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面向密集航区的星基AIS接收机
Sriram Jayasimha,Jyothendar Paladugula, Aditya Varma Gadiraju and Manoj Kumar Medam
Signion Systems
Hyderabad, India
摘要——一个星基船舶自动识别系统(S-AIS）接收器有很高的信息碰撞概率，通过可激活AIS的船舶，两者都有时间和频率，对于船舶稠密的地区来说。时间和频率选择探测器（它使用来自未冲突字段与干扰消除一起的船舶轨道）解码的冲突消息。算法适用于在线处理，具有增强消息和船舶的探测概率。
关键词：等多普勒区域，卫星，AIS，S-AIS，海事，检波，综合解码
I. TNTRODUCTION
船舶自动识别系统（AIS）信息包括1分钟的帧，每一个2250个时分的多个访问（TDMA）26.67 ms槽，超过两个AIS频率，161.975（AIS-1）和162.025（AIS-2）MHz，通过半波长/2）偶极子，是为40海里直径的区域设计的(称为自组织TDMA一SOTDMA一region)。那SOTDMA协议确保了消息避碰在这个区域内。在一分钟内，最大的信息接收到的两个AIS频率是4500[1]。
作为低地球轨道卫星（LEOS）视域（FOV）拥有数百个SOTDMA区域，AIS卫星收到许多冲突消息。冲突更可能发生在广泛的海岸带或海湾，这里有许多装备有AIS功能的小型设备。在高度950公里的LEOS的链路规划中[1]，甚高频12.5W同向辐射能量发射机（EIPR），最大倾斜距离为3606公里，每比特能量对噪音的谱密度（Eb/N0）为8.3dB。S-AIS信息解码是有限的干扰（而不是噪音）。
然而，国际电联最近的一份报告[2]则提出了改进的S-AIS(例如使用特殊消息27、特殊消息报告间隔，除AIS-1和AIS-2以外的频率 (仅检测A类船舶)，我们提出了一种新的接收机结构，用于当前的AIS消息，该消息适合于船上的LEOS。 本文的其他部分包括：AIS的特征 FOV密集的LEOS接收到的信号认可机构启用的船舶(第II节)；频谱除碰撞(SD)星载处理(SDPOB)1，例如[3，4]通过非相干处理并行解调结构中的解调器(第三部分) (第四节)；高度和中度的解码/验证信息第五节中的信号干扰加噪比(接收器)；解码消息的干扰消除(IC)从较弱碰撞的AIS信号中提取信息 (第六节)；Leos捕获的总体系统性能 数据-样本(第七节)。
我们的SDPOB增强了消息解码，消除了下行链路多普勒补偿，降低了下行链路功率带宽，减少了数据检测和融合的延迟。我们的接收器能使许多符号的时间和频率-偏移量（不像[5]），使用低复杂性的综合症解码，基于轨迹的验证，IC和它的参数化的相干性检测(CD)。然而，它无法解码罕见的碰撞在OdB附近的信息，在那里有一个AIS探测器波形形状[6]。解决源方向恒模算法[7]。然而,卫星角1-2 SOTDMA单元的分辨率需要一个天线阵列更多的元素，在VHF，而不是立方体卫星可以容纳。
II. LEOS-RECEIVED AIS-SIGNAL DOPPLER/DELAY SPREAD
星历表的数据通常是在网上发布的(例如,[8])。有了地球模型[9]，我们可以得到持续的延迟在LEOS中接收到的AIS信号的10个信号。这些轮廓（使用4-42 8，如图1所示，帮助可视化时间和频率分离的碰撞信号。在FOV中，多普勒偏移在plusmn;3600Hz。
对于一个向北航行卫星，图2，南海是第一个被北行卫星覆盖，反之亦然。因此，构成了可能碰撞的AIS信号有不同的信号强度在选定海域的卫星过境期间（STD）观察区。有了LEOS的速度是7km/s，多普勒-轮班是波特率的一个重要部分，大约15分钟平均报告时间为7秒[1]，a船舶可以在STD中传输120次信息。尽管有可能发生反碰撞的AIS信息（在第五节）很小，至少有几条消息的概率在STD轨道中由给定的ship传输是正确的收到高。这就增加了解码概率在它的STD轨道上，同一艘船的其他碰撞信息。
