CN108055068A - 一种机载接收海上ais信号的模拟仿真***及测试方法 - Google Patents

一种机载接收海上ais信号的模拟仿真***及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机载接收海上AIS信号的模拟仿真***及测试方法，包括多个AIS接收机：用于接收船舶AIS信号，每个AIS接收机均和授时单元相连，所述多个AIS接收机通过通信网络和汇总处理器相连；汇总处理器：合并多个AIS接收机的解算数据，删除冗余数据，形成AIS数据库；飞行模拟器：操纵模拟飞机的飞行高度和方向，模拟真实飞机的飞行轨迹；AIS信号生成器：根据飞行模拟器送来的飞机位置和时刻，结合AIS数据库，计算该时刻飞机接收到的全部AIS信号，并送至射频信号发生器生成甚高频射频信号。本发明能够解决目前机载AIS的模拟测试与实际使用情况存在较大差异的问题，可用于机载AIS的信号模拟和测试设备开发。

Description

一种机载接收海上AIS信号的模拟仿真***及测试方法
技术领域
本发明涉及一种信号模拟仿真***及测试方法，尤其涉及一种机载接收海上AIS信号的模拟仿真***及测试方法。
背景技术
目前大量的船舶配备了船舶自动识别***(Automatic Identification System，简称AIS)船载设备，该设备通过甚高频(VHF)频道向附近水域船舶及岸台广播本船的动态和静态信息，包括船舶编码、位置、航向、航速等船舶动态信息，以及船名、呼号、吃水深度及危险货物等船舶静态信息，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的航向态势，提高航运安全。
AIS工作在VHF频道，VHF一般的无线电传输特性是视距传输，船舶和岸台接收距离与天线高度相关，考虑大气因素，传播距离可以用下面的公式表示：
式中，D为接收距离，单位为km；ht为海面无线电发射设备的天线高度，单位为m，取4m；hr为接收天线的高度，单位为m。
取船舶AIS天线高度为10m，岸台AIS天线高度为30m，则一般情况下岸台接收距离为30至40km。
为了扩大对海面AIS信号的接收能力，可以通过航空器，如有人或无人的固定翼飞机、直升机、气艇、气球等在空中接收船舶的AIS信号，相应的机载设备被称为机载AIS接收机。
随着飞行高度的增加，接收范围不断扩大，如下表所示：
通常船舶AIS设备采用全向发射天线，并采用自组织时分多址(Self OrganizedTime Division Multiple Access，简称SOTDMA)或载波监听分时多路访问(Carrier-senseTime Division Multiple Access，CSTDMA)实现多用户接入。协议中规定，AIS设备一般在AIS1和AIS2两个VHF频道上发射，每个频道数据帧长度为1分钟,划分为2250个时隙,船用AIS设备的每个广播报文占用1个或更多个时隙。AIS船舶设备一般分为采用SOTDMA技术A级(或称A类)船载设备、采用SOTDMA技术的B级(或称B类)船载设备和采用CSTDMA技术的B级(或称B类)船载设备等三种。A级船载设备的发射机输出功率为12.5W(高功率)或1W(低功率)，采用SOTDMA技术B级船载设备的发射机输出功率为12.5W或2W，采用CSTDMA技术的B级AIS船载设备的发射机输出功率为2W。上述三种设备的报告间隔与航速等相关。
海上AIS设备依据SOTDMA或CSTDMA协议，同一个小区(一般半径约为30km)内不会出现同一时隙发射的多个AIS信号产生相互混叠的情况；并且SOTDMA或CSTDMA协议允许远距离的船舶复用时隙发射，由于VHF是视距传播的，并且接收机有一定的同频干扰信号抑制性能，所以相距较远的船舶复用时隙不用引起干扰。但是飞机接收AIS信号时，一方面，由于离地面距离远，传输延迟大，即使是不在同一时隙发射的AIS信号，在接收端也会接收到相互混叠的信号。另一方面，飞机的覆盖范围大，上述时隙复用的信号同时被飞机接收，这样在飞机会接收到相互混叠的信号，如图1所示。因此，机载接收***中的AIS信号存在时隙重叠导致时隙占用冲突的情况。
随着接收到信号数量的快速增加，海上大量AIS信号以混合形式进入机载AIS接收机，对接收造成困难，因此需要在地面上建立机载接收海上AIS模拟的仿真和测试***。仿真和测试***可以提高机载AIS的研发速度，降低试飞试验的成本。
