生成AIS數(shù)字電文，通過LVDS信號接口作為偵聽數(shù)據(jù)接口，將存儲的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給數(shù)傳分系統(tǒng)，通過1553B總線作為總線數(shù)據(jù)接口，與數(shù)管系統(tǒng)相交互，響應整星的指令[3]。

2 信號格式簡介

AIS系統(tǒng)以幀為傳輸單元，每一幀包含數(shù)據(jù)576000bits，傳輸時間為1min。AIS系統(tǒng)每一幀的數(shù)據(jù)劃分為2250個時隙，每個時隙的傳輸時長為26.67ms，傳輸數(shù)據(jù)量為256bit。

AIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀格式包括8bit的前置碼，24bit已知的訓練序列，8bit起始標志，168bit數(shù)據(jù)，16bit幀校驗序列，8bit結(jié)束標志以及24bit緩沖碼，總共256bit的數(shù)據(jù)組成[4]，如表1所示。

AIS系統(tǒng)采用GMSK的調(diào)制方式，對非歸零碼序列進行了了一次高斯低通濾波，然后對濾波后的數(shù)據(jù)進行MSK調(diào)制，即實現(xiàn)了GMSK調(diào)制。

AIS整個信號源實現(xiàn)過程為：

首先進行NRZ編碼：

其中，為0，為輸入的0、1序列。將輸出進行不歸零反轉(zhuǎn)；相位積分后分別得同向與正交支路。

由于同步序列與開始標志為確定的數(shù)字序列，故取該32bit數(shù)字序列為本地訓練序列，用于尋找采樣輸入的信號的訓練序列位置并粗略估計頻偏值大小。

信號處理過程中采用4倍采樣，所以在取本地訓練序列時將調(diào)制的GMSK序列每隔4個點取一個，最終得到本地訓練序列[5]。IQ調(diào)試信號如圖1所示。添加噪聲，通過濾波器輸出，進入基帶信號處理過程。

3 信號解調(diào)算法簡介

接收機硬件主芯片選用TI公司的SMJ320C6701浮點DSP，DSP的工作頻率為112MHz，外部總線寬度32 bits（字訪問模式）。AIS接收機采用線性相干解調(diào)算法對基帶信號進行處理，接收機需要獲取信號的初始相位，并進行精確的載波提取，需要接收機擁有本振、鎖相環(huán)、載波恢復電路等。信號處理流程主要為：頻偏粗估計、頻偏補償、FFT頻偏精確估計、FFT頻偏補償、相位估計、鎖相環(huán)、采樣判決、誤碼率判斷及三次采樣串行搜索。

GMSK調(diào)制信號可以看作一種線性相位調(diào)制，即OQPSK偏移正交相移鍵控，其正交支路較同相支路延時了一個碼元周期T。對同相支路和正交支路分別以兩個碼元周期2T為間隔進行定時采樣，并且兩支路錯開一個碼元周期T采樣。將對應的同相分量和正交分量相乘，即可得到采樣輸出信號yn。

采樣后的信號yn再進行判決輸出，為正，則判為1，為負，則判為0。得到判決數(shù)據(jù)an，最后經(jīng)差分譯碼輸出即為所得序列bn。如圖2所示，藍色實線為yn，紅色虛線為以0為門限所得到的判決數(shù)據(jù)an。

三次采樣串行搜索是指：通常捕獲偏離的采樣點在±1個點的區(qū)間范圍，為消除捕獲偏離采樣點帶來的誤碼、誤包影響，分別在原最佳單采樣點捕獲解調(diào)的方案上，加入了最佳采樣點附近±1，即三采樣點串行解調(diào)，形成三次循環(huán)計算，以誤碼率為判斷基準，當信號誤碼情況為0時，跳出循環(huán)，進行下一個時隙的信號處理。

4 結(jié)語

本文主要介紹了AIS的信號格式及AIS信號源的實現(xiàn)過程，簡單介紹了AIS信號解調(diào)算法的實現(xiàn)，對于工程實現(xiàn)及實驗驗證具有重要的參考價值。

參考文獻

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[2]計科峰，趙和鵬，邢相薇，鄒煥新.小衛(wèi)星載AIS海洋監(jiān)視技術(shù)研究進展[J].雷達科學與技術(shù)，2013，11（01）：9-15+20.

[3]賀超峰，徐鐵，胡勤友，葛依東.應用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的船舶AIS數(shù)據(jù)采集[J].上海海事大學學報，2013，34（01）：5-9.

[4]邢輝，段樹林，黃連忠，劉勤安.基于AIS數(shù)據(jù)的渤海灣地區(qū)海運排放測算[J].中國環(huán)境科學，2016，36（03）：953-960.

[5]向哲，胡勤友，施朝健，楊春.基于AIS數(shù)據(jù)的受限水域船舶領(lǐng)域計算方法[J].交通運輸工程學報，2015，15（05）：110-117.