一种基于单天线的星载AIS时隙碰撞信号分离方法与流程

本发明属于航天信息技术领域，具体涉及一种基于单天线的星载ais时隙碰撞信号分离方法。

背景技术：

船舶自动识别系统(ais)是近年来国际海事组织大力推广的一种海事交通管制系统，用于实现船岸间以及船舶之间的交管通信，避免船只碰撞事故的发生。通过ais信号可以获得船舶静态信息(船名、目的港等)、动态信息(船位、航速、航向等)、航次信息和安全短消息等相关资料，进而掌握海面民用船舶的分布情况及海域交通动态信息。但是ais信号地面传播受视线限制，地面无法实现大范围、远距离接收。而卫星覆盖区域广，可实现大范围、远距离ais信号接收，实现对全球范围内海事活动的监视，因此发展天基ais监视处理技术具有重要实用价值。

天基ais接收与ais船间通信和船岸通信的情形有较大不同，由于卫星覆盖区域大，可能导致不同小区ais信号到达卫星接收机时产生时隙碰撞，时隙碰撞问题一直是现代通信技术领域关注的热点。早期的研究方法大多基于阵列处理实现干扰抑制、信号分离。基于阵列处理方法的性能在很大程度上取决于系统的空域分辨率，考虑实际卫星应用环境，由于卫星平台体积、重量的限制，不可能装配很多阵元，阵列规模、孔径偏小，因此空域分辨率相对较低，信号处理效果不佳。

随着技术不断发展，基于单天线的处理方法近年来越来越受到人们重视，因为某些应用场合可能不具备阵列接收的条件，因此必须立足于单天线接收进行分析处理。与阵列系统相比，单天线接收在硬件规模、系统成本上有一定优势，但由于低维观测、缺少空域信息，处理难度更大，更具挑战性。

因此，必须寻求一种有效的基于单天线的星载ais时隙碰撞信号分离的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于单天线的星载ais时隙碰撞信号分离方法，针对卫星接收ais信号的时隙碰撞问题，实现全球范围内船舶位置和身份等信息获取和实时更新，为海事交通监管、搜索营救、国际金贸情报、资源环境保护、军事演习等提供数据服务。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于单天线的星载ais时隙碰撞信号分离方法，以抗干扰解调为技术基础，其核心思想是采用信号重构、对消的方法来实现时隙碰撞信号分离、解调。首先，对接收到的时隙碰撞信号中的强信号进行抗干扰解调，得到强信号的解调结果；接下来，利用强信号的解调结果精确估计出强信号的频率、相位、幅度等信息；根据强信号的频率、相位、幅度等信息重构出强信号，并从时隙碰撞信号中分离；最后，对残余信号重复同样的操作，直到残余信号中无法检出信号为止，具体如下：

步骤1、将天线接收到的星载ais时隙碰撞信号分别输入五个不同的滤波器进行滤波，得到滤波后的星载ais时隙碰撞信号，转入步骤2；

步骤2、对滤波后的每个星载ais时隙碰撞信号中的强信号分别输入五个通道进行抗干扰解调，综合五个通道强信号的解调结果，确定强信号的最终解调结果，转入步骤3；

步骤3、利用强信号的最终解调结果精确估计出强信号的频率、相位、幅度信息，转入步骤4；

步骤4、根据强信号的频率、相位、幅度信息重构出强信号，并从时隙碰撞信号中分离，转入步骤5；

步骤5、对残余信号重复同样的操作，直到残余信号中无法检出信号为止。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：采用了多通道并行处理的方法，抗干扰能力更强，能适应较大的多普勒频偏和突发延时，采用信号重构、对消的方法进一步提高了单天线处理时隙碰撞信号的能力；与阵列处理方法相比，大大降低了工程实现难度，特别适于小卫星平台应用。理论分析和实验表明，采用本文提出的方法，至少可以分离出2个ais时隙碰撞信号，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于单天线的星载ais时隙碰撞信号分离方法原理框图。

