一种基于信道状态预测的星载AIS接收方法及系统与流程

本发明涉及卫星通信，尤其涉及一种基于信道状态预测的星载ais接收方法及系统。

背景技术：

1、随着海洋运输、船舶监管和海上安全保障需求的不断提升，船舶自动识别系统（automatic identification system，ais）已成为获取船舶动态信息的重要技术手段，可实现对全球海域尤其是远海区域船舶信息的大范围、连续化监测，在海上交通安全、渔业资源管控及海洋环境保护等领域具有重要应用价值。

2、传统ais系统主要依靠地面基站或船载终端进行数据交互，其通信覆盖范围受到地理位置限制，难以满足远洋区域、极地海域以及大范围海洋监测场景下的船舶信息获取需求。然而，现有星载ais接收机在实际应用过程中，由于卫星与船舶之间存在较大的相对运动速度，接收信号容易产生明显的多普勒频移，使ais模拟射频信号载波频率发生偏移，导致星载ais接收机出现频率同步困难、信号捕获时间增加与解调性能下降等问题。同时，ais模拟射频信号经过长距离空间传播后，信号能量衰减明显，接收端接收到的有效信号强度较低，容易受到空间噪声和vhf频段内其他无线通信信号的影响，造成信噪比降低，降低弱信号环境下的数据接收可靠性。

3、因此，有必要提供一种基于信道状态预测的星载ais接收方法及系统解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于信道状态预测的星载ais接收方法及系统，用于解决现有星载ais接收机在高动态、强干扰和远距离传输场景下，因卫星与船舶高速相对运动导致多普勒频移补偿不足、信道状态动态变化难以准确预测、远距离空间传播造成信号衰减、同频抗干扰性能差与解调性能恶化的问题。

2、本发明提供的一种基于信道状态预测的星载ais接收方法，所述方法包括：

3、通过星载ais接收机的射频前端接收ais模拟射频信号并依次进行增益线性放大、混频滤波和模数转换，生成ais数字接收信号；

4、基于所述ais数字接收信号构建动态信道状态向量，将所述动态信道状态向量输入至信道状态预测模型进行多普勒预测，输出信道状态预测结果；

5、根据所述信道状态预测结果确定多普勒二维联合搜索窗口并对所述ais数字接收信号进行频率偏移补偿，生成ais数字基带信号；

6、基于所述ais数字基带信号构建信号质量评价函数并对所述射频前端进行动态调整。

7、优选的，所述通过星载ais接收机的射频前端接收ais模拟射频信号并依次进行增益线性放大、混频滤波和模数转换，生成ais数字接收信号，具体包括：

8、通过所述星载ais接收机的所述射频前端接收所述ais模拟射频信号；

9、通过低噪声放大器对所述ais模拟射频信号进行增益线性放大，输出ais射频放大信号，将所述ais射频放大信号输入至锁相环频率合成器进行混频下变频，再通过自适应射频滤波网络进行带通滤波处理，得到ais模拟接收信号；

10、采用高速模数转换器对所述ais模拟接收信号进行带通采样，生成所述ais数字接收信号。

11、优选的，所述基于所述ais数字接收信号构建动态信道状态向量，具体包括：

12、预设时间滑动窗口，并基于所述时间滑动窗口对所述ais数字接收信号进行分段处理，得到ais数字信号序列；

13、通过快速傅里叶变换算法对所述ais数字信号序列进行频谱转换，提取多普勒频移特征；

14、对所述ais数字信号序列进行正交解调处理，得到同相分量数据和正交分量数据并进行相位变化分析，提取相位漂移趋势特征；

15、获取所述ais数字信号序列对应的采样幅值数据并计算信号幅值变化量，对所述信号幅值变化量进行趋势分析，得到信号衰减趋势，分别对所述信号幅值变化量和所述信号衰减趋势进行归一化处理，生成信号幅值波动特征和信号衰减速率特征并进行组合，得到信号幅度衰减特征；

