本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信領(lǐng)域，尤其涉及一種多天線天基AIS接收機(jī)。

背景技術(shù)：

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)是近年來(lái)國(guó)際海事組織大力推廣的一種海事交通管制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)船岸間以及船舶之間的交管通信，避免船只碰撞事故的發(fā)生。但是AIS信號(hào)地面?zhèn)鞑ナ芤暰€限制(典型通信距離在20海里左右)，地面無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離接收，而衛(wèi)星覆蓋區(qū)域廣，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離AIS信號(hào)接收，掌握大范圍海區(qū)乃至全球區(qū)域的海事交通情況。

由于衛(wèi)星具有高速運(yùn)動(dòng)和大范圍觀測(cè)的特點(diǎn)，因此天基觀測(cè)對(duì)AIS信號(hào)的接收處理與在地面船載、岸基接收時(shí)的情形有很大不同，必須考慮同信道干擾等特殊問(wèn)題。AIS系統(tǒng)以自組織時(shí)分多址(SO-TDMA)方式廣播船只信息，在每個(gè)自組織區(qū)域內(nèi)，不同船只占據(jù)不同時(shí)隙進(jìn)行通信(TDMA)，彼此之間不會(huì)發(fā)生時(shí)隙碰撞，因此地面接收不用考慮同信道干擾問(wèn)題。而衛(wèi)星AIS接收系統(tǒng)有較大的觀測(cè)范圍，天線波束往往覆蓋多個(gè)自組織區(qū)域，因此來(lái)自不同區(qū)域船只的AIS信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星接收機(jī)時(shí)可能出現(xiàn)在同一時(shí)隙(即時(shí)隙碰撞)，尤其在衛(wèi)星波束覆蓋港口附近、繁忙水道等船只密集區(qū)域的情形下，AIS信號(hào)出現(xiàn)時(shí)隙碰撞的概率是較大的。若碰撞信號(hào)之間的功率差別(載波干擾比C/I)小于10dB，則接收機(jī)由于同信道干擾(CCI)而無(wú)法正確解調(diào)該時(shí)隙的信號(hào)，從而導(dǎo)致相應(yīng)的船只信息丟失。

單天線天基AIS接收技術(shù)采用干擾抵消方法，首先利用Viterbi解調(diào)方法，從碰撞信號(hào)中恢復(fù)出強(qiáng)信號(hào)的信息序列，并采用參數(shù)估計(jì)方法精確估計(jì)出強(qiáng)信號(hào)的相位和頻率；然后根據(jù)估計(jì)的信息序列、相位和頻率，采用GMSK調(diào)制方法，重新調(diào)制出強(qiáng)信號(hào)，并將恢復(fù)出的強(qiáng)信號(hào)與原始碰撞信號(hào)相減；最后，對(duì)剩余的弱信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理。該技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)2個(gè)時(shí)隙碰撞的AIS信號(hào)的分離與解調(diào)，并且要求碰撞信號(hào)的功率差大于5dB，所以，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高概率碰撞的繁忙水域的船舶監(jiān)視。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種多天線天基AIS接收機(jī)，克服了單天線天基AIS接收機(jī)載波干擾比要求高、解時(shí)隙碰撞能力弱的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了大空域范圍內(nèi)，強(qiáng)同頻干擾環(huán)境下多AIS信號(hào)分離解調(diào)，滿足高速增長(zhǎng)的海上運(yùn)輸和遠(yuǎn)洋貿(mào)易對(duì)海上交通大區(qū)域、全天候、高概率的監(jiān)視需求。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種多天線天基AIS接收機(jī)，包括依次設(shè)置的天線陣列、射頻前端和數(shù)字處理單元。

所述天線陣列包括并聯(lián)的N個(gè)四分之一波長(zhǎng)的單極子天線，N≥2，用于接收海洋船舶發(fā)射的AIS信號(hào)。

所述射頻前端包括M個(gè)并聯(lián)的射頻接收模塊，M＝N，M個(gè)射頻接收模塊分別對(duì)應(yīng)接收N個(gè)單極子天線的AIS信號(hào)，并分別將其放大濾波，并一次下變頻至中頻信號(hào)。