图2为本发明子频带滤波器划分图。

图3为本发明抗干扰解调流程框图。

图4为本发明gmsk信号解调原理框图。

图5为本发明时隙碰撞信号分离解调性能图，其中图(a)强信号信能图，图(b)为弱信号性能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种基于单天线的星载ais时隙碰撞信号分离方法，包括以下步骤：

步骤1、将天线接收到的星载ais时隙碰撞信号分别输入五个不同的滤波器进行滤波，得到滤波后的星载ais时隙碰撞信号，转入步骤2；

步骤2、对滤波后的每个星载ais时隙碰撞信号中的强信号分别输入五个通道进行抗干扰解调，综合五个通道强信号的解调结果，确定强信号的最终解调结果，转入步骤3；

步骤3、利用强信号的最终解调结果精确估计出强信号的频率、相位、幅度信息，转入步骤4；

步骤4、根据强信号的频率、相位、幅度信息重构出强信号，并从时隙碰撞信号中分离，转入步骤5；

步骤5、对残余信号重复同样的操作，直到残余信号中无法检出信号为止。

结合图2，所述步骤1中，五个滤波器，参数分别为：

第一个滤波器：中心频率为-4khz，带宽为9.6khz；

第二个滤波器：中心频率为-2khz，带宽为9.6khz；

第三个滤波器：中心频率为0khz，带宽为9.6khz；

第四个滤波器：中心频率为2khz，带宽为9.6khz；

第五个滤波器：中心频率为4khz，带宽为9.6khz。

其作用是，考虑到卫星接收ais信号的多普勒效应，将天线接收的ais时隙碰撞信号分别输入五个不同的滤波器进行滤波，使具有多普勒频偏的ais时隙碰撞信号尽可能进入不同的通道进行抗干扰解调。

结合图3，所述步骤2中，对滤波后的每个星载ais时隙碰撞信号中的强信号分别输入五个通道进行抗干扰解调，综合五个通道强信号的解调结果，确定强信号的最终解调结果，具体包括以下步骤：

步骤2-1、将本地已知训练序列与滤波后的时隙碰撞信号进行突发检测，即互相关处理，根据互相关处理的结果判断是否有ais时隙碰撞信号的到来，如果有ais时隙碰撞信号的到来，即为强信号到来，则执行步骤2-2；否则处于等待状态；

步骤2-2、将突发检测到的强信号进行频偏估计，即先进行平方处理，再对平方后的信号做fft处理，根据fft的运算结果确定强信号的频偏，转入步骤2-3；

步骤2-3、根据频偏对强信号做下变频处理，并将处理的结果发送至符号定时模块进行符号定时，转入步骤2-4；

步骤2-4、gmsk信号解调模块采用多比特联合差分解调的方法对经过符号定时后的强信号进行实时解调，转入步骤2-5；

步骤2-5、在实时解调结果中寻找强信号的起始标志和结束标志，如果找到则对其进行crc校验，转入步骤2-6；如果找不到，返回步骤2-1；

步骤2-6、如果crc校验正确，则判断解调的结果完全正确，转入步骤3，如果crc校验错误，则丢弃结果，返回步骤2-1。

所述步骤2-1中，判断是否有ais时隙碰撞信号的到来时，具体是判断互相关处理的结果是否有峰值出现，如果有则判断有ais信号的到来。

所述步骤2-3中，进行符号定时所用公式为：

式中：为符号定时结果，tb为一个码元的持续时间，n为一个码元采样的点数，λ[k]为中间变量，e为自然常数，j表示虚数，l0为关联码元的长度，xk(n)为下变频后的数据。

结合图4，所述步骤2-4中，gmsk信号解调模块采用多比特联合差分解调的方法对经过符号定时后的信号进行实时解调的原理为：在传统1bit差分解调、2bit差分解调的基础上，扩展到6bit差分解调，对不同bit差分解调乘以权重再将其累加后判决输出，得到解调结果；所述权重分别为：

c1＝0.0633c2＝0.4219c3＝0.1983c4＝0.1266c5＝0.1055c6＝0.0844。

所述步骤3中，利用强信号的解调结果精确估计出强信号的频率、相位、幅度信息，具体如下：

步骤3-1、对强信号的解调结果进行laurent展开预处理，得到预处理结果，预处理公式为：

式中：an为预处理结果，j表示虚数，n为强信号解调信息比特长度，αi为强信号解调的信息比特；

步骤3-2、将步骤3-1得到的预处理结果与解调之前的强信号进行共轭相乘，得到共轭相乘结果；

步骤3-3、对共轭相乘结果的先求绝对值，再对得到的绝对值求平均便可得到强信号的幅度精确估计值；同时对共轭相乘结果的做fft处理，根据fft的运算结果得到强信号的频率精确估计值；