16、调取本地参考序列，对所述ais数字信号序列与所述本地参考序列进行时域滑动相关检测，提取传播时延变化特征；

17、整合所述多普勒频移特征、所述相位漂移趋势特征、所述信号幅度衰减特征、所述传播时延变化特征，构建所述动态信道状态向量。

18、优选的，所述将所述动态信道状态向量输入至信道状态预测模型进行多普勒预测，输出信道状态预测结果，具体包括：

19、定位所述ais数字信号序列中的前导码字段，将所述前导码字段沿时间轴均等划分为前导码前子段与前导码后子段，并分别对所述前导码前子段与所述前导码后子段进行快速傅里叶变换频谱分析，提取所述前导码前子段的多普勒频移估计值和所述前导码后子段的多普勒频移估计值并计算实测多普勒变化率；式中，表示前导码前子段与前导码后子段之间的时间间隔；

20、调取历史信道状态序列，将所述历史信道状态序列与所述动态信道状态向量进行时间对齐，构建多尺度信道状态演化序列并输入至所述信道状态预测模型，通过时序特征提取层挖掘所述多尺度信道状态演化序列的依赖关系，生成信道状态演化趋势特征；

21、将所述实测多普勒变化率与所述信道状态演化趋势特征进行拼接，得到融合预测特征f，将所述融合预测特征输入至状态转移方程并对未来预测窗口的所述多普勒频移特征、所述相位漂移趋势特征、所述信号幅度衰减特征、所述传播时延变化特征进行联合预测，汇总生成所述信道状态预测结果，对应的计算公式如下：

22、

23、式中，分别表示未来预测窗口的预测多普勒频移特征、预测多普勒变化率、预测相位漂移趋势特征、预测信号幅度衰减特征、预测传播时延变化特征；表示动态信道状态向量中的多普勒频移特征；表示基于融合预测特征拟合得到的多普勒加速度；表示动态信道状态向量中的相位漂移趋势特征；表示基于融合预测特征拟合得到的相位漂移速率；分别表示幅度衰减映射函数、传播时延映射函数；t表示ais数字接收信号的接收时刻；表示未来预测窗口的步长时间。

24、优选的，所述根据所述信道状态预测结果确定多普勒二维联合搜索窗口，具体包括：

25、预设多普勒频移误差量、多普勒变化率误差量，基于所述信道状态预测结果限定预测多普勒频移特征搜索范围和预测多普勒变化率搜索范围，对应的限定公式如下：

26、

27、式中，分别表示预测多普勒频移特征搜索下限、预测多普勒频移特征搜索上限；分别表示预测多普勒变化率搜索下限、预测多普勒变化率上限；

28、将所述预测多普勒频移特征作为横轴、将所述预测多普勒变化率作为纵轴，并对所述预测多普勒频移特征搜索范围与所述预测多普勒变化率搜索范围进行正交交叉，生成所述多普勒二维联合搜索窗口。

29、优选的，基于所述多普勒二维联合搜索窗口对所述ais数字接收信号进行频率偏移补偿，生成所述ais数字基带信号，具体包括：

30、遍历所述多普勒二维联合搜索窗口中的二维网格搜索点，根据所述二维网格搜索点对应的所述预测多普勒频移特征和所述预测多普勒变化率构建多普勒补偿参数，并利用所述多普勒补偿参数对所述ais数字接收信号进行频率偏移补偿，得到中间补偿数字信号；

31、调用所述本地参考序列，将每个所述二维网格搜索点对应的所述中间补偿数字信号分别与所述本地参考序列执行共轭滑动相关运算，生成各个所述二维网格搜索点对应的相关峰值序列，相关峰值的对应计算公式如下：

32、式中，表示时域滑动采样偏移点数m对应的相关峰值；表示二维网格搜索点对应的中间补偿数字信号；表示本地参考序列；m表示本地参考序列相对中间补偿数字信号的时域滑动采样偏移点数；n表示本地参考序列的采样点数；n表示本地参考序列的采样点索引；*表示复数共轭运算符号；

33、遍历所述二维网格搜索点对应的所述相关峰值序列，筛选最大相关峰值对应的所述多普勒补偿参数作为最优补偿参数，并采用所述最优补偿参数对所述ais数字接收信号进行频率偏移补偿，输出所述ais数字基带信号。