所述數(shù)字處理單元包括依次連接的A/D采樣和接口模塊、信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊、信號(hào)分離模塊、信號(hào)解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊再與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接，A/D采樣和接口模塊接收射頻前端的中頻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，并將其送入信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊，信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行幀頭檢測(cè)、數(shù)字抽取濾波、數(shù)字下變頻，得到數(shù)字基帶信號(hào)，將數(shù)字基帶信號(hào)送入信號(hào)分離模塊進(jìn)行信號(hào)分離，之后送入信號(hào)解調(diào)模塊，進(jìn)行解調(diào)，得到有效的AIS報(bào)文信息，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸。

進(jìn)一步地，所述射頻接收模塊包括依次連接的第一LC帶通濾波器、低噪聲放大器、第二LC帶通濾波器、第一LC低通濾波器、射頻放大器、混頻器、第二LC低通濾波器、第一晶體帶通濾波器、第一中頻放大器、第二晶體帶通濾波器、第二中頻放大器。

第一LC帶通濾波器接收單極子天線輸入的AIS信號(hào)，用于信道預(yù)選，濾除遠(yuǎn)端帶外干擾信號(hào)，將濾除干擾信號(hào)后的AIS信號(hào)送入低噪聲放大器進(jìn)行信號(hào)低噪聲放大，將經(jīng)過(guò)低噪聲放大后的信號(hào)送入第二LC帶通濾波器濾除帶通濾波器寄生通帶干擾后，送入第一LC低通濾波器，濾除第二LC帶通濾波器遠(yuǎn)端的干擾，并送入射頻放大器，進(jìn)行信號(hào)放大，將放大后的信號(hào)送入混頻器，將射頻信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)，將中頻信號(hào)送入第二LC低通濾波器濾除混頻器的鏡像干擾后，送入第一晶體帶通濾波器，濾除鄰信道強(qiáng)干擾信號(hào)，并將其送入第一中頻放大器中進(jìn)行中頻信號(hào)放大，將放大后的中頻信號(hào)送入第二晶體帶通濾波器，再 次濾除鄰信道強(qiáng)干擾信號(hào)，最后送入第二中頻放大器，將中頻信號(hào)放大。

進(jìn)一步地，所述A/D采樣和接口模塊包括ADC接口控制模塊和P個(gè)并聯(lián)的A/D轉(zhuǎn)換器，P＝N，P個(gè)并聯(lián)的A/D轉(zhuǎn)換器分別與ADC接口控制模塊連接；P個(gè)并聯(lián)的A/D轉(zhuǎn)換器分別采集射頻前端輸出的信號(hào)采樣，ADC接口控制模塊，用于A/D轉(zhuǎn)換器接口和采樣時(shí)序控制，并將其送入信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)分離模塊采用盲分離方法。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)解調(diào)模塊包括依次連接的頻偏估計(jì)模塊、符號(hào)定時(shí)模塊、差分解調(diào)模塊、尋找起始標(biāo)志模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K，頻偏估計(jì)模塊與差分解調(diào)模塊連接，頻偏估計(jì)模塊將信號(hào)分離后的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行多普勒偏移補(bǔ)償，之后送入符號(hào)定時(shí)模塊，確定最佳比特采樣時(shí)刻，再通過(guò)差分解調(diào)模塊進(jìn)行信息恢復(fù)，尋找起始標(biāo)志模塊進(jìn)行幀同步，最后通過(guò)CRC校驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行信息糾錯(cuò)，得到有效的AIS報(bào)文信息。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)可實(shí)現(xiàn)多時(shí)隙碰撞信號(hào)分離和解調(diào)，能夠有效監(jiān)視高船舶密度海域。

