本发明涉及卫星通信中的地面终端模拟器领域，尤其是卫星ais通信系统，具体地，涉及一种卫星接收机多用户接入的模拟方法及模拟装置。
背景技术：
近年来，随着世界经济的快速发展，依赖于船舶运输的行业也在急速增加，导致海域船舶数量急剧增加，海上交通密度增高，会遇率增大，同时使沿岸水域的通航环境发生了很大的变化，加强海上交通实况识别和监管变得十分重要，其不仅有利于监管船舶有条不紊地进行工作，更能实时准确地接收船舶的发送信息，在船舶遇到危机情形下，第一时间对船舶进行定位急救。
自动识别系统(automaticidentificationsystem，简称ais)是国际海洋组织强制规定使用的一种新型的助航系统及设备，已广泛用于船舶通信与卫星通信领域。ais已发展成通用船舶自动识别系统，船舶ais系统的主要功能包括：船只识别、协助追踪目标、简单的信息交流以及提供其它辅助信息以避免发生碰撞。船舶ais系统有助于实现船与船、船与岸基之间的有效通信。
星载ais系统是在船舶ais系统的基础上发展起来的新型系统，它可以在更大区域范围内接收ais信号。对星载ais信号进行接收处理，这在军事和民用领域都有重大的意义。船舶ais系统也有其自身的缺点：由于受到传输路径的影响，船舶ais系统的通信距离仅为视距通信，因而其覆盖面积有限，实际使用过程中船舶之间的通信距离范围为20海里左右，船舶对岸的通信距离为40海里左右，这大大限制了ais系统效能的发挥。因此提出星载ais技术，扩展ais系统的应用范围。星载ais主要是利用卫星较宽的上行覆盖区域，将覆盖区域内的ais信号进行采集、处理和转发，从而达到扩大ais信号服务范围的目的，实现大范围内海上船只目标的监控。
目前，星载ais系统需解决的一个主要问题是ais信息碰撞时如何进行有效地解调碰撞信号，提高卫星对船舶的ais信号检测概率。
技术实现要素：
针对现有技术存在的技术缺陷，根据本发明的一个方面，本发明的目的是提供一种卫星接收机多用户接入的模拟方法，其用于基于卫星轨道自动识别系统的多用户接入的模拟，其包括如下步骤：
a.基于每个小区内每个终端用户的用户信息生成小区信号流并对所述小区信号流进行编码和调制生成所述小区对应的基带信号，且每个所述小区内的多个所述终端用户对应的多个所述用户信息不同；
b.基于所述基带信号生成带有多普勒频移模拟与发射延迟控制的上行多用户信号，所述上行多用户信号与每个所述小区相对应；
c.将全部所述小区对应的全部所述上行多用户信号进行合路处理。
优选地，所述步骤a中，所述用户信息包括所述终端用户的经纬度、航速、航向以及时隙，所述用户信息是固定的或者随机分配的。
优选地，所述小区信号流通过如下步骤生成：
a1.根据轨道参数实时生成卫星运行轨迹和星下点经纬度；
a2.基于实时生成的所述卫星运行轨迹和所述星下点经纬度生成卫星覆盖的大区；
a3.将所述大区划分为多个所述小区；
a4.为每个所述终端用户设置固定的或者随机的所述用户信息；
a5.以所述小区为单位将所述大区内的全部所述终端用户进行分配，再以所述小区为单位对每个所述小区的全部所述用户信息进行帧内容填充并按照固定或者随机分配的时隙生成所述小区信号流。
优选地，所述轨道参数包括偏心率、半长轴、平近地角、升交点赤经、轨道倾角和近地点幅角。
优选地，所述步骤a4之前执行如下步骤：a31.同步所述终端用户的本地时间与卫星运行模拟时间。
优选地，所述步骤b包括如下步骤：
b1.根据卫星运行轨迹和终端用户的位置计算卫星与终端用户短时相对运动速度，基于所述短时相对运动速度预测出上行多普勒频移，并对所述基带信号进行多普勒频移模拟；
b2.根据卫星运行轨迹和终端用户的位置计算卫星与终端用户相对距离，并对所述基带信号进行发射延迟控制。