反碰撞依赖于信号强度的变化（对1000公里高度的卫星有显著的影响）LEO S-AIS接收器中的多普勒。A类和B类-卫星链路边缘与低轨道的距离不同卫星图1的卫星位置[1]显示在图3中（A）。在直径6562公里的FOV中可以看到8分贝的变化。(即。从亚卫星点到3281公里的表面范围）。A无线电模型预测地球卫星传播损失1显示周期性的增强和衰退，由于内相和从水的反射路径中加入反射路径表面。图3（b）中的这个模型显示了1dB附近的变化子卫星指向FOV边缘的2dB;进一步8分贝当A类和B类船只出现时就会发生变化
III. DELAY AND FREQUENCY OFFSET SENSITIV ITY OF NON-COHERENT ATS RECETVER
当AIS信息发生碰撞时，载波频率和时间选择的恢复是困难的。因此，在开始时，在多个目标中尝试非相干的AIS信息解调定时偏移和频偏的假设这是可取的。高斯最小移位键控（GMSK）被表示为时间和相移的调幅（AM）的总和脉冲[11]。对于（1）的GMSK信号S（t），有时间带宽乘积，BT=0.5和调制记忆L=3，AM脉冲如图4（a）和4（b）所示。劳伦的数量根据l.Laurent的分解，脉冲M=2L-1是：
由于大多数能量都在C0（t）中，Laurent近似于一个GMSK用这个脉冲信号作为解调匹配滤波器。非相干的GMSK解调器的框图是图5所示。非相干分支度量lambda;FN(atilde;)，到最大似然（ML）维特比解码器由（20）在恒定的包络情况下，简化为：
{Zk}代表Laurent过滤接收的信号样本，{Yk}是一个假设的信息序列一个样本，N是隐式相记忆。分支的模量——度量标准4的计算允许忽略阶段（假设持续相位除以N）。维数比译码器输出是估计的数值。
一个最大-后验（映射）碰撞恢复方法[13]有接近相同的频道系数，被认为是只是比一个ML的维特比译码器稍微好一点Eb / N0;因此选择后一种方法（使用IC）。
图6显示了非相干的GMSK接收机性能。使用的参数是BT=0.5，L=3，和N=6的信号取样于6个样品/波特。在频率上完美匹配波特时间的最佳表现。比较了使用BPSK和微分BPSK（DBPSK）性能。那在两个频率偏移量（200赫兹和400赫兹）上观察到B=4波特时间偏移量（ 1/6-1/6， 1/3和1/3）。性能下降，频率不匹配或波特时间错误（图6）：
（1）位错误率（BER）性能随着内隐相记忆（N）增加，（曲线移动接近DBPSK性能)。
（2）增加N会增加接收机的复杂性（通过增加维特比解码器中的状态数）。
（3）增加N会减少可容许的频率偏移量（因为更小的频率偏移允许相位保持大约在N波特的持续时间内）；因此，我们有更好的频率选择性接收器的复杂性和接收器的数量。
（4）使用频率偏移的性能下降大小和时间偏差。
图7显示了非相干的接收机性能干扰功率为3.5 kHz频率偏移。我们观察到：
（1）当干扰信号的频率间隔更大将使性能改善。
（2）在干扰和需要之间的时间偏移信号对性能的影响不大。分支的标签跨越N符号;因此，对于N=6，一个1/2波特偏移将主要的分支度量减少了17%。
（3）干扰信号功率相等时性能差不大。随着SINK的增加，干扰比性能提高了2 dB和5dB 如图所示：
最大的多普勒和功率变化出现在FOV被认为是评估S-AIS接收器的性能指标。在图8中，干扰信号的载波频率从主信号消失了，从0到最大多普勒800赫兹的步骤,在SINK=6dB。在一个典型的 Es/No=18dB中最大多普勒的干扰，是2e-3相同的数据包错误率（PER）是0.401。如果干扰的频率更接近于显性信号，这个BER大约是1.5e-2（PER=0.9791）。
使用加了白高斯噪声（AWGI）的错误发生在高信噪比（SNRs）的情况下在相同的信干扰比（SIRS）中，由于单一干涉伯努利分布。对于连贯和非-相干解调，干扰（与之相同的频率信号）公差（带均匀分布的烧裂干涉阶段）在高的时候比同等的要有更好的噪声容限，如图9所示。
IV. MESSAGE DE-COLLIDINGAIS-RECEIVER ARCHITECTURE