(2)不嚴(yán)格要求陣列通道一致性，對(duì)陣列構(gòu)型和孔徑?jīng)]有特殊要求，大大降低了工程實(shí)現(xiàn)難度，且性能不依賴于空域分辨率，特別適合小衛(wèi)星平臺(tái)。

(3)無(wú)須采用復(fù)雜信號(hào)解調(diào)方法，降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的多天線天基AIS接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述的射頻接收模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所述的信號(hào)分離模塊原理示意圖。

圖4是本發(fā)明所述的信號(hào)分離模塊處理流程圖。

圖5是本發(fā)明所述的信號(hào)解調(diào)模塊原理流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1，一種多天線天基AIS接收機(jī)，包括依次設(shè)置的天線陣列1、射頻前端2和數(shù)字處理單元3。

所述天線陣列1包括并聯(lián)的N個(gè)四分之一波長(zhǎng)的單極子天線，N≥2，用于接收海洋船舶發(fā)射的AIS信號(hào)。

所述射頻前端2包括M個(gè)并聯(lián)的射頻接收模塊，M＝N，M個(gè)射頻接收模塊分別對(duì)應(yīng)接收N個(gè)單極子天線的AIS信號(hào)，并分別將其放大濾波，并一次下變頻至中頻信號(hào)。

所述數(shù)字處理單元3包括依次連接的A/D采樣和接口模塊31、信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32、信號(hào)分離模塊33、信號(hào)解調(diào)模塊34、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊35和數(shù)據(jù)傳輸模塊36，信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32再與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊35連接，A/D采樣和接口模塊31接收射頻前端2的中頻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，并將其送入信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32，信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行幀頭檢測(cè)、數(shù)字抽取濾波、數(shù)字下變頻，得到數(shù)字基帶信號(hào)，將數(shù)字基帶信號(hào)送入信號(hào)分離模塊33進(jìn)行信號(hào)分離，之后送入信號(hào)解調(diào)模塊34，進(jìn)行解調(diào)，得到有效的AIS報(bào)文信息，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊36傳輸。

結(jié)合圖2，所述射頻接收模塊包括依次連接的第一LC帶通濾波器211、低噪聲放大器212、第二LC帶通濾波器213、第一LC低通濾波器214、射頻放大器215、混頻器216、第二LC低通濾波器217、第一晶體帶通濾波器218、第一中頻放大器219、第二晶體帶通濾波器2110、第二中頻放大器2111。

第一LC帶通濾波器211接收單極子天線輸入的AIS信號(hào)，用于信道預(yù)選，濾除遠(yuǎn)端帶外干擾信號(hào)，將濾除干擾信號(hào)后的AIS信號(hào)送入低噪聲放大器212進(jìn)行信號(hào)低噪聲放大，將經(jīng)過(guò)低噪聲放大后的信號(hào)送入第二LC帶通濾波器213濾除帶通濾波器寄生通帶干擾后，送入第一LC低通濾波器214，濾除第二LC帶通濾波器213遠(yuǎn)端的干擾，并送入射頻放大器215，進(jìn)行信號(hào)放大，將放大后的信號(hào)送入混頻器216，將射頻信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)，將中頻信號(hào)送入第二LC低通濾波器217濾除混頻器216的鏡像干擾后，送入第一晶體帶通濾波器218，濾除鄰信道強(qiáng)干擾信號(hào)，并將其送入第一中頻放大器219中進(jìn)行中頻信號(hào)放大，將放大后的中頻信號(hào)送入第二晶體帶通濾波器2110，再次濾除鄰信道強(qiáng)干擾信號(hào)，最后送入第二中頻放大器2111，將中頻信號(hào)放大。

所述A/D采樣和接口模塊31包括P個(gè)并聯(lián)的A/D轉(zhuǎn)換器和ADC接口控制模塊315，P＝N，P個(gè)并聯(lián)的A/D轉(zhuǎn)換器分別與ADC接口控制模塊315連接；P個(gè)并聯(lián)的A/D轉(zhuǎn)換器分別采集射頻前端輸出的信號(hào)采樣，ADC接口控制模塊315，用于A/D轉(zhuǎn)換器接口和采樣時(shí)序控制，并將其送入信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32。