根据本发明的另一个方面，还提供一种卫星接收机多用户接入的模拟装置，其用于基于卫星轨道自动识别系统的多用户接入的模拟，包括：
发射信息组帧模块，其用于基于每个小区内每个终端用户的用户信息生成小区信号流；
基带信息处理模块，其用于对所述小区信号流进行编码和调制生成所述小区对应的基带信号；
发射机模块，其用于基于所述基带信号生成带有多普勒频移模拟与发射延迟控制的上行多用户信号，并将全部所述小区对应的全部所述上行多用户信号进行合路处理。
优选地，所述卫星接收机多用户接入的模拟装置还包括：
卫星运动模拟模块，其用于根据轨道参数实时生成卫星运行轨迹和星下点经纬度；
卫星覆盖区域生成模块，其用于基于实时生成的所述卫星运行轨迹和所述星下点经纬度生成卫星覆盖的大区；
终端通信小区生成模块，其用于将所述大区划分为多个所述小区；
终端用户分布生成模块，其用于为每个所述终端用户设置固定的或者随机的所述用户信息。
优选地，所述发射信息组帧模块以所述小区为单位将所述大区内的全部所述终端用户进行分配，再以所述小区为单位对每个所述小区的全部所述用户信息进行帧内容填充并按照固定或者随机分配的时隙生成所述小区信号流。
优选地，还包括本地世界统一时间生成模块，其用于同步所述终端用户的本地时间与卫星运行模拟时间。
优选地，所述发射机模块包括：
多普勒频移模拟模块，其用于根据卫星运行轨迹和终端用户的位置计算卫星与终端用户短时相对运动速度，基于所述短时相对运动速度预测出上行多普勒频移，并对所述基带信号进行多普勒频移模拟；
发射延迟控制模块，其用于根据卫星运行轨迹和终端用户的位置计算卫星与终端用户相对距离，并对所述基带信号进行发射延迟控制。
本发明针对ais信号碰撞模拟和多用户接入的模拟，依次生成卫星运行轨迹和星下点经纬度、卫星覆盖大区及其经纬度范围，并划分若干小区，对每个小区内终端发射的信号进行采集、处理和转发，能够在ais信息碰撞时进行有效地解调碰撞信息，提高卫星对船舶的ais信号检测概率，实现大范围内海上船只目标的监控。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了本发明的具体实施方式的，一种卫星接收机多用户接入的模拟方法流程图；
图2示出了本发明的具体实施方式的，小区信号流的生成步骤流程示意图；
图3示出了本发明的具体实施方式的，模拟卫星运动和覆盖区域改变的场景示意图；
图4示出了本发明的具体实施方式的，卫星覆盖大区中终端通信小区生成方法示意图；
图5示出了本发明的具体实施方式的，基于基带信号生成带有多普勒频移模拟与发射延迟控制的上行多用户信号的方法流程图；
图6示出了本发明的第一具体实施例的，一种卫星接收机多用户接入的模拟装置结构示意图；
图7示出了本发明的第二具体实施例的，一种卫星接收机多用户接入的模拟装置结构示意图；以及
图8示出了本发明的第三具体实施例的，一种卫星接收机多用户接入的模拟装置结构示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明的一个具体实施方式的，一种卫星接收机多用户接入的模拟方法流程图，本发明的方法可用于基于卫星轨道自动识别系统的多用户接入的模拟，不仅有利于监管传播有条不紊地进行工作，更能实时准确地接收传播的发送信息。其具体包括如下步骤：
首先执行步骤s101，基于每个小区内每个终端用户的用户信息生成小区信号流并对所述小区信号流进行编码和调制生成所述小区对应的基带信号，且每个所述小区内的多个所述终端用户对应的多个所述用户信息不同。本领域技术人员理解，卫星在轨运行过程中，利用星载ais系统对信号覆盖区域内的所述终端用户进行识别和监控，所述终端用户与所述卫星相互通讯实现信号的传输。基于卫星较宽的上行覆盖区域，每个所述小区为所述覆盖区域内的子区域，而每个所述小区内具有一定数目的所述终端用户，例如，在船舶运输业中，每个所述终端用户代表不同的船舶，所述用户信息即每条船舶对应的信息，例如所述终端用户的具体坐标、航行方向等信息。