现有技术通过下列几种方案模拟海上的AIS船舶信号：
1)通过射频信号源或矢量信号源生产AIS模拟信号，主要模拟AIS信号，但是不能模拟多船舶AIS的场景，如：
中国专利文献《一种自动识别***信号模拟源》(CN201320788950)公开了一种自动识别***信号模拟源，提供一种模拟AIS信号的硬件方案。
2)接收真实的AIS船舶无线电信号，通过无线电记录回放设备将其记录回放；
3)接收真实的AIS船舶目标数据，作为初始值外推模拟数据将其发送给矢量信号源生产程序控制的AIS模拟信号。
《Testbed for Performance Evaluation of SAT-AIS Receivers》(AndisDembovskis，Bremen，2012 6th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference(ASMS)and 12th Signal Processing for Space Communications Workshop(SPSC))提出了一种基于现实数据的模拟方法，该方法通过飞机接收真实的AIS船舶目标数据，这些数据定义了船只的初始位置，作为模拟的初始值，然后通过线性外推模拟船舶的运动，然后信号调制器模拟船舶发射的AIS信号。
4)通过计算机模拟AIS目标，如通过人工设置或利用AIS船舶分布数据模拟AIS船舶位置，再将模拟的AIS目标发送给矢量信号源生产程序控制的AIS模拟信号，如：
中国专利文献《多通道多目标星载AIS侦察信号模拟***》(CN107066693)，公开了一种对星载AIS多通道侦察***在轨运行时接收多目标混叠的动态AIS信号进行模拟的***，其中的场景数据生成软件根据用户设定场景模拟生成卫星接收的多目标多通道AIS基带信号数据文件。
《星载AIS***信号模拟源的仿真实现》(栗霖雲陈萍方莉，无线电工程，2014 44(1))提出了一种利用计算机平台设计实现星载AIS信号模拟源的方法。该方法将卫星监测时间内天线接收到的所有AIS信号的参数信息记录在Excel表格中，作为模拟源的输入，以此来模拟产生卫星天线所接收到的冲突信号。通过建立卫星检测范围船舶分布模型，根据船舶与卫星的相对位置计算获得Excel表格中的参数，因此该参数符合实际情况。
《基于实际船舶分布的星载AIS仿真***设计》(张昕李洪星陈萍方莉，无线电工程，2014，44(10))提出以实际船舶分布数据为基础，计算功率、频偏和时延等信号参数并仿真卫星接收到的AIS信号。该方法首先需要根据船舶分布情况建立船舶分布模型，船舶分布数据可定期从航海网站抓取，以多次观测数据为基础建立船舶分布模型，以符合实际情况。
现有上述方案存在以下缺点：
1)方案1通过射频信号源或矢量信号源生产AIS模拟信号不能模拟复杂的场景；
2)方案2对于机载和星载测试，无线电记录和回放方式成本高；
3)方式3通过机载接收机获取数据，由于上述的AIS信号时隙冲突的情况，其接收机的AIS船舶数量比真实的情况少，不能模拟的真实情况；
4)方式4其通过计算机模拟AIS发射信号，但是由于AIS采用SOTDMA和CSTDMA协议确定发射时隙，其时隙选择是根据周边船舶发射情况自主确定的，通过计算机模拟大量船舶的实际发射时隙其复杂度和成本过高。
5)从目前机载和星载AIS设备接收情况看，主要在沿海船舶AIS信号密集的区域，由于空中接收导致大量的时隙冲突，接收成功率较低；而在远海区域，由于船舶数量少，空中接收时隙冲突少，接收成功率较高。所以AIS信号模拟的重点应在沿海区域。上述方案没有提供在机载环境下有效地模拟沿海区域AIS信号的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机载接收海上AIS信号的模拟仿真***及测试方法，能够针对沿海船舶AIS信号密集的区域进行仿真，解决目前机载AIS的模拟测试与实际使用情况存在较大差异的问题，可用于机载AIS的信号模拟和测试设备开发。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种机载接收海上AIS信号的模拟仿真***，包括多个AIS接收机：用于接收船舶AIS信号，每个AIS接收机均和授时单元相连，所述多个AIS接收机通过通信网络和汇总处理器相连；汇总处理器：合并多个AIS接收机的解算数据，删除冗余数据，形成AIS数据库；飞行模拟器：通过操纵模拟飞机的飞行高度和方向，模拟真实飞机的飞行轨迹；AIS信号生成器：根据飞行模拟器送来的飞机位置和时刻，结合AIS数据库，计算该时刻飞机接收到的全部AIS信号，并送至射频信号发生器生成甚高频射频信号。