結(jié)合圖3和圖4，所述信號(hào)分離模塊33采用盲分離方法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)時(shí)隙碰撞信號(hào)的分離。多個(gè)AIS信號(hào)組成源信號(hào)s＝[s₁,…,s_n]^T，信道響應(yīng)函數(shù)和陣列響應(yīng)函數(shù)歸并為混合矩陣A，所以輸入的混合信號(hào)x＝As。W是解混矩陣，x通過(guò)解混矩陣后，所得輸出y(即y＝Wx)是分離后信號(hào)，是源信號(hào)最優(yōu)逼近。

盲分離方法，步驟如下：

首先中心化接收到的AIS時(shí)隙碰撞信號(hào)x，并對(duì)中心化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行白化處理，得到白化矩陣Z；根據(jù)白化矩陣，估計(jì)分離信號(hào)個(gè)數(shù)M_s；進(jìn)入迭代循環(huán)，若當(dāng)前循環(huán)次數(shù)i<M_s，則隨機(jī)初始化解混向量w_i，并計(jì)算如下代價(jià)函數(shù)：

其中，第i個(gè)分離的信號(hào)白化矩陣白化自相關(guān)矩陣N₁為接收AIS信號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。若當(dāng)前循環(huán)次數(shù)i≥M_s，則退出循環(huán)，根據(jù)最優(yōu)解混矩陣計(jì)算分離輸出的信號(hào)y＝WZ。

結(jié)合圖5，所述信號(hào)解調(diào)模塊34包括依次連接的頻偏估計(jì)模塊、符號(hào)定時(shí)模塊、差分解調(diào)模塊、尋找起始標(biāo)志模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K，頻偏估計(jì)模塊與差分解調(diào)模塊連接，頻偏估計(jì)模塊將信號(hào)分離后的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行多普勒偏移補(bǔ)償，之后送入符號(hào)定時(shí)模塊，確定最佳比特采樣時(shí)刻，再通過(guò)差分解調(diào)模塊進(jìn)行信息恢復(fù)，尋找起始標(biāo)志模塊進(jìn)行幀同步，最后通過(guò)CRC校驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行信息糾錯(cuò)，得到有效的AIS報(bào)文信息。

實(shí)施例1如下：

一種多天線天基AIS接收機(jī)，包括依次設(shè)置的天線陣列1、射頻前端2和數(shù)字處理單元3。

所述天線陣列1包括并聯(lián)的四個(gè)四分之一波長(zhǎng)的單極子天線，分別為第一單極子天線11、第二單極子天線12、第三單極子天線13和第四單極子天線14， 用于接收海洋船舶發(fā)射的AIS信號(hào)。

所述射頻前端2包括四個(gè)并聯(lián)的射頻接收模塊，分別為第一射頻接收模塊21、第二射頻接收模塊22、第三射頻接收模塊23和第四射頻接收模塊24，四個(gè)射頻接收模塊分別對(duì)應(yīng)接收四個(gè)單極子天線的AIS信號(hào)，并分別將其放大濾波，并一次下變頻至中頻信號(hào)。

所述數(shù)字處理單元3包括依次連接的A/D采樣和接口模塊31、信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32、信號(hào)分離模塊33、信號(hào)解調(diào)模塊34、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊35和數(shù)據(jù)傳輸模塊36，信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32再與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊35連接，A/D采樣和接口模塊31接收射頻前端2的中頻信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，并將其送入信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32，信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行幀頭檢測(cè)、數(shù)字抽取濾波、數(shù)字下變頻，得到數(shù)字基帶信號(hào)，將數(shù)字基帶信號(hào)送入信號(hào)分離模塊33進(jìn)行信號(hào)分離，之后送入信號(hào)解調(diào)模塊34，進(jìn)行解調(diào)，得到有效的AIS報(bào)文信息，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊36傳輸。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊35采用flash存儲(chǔ)。

