一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法技术

本发明专利技术公开了一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，采用基于滑动窗口的解调处理方法，克服了多重AIS消息碰撞引起的信号帧起止位置难以判断的问题，将常规的解调之前进行帧头判断的方法改为在解调得到比特序列之后才寻找帧头和帧尾，从而使帧头和帧尾的判断难度大大降低；采用栈结构辅助的多重解调控制，在多路信号碰撞的条件下，成功实现多路信号的解调，把有希望解调的帧都解调出来。本解调方法运算复杂度不高，适合用于星上实时处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，特别涉及一种低轨道(LEO)卫星接收AIS信号的多重消息解调方法，该方法可以用在使用简单接收天线的星载AIS接收系统中。
技术介绍
随着全球经济一体化进程，海上运输和贸易高速增长，迫切需要创建一个系统来实现对全球海域的监控，提高海上运输的安全。传统的地面/海面AIS系统传输距离近，无法实现远距离目监视。卫星覆盖范围广，星载AIS系统可以实现对全球范围内海域的监视，近年来得到各国的重视。在低轨卫星上接收AIS消息面临主要的技术难题之一，就是多路消息碰撞问题。海面船只的AIS是由近距离范围的终端以自组织时分多址方式工作的，在一个小区内的船只可以实现无碰撞的AIS发射和接收。而一颗卫星会覆盖大量的AIS小区，来自不同小区船只、相同时隙的AIS信号在到达卫星时，发生碰撞的概率很大；另外，由于卫星覆盖区内各船舶到卫星的距离相差较大，各船舶AIS消息到达卫星的时刻相差很大，导致相邻时隙的AIS消息也有产生部分碰撞的可能。相同频段上的多路信号叠加在一起，给信号的解调造成了很大困难。一方面，多路AIS消息碰撞和AIS消息到达时刻的不确定性，使得卫星接收机收到的AIS消息的起止时刻很难确定；另一方面，相同频点上的多路AIS消息的叠加，使得多路AIS消息互相干扰非常严重，强信号被弱信号干扰导致误码率升高，弱信号则被强信号淹没而无法实现解调。在地面/海面设备中，因为时隙信息是已知的，而且不存在消息碰撞问题，所以可以通过简单的能量检测法判断AIS消息起止时间。但在卫星接收的情况下，消息到达时刻的不确定性使得卫星接收机难以基于时隙判断消息的大致起止时刻，而多路消息的叠加又使得卫星接收信号的能量变化不再具有类似地面/海面的简单规律，所以在卫星上使用简单的能量检测法判断AIS消息的起止位置失败的概率很高。为将叠加在一起的多路AIS信号分开，有学者提出了盲信号分离的方法。但这类方法的运算复杂度过高，不适合用于星上实时处理。所以，目前急需一种能够在多路信号碰撞下实现AIS信号的解调，进而提升多重AIS信号解调性能的方法。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，在卫星接收AIS消息存在多路消息碰撞的条件下，解决消息碰撞导致的帧头帧尾位置不易判断的问题和弱信号无法解调的问题，最终将重叠的多路强弱不同的AIS信号解调出来。本专利技术的技术解决方案是：一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，步骤如下：(1)利用输入样值缓存存储足够的I、Q形式的复基带信号样值后，从滑动窗口的初始位置A开始取样值，共取出N个符号时间的样值，用于一次解调，其中N为正整数，表示一个滑动窗口的长度；(2)对位置A+M到位置A+M+L-1总共L个符号时间的样值，利用联合参数估计方法对定时偏差和载波频偏进行参数估计，并利用参数估计结果对整个滑动窗口内信号进行符号同步和载波频率恢复；其中，整个窗口即为N个符号时间的样值，其中L为联合参数估计算法输入样值所占的符号时间数，A表示滑动窗口起始位置，M表示窗口以符号时间度量的滑动距离；(3)对符号同步和载波频率恢复后的信号，利用非相干序列检测算法进行解调，得到比特序列判决结果；(4)在上一步判决得到的比特序列中，从前往后寻找帧头，若找到A+M+32的位置还没有找到帧头，则结束本次解调，窗口向后滑动M个符号时间后，以新窗口的开头为解调初始位置，进入步骤(1)进行下一次解调；若找到帧头，则在解调完一帧长度后进行CRC校验，实现一次完整的单重解调，并判断CRC校验结果，若CRC校验失败，则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；(5)CRC校验失败，则将本次失败帧头的位置压入“失败帧头栈”中，用于指示下次解调；同时以本次失败帧头末端的位置为解调初始位置，进入步骤(1)继续进行新的解调；(6)CRC校验成功，将成功解调的消息输出，同时使用本帧消息的比特序列对I、Q形式的复基带信号所包含的AIS信号进行重构，然后从输入样值缓存中的I、Q形式的复基带样值中减去重构后的信号，完成已解调信号的对消；所述的AIS信号重构包括比特组帧，GMSK调制，精确估计并施加频偏、相偏、时偏；(7)对消完成后选取下一次解调起始位置：从步骤(5)中的“失败帧头栈”中取出最近一次失败解调帧头的起始位置，判断该位置与本次成功解调帧头的距离，若距离小于一帧的长度，则进入步骤(1)从该失败帧头位置重新开始一次解调；若距离大于一帧的长度，则选择从本次成功解调帧头的位置开始新一轮的解调。