上述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***，其中，所述AIS接收机为岸基的AIS基站，或者是船载的AIS接收机。
上述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***，其中，所述授时单元采用全球导航卫星***生成授时信号。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种上述机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其中，包括如下步骤：S1：通过多个AIS接收机接收真实的AIS信号，并解算获取发射参数、消息内容和船舶位置；S2：通过授时单元获得时间信息，并在解算的每一个AIS数据后加上时间标记；S3：通过汇总处理器合并多个AIS接收机解算的数据，根据时间标记删除冗余数据，形成AIS数据库；S4:通过飞行模拟器模拟飞机的运动轨迹，所述AIS信号生成器根据飞机的位置和AIS数据库，生成每个时隙的AIS信号；S5：将生成的AIS信号送至射频信号发生器转换为射频信号发送给被测的机载AIS设备。
上述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其中，所述步骤S4中飞行模拟器的模拟过程如下：设置飞机的起始参数，包括飞机型号、起始位置、航向和航速，根据飞机的空气动力学模型仿真产生飞行轨迹；利用人机接口显示飞机的姿态，并通过数字地图显示飞机的位置，通过模拟飞行仪表显示飞机的飞行参数信息，所述飞行参数信息包括高度、空速和姿态。
上述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其中，所述步骤S4中AIS信号的生成过程如下：从AIS数据库读取当前时隙的AIS数据，包括消息内容、船舶位置、发射功率、发射时隙、时隙偏移和发射频率；计算船舶位置和飞机上AIS接收机之间的位置距离Di；计算由位置距离Di引起的时延，并根据时延修正时隙偏移；计算由位置距离Di引起的信号衰减Li，并根据信号衰减Li计算飞机接收到的信号功率；计算由飞机运动引起的多普勒偏移fi,并根据多普勒偏移fi修正频率偏移。
上述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其中，所述射频信号发生器对每个时隙从AIS信号生成器接收信号后立即产生射频信号，然后时间增加一个时隙继续产生下一个射频信号；或者等AIS信号生成器完成全部时隙的测试数据的生成后，再产生射频信号。
上述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其中，所述AIS数据库采用实时模式或者回放模式输出AIS数据。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***及测试方法，通过接收实际的沿海AIS信号，汇总生成大区域的AIS数据库，通过飞行模拟器模拟和监视飞行情况，根据飞行模拟器产生的飞机位置和时刻，生成飞机所能接收到的全部AIS信号，接近实际的接收情况；从而解决目前机载AIS的模拟测试与实际使用情况存在较大差异的问题，可用于机载AIS的信号模拟和测试设备开发。
附图说明
图1为机载AIS信号接收范围示意图；
图2为本发明机载接收海上AIS信号的模拟仿真***架构示意图；
图3为本发明模拟信号生成流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图2为本发明机载接收海上AIS信号的模拟仿真***架构示意图。
请参见图2，本发明提供的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***，包括：
多个AIS接收机：用于接收船舶AIS信号，每个AIS接收机均和授时单元相连，所述多个AIS接收机通过通信网络和汇总处理器相连；