进一步地，基于所述用户信息，依据船舶自动识别技术系统的通讯协议确定的时隙生成所述小区信号流。进一步地，通过对所述小区信号流进行编码、调制生成所述小区对应的基带信号。需要说明的是，在该步骤中，每个所述小区内的多个所述终端用户对应的多个所述用户信息不同。更进一步的，由于在轨卫星运行轨迹的实时变化，卫星信号的覆盖区域，每一个所述小区以及所述小区中所述终端用户也是动态变化的。
然后执行步骤s102，基于所述基带信号生成带有多普勒频移模拟与发射延迟控制的上行多用户信号，所述上行多用户信号与每个所述小区相对应，即所述上行多用户信号中包含对应所述小区中的全部所述终端用户的用户信息。
最后，执行步骤s103，将全部所述小区对应的全部所述上行多用户信号进行合路处理。本领域技术人员理解，每一个所述小区对应的所述上行多用户信号的多路信号经合路处理后，组成所述卫星覆盖区域内的卫星接收机接收的信号，从而模拟多用户接入冲突的情景，实现本发明的目的。
进一步地，本发明中所述用户信息包括每一个所述终端用户的经纬度、航速、航向以及时隙。具体地，所述用户信息的设置方式可以是固定设置或随机分布，而当采用随机分布方式时，可以通过制定分布函数类型对所述用户信息进行随机分布。更为具体地，可以将所述卫星某一运行轨迹所覆盖区域内全部所述终端用户设置固定的经纬度、航速或航向，以及每一个所述终端用户对应的所述小区内通信时使用的时隙；或者将所述卫星某一运行轨迹所覆盖区域内全部所述终端用户的分布指定分布函数类型，进行随机分布，设置符合所述分布函数类型的随机的经纬度、航速以及航向，以及在对应小区内通信时使用的符合所述分布函数的随机的时隙，进一步地，在同一个所述小区内使用的该随机分配的时隙不重复。
进一步地，图2示出了本发明的具体实施方式的，小区信号流的生成步骤流程示意图。作为图1所示实施例中步骤s101的子实施例，其具体包括如下步骤：
步骤s1011，根据轨道参数实时生成卫星运行轨迹和星下点经纬度。具体地，所述轨道参数包括卫星偏心率、半长轴、平近地角、升交点赤经、轨道倾角以及近地点幅角等轨道参数。所述星下点经纬度即地球中心与卫星连线在地球表面的经度、纬度值。
步骤s1012，基于实时生成的所述卫星运行轨迹和所述星下点经纬度生成卫星覆盖大区。具体地，结合图3，图3示出了本发明的具体实施方式的，模拟卫星运动和覆盖区域改变的场景示意图。根据设置的卫星天线波束宽度和卫星高度，在所述卫星运行轨迹周围，生成所述卫星覆盖大区。本领域技术人员理解，随所述卫星运行轨迹的变化，所述卫星覆盖大区的地理位置实时变动。
步骤s1013，将所述大区划分为多个所述小区。具体地，结合图4，图4示出了本发明的具体实施方式的，卫星覆盖大区中终端通信小区生成方法示意图。本领域技术人员理解，通过所述卫星运行轨迹、卫星天线波束宽度和卫星高度值，可以实时确定所述大区的边界经纬度，在图4所示的优选实施例中，将所述大区及所述大区边界以外区域形成的外接所述大区的方形区域平均划分为多个网格，其中每一个网格代表的区域即为所述小区。更为具体地，每一个网格所代表的所述小区的面积为40海里*40海里，或其他大小，在此不予赘述。需要说明的是，如图4所示，在所述大区边缘，部分所述小区并非为完整的正方形网格，超出所述大区范围外的区域无法与卫星通信。