步骤3-4、根据上述强信号的频率精确估计值，对共轭相乘结果先进行频率补偿，再对频率补偿的结果求相位，便可得到强信号的相位精确估计值。

所述步骤4中，根据强信号的频率、相位、幅度信息重构出强信号，并从时隙碰撞信号中分离，具体如下：

步骤4-1、根据步骤2强信号的最终解调结果对海面船舶ais信号gmsk进行重新调制，并把gmsk重新调制的结果反馈到接收天线接收信号的缓冲区；

步骤4-2、在接收天线接收信号的缓冲区用原始信号减掉步骤4-1的gmsk重新调制的信号，得到碰撞信号中的弱信号，从而实现碰撞强弱信号的时隙碰撞分离。

所述步骤4-1中，海面船舶ais信号gmsk重新调制的过程如下：根据步骤2强信号的最终解调结果，提取出ais信号精确的幅度、频率、相位信息，然后再进行系数bt＝0.4的gmsk调制。

实施例1如下：

卫星接收ais信号必须面对时隙碰撞、多普勒效应等特殊问题，定义卫星接收ais时隙碰撞信号的信干比sir为最强信号与次强信号的功率比，信噪比eb/n0为最强信号与噪声功率之比。

假设接收天线接收到2个ais时隙碰撞信号，接收到的ais时隙碰撞信号采样率为76.8khz(8倍ais信号的信息速率)，信噪比eb/n0＝15db，强弱2个信号的频偏随机，相位随机。

考虑到卫星接收ais信号的多普勒效应，首先将天线接收的ais时隙碰撞信号分别输入五个不同的滤波器进行滤波，滤波器中心频率分别为-4khz、-2khz、0khz、+2khz、4khz，带宽均为9.6khz，其作用是使具有多普勒频偏的信号尽可能进入不同的通道进行抗干扰解调。

然后对滤波后的ais时隙碰撞信号分别输入五个通道进行抗干扰解调，每个通道的抗干扰解调处理过程都相同。抗干扰解调依次实现突发检测、频偏估计、符号定时、gmsk信号解调、寻找起始标志、结束标志以及crc校验等功能。其中gmsk信号解调模块采用采用多比特联合差分解调的方法，该方法在1bit差分解调、2bit差分解调的基础上，扩展到6bit差分解调，对不同bit差分解调乘以权重再将其累加后判决输出，得到解调结果，综合五个通道强信号的解调结果，确定强信号的最终解调结果，并利用强信号的最终解调结果精确估计出强信号的频率、相位、幅度信息，根据强信号的频率、相位、幅度信息重构出强信号，强信号重构出来之后，在用原始信号减掉减之，便得到剩余的弱信号和噪声，从而实现时隙碰撞信号的分离，对残余信号重复同样的操作，直到残余信号中无法检出信号为止。

图5为不同信干比条件下，2个ais时隙碰撞信号分离后解调性能。由图5可知，随着强弱信号sir的增大，强信号的解调性能不断提升，sir≥5db时，强信号的误码率优于10^-2；弱信号的解调性能却随着强弱信号sir的增大而降低，这是由于随着强弱信号sir的增大，弱信号的功率在不断降低，信噪比在不断恶化，导致解调性能越来越差。

综上所述，本发明可实现星载ais时隙碰撞信号分离和解调，抗干扰能力强，能适应较大的多普勒频偏，与阵列等其他处理方法相比，大大降低了工程实现难度，特别适于小卫星平台应用。理论分析和实验表明，采用本发明提出的方法，至少可以分离出2个ais时隙碰撞信号，具有良好的应用前景。