所述射頻接收模塊包括依次連接的第一LC帶通濾波器211、低噪聲放大器212、第二LC帶通濾波器213、第一LC低通濾波器214、射頻放大器215、混頻器216、第二LC低通濾波器217、第一晶體帶通濾波器218、第一中頻放大器219、第二晶體帶通濾波器2110、第二中頻放大器2111；

第一LC帶通濾波器211接收單極子天線輸入的AIS信號(hào)，用于信道預(yù)選，濾除遠(yuǎn)端帶外干擾信號(hào)，將濾除干擾信號(hào)后的AIS信號(hào)送入低噪聲放大器212進(jìn)行信號(hào)低噪聲放大，將經(jīng)過(guò)低噪聲放大后的信號(hào)送入第二LC帶通濾波器213濾除帶通濾波器寄生通帶干擾后，送入第一LC低通濾波器214，濾除第二LC帶通濾波器213遠(yuǎn)端的干擾，并送入射頻放大器215，進(jìn)行信號(hào)放大，將放大后的信號(hào)送入混頻器216，將射頻信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)，將中頻信號(hào)送入第二LC低通濾波器217濾除混頻器216的鏡像干擾后，送入第一晶體帶通濾波器218，濾除鄰信道強(qiáng)干擾信號(hào)，并將其送入第一中頻放大器219中進(jìn)行中頻信號(hào)放大，將放大后的中頻信號(hào)送入第二晶體帶通濾波器2110，再次濾除鄰信道強(qiáng)干擾信號(hào)，最后送入第二中頻放大器2111，將中頻信號(hào)放大。

所述A/D采樣和接口模塊31包括第一A/D轉(zhuǎn)換器311、第二A/D轉(zhuǎn)換器312、第三A/D轉(zhuǎn)換器313、第四A/D轉(zhuǎn)換器314和ADC接口控制模塊315，第一A/D 轉(zhuǎn)換器311、第二A/D轉(zhuǎn)換器312、第三A/D轉(zhuǎn)換器313、第四A/D轉(zhuǎn)換器314并聯(lián)，且分別與ADC接口控制模塊315連接；四路并聯(lián)的A/D轉(zhuǎn)換器分別采集射頻前端輸出的信號(hào)采樣，采樣率設(shè)置為384kHz，ADC接口控制模塊315，用于A/D轉(zhuǎn)換器接口和采樣時(shí)序控制，并將其送入信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理模塊32。

所述信號(hào)分離模塊33采用盲分離方法。

所述信號(hào)解調(diào)模塊34包括依次連接的頻偏估計(jì)模塊、符號(hào)定時(shí)模塊、差分解調(diào)模塊、尋找起始標(biāo)志模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K，頻偏估計(jì)模塊與差分解調(diào)模塊連接，頻偏估計(jì)模塊將信號(hào)分離后的數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行多普勒偏移補(bǔ)償，彌補(bǔ)多普勒頻移對(duì)于解調(diào)的影響，之后送入符號(hào)定時(shí)模塊，確定最佳比特采樣時(shí)刻，彌補(bǔ)信號(hào)時(shí)延對(duì)于解調(diào)信號(hào)的影響，再通過(guò)差分解調(diào)模塊進(jìn)行信息恢復(fù)，尋找起始標(biāo)志模塊進(jìn)行幀同步，搜索AIS信息幀中特殊起始標(biāo)志，得到有效信息位，最后通過(guò)CRC校驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行信息糾錯(cuò)，得到有效的AIS報(bào)文信息。

綜上所述，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多時(shí)隙碰撞信號(hào)分離和解調(diào)，能夠有效監(jiān)視高船舶密度海域。不嚴(yán)格要求陣列通道一致性，對(duì)陣列構(gòu)型和孔徑?jīng)]有特殊要求，大大降低了工程實(shí)現(xiàn)難度，且性能不依賴于空域分辨率，特別適合小衛(wèi)星平臺(tái)。無(wú)須采用復(fù)雜信號(hào)解調(diào)方法，降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。