本专利技术与现有技术的相比的有益效果：(1)本专利技术采用基于滑动窗口的解调处理方法，针对卫星AIS多路信号碰撞导致帧头和帧尾不易判断的问题，利用滑动窗口不断移动位置进行解调，不在解调之前进行帧头判断，而是在解调得到比特序列之后才寻找帧头和帧尾，从而使帧头和帧尾的判断难度大大降低。(2)本专利技术采用栈结构辅助的多重解调控制，为了在多路信号碰撞的情况下，尽量把每个有希望解调的帧都成功解调出来，利用“失败帧头栈”结构辅助的多重解调控制方法，根据每次解调结果的不同，结合栈中保存的失败帧头，控制下次解调的起始位置，成功实现多路信号的解调。(3)本专利技术在进行解调时，从本次滑动窗口起始位置之后第M个样值开始的128个符号时间的样值进行解调，上述方式可以保证用于参数估计的样值段处于一个AIS帧中间的有效位置，避免出现选取段中包含帧头前或帧尾后的无效样值的情况，同时128个符号时间的样值可以保证参数估计有足够的精度，满足后续解调步骤的需要，采用128个符号时间是经过大量的实验和论证得到的结果，能够使得整个解调过程更加精准。附图说明图1为本专利技术利用滑动窗口对AIS消息解调的示意图；图2为本专利技术栈结构辅助的多重解调控制流程。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的描述：如图1、2所述，本专利技术一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，其特征在于步骤如下：(1)利用输入样值缓存存储足够的I、Q形式的复基带信号样值后，从滑动窗口的初始位置A开始取样值，共取出N个符号时间的样值，用于一次解调，其中N为正整数，表示一个滑动窗口的长度；(2)对位置A+M到位置A+M+L-1总共L个符号时间的样值，利用联合参数估计方法对定时偏差和载波频偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，其特征在于步骤如下：(1)利用输入样值缓存存储足够的I、Q形式的复基带信号样值后，从滑动窗口的初始位置A开始取样值，共取出N个符号时间的样值，用于一次解调，其中N为正整数，表示一个滑动窗口的长度；(2)对位置A+M到位置A+M+L‑1总共L个符号时间的样值，利用联合参数估计方法对定时偏差和载波频偏进行参数估计，并利用参数估计结果对整个滑动窗口内信号进行符号同步和载波频率恢复；其中，整个窗口即为N个符号时间的样值，其中L为联合参数估计算法输入样值所占的符号时间数，A表示滑动窗口起始位置，M表示窗口以符号时间度量的滑动距离；(3)对符号同步和载波频率恢复后的信号，利用非相干序列检测算法进行解调，得到比特序列判决结果；(4)在上一步判决得到的比特序列中，从前往后寻找帧头，若找到A+M+32的位置还没有找到帧头，则结束本次解调，窗口向后滑动M个符号时间后，以新窗口的开头为解调初始位置，进入步骤(1)进行下一次解调；若找到帧头，则在解调完一帧长度后进行CRC校验，实现一次完整的单重解调，并判断CRC校验结果，若CRC校验失败，则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；(5)CRC校验失败，则将本次失败帧头的位置压入“失败帧头栈”中，用于指示下次解调；同时以本次失败帧头末端的位置为解调初始位置，进入步骤(1)继续进行新的解调；(6)CRC校验成功，将成功解调的消息输出，同时使用本帧消息的比特序列对I、Q形式的复基带信号所包含的AIS信号进行重构，然后从输入样值缓存中的I、Q形式的复基带样值中减去重构后的信号，完成已解调信号的对消；所述的AIS信号重构包括比特组帧，GMSK调制，精确估计并施加频偏、相偏、时偏；(7)对消完成后选取下一次解调起始位置：从步骤(5)中的“失败帧头栈”中取出最近一次失败解调帧头的起始位置，判断该位置与本次成功解调帧头的距离，若距离小于一帧的长度，则进入步骤(1)从该失败帧头位置重新开始一次解调；若距离大于一帧的长度，则选择从本次成功解调帧头的位置开始新一轮的解调。...

【技术特征摘要】
1.一种适合卫星接收的多重AIS消息解调方法，其特征在于步骤如下：
(1)利用输入样值缓存存储足够的I、Q形式的复基带信号样值后，从
滑动窗口的初始位置A开始取样值，共取出N个符号时间的样值，用于一
次解调，其中N为正整数，表示一个滑动窗口的长度；
(2)对位置A+M到位置A+M+L-1总共L个符号时间的样值，利用联
合参数估计方法对定时偏差和载波频偏进行参数估计，并利用参数估计结果
对整个滑动窗口内信号进行符号同步和载波频率恢复；其中，整个窗口即为
N个符号时间的样值，其中L为联合参数估计算法输入样值所占的符号时间
数，A表示滑动窗口起始位置，M表示窗口以符号时间度量的滑动距离；
(3)对符号同步和载波频率恢复后的信号，利用非相干序列检测算法
进行解调，得到比特序列判决结果；
(4)在上一步判决得到的比特序列中，从前往后寻找帧头，若找到
A+M+32的位置还没有找到帧头，则结束本次解调，窗口向后滑动M个符
号时间后，以新窗口的开头为解调初始位置，进入步骤(1)进行下一次解
调；若找到帧头，则在解调完一帧长度后进行CRC校验，实现一次完整的
单重解调，并判断CRC校验结果，若CRC校验失败，则进入步骤(5)，
否则进入步骤(6)；
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大庆，徐烽，惠腾飞，龚险峰，刘明洋，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61