一種衛(wèi)星ais船舶定位系統(tǒng)的低復(fù)雜度同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種衛(wèi)星AIS船舶定位系統(tǒng)的低復(fù)雜 度同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] AIS(Automatic Identification System)系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代航海具有重要的意義， AIS的出現(xiàn)使得航行更加安全，海難事件更容易受到監(jiān)控。隨著AIS技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星AIS 技術(shù)由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)：覆蓋更大的范圍、更高質(zhì)量的服務(wù)和更少的用戶(hù)限制，漸漸成為了 研究熱點(diǎn)。但是衛(wèi)星AIS系統(tǒng)本身的特性也給系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了新的難題。
[0003] 首先，衛(wèi)星AIS系統(tǒng)需要解決數(shù)據(jù)包同步的問(wèn)題。衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景會(huì)引起星 船之間的多普勒頻差，另外考慮到晶振壽命周期內(nèi)的老化、溫度等因素對(duì)晶振的影響，最終 衛(wèi)星AIS系統(tǒng)所要應(yīng)對(duì)的頻率偏差約為±0. 6/T，其中T代表了系統(tǒng)的碼元周期。同時(shí)，為 了保證解調(diào)算法的有效運(yùn)行，同步的頻偏估計(jì)誤差也不應(yīng)大于5Hz。在時(shí)間延遲方面，船舶 信息到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)延也會(huì)遠(yuǎn)大于T。為了解決上述兩個(gè)同步問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其提出了解 決方案。
[0004] AIS報(bào)文采用恒包絡(luò)的GMSK調(diào)制方式，利用基于GMSK信號(hào)相位和相關(guān)特性的時(shí) 偏和頻偏聯(lián)合估計(jì)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和低復(fù)雜度的GMSK信號(hào)時(shí)頻偏估計(jì)，但是其估 計(jì)范圍是其應(yīng)用的局限。此方法的時(shí)偏估計(jì)范圍為一個(gè)碼元周期T，頻偏的估計(jì)范圍為 ±0. 15/T，并且頻偏的估計(jì)精度受到時(shí)偏估計(jì)精度的影響。顯然無(wú)法適用于實(shí)際的衛(wèi)星AIS 系統(tǒng)。
[0005] 為了應(yīng)對(duì)大頻偏和大時(shí)延的場(chǎng)景，基于FFT的二維搜索算法被應(yīng)用到了衛(wèi)星AIS 的系統(tǒng)中，通過(guò)時(shí)間和頻率兩個(gè)維度上的搜索實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲和頻偏的聯(lián)合估計(jì)。這種算法 具有很大的估計(jì)范圍和較好的估計(jì)精度，但是其頻率偏差的估計(jì)精度受到了搜索步長(zhǎng)的影 響，并且由于算法需要大量FFT/IFFT操作，其硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度很高，處理非常低效。
[0006] 其次，由于衛(wèi)星天線(xiàn)覆蓋面積太大，覆蓋區(qū)域內(nèi)的AIS信號(hào)在被接收時(shí)會(huì)發(fā)生時(shí) 隙沖突，船舶AIS信號(hào)發(fā)生混疊干擾，容易導(dǎo)致信號(hào)同步和解調(diào)的失敗。那么如何應(yīng)對(duì)多路 干擾的場(chǎng)景完成多路信號(hào)的同步，設(shè)計(jì)多路接收機(jī)成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。串行干擾消除迭 代接收機(jī)的提出為這個(gè)問(wèn)題提供了解決方案，通過(guò)迭代消除強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的干擾，從而 實(shí)現(xiàn)多路混疊信號(hào)的同步和解調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種衛(wèi)星AIS船舶 定位系統(tǒng)的低復(fù)雜度同步方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)需求的低復(fù)雜度且高精度的同步；另外系統(tǒng)中 可能出現(xiàn)信號(hào)碰撞，本同步方法在此情況下仍然能保持同步精度，從而可利用迭代接收機(jī) 實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步和解調(diào)
[0008] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種衛(wèi)星AIS船舶定位系統(tǒng)的低復(fù)雜度同步方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0010] 第一步，衛(wèi)星接收船舶發(fā)送的AIS數(shù)據(jù)包，并將不同數(shù)據(jù)包分成強(qiáng)信號(hào)數(shù)據(jù)包和 弱信號(hào)數(shù)據(jù)包；
[0011] 第二步，存儲(chǔ)接收信號(hào)，包檢測(cè)模塊進(jìn)行快速的包頭位置粗略搜索，先進(jìn)行強(qiáng)信號(hào) 數(shù)據(jù)包的同步；
[0012] 第三步，根據(jù)包頭位置截取出有效信號(hào)并進(jìn)行最佳采樣點(diǎn)搜索，將有效信號(hào)輸入 頻偏估計(jì)t吳塊；
[0013] 第四步，根據(jù)衛(wèi)星AIS系統(tǒng)實(shí)際中可能出現(xiàn)的最大頻率偏差，在頻偏估計(jì)模塊中 加入頻偏估計(jì)范圍擴(kuò)展模塊；
[0014] 第五步，頻偏估計(jì)模塊利用GMSK信號(hào)相位性質(zhì)實(shí)現(xiàn)頻偏估計(jì)；
[0015] 第六步，將補(bǔ)償頻率偏差后的信號(hào)輸入時(shí)間同步模塊進(jìn)行時(shí)間延遲的估計(jì)；