步骤s1014，为每个所述终端用户设置固定的或者随机的所述用户信息。所述用户信息包括固定的经纬度、航速和航向，以及在所述小区内实用的时隙；或者符合指定分布函数的随机分布的经纬度、航速和航向，以及在所述小区内通信时使用的负荷分布韩素的随机的时隙，在此不予赘述。
步骤s1015，以所述小区为单位将所述大区内的全部所述终端用户进行分配，再以所述小区为单位对每个所述小区的全部所述用户信息进行帧内容填充并按照固定或者随机分配的时隙生成所述小区信号流。在一个具体的实施例中，将每个所述小区内用户依据iturm1371-5协议，进行帧内容填充，并使用分配的时隙，组成每分钟2250时隙的信号流。
在上述图2所示实施例的一个变化例中，本领域技术人员理解，所述步骤s1014之前还包括步骤：同步所述终端用户的本地时间与卫星运行模拟时间。具体地，通过卫星导航系统(gps)获取世界统一时间utc，对所述卫星运行模拟时间进行调整，达到所述卫星运行模拟时间与所述世界统一时间utc同步；同时，基于所述终端用户所在时区，求出所述终端用户相对于世界统一时间utc的时间差，从而将世界统一时间utc转换为所述终端用户的本地时间，从而模拟生成终端用户本地utc时间，从而以所述世界统一时间utc为参照基准，使所述终端用户的本地时间与所述卫星运行模拟时间统一。
图5示出了本发明的具体实施方式的，基于基带信号生成带有多普勒频移模拟与发射延迟控制的上行多用户信号的方法流程图。作为图1所示实施例中步骤s102的子实施例，其具体包括如下步骤：
步骤s1021，根据卫星运行轨迹和终端用户的位置计算卫星与终端用户短时相对运动速度，基于所述短时相对运动速度预测出上行多普勒频移，并对所述基带信号进行多普勒频移模拟。本领域技术人员理解，所述卫星相对于所述终端用户相对运动，不可避免造成多普勒频移影响卫星通讯。在该步骤中，根据所述短时相对运动速度预测出所述上行多普勒频移造成的时间差，对所述信号进行补偿。
步骤s1022，根据卫星运行轨迹和终端用户的位置计算卫星与终端用户相对距离，并对所述基带信号进行发射延迟控制。本领域技术人员理解，由于所述卫星与终端用户相对距离的存在，所述基带信号发射后，不可避免的造成了传输延迟，进一步地，通过提前发射所述基带信号，即对所述基带信号进行发射延迟控制，可以实现准同步。
进一步地，本领域技术人员理解，上述步骤s1021及所述步骤s1022可以同步进行，二者相互独立，并不影响，在此不予赘述。
下面对本发明的装置部分进行详细描述，图6示出了本发明的第一具体实施例的，一种卫星接收机多用户接入的模拟装置结构示意图。所述模拟装置用于基于卫星轨道自动识别系统的多用户接入的模拟。具体地，至少包括发射信息组帧模块、基带信息处理模块以及发射机模块。所述发射信息组帧模块、基带信息处理模块以及发射机模块依次连接并通讯。进一步地，所述发射信息组帧模块用于基于每个小区内每个终端用户的用户信息生成小区信号流，在卫星覆盖大区范围内，不同的所述小区分别产生不同的小区信号流；所述基带信息处理模块用于对所述小区信号流进行编码和调制生成所述小区对应的基带信号；所述发射机模块用于基于所述基带信号生成带有多普勒频移模拟与发射延迟控制的上行多用户信号，并将全部所述小区对应的全部所述上行多用户信号进行合路处理。从而组成卫星覆盖大区内的卫星接收机接收的信号并用于模拟多用户接入冲突的情景。
