一種適合衛星接收的多重AIS消息解調方法技術

本發明專利技術公開了一種適合衛星接收的多重AIS消息解調方法，采用基于滑動窗口的解調處理方法，克服了多重AIS消息碰撞引起的信號幀起止位置難以判斷的問題，將常規的解調之前進行幀頭判斷的方法改為在解調得到比特序列之后才尋找幀頭和幀尾，從而使幀頭和幀尾的判斷難度大大降低；采用棧結構輔助的多重解調控制，在多路信號碰撞的條件下，成功實現多路信號的解調，把有希望解調的幀都解調出來。本解調方法運算復雜度不高，適合用于星上實時處理。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種適合衛星接收的多重AIS消息解調方法，特別涉及一種低軌道(LEO)衛星接收AIS信號的多重消息解調方法，該方法可以用在使用簡單接收天線的星載AIS接收系統中。
技術介紹
隨著全球經濟一體化進程，海上運輸和貿易高速增長，迫切需要創建一個系統來實現對全球海域的監控，提高海上運輸的安全。傳統的地面/海面AIS系統傳輸距離近，無法實現遠距離目監視。衛星覆蓋范圍廣，星載AIS系統可以實現對全球范圍內海域的監視，近年來得到各國的重視。在低軌衛星上接收AIS消息面臨主要的技術難題之一，就是多路消息碰撞問題。海面船只的AIS是由近距離范圍的終端以自組織時分多址方式工作的，在一個小區內的船只可以實現無碰撞的AIS發射和接收。而一顆衛星會覆蓋大量的AIS小區，來自不同小區船只、相同時隙的AIS信號在到達衛星時，發生碰撞的概率很大；另外，由于衛星覆蓋區內各船舶到衛星的距離相差較大，各船舶AIS消息到達衛星的時刻相差很大，導致相鄰時隙的AIS消息也有產生部分碰撞的可能。相同頻段上的多路信號疊加在一起，給信號的解調造成了很大困難。一方面，多路AIS消息碰撞和AIS消息到達時刻的不確定性，使得衛星接收機收到的AIS消息的起止時刻很難確定；另一方面，相同頻點上的多路AIS消息的疊加，使得多路AIS消息互相干擾非常嚴重，強信號被弱信號干擾導致誤碼率升高，弱信號則被強信號淹沒而無法實現解調。在地面/海面設備中，因為時隙信息是已知的，而且不存在消息碰撞問題，所以可以通過簡單的能量檢測法判斷AIS消息起止時間。但在衛星接收的情況下，消息到達時刻的不確定性使得衛星接收機難以基于時隙判斷消息的大致起止時刻，而多路消息的疊加又使得衛星接收信號的能量變化不再具有類似地面/海面的簡單規律，所以在衛星上使用簡單的能量檢測法判斷AIS消息的起止位置失敗的概率很高。為將疊加在一起的多路AIS信號分開，有學者提出了盲信號分離的方法。但這類方法的運算復雜度過高，不適合用于星上實時處理。所以，目前急需一種能夠在多路信號碰撞下實現AIS信號的解調，進而提升多重AIS信號解調性能的方法。
技術實現思路
本專利技術解決的技術問題是：針對現有技術的不足，提供了一種適合衛星接收的多重AIS消息解調方法，在衛星接收AIS消息存在多路消息碰撞的條件下，解決消息碰撞導致的幀頭幀尾位置不易判斷的問題和弱信號無法解調的問題，最終將重疊的多路強弱不同的AIS信號解調出來。