[0016] 第七步，利用第五步和第六步獲得的同步結(jié)果對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并用解調(diào)結(jié)果進(jìn) 行串行干擾消除，返回第三步進(jìn)行弱信號(hào)的同步；
[0017] 第八步，滿(mǎn)足迭代次數(shù)后，完成多路AIS信號(hào)的同步和解調(diào)。
[0018] 所述的接收信號(hào)在幀頭位置包含訓(xùn)練序列，可表示為：
[0019] Training = [1, 0, 1, 0,. . . , 1, 0]
[0020] 利用訓(xùn)練序列的前后對(duì)稱(chēng)性，采用延遲相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)包頭位置的粗略估計(jì)
[0021]
[0022] 其中γ (m)為相關(guān)結(jié)果，r(k)表示接收的序列，L為訓(xùn)練序列的長(zhǎng)度，m代表了延遲 點(diǎn)，通過(guò)搜索上式的峰值大小和位置可判斷是否存在有效信號(hào)和數(shù)據(jù)包粗略的起始位置。
[0023] 所述的根據(jù)包頭位置截取出有效信號(hào)并進(jìn)行最佳采樣點(diǎn)搜索具體為：
[0024] 首先，舍棄包頭的部分?jǐn)?shù)據(jù)保證起始位置在數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)；之后，最佳 采樣點(diǎn)可能出現(xiàn)的范圍肯定為[0, os)，其中os為上采樣的倍數(shù)，將此范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)加入延 遲后輸入頻偏估計(jì)模塊。
[0025] 所述的在頻偏估計(jì)模塊中加入頻偏估計(jì)范圍擴(kuò)展模塊具體為：
[0026] 利用預(yù)置頻偏和低通濾波器實(shí)現(xiàn)多頻帶的頻偏估計(jì)方法，擴(kuò)展頻偏估計(jì)算法的頻 偏估計(jì)范圍，并減小混疊信號(hào)間的干擾。
[0027] 所述的頻偏估計(jì)模塊利用GMSK信號(hào)相位性質(zhì)實(shí)現(xiàn)頻偏估計(jì)具體為：
[0028] 對(duì)處理后信號(hào)進(jìn)行低通濾波和下采樣后，獲得新的采樣信號(hào){yn}，在最優(yōu)采樣點(diǎn) 的情況下得到
[0029]
[0030] 式中η代表了數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)，j為復(fù)數(shù)標(biāo)識(shí)，T是符號(hào)的時(shí)間周期，是由數(shù)據(jù)信 息{±1}決定的，V代表了頻率偏差，取預(yù)處理信號(hào)\為
[0031]
[0032] 利用相關(guān)公式
[0033]
[0034] 其中m代表了延遲點(diǎn)數(shù)，R(m)為不同延遲下的相關(guān)結(jié)果，L。為數(shù)據(jù)包的有效符號(hào) 數(shù)，M f為設(shè)計(jì)的參數(shù)，選取的參數(shù)為M f= L。/2 ;進(jìn)而得到頻偏估計(jì)結(jié)果
[0035]
[0036] 所述的時(shí)間延遲的估計(jì)：
[0037] 采用功率延遲峰搜索的算法求取時(shí)間延遲的估計(jì)結(jié)果，具體為：
[0038]
吋此公式進(jìn)行了修改
[0039] 其中z (1)是接收序列y (η)滯后1和長(zhǎng)度為隊(duì)的訓(xùn)練序列s (η)的離散周期相關(guān) 函數(shù)；補(bǔ)償頻偏結(jié)果后，利用FFT/IFFT將其簡(jiǎn)化為頻域相乘
[0040] Z (k) = Y (k) S* (k) k = 0, · · ·，Nt-I
[0041] 其中k是下標(biāo)索引，Z(k)，Y(k)，S(k)分別代表了相關(guān)結(jié)果，接收序列和訓(xùn)練序列 的頻域表示；通過(guò)搜索功率延遲峰的位置即可獲得時(shí)延的估計(jì)結(jié)果
[0042]
[0043] 峰值的大小代表了信號(hào)的能量大小，通過(guò)峰值判斷多個(gè)頻帶中哪個(gè)頻帶存在有效 信號(hào)。
[0044] 所述的解調(diào)模塊利用頻偏估計(jì)和時(shí)延估計(jì)結(jié)果完成強(qiáng)信號(hào)的解調(diào)，通過(guò)串行干擾 消除的方式消除強(qiáng)信號(hào)的干擾，從而對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行同步。
[0045] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)合了 GMSK信號(hào)同步算法和FFT搜索算法的優(yōu)勢(shì)，并針 對(duì)兩者缺點(diǎn)提出了包檢測(cè)、最佳采樣點(diǎn)搜索和頻偏搜索范圍擴(kuò)展的優(yōu)化算法，最終實(shí)現(xiàn)同 步問(wèn)題的低復(fù)雜度解決。結(jié)合串行干擾消除迭代接收機(jī)和濾波，解決了多路信號(hào)的同步問(wèn) 題。
【附圖說(shuō)明】
[0046] 圖1為系統(tǒng)整體框圖。
[0047] 圖2為信號(hào)截取示意圖。
[0048] 圖3為最佳采樣點(diǎn)搜索示意圖。
[0049] 圖4為多頻帶頻偏估計(jì)示意圖。
[0050] 圖5為時(shí)間延遲估計(jì)算法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖和仿真實(shí)例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù) 方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)地實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不 限于下述的實(shí)施例。
[0052] 如圖1所示為系統(tǒng)的整體框圖，基于串行迭代干擾消除的方式實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的 解調(diào)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了圖1框圖中涉及同步的模塊。
[0053] 衛(wèi)星接收船舶發(fā)送的AIS數(shù)據(jù)信號(hào)，信號(hào)包含至少兩路的混疊信號(hào)的干擾，以此 為例，衛(wèi)星AIS系統(tǒng)的同步方法包括以下步驟：
[0054] 第一步，利用接收信號(hào)