进一步地，在一个变化例中，图7示出了本发明的第二具体实施例的，一种卫星接收机多用户接入的模拟装置结构示意图。如图7所示，所述模拟装置包括依次连接并通讯的，卫星运动模拟模块、卫星覆盖区域生成模块、终端通信小区生成模块、终端用户分布生成模块、发射信息组帧模块、基带信息处理模块以及发射机模块。其中关于所述发射信息组帧模块、基带信息处理模块以及发射机模块的具体描述可以参考上述图6中具体实施例，在此不予赘述。区别于图6所示实施例，所述卫星运动模拟模块用于根据轨道参数实时生成卫星运行轨迹和星下点经纬度。具体地，所述卫星运动模拟模块根据偏心率、半长轴、平近地角、升交点赤经、轨道倾角和近地点幅角等卫星的轨道参数，生成所述卫星运行轨迹和星下点经纬度。所述卫星覆盖区域生成模块用于基于实时生成的所述卫星运行轨迹和所述星下点经纬度生成卫星覆盖的大区。具体地，所述卫星覆盖区域生成模块可以通过设置的卫星天线波束宽度和卫星高度，在所述卫星运行轨迹周围，生成所述大区。本领域技术人员理解，所述大区随着所述卫星运行轨迹的变化而实时改变所述覆盖的地理位置，在此不予赘述。所述终端通信小区生成模块用于将所述大区划分为多个所述小区。关于多个所述小区在所述大区中的划分方式及其分布，可以参考图4及其具体实施例，在此不予赘述。所述终端用户分布生成模块用于为每个所述终端用户设置固定的或者随机的所述用户信息。所述用户信息包扩所述终端用户的经纬度、航速和航向以及所使用的时隙等用于标识所述终端用户的特有信息。
进一步地，在本实施例中，所述发射信息组帧模块以所述小区为单位将所述大区内的全部所述终端用户进行分配，再以所述小区为单位对每个所述小区的全部所述用户信息进行帧内容填充并按照固定或者随机分配的时隙生成所述小区信号流。例如，所述发射信息组帧模块根据某个所述大区的用户分布，按所述小区分配，将每个所述小区内所述终端用户依据iturm1371-5协议，进行帧内容填充，并使用分配的时隙，组成每分钟2250时隙的信号流。
进一步地，本领域技术人员理解，所述模拟装置还包括本地世界统一时间生成模块，所述本地世界统一时间生成模块用于同步所述终端用户的本地时间与卫星运行模拟时间，具体地，通过将所述终端用户的本地时间与世界统一时间utc根据时差关系进行同步，而对所述卫星运行模拟时间根据卫星导航系统的测量，使其与所述世界统一时间utc同步，从而生成本地uct时间，鱼所述卫星运行模拟实践统一，实现各所述终端用户本地时间与世界统一时间utc的同步。
而在本发明的一个更为优选的具体实施例中，图8示出了本发明的第三具体实施例的，一种卫星接收机多用户接入的模拟装置结构示意图。在这样的实施例中，所述模拟装置包括依次连接并通讯的卫星运动模拟模块、卫星覆盖范围生成模块、终端通信小区生成模块、终端用户分布生成模块、发射信息组帧模块、基带信息处理模块以及发射机模块，其中，所述发射信息组帧模块还与本地utc生成模块连接并通讯。区别于图6、图7所示实施例，在图8所示实施例中，所述发射机进一步包括多普勒频移模拟模块以及发射延迟控制模块。其中，所述多普勒频移模拟模块用于根据卫星运行轨迹和终端用户位置计算卫星与终端用户短时相对运动速度，预测出上行多普勒频移，并对所述基带信号进行多普勒频移模拟。所述发射延迟控制模块用于根据卫星运行轨迹和终端用户的位置计算卫星与终端用户相对距离，并对所述基带信号进行发射延迟控制。
继续参考图8，所述基带信息处理模块进一步包括调制模块预计nrzi编码模块。其中，所述nrzi编码即非归零反相编码模块用于进行非归零方向编码，具体地，当原始二进制数据为0时，编码数据进行翻转，原始二进制数据为1，编码数据进行保持；所述调制模块可用于gmsk调制，在此不予赘述。
本领域技术人员理解，本发明的模拟方法及模拟装置的具体实现，可以通过卫星通讯系统中dsp与fpga的协同工作实现。所述dsp与所述fpga通过本发明的模拟装置的硬件结合软件无线电实现本发明的模拟方法的流程控制。本领域技术人员理解，所述dsp以及所述fpga具有高速运算、灵活编程的特点，且具有强大的中频信号处理能力、数据管理能力和通信能力。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。