图10显示了AIS-1的两种S-AIS接收器(161.975兆赫)或AIS-2(162.025兆赫)。最大视场多普勒是50 kHz通道分离的8%。接收方不使用波特-计时和/或频率偏移估计；相反，在所有的波特中，一个并行的解调结构（PDS）偏移量(即对于每个波特数的样本数等于6，0/6，hellip;，5/6的Laurent脉冲C0样本）和21个频率区(0赫兹,plusmn;400 hz,hellip;,plusmn;3600 hz,plusmn;4000 hz)，覆盖了FOV的最大多普勒，被使用（126个并联解调器）。由于每个解调器的频率都是200Hz（图6），所以频率区域被抵消了。
V.S-AIS MESSAGE CORRECTION AND VALIDATION
信息通过循环冗余校验进行验证(CRC，在这种情况下CRC一16[14])。当CRC匹配，消息几乎肯定是正确的并插入到一个组中消息列表。当CRC不匹配时（例如,当碰撞出现），综合症解码尝试信息校正(稍后详细)。两个错误可以更正为[15]显示a（255,239）BCH码与汉明距离5。纠正消息存储在组ii中（组i的副本或消息)相撞。如果错误是不可改正的，那么消息就是存储在3组,如图11的流程图所描述。
图12显示了带有固定字段的AIS信息结构包括8位全零的增升序列，24位序文序列（交替1,0），8位开始和结束标志序列0,1,1,1,1,1,1,0和24位缓冲区。168位数据由船舶信息组成，如海上移动服务标识（MMSI），经度，纬度，时间戳，速度超过地面（SOG）和其他信息。大多数领域是动态的，不像MMSI，它是固定在一个给定的容器上的。
帧检查序列（FCS）是在168位上计算的数据字段使用CRC-166。为了避免错误检测开始和结束标志，184位数据是位填充的，也就是五连续的，加上0。缓冲领域组成所有的0都能适应增加的长度（通过减少相应的缓冲区）并可以补偿延迟和延迟系统中装配。调制在之前的8位增强序言，在结尾的时候被8位的位可变长度的缓冲区。在接收端，开始之间的数据最后的标志是位无填充的，如果CRC校验过，在序言和FCS之间的数据块被解析。
一艘船的信息，嵌入在高级数据链中图12中的控制（HDLG）数据包是不返回到零的(NRZ-I)编码(即，在0处切换开关）。图13显示NRZ-I编码位，转换为[-1， 1]级，是GMSK调制，它固有的差分编码数据（尽管预编码人员可以直接传递数据，AIS应答器不会这样做）。作为非相干性的解调本质上执行微分检测，对偶错误是由错误事件引起的。NRZ-I解码器(过去在最后，也会导致双重错误，但是被一个正确解码的钻头分开。一个双重错误可以通过辨证解码[17]来纠正。有两个或者更少的双重错误（4位错误），这种综合症并不是单一的7;因此，所有双双错误模式都是不可纠正的。单表1显示了双重错误模式统计数据。
表1显示了任何位置的单个双重错误可修正的，最多有两个双重错误被修正概率0.744；由此，每个的问题都有改善解码（在包中假设常量）如表2所示，其中n=184使用MMSI和n=154的轨迹取代MMSI，如下：
PRR with two or less dual error corrections
作为单一双误的综合症可能是相同的两个双误，我们选择了一个双错误解码（更确切地说这两个双重错误）是很有可能的。
从最坏的情况得出的计算结果是悲观的原因是，首先，当SIRgt;5.5分贝时，PER较低（图9）；第二，当信息包有两个或多个错误时部分发生碰撞；因此，PER通常小于表2的值。因为传播延迟在FOV中只有2.7-11.3 ms。在26.67 ms的割缝框架中，双碰撞有两种类型：
a）与a发生碰撞的消息转移相邻槽（最多为8.6毫秒）
b）几乎完全的信息冲突，26.67毫秒,18.07 ms重叠)
组-II消息通过对组-I的检查来验证数据：消息的纬度/经度是否在卫星的FOV，并与它被检测到的多普勒相匹配(图10)。其他的消息字段检查分类如图14所示，将信息分为三个列表。虽然序文序列是已知的，它在验证中没有使用解调器的维特比译码器正在处理这一时期。逻辑的流是由错误的检测和错误报警统计数据集。
对于基于轨迹的处理（图14的第三个问题流程图），我们缓冲（在卫星上）组-I和组-II信息（在图14中传递前两个问题的信息）周期T（20秒）。列出消息跟踪-基于可寻的MM
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