衛星AIS檢測概率分析及沖突信號分離

宋果林，王艷峰，鄒光南，石云，尤啟迪

（北京衛星信息工程研究所北京100086）

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衛星AIS檢測概率分析及沖突信號分離

宋果林，王艷峰，鄒光南，石云，尤啟迪

（北京衛星信息工程研究所北京100086）

摘要：針對衛星AIS系統天線的覆蓋面積大、包含多個自組織區可能導致接收信號沖突的特點，分析了星載AIS系統接收信號重疊碰撞的機制，對衛星AIS系統進行了觀測模型的建模，并在此基礎上分析了衛星AIS系統對船舶的檢測概率，并采用盲信號分離算法對沖突的AIS信號進行了有效的分離。

關鍵詞：衛星AIS；觀測模型；檢測概率；信號沖突；信號分離

衛星AIS（Automatjc Identjfjcatjon System）系統是在傳統陸基AIS系統的基礎上，通過使用低軌小衛星或小衛星星座接收船載AIS站臺發出的包含船舶靜態數據、動態數據、航行信息、安全信息等信息的AIS信號，并將其轉發到地面站進行分析、處理，從而實現大范圍甚至全球海域的艦船監視。國外2004年左右開始衛星AIS的相關研究，于2006年成功發射了第一顆AIS衛星。目前，成功在軌運營的AIS衛星包括美國ORBCOMM公司的Vesse1sat-1/Vesse1sat-2和OG2系列衛星、Aprjze系列衛星、加拿大ExactEarth公司的exactVjew系列衛星，挪威的AISSat-1/ AISSat-2衛星等。

衛星AIS系統將傳統AIS系統擴展到天基應用中，不但有了更大的觀測面積，同時可以彌補傳統AIS系統無法實現遠洋船舶監控的缺點，但同時帶來了一系列新的問題，如較大的多普勒頻移、接收信號衰減大，接收信號發生碰撞導致無法正確解調等。其中信號沖突直接影響到衛星AIS系統對船舶的檢測能力和對接收到的AIS信號的解調能力。

針對衛星AIS對船舶的檢測能力分析，文獻［1-2］采用了相類似的方法進行了等效建模，即將天線的觀測區域和SOTDMA自組織區域等效為正方形，該模型比較簡單，易于處理，但其模型近似的誤差較大。文獻［3］基于單通道接收模型對衛星AIS對船舶的檢測概率進行了分析，但未對AIS信號的分離以及解調進行進一步的分析。針對衛星AIS沖突信號的分離，文獻［4］采用等變化自適應分離EASI算法，采用五元天線陣、四通道接收機，模擬完成對發生沖突的AIS信號的分離；但多陣元天線、多通道接收機不太適用于對重量、功耗、體積都有嚴格限制的微小衛星。

針對衛星AIS接收信號存在信號碰撞導致對船舶的檢測概率降低的問題，文章在分析衛星AIS接收信號重疊碰撞的基礎上，對衛星對地的觀測模型進行了等效的蜂窩模型建模分析，將AIS信號到達衛星接收機的過程等效為泊松隨機過程，進而推導出衛星AIS系統的檢測概率，并且對影響檢測概率的參數進行了仿真分析，分析結果對優化AIS系統的設計、分析船舶的檢測概率有一定的參考作用。對于沖突的AIS信號，采用基于FastICA算法的盲信號分離算法對信號進行了分離，比對分離信號進行了進一步的解調處理，仿真結果表明該算法能對重疊的AIS信號進行有效的分離，進而進一步提高衛星AIS系統對船舶的檢測概率。

1　衛星AIS觀測模型及檢測概率

1.1衛星AIS系統

根據國際電聯ITU-R M.1371-5等相關標準規定，AIS系統工作在CH87B（161.975 MHz）和CH88B（162.025 MHz）兩個頻道上，交替發射和接收船舶的靜態數據、動態數據、航行信息以及安全信息等，船舶AIS終端信號的調制方式為高斯最小頻移鍵控（GMSK）調制，數據傳輸速率為9 600 bps。根據SOTDMA協議，每個AIS設備單元都預留時隙以備以后的AIS信號發射，傳統的岸基AIS系統工作在同一個自組織區域內的船舶在SOTDMA協議時隙分配的機制下不會發生信號碰撞，但對于衛星AIS系統，由于AIS衛星天線的覆蓋面積較大，可以覆蓋多個自組織區域，從而可能產生AIS信號的碰撞現象。AIS信號的碰撞機理分為兩類［5］：