本專利技術的技術解決方案是：一種適合衛星接收的多重AIS消息解調方法，步驟如下：(1)利用輸入樣值緩存存儲足夠的I、Q形式的復基帶信號樣值后，從滑動窗口的初始位置A開始取樣值，共取出N個符號時間的樣值，用于一次解調，其中N為正整數，表示一個滑動窗口的長度；(2)對位置A+M到位置A+M+L-1總共L個符號時間的樣值，利用聯合參數估計方法對定時偏差和載波頻偏進行參數估計，并利用參數估計結果對整個滑動窗口內信號進行符號同步和載波頻率恢復；其中，整個窗口即為N個符號時間的樣值，其中L為聯合參數估計算法輸入樣值所占的符號時間數，A表示滑動窗口起始位置，M表示窗口以符號時間度量的滑動距離；(3)對符號同步和載波頻率恢復后的信號，利用非相干序列檢測算法進行解調，得到比特序列判決結果；(4)在上一步判決得到的比特序列中，從前往后尋找幀頭，若找到A+M+32的位置還沒有找到幀頭，則結束本次解調，窗口向后滑動M個符號時間后，以新窗口的開頭為解調初始位置，進入步驟(1)進行下一次解調；若找到幀頭，則在解調完一幀長度后進行CRC校驗，實現一次完整的單重解調，并判斷CRC校驗結果，若CRC校驗失敗，則進入步驟(5)，否則進入步驟(6)；(5)CRC校驗失敗，則將本次失敗幀頭的位置壓入“失敗幀頭?！敝校糜谥甘鞠麓谓庹{；同時以本次失敗幀頭末端的位置為解調初始位置，進入步驟(1)繼續進行新的解調；(6)CRC校驗成功，將成功解調的消息輸出，同時使用本幀消息的比特序列對I、Q形式的復基帶信號所包含的AIS信號進行重構，然后從輸入樣值緩存中的I、Q形式的復基帶樣值中減去重構后的信號，完成已解調信號的對消；所述的AIS信號重構包括比特組幀，GMSK調制，精確估計并施加頻偏、相偏、時偏；(7)對消完成后選取下一次解調起始位置：從步驟(5)中的“失敗幀頭棧”中取出最近一次失敗解調幀頭的起始位置，判斷該位置與本次成功解調幀頭的距離，若距離小于一幀的長度，則進入步驟(1)從該失敗幀頭位置重新開始一次解調；若距離大于一幀的長度，則選擇從本次成功解調幀頭的位置開始新一輪的解調。本專利技術與現有技術的相比的有益效果：(1)本專利技術采用基于滑動窗口的解調處理方法，針對衛星AIS多路信號碰撞導致幀頭和幀尾不易判斷的問題，利用滑動窗口不斷移動位置進行解調，不在解調之前進行幀頭判斷，而是在解調得到比特序列之后才尋找幀頭和幀尾，從而使幀頭和幀尾的判斷難度大大降低。(2)本專利技術采用棧結構輔助的多重解調控制，為了在多路信號碰撞的情況下，盡量把每個有希望解調的幀都成功解調出來，利用“失敗幀頭?！苯Y構輔助的多重解調控制方法，根據每次解調結果的不同，結合棧中保存的失敗幀頭，控制下次解調的起始位置，成功實現多路信號的解調。(3)本專利技術在進行解調時，從本次滑動窗口起始位置之后第M個樣值開始的128個符號時間的樣值進行解調，上述方式可以保證用于參數估計的樣值段處于一個AIS幀中間的有效位置，避免出現選取段中包含幀頭前或幀尾后的無效樣值的情況，同時128個符號時間的樣值可以保證參數估計有足夠的精度，滿足后續解調步驟的需要，采用128個符號時間是經過大量的實驗和論證得到的結果，能夠使得整個解調過程更加精準。附圖說明圖1為本專利技術利用滑動窗口對AIS消息解調的示意圖；圖2為本專利技術棧結構輔助的多重解調控制流程。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式作進一步的描述：如圖1、2所述，本專利技術一種適合衛星接收的多重AIS消息解調方法，其特征在于步驟如下：(1)利用輸入樣值緩存存儲足夠的I、Q形式的復基帶信號樣值后，從滑動窗口的初始位置A開始取樣值，共取出N個符號時間的樣值，用于一次解調，其中N為正整數，表示一個滑動窗口的長度；(2)對位置A+M到位置A+M+L-1總共L個符號時間的樣值，利用聯合參數估計方法對定時偏差和載波頻偏本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適合衛星接收的多重AIS消