汇总处理器：合并多个AIS接收机的解算数据，删除冗余数据，形成AIS数据库；AIS数据库具有数据记录功能，并可选择多种模拟模式，包括利用实时数据进行模拟、利用历史数据进行回放模拟；
飞行模拟器：通过操纵模拟飞机的飞行高度和方向，模拟真实飞机的飞行轨迹；
AIS信号生成器：根据飞行模拟器送来的飞机位置和时刻，结合AIS数据库，计算该时刻飞机接收到的全部AIS信号，并送至射频信号发生器生成甚高频射频信号。
本发明的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试步骤如下：
S1：通过多个沿海的AIS接收机接收真实的AIS信号，并解算获取发射参数、消息内容和船舶位置；所述的发射参数包括发射功率、发射时隙及时隙偏移、发射频率；
S2：通过授时单元获得时间信息，并在解算的每一个AIS数据后加上时间标记；
S3：通过汇总处理器合并多个AIS接收机解算的数据，根据时间标记删除冗余数据，形成AIS数据库；
S4:通过飞行模拟器模拟飞机的运动轨迹，所述AIS信号生成器根据飞机的位置和AIS数据库，生成每个时隙的AIS信号，信号产生流程如图3所示；
S5：将生成的AIS信号送至射频信号发生器转换为射频信号发送给被测的机载AIS设备。
多个沿海的AIS接收机接收真实的AIS信号，所述的AIS接收机解算AIS数据，包括：发射参数、消息内容和船舶位置，；所述的AIS接收机通过授时单元获得时间信息，在解算的每一个AIS数据后加上时间标记；
本发明各主要装置模块的功能及实现如下：
1)AIS接收机用于接收船舶AIS信号，包括VHF天线、AIS射频接收、解调和解码等单元，可以测量AIS信号的接收功率、发射时隙及相对标准时隙起始时刻的时间差、发射频率，并可以推算船舶AIS发射功率和发射时隙偏移。所述的AIS接收机可以是岸基的AIS基站，也可以是船载的AIS接收机。
2)推算船舶AIS发射功率的方法：计算船舶位置和AIS接收机位置之间的距离，再利用该距离计算信号传输衰减，在利用传输衰减和接收信号功率值计算船舶的发射功率，上述计算算法是通用的。
3)推算发射时隙偏移计算方法：计算船舶位置和AIS接收机位置之间的距离，再利用该距离计算信号传输时延，在利用传输时延和相对标准时隙起始时刻的时间差值计算船舶的发射时隙偏移，上述计算算法是通用的。
4)授时单元采用GNSS(全球导航卫星***)生成授时信号。
5)通信网络用于将AIS接收机数据送至汇总处理器，通信网络可以是有线网络也可以是无线网络。
6)汇总处理器对多个沿海的AIS接收机解算的数据进行合并。由于AIS接收机的接收范围可能存在重叠，存在多个AIS接收机接收到同一船舶同一时刻发射的信号的情况，导致冗余数据的产生。汇总处理器删除上述的冗余数据。经汇总和删除冗余，形成AIS数据库。汇总处理器的作为在于，将多个AIS接收机的数据汇总为一个大区域的AIS数据。
7)所述的AIS数据库包含了一段区域一段时间内的AIS船舶消息、船舶位置和发射参数数据。AIS数据库具备人机接口2，用户可以选择数据进行模拟，选项包括实时数据、数据记录和选择历史的一段数据回放。
8)所述飞行模拟器具有人机接口1，可操纵模拟飞机的飞行高度、方向，以产生任意的航迹；所述飞行模拟器可以仿真飞机的空气动力学模型，接近真实飞机的飞行轨迹；可设置飞机的起始参数，包括飞机型号、起始位置、航向、航速；人机接口可显示飞机的姿态，并通过数字地图上显示飞机的位置，通过模拟飞行仪表显示飞机的飞行参数信息，如高度、空速、姿态等。
9)所述的AIS信号生成器根据飞行模拟器送来的飞机位置和时刻，结合AIS数据库，计算该时刻飞机接收到的全部AIS信号，每个AIS信号包括如下参数：无线电参数、消息，无线电参数包括信号功率、时隙及时隙偏移、信号频率偏移；消息包括了完整的AIS消息格式。
10)所述的射频信号发生器可以按照上述的参数生成甚高频射频信号，其信号的调制内容来自于消息内容，其无线电信号根据无线电参数产生。射频信号发生器可以是采用软件无线电技术的发射机，也可以是数字化控制的专用AIS发射机，或是通用的矢量信号发生器。所述的射频信号发生器可以实时生成信号，即每个时隙从AIS信号生成器接收信号后立即产生射频信号；也可以待AIS信号生成器完成全部时隙的测试数据的生成后，再进行射频信号的产生。