1）不同SOTDMA自組織區域同一時隙碰撞：由于接收區域內包含多個自組織區域，不同組織區域內的艦船可能會在同一個時隙內發送AIS信息，并同時到達星載接收機，產生AIS信號碰撞；

2）不同SOTDMA自組織區域、不同時隙信號因傳輸延時造成碰撞：由于星載接收機可接收信號的區域大，天線波束覆蓋區域內的艦船雖然在不同的時隙內發送AIS信息，但當艦船間距離足夠遠時，由于信號傳輸時延影響也可產生AIS信號同時到達的現象造成碰撞。

以上兩種情況產生的AIS信號碰撞現象，都會導致AIS信息接收錯誤，使得對艦船檢測的概率降低。

對于標準的AIS信息，其包含有16比特的緩沖部分，其中12比特為距離延遲，對應的保護距離為375 km，如圖1所示，區域（I）內的船只發射的AIS信號到達衛星接收機時只存在第一種類型的碰撞，區域（IIa）（IIb）內的船只發射的AIS信號到達衛星接收機時兩種類型的信號碰撞均有可能存在［1］。

圖1　衛星AIS系統觀測區域劃分示意圖

1.2衛星AIS系統對地觀測模型建模

對于衛星AIS系統，單顆衛星的有效覆蓋范圍通常遠大于一個SOTDMA自組織區域，通常可包含上百個自組織區域。以下對衛星AIS系統對地觀測模型做如下的簡化和假設，得到簡化的對地觀測模型，如圖2所示。

圖2　衛星AIS區域劃分

模型假設：

1）將圓形的觀測區域等效為正六邊形，每個自組織區域等效為邊長為20 nm的正六邊形；

2）每個自組織區域中的船舶報告間隔（△T）相同；

3）觀測時間采用相應軌道高度的太陽同步軌道衛星的觀測時間。

1.3衛星AIS系統對船舶檢測概率分析

海面上處于不同自組織區域的船舶上的AIS站臺采用SOTDMA協議發送AIS消息，到達衛星的AIS信號近似服從泊松分布，衛星同時收到K條信息的概率為：

當同時收到K（K≥2）條消息時，信號發生碰撞，K條消息碰撞的概率為：

若接收系統能容忍K條信號碰撞，則能正確檢測船舶的概率為：

若接收機無分離碰撞信號的能力，當觀測區域比較小，則只存在第一種碰撞，艦船發射的AIS信號無碰撞的概率為：當兩種碰撞均存在時，引入重疊因子s［1］，s=f（Hsat，△S）=，s是與衛星軌道高度、衛星觀測區域寬度的相關因子，MI、MII分別為區域（I）、區域（II）中自組織區域個數，M為觀測區域內總的自組織區域個數，M=MI+MII，則總的檢測概率為：

由檢測概率公式的數學表達式可知檢測概率與艦船的總數Ntot呈負相關關系，與觀測時間Tobs呈正相關的關系，如圖3所示。在實際應用中，海面船舶發射AIS信號的間隔△T根據消息的不同和船舶狀態的不同而有所變化；目前衛星AIS可用信道的個數nch=2（不包括預留的兩個長量程信道）。此外，衛星的軌道高度將直接影響到衛星AIS系統的觀測時間Tobs和觀測區域△S的大小這兩個參數，反映在因子s=f（h，△S）=上。

圖3　不同觀測時間下艦船總數對檢測概率的影響

2　衛星AIS碰撞信號分離

2.1碰撞信號分離對檢測概率的影響

由于衛星AIS天線的覆蓋區域較大，接收機可能在同一時隙接收到多個信號，導致信號重疊碰撞無法完成正確的解調，從而降低對船舶的檢測概率。由圖4仿真結果可知：若接收機能容忍K重碰撞，即接收機能有效地進行碰撞信號分離，則船舶的檢測概率將大大提高。

圖4　可分離K重碰撞信號條件下船舶的檢測概率

2.2FastICA算法

FastICA算法是由Aapo Hyvarjnen和E11a Bjngham等人在固定點算法的基礎上提出的一種ICA快速算法，FastICA基于非高斯性最大化構造目標函數，并用牛頓迭代法對目標函數進行迭代優化，對觀測數據的采樣點進行批處理，每次提取出一路信號［6］。本文主要采用基于負熵的FastICA算法，由于負熵的計算涉及概率密度的估計，因此，為簡化計算，可對負熵進行合理的近似，等效為最大化如下的目標函數：