息解調方法，其特征在于步驟如下：(1)利用輸入樣值緩存存儲足夠的I、Q形式的復基帶信號樣值后，從滑動窗口的初始位置A開始取樣值，共取出N個符號時間的樣值，用于一次解調，其中N為正整數，表示一個滑動窗口的長度；(2)對位置A+M到位置A+M+L?1總共L個符號時間的樣值，利用聯合參數估計方法對定時偏差和載波頻偏進行參數估計，并利用參數估計結果對整個滑動窗口內信號進行符號同步和載波頻率恢復；其中，整個窗口即為N個符號時間的樣值，其中L為聯合參數估計算法輸入樣值所占的符號時間數，A表示滑動窗口起始位置，M表示窗口以符號時間度量的滑動距離；(3)對符號同步和載波頻率恢復后的信號，利用非相干序列檢測算法進行解調，得到比特序列判決結果；(4)在上一步判決得到的比特序列中，從前往后尋找幀頭，若找到A+M+32的位置還沒有找到幀頭，則結束本次解調，窗口向后滑動M個符號時間后，以新窗口的開頭為解調初始位置，進入步驟(1)進行下一次解調；若找到幀頭，則在解調完一幀長度后進行CRC校驗，實現一次完整的單重解調，并判斷CRC校驗結果，若CRC校驗失敗，則進入步驟(5)，否則進入步驟(6)；(5)CRC校驗失敗，則將本次失敗幀頭的位置壓入“失敗幀頭棧”中，用于指示下次解調；同時以本次失敗幀頭末端的位置為解調初始位置，進入步驟(1)繼續進行新的解調；(6)CRC校驗成功，將成功解調的消息輸出，同時使用本幀消息的比特序列對I、Q形式的復基帶信號所包含的AIS信號進行重構，然后從輸入樣值緩存中的I、Q形式的復基帶樣值中減去重構后的信號，完成已解調信號的對消；所述的AIS信號重構包括比特組幀，GMSK調制，精確估計并施加頻偏、相偏、時偏；(7)對消完成后選取下一次解調起始位置：從步驟(5)中的“失敗幀頭?！敝腥〕鲎罱淮问〗庹{幀頭的起始位置，判斷該位置與本次成功解調幀頭的距離，若距離小于一幀的長度，則進入步驟(1)從該失敗幀頭位置重新開始一次解調；若距離大于一幀的長度，則選擇從本次成功解調幀頭的位置開始新一輪的解調。...

【技術特征摘要】
1.一種適合衛星接收的多重AIS消息解調方法，其特征在于步驟如下：
(1)利用輸入樣值緩存存儲足夠的I、Q形式的復基帶信號樣值后，從
滑動窗口的初始位置A開始取樣值，共取出N個符號時間的樣值，用于一
次解調，其中N為正整數，表示一個滑動窗口的長度；
(2)對位置A+M到位置A+M+L-1總共L個符號時間的樣值，利用聯
合參數估計方法對定時偏差和載波頻偏進行參數估計，并利用參數估計結果
對整個滑動窗口內信號進行符號同步和載波頻率恢復；其中，整個窗口即為
N個符號時間的樣值，其中L為聯合參數估計算法輸入樣值所占的符號時間
數，A表示滑動窗口起始位置，M表示窗口以符號時間度量的滑動距離；
(3)對符號同步和載波頻率恢復后的信號，利用非相干序列檢測算法
進行解調，得到比特序列判決結果；
(4)在上一步判決得到的比特序列中，從前往后尋找幀頭，若找到
A+M+32的位置還沒有找到幀頭，則結束本次解調，窗口向后滑動M個符
號時間后，以新窗口的開頭為解調初始位置，進入步驟(1)進行下一次解
調；若找到幀頭，則在解調完一幀長度后進行CRC校驗，實現一次完整的
單重解調，并判斷CRC校驗結果，若CRC校驗失敗，則進入步驟(5)，
否則進入步驟(6)；
(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王大慶，徐烽，惠騰飛，龔險峰，劉明洋，
申請(專利權)人：西安空間無線電技術研究所，
類型：發明
國別省市：陜西;61