综上所述，本发明通过接收实际的沿海AIS信号，汇总生成大区域的AIS数据库，通过飞行模拟器模拟和监视飞行情况，根据飞行模拟器产生的飞机位置和时刻，生成飞机所能接收到的全部AIS信号，接近实际的接收情况；具体优点如下：
1)根据真实信号汇总生成大区域的AIS数据接近沿海船舶AIS的真实情况，本发明采用较为简洁的方法模拟产生了机载AIS在沿海环境下较为真实的信号，避免了对船舶发射情况的复杂的仿真；
2)本发明通过飞行模拟器操作飞机航行，接近飞机实际飞行情况；
3)本发明接近沿海实际飞行的情况，包括接收到的AIS无线电信号和飞机的航迹，可以为机载AIS设备的研制、测试节约大量的经费
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种机载接收海上AIS信号的模拟仿真***，其特征在于，包括：
多个AIS接收机：用于接收船舶AIS信号，每个AIS接收机均和授时单元相连，所述多个AIS接收机通过通信网络和汇总处理器相连；
汇总处理器：合并多个AIS接收机的解算数据，删除冗余数据，形成AIS数据库；
飞行模拟器：通过操纵模拟飞机的飞行高度和方向，模拟真实飞机的飞行轨迹；
AIS信号生成器：根据飞行模拟器送来的飞机位置和时刻，结合AIS数据库，计算该时刻飞机接收到的全部AIS信号，并送至射频信号发生器生成甚高频射频信号。
2.如权利要求1所述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***，其特征在于，所述AIS接收机为岸基的AIS基站，或者是船载的AIS接收机。
3.如权利要求1所述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***，其特征在于，所述授时单元采用全球导航卫星***生成授时信号。
4.一种机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，采用如权利要求1所述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：
S1：通过多个AIS接收机接收真实的AIS信号，并解算获取发射参数、消息内容和船舶位置；
S2：通过授时单元获得时间信息，并在解算的每一个AIS数据后加上时间标记；
S3：通过汇总处理器合并多个AIS接收机解算的数据，根据时间标记删除冗余数据，形成AIS数据库；
S4:通过飞行模拟器模拟飞机的运动轨迹，所述AIS信号生成器根据飞机的位置和AIS数据库，生成每个时隙的AIS信号；
S5：将生成的AIS信号送至射频信号发生器转换为射频信号发送给被测的机载AIS设备。
5.如权利要求4所述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其特征在于，所述步骤S4中飞行模拟器的模拟过程如下：
设置飞机的起始参数，包括飞机型号、起始位置、航向和航速，根据飞机的空气动力学模型仿真产生飞行轨迹；
利用人机接口显示飞机的姿态，并通过数字地图显示飞机的位置，通过模拟飞行仪表显示飞机的飞行参数信息，所述飞行参数信息包括高度、空速和姿态。
6.如权利要求4所述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其特征在于，所述步骤S4中AIS信号的生成过程如下：
从AIS数据库读取当前时隙的AIS数据，包括消息内容、船舶位置、发射功率、发射时隙、时隙偏移和发射频率；
计算船舶位置和飞机上AIS接收机之间的位置距离Di；
计算由位置距离Di引起的时延，并根据时延修正时隙偏移；
计算由位置距离Di引起的信号衰减Li，并根据信号衰减Li计算飞机接收到的信号功率；
计算由飞机运动引起的多普勒偏移fi,并根据多普勒偏移fi修正频率偏移。
7.如权利要求4所述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其特征在于，所述射频信号发生器对每个时隙从AIS信号生成器接收信号后立即产生射频信号，然后时间增加一个时隙继续产生下一个射频信号；或者等AIS信号生成器完成全部时隙的测试数据的生成后，再产生射频信号。
8.如权利要求6所述的机载接收海上AIS信号的模拟仿真***的测试方法，其特征在于，所述AIS数据库采用实时模式或者回放模式输出AIS数据。
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