其中，v表示具有零均值、單位方差的高斯隨機變量。Gi表示非二次函數，G1是奇函數，G2是偶函數。式（6）所示的代價函數的性能主要取決于非二次函數Gi的選取，選取的原則可參照文獻［7］。WTx的近似負熵的極大值通常在E［g（WTx）］的極值點處取得。E［g（WTx）］在約束條件E（WTx）2］=‖W‖2=1下的極值可以使用拉格朗日乘子法求得，設拉格朗日乘子為β，β=］，則有：將上式對W求導，并令導數為0可得：令F=E［xg（WTx）］+βW，則其梯度為：

由于數據已經被標準化，E［xxT］=I可以對上式右邊第一項做如下近似：因此，可以得到W的迭代公式：

由于AIS信號采用GMSK調制，屬于復數信號，因此，在約束條件E下，將上述算法做如下擴展［8］：采用牛頓迭代推導出的復數信號分離迭代算法如下：1）對輸入數據進行預處理，得到零均值單位方差信號；2）初始化權重向量W0，并歸一化；

5）若不收斂則返回第3步；

2.3AIS混合信號的分離

將兩路AIS基帶信號分別采用GMSK調制得到GMSK信號1、GMSK信號2，如圖5所示，再將兩路信號調制到162.025 MHz，經高斯白噪聲信道傳輸后，接收系統完成信號的下變頻、信號分離，得到分離信號1、分離信號2，如圖6所示，經基帶處理解調后恢復AIS信號，如圖7、圖8所示。由分離信號解調結果可知，FastICA算法能有效地對AIS碰撞信號進行分離。

3　結論

圖5　兩路GMSK調制信號

圖6　經FastICA算法分離后的兩路接收信號

圖7　分離信號1解調后與原發射信號對比示意圖

圖8　分離信號2解調后與原發射信號對比示意圖

文章分析了衛星AIS的基本原理以及AIS信號碰撞的兩種機制，對衛星AIS的觀測模型進行了仿真建模，并分析了衛星AIS接收機對船舶的檢測概率［9］。由分析和仿真結果可知，檢測概率與艦船的總數Ntot呈負相關關系，與觀測時間Tobs呈正相關的關系，在實際應用中，海面船舶發射AIS信號的間隔△T根據消息的不同和船舶狀態的不同而有所變化。此外，衛星的軌道高度將直接影響到衛星AIS系統的觀測時間Tobs和觀測區域△S的大小這兩個參數，進而影響檢測概率。針對衛星AIS系統接收信號碰撞嚴重導致檢測概率下降的問題，采用碰撞信號分離，可大幅度提高船舶的檢測概率，在船舶總數為2 500時，若衛星AIS能分離2重碰撞信號，則檢測概率將從30%提高至75%，若能分離3重碰撞信號，則檢測概率將從30%提高至95%。最后采用FastICA算法對混疊信號進行了有效的分離，提高衛星AIS對船舶的檢測能力。AIS碰撞信號的分離是衛星AIS系統中的一個重要的研究方向，對于信號分離算法的低復雜度、高性能算法的選取還需進一步研究，以提高衛星AIS系統的檢測性能［10］。

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Satelllte-based AIS detectlon Probablllty analyze and colllded slgnals seParatlon

SONG Guo-1jn，WANG Yan-feng，ZOU Guang-nan，SHI Yun，YOU Qj-dj
（Beijing Institute of Satellite Information Engineering，Beijing 100086，China）

Abstract:Based on the factor of the antenna of Sate11jte-based AIS system has a 1arge coverage zone and can cover hundreds of SOTDMA ce11s that 1eads to sjgna1 co11jde，the sjgna1 co11jsjon mechanjsms were ana1yzed jn the paper. An equjva1ent mode1 was estab1jshed to ana1yze the detectjon probabj1jty of vesse1s equjpped wjth AIS system. In order to jmprove the detectjon probabj1jty of vesse1s，the b1jnd source separatjon a1gorjsm was used to separate the co11jded AIS sjgna1s.

Key words:sate11jte-based AIS；observe mode1；detectjon probabj1jty；sjgna1 co11jsjon；sjgna1s separatjon

中圖分類號：TN927

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0063-04

收稿日期：2015-06-29稿件編號：201506234

基金項目：國家自然科學基金項目（青年科學基金項目）（61401030）

作者簡介：宋果林（1987—），男，四川廣安人，碩士研究生。研究方向：衛星通信技術。