34、优选的，所述基于所述ais数字基带信号构建信号质量评价函数并对所述射频前端进行动态调整，具体包括：

35、对所述ais数字基带信号进行解调，生成基带实时信噪比snr、码元相位误差均值、码间干扰幅值、校验误码率ber，并结合所述预测相位漂移趋势特征、所述预测信号幅度衰减特征、所述预测传播时延变化特征，构建所述信号质量评价函数，输出所述ais数字基带信号的综合质量评分q；

36、预设优质接收阈值、劣化接收阈值，当所述综合质量评分q大于或等于所述优质接收阈值时，保持所述射频前端的射频参数不变；当所述综合质量评分q大于所述劣化接收阈值且小于所述优质接收阈值时，输出小幅调节指令并更新所述射频参数；当所述综合质量评分q小于或等于所述劣化接收阈值时，输出大幅调节指令并更新所述射频参数。

37、优选的，分别通过所述小幅调节指令更新所述射频参数、通过所述大幅调节指令更新所述射频参数，具体包括：

38、通过所述预测相位漂移趋势特征、所述预测信号幅度衰减特征、所述预测传播时延变化特征构建信道恶化修正系数；

39、读取所述小幅调节指令中的基础小幅调节步长并与所述信道恶化修正系数相乘，计算射频参数实际小幅调节步长并更新所述射频参数；

40、读取所述大幅调节指令中的基础大幅调节步长并与所述信道恶化修正系数相乘，计算射频参数实际大幅调节步长并更新所述射频参数。

41、一种基于信道状态预测的星载ais接收系统，所述系统包括：

42、射频采集模块，用于通过星载ais接收机的射频前端接收ais模拟射频信号并依次进行增益线性放大、混频滤波和模数转换，生成ais数字接收信号；

43、信道预测模块，用于基于所述ais数字接收信号构建动态信道状态向量，将所述动态信道状态向量输入至信道状态预测模型进行多普勒预测，输出信道状态预测结果；

44、偏移补偿模块，用于根据所述信道状态预测结果确定多普勒二维联合搜索窗口并对所述ais数字接收信号进行频率偏移补偿，生成ais数字基带信号；

45、射频调控模块，用于基于所述ais数字基带信号构建信号质量评价函数并对所述射频前端进行动态调整。

46、与现有技术相比较，本发明提供的一种基于信道状态预测的星载ais接收方法及系统具有如下有益效果：

47、本发明通过星载ais接收机的射频前端接收ais模拟射频信号并依次进行增益线性放大、混频滤波和模数转换，生成ais数字接收信号；基于ais数字接收信号构建动态信道状态向量，将动态信道状态向量输入至信道状态预测模型进行多普勒预测，输出信道状态预测结果；根据信道状态预测结果确定多普勒二维联合搜索窗口并对ais数字接收信号进行频率偏移补偿，生成ais数字基带信号；基于ais数字基带信号构建信号质量评价函数并对射频前端进行动态调整，从而可以实现面向动态信道状态的自适应接收控制，提高动态卫星链路下ais模拟射频信号的捕获成功率、解调准确性与接收稳定性。

48、本发明应用于vhf频段的ais模拟射频信号的接收、信道状态预测与自适应动态调控。本发明通过星载ais接收机的射频前端接收vhf频段的ais模拟射频信号并依次进行增益线性放大、混频滤波和模数转换，能够有效提升微弱的ais模拟射频信号的接收灵敏度与动态范围，抑制带外噪声及镜像频率干扰。本发明通过信道状态预测模型进行多普勒预测，实现了对动态卫星链路变化趋势的提前感知。本发明通过利用预测多普勒频移特征和预测多普勒变化率构建多普勒二维联合搜索窗口，将全局盲目搜索转化为二维网格精细搜索，降低了计算复杂度并提升了频偏校正精度。本发明基于ais数字基带信号构建信号质量评价函数并对射频前端进行动态调整，能够建立基带质量评估与射频参数调控的闭环反馈机制，根据信道恶化修正系数自适应调节步长与方向，使射频前端实时跟踪并适配动态信道状态，保障高动态卫星链路下ais模拟射频信号接收的稳定性与解调准确性。