AIS通用船舶自动识别系统简介
时间：2020-12-18 20:05:34 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：星载AIS分系统是一种运行在低轨道卫星上的AIS信號监听装置，其主要功能为实现对星下可视范围内船舶AIS信号的监听和解调并将解调后的信息打包下传至地面站。本文主要介绍了星载AIS分系统的实现原理、AIS的信号格式及AIS信号源的实现过程。
关键词：AIS；信号格式；信号源
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0072-02
通用船舶自动识别系统（Automatic Identification System，简称AIS）是一种新型的船舶避碰系统。船载AIS收发机是一种装备在船舶上的信号收发装置，该装置一方面对外实时播发由传感器收集和人工置入的船舶动、静态信息，另一方面捕获周边其他船舶的动、静态信息，从而实现船舶对周边海洋环境的实时掌握[1]。
星载AIS信号侦察系统，通过低轨道卫星装配，可收到几百海里乃至上千海里内船舶的AIS信号并下传至地面站接收系统，可实现国家周边海域乃至全球海域的船舶信息跟踪[2]。基于上述优势，星载AIS系统目前受到各国的高度关注。
1 AIS系统概述
AIS分系统由AIS天线、AIS前置放大器、AIS接收机和高频电缆组成。卫星进入在轨飞行段时，AIS分系统开机。AIS天线负责接收海面船台发送的AIS信号，AIS分系统接收机主要完成AIS信号的接收、处理和数据转发。船舶台站发出的VHF频段信号经由星载AIS天线接收后，经过放大器，滤波、下变频处理后，实现AIS信号的捕获、跟踪、解调功能，并生成AIS数字电文，通过LVDS信号接口作为侦听数据接口，将存储的数据信息发送给数传分系统，通过1553B总线作为总线数据接口，与数管系统相交互，响应整星的指令[3]。
2 信号格式简介
AIS系统以帧为传输单元，每一帧包含数据576000bits，传输时间为1min。AIS系统每一帧的数据划分为2250个时隙，每个时隙的传输时长为26.67ms，传输数据量为256bit。
AIS系统数据帧格式包括8bit的前置码，24bit已知的训练序列，8bit起始标志，168bit数据，16bit帧校验序列，8bit结束标志以及24bit缓冲码，总共256bit的数据组成[4]，如表1所示。
AIS系统采用GMSK的调制方式，对非归零码序列进行了了一次高斯低通滤波，然后对滤波后的数据进行MSK调制，即实现了GMSK调制。
AIS整个信号源实现过程为：
首先进行NRZ编码：
其中，为0，为输入的0、1序列。将输出进行不归零反转；相位积分后分别得同向与正交支路。
由于同步序列与开始标志为确定的数字序列，故取该32bit数字序列为本地训练序列，用于寻找采样输入的信号的训练序列位置并粗略估计频偏值大小。
信号处理过程中采用4倍采样，所以在取本地训练序列时将调制的GMSK序列每隔4个点取一个，最终得到本地训练序列[5]。IQ调试信号如图1所示。添加噪声，通过滤波器输出，进入基带信号处理过程。
3 信号解调算法简介
接收机硬件主芯片选用TI公司的SMJ320C6701浮点DSP，DSP的工作频率为112MHz，外部总线宽度32 bits（字访问模式）。AIS接收机采用线性相干解调算法对基带信号进行处理，接收机需要获取信号的初始相位，并进行精确的载波提取，需要接收机拥有本振、锁相环、载波恢复电路等。信号处理流程主要为：频偏粗估计、频偏补偿、FFT频偏精确估计、FFT频偏补偿、相位估计、锁相环、采样判决、误码率判断及三次采样串行搜索。
GMSK调制信号可以看作一种线性相位调制，即OQPSK偏移正交相移键控，其正交支路较同相支路延时了一个码元周期T。对同相支路和正交支路分别以两个码元周期2T为间隔进行定时采样，并且两支路错开一个码元周期T采样。将对应的同相分量和正交分量相乘，即可得到采样输出信号yn。
采样后的信号yn再进行判决输出，为正，则判为1，为负，则判为0。得到判决数据an，最后经差分译码输出即为所得序列bn。如图2所示，蓝色实线为yn，红色虚线为以0为门限所得到的判决数据an。
三次采样串行搜索是指：通常捕获偏离的采样点在±1个点的区间范围，为消除捕获偏离采样点带来的误码、误包影响，分别在原最佳单采样点捕获解调的方案上，加入了最佳采样点附近±1，即三采样点串行解调，形成三次循环计算，以误码率为判断基准，当信号误码情况为0时，跳出循环，进行下一个时隙的信号处理。
4 结语
本文主要介绍了AIS的信号格式及AIS信号源的实现过程，简单介绍了AIS信号解调算法的实现，对于工程实现及实验验证具有重要的参考价值。
参考文献
[1]王艳军，王晓峰.AIS和北斗终端组合在船舶动态监控中的应用[J].上海海事大学学报，2011，32（04）：17-21.
[2]计科峰，赵和鹏，邢相薇，邹焕新.小卫星载AIS海洋监视技术研究进展[J].雷达科学与技术，2013，11（01）：9-15+20.
[3]贺超峰，徐铁，胡勤友，葛依东.应用北斗卫星导航系统的船舶AIS数据采集[J].上海海事大学学报，2013，34（01）：5-9.
[4]邢辉，段树林，黄连忠，刘勤安.基于AIS数据的渤海湾地区海运排放测算[J].中国环境科学，2016，36（03）：953-960.
[5]向哲，胡勤友，施朝健，杨春.基于AIS数据的受限水域船舶领域计算方法[J].交通运输工程学报，2015，15（05）：110-117.
