星载AIS混合信号单通道盲分离技术研究

高万明

摘   要：近年来我国航海作业和航海安全受到严重威胁，星载AIS技术的发展越来越重要。单通道盲分离技术利用单天线接收混合信号，以其设计低复杂度、低成本的优点，得到广泛研究。文章介绍了星载AIS技术的相关知识，针对星载AIS混合信号单通道盲分离算法，分析出降低算法复杂度、提高分离性能的重要性。

关键词：航海安全;星载AIS技术;单通道盲分离;降低算法复杂度;提高分离性能

近年来，我国具有对海事安全威胁以及海上交通安全对海上通信的迫切需求[1]，但是，现有的海上通信手段受距离的限制，例如船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）的通信距离为20海里左右，无法实现对远洋船的监视和管理，随着遥感卫星技术的发展，可考虑将卫星技术与AIS技术融合，即利用星载AIS技术，实现远距离接收AIS信号，能够为远洋船舶的管理提供基础。

星载AIS通过在低轨道遥感卫星上搭载AIS接收机，能够在更大覆盖范围内接收AIS船舶播发送的AIS信号，但是，当遥感卫星覆盖范围的船舶数量较多时，星载AIS接收机将接收到多个AIS船舶的AIS信号，这些信号会相互混叠，即在时域上可能会重叠，在频域上可能会相同，在空域上可能会相近，结果可能会导致接收到AIS信号概率大大降低[2]。

针对用单通道盲分离的方法对星载AIS混合信号进行分离的问题，已经有很多学者致力于相关研究，例如王聪等[3]提出了一种基于Laurent分解的星载AIS解调算法，该算法将Laurent分解原理引入到星载AIS混合信号的单通道盲分离中。胡昌海[4]基于单参数（时延）差异的混合信号盲分离，提出了利用判决反馈的方法，实现混合AIS信号分离。廖灿辉[5]提出了利用逐留存路径处理（Persurvivorprocessing，PSP）的方法，实现抗频偏的AIS信号分离，将PSP思想引入到星载AIS混合信号的单通道盲分离中。

1    星载AIS

1.1  星载AIS工作原理

星载AIS通过在低轨遥感卫星上搭载AIS接收和发射机，解码接收到的AIS信号，然后将解码的AIS信号转发到星载AIS地面站进行处理，实现对远洋船舶的管理。星载AIS使用的是低轨道卫星，与静止卫星不同，其对地面的覆盖是不连续的，属于非实时通信系统。即卫星收到用户报文后直接解码，若卫星覆盖区内有地面站，就直接转发给地面站。否则，报文将存储在卫星的存储器中，等到卫星覆盖区内出现地面站时，再将报文转发给地面站。

1.2  星载AIS信号及其模型

星载AIS信号使用高斯最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）调制方式，对码元进行高斯滤波预处理[6]，然后对矩形波进行高斯滤波，产生一种基带平滑波形，具有带宽窄且尖锐截止、邻道干扰小等较好的频谱特性，更适合海上复杂的信号环境。GMSK调制是一种相位连续的恒包络调制，具有较好的频谱效率和功率特性，因而在AIS系统中获得了广泛的应用。而现实中，GMSK信号大多是突发的混合信号，而这些突发的混合信号一般参数估计误差比较大。

考虑两个同频（或近似同频）的GMSK混合信号的单通道接收，接收基带等效信号的一般形式可表示为：

其中，h1（t）和h2（t）为两信号的瞬时幅度，Δω1和Δω2为两信号的残余频偏，θ1和θ2为初始相位，v（t）为加性高斯白噪声，s1（t）和s2（t）分别为基帶数字调制信号，根据GMSK信号的Laurent展开式可知，GMSK信号相当于用主脉冲GMSKp（t）进行成型滤波，则接收端经匹配滤波后的信号可表示为：

其中，T是符号周期，两信号具有相同的符号周期;τi（t）为第i个信号与本地接收机之间的时钟漂移，假定0≤τi（t）

将接收信号按符号速率采样，令yk=y（kT），hi，k=hi（kT），vk=v（kT），τi，k=τi（kT），

设Rpp（t）的持续时间长为L0T，从（1-L1）T到L2T，L0=L1+L2。

定义L0×1向量为：

第k个接收混合信号可以表示成更简洁的形式：

其中，定义为两向量对应项的乘积：

单通道盲分离根据接收的序列yk，k=0，1，…，得到符号序列ai，k，k=0，1，…的估计。

2    单通道盲分离问题概述

近年来，混合信号盲分离已成为信号处理领域中的热点和难点问题，由于电磁环境变得越来越复杂，通信领域中的混合信号越来越多，信号日益密集会造成同频信号混合等。一方面，这类信号极大地影响了接收性能;另一方面，传统的单信号处理的方法已不再适应。混合信号盲分离可分为两种途径：（1）多通道盲分离方法，即在遥感卫星上安装多根接收天线。（2）单通道盲分离方法，即在遥感卫星上安装单根接收天线。目前，多通道盲分离的技术已经有较为成熟的理论和方法，但考虑到多天线的设计复杂度和成本，因此，迫切需要研究用单通道盲分离的方法来分离混合信号[7]。

单通道盲分离需要根据接收的一路AIS信号分离出多个AIS源信号，这在数学角度上看可能存在不确定解。以两路信号x1和x2为例，方程y=x1+x2，对同一个y值，x1和x2有多种解。但在实际应用中，如果借助信号本身的特征将有可能实现分离。如对通信信号而言，x1和x2不可能取任意值，而是受发送符号和调制参数的约束，在这些约束条件下，方程y=x1+x2可能存在确定解。

本質上，单通道盲分离算法利用了各源信号之间调制参数的差异性，如时延差异、符号速率差、幅度差异等，通过提取、放大这些差异来实现满足特定条件信号的分离，单通道分离的关键在于怎样利用和提取所处理信号的特点，找到源信号之间的差异性。

3    星载AIS混合信号单通道盲分离算法

目前，可行的单通道盲分离算法[8]包括独立分量法[9]、稀疏分解法、基函数法和多参数协调估计法[10-11]等。对于单通道而言，现有的算法复杂度较高，但对于本文所研究的突发AIS混合信号而言，依然不能满足实时处理的要求，因此，降低AIS混合信号盲分离算法复杂度是单通道盲分离的关键。

在发送信号序列和信道参数均未知的情况下，多参数联合估计实现单通道盲分离的效果是较佳的，其主要的方法包括粒子滤波算法和逐幸存路径处理（PSP）算法。研究表明，PSP盲分离算法性能优良，分离误码率接近已知参数下的联合序列估计界，且复杂度远远低于粒子滤波算法，是一种十分有效的分离算法。

PSP算法[12]在到维特比算法中使用未知参数估计，进而，实现序列与参数的联合估计，通过最小化路径度量来获得发送数据，其接收机结构如图1所示。

廖灿辉提出了一种基于逐幸存路径处理（PSP）的抗频偏盲分离算法，通过在盲分离过程中对信道变化和频偏引起的相位变化分别进行跟踪，能大大提升算法对残余频偏的容忍能力。仿真结果表明，传统PSP算法能容忍的归一化频偏误差不大于2.0×10-4，而抗频偏算法在归一化频偏误差达1.5×10-2时仍然能收敛，且不需要对初始相位进行估计，同时，分离性能相比理想条件下的PSP算法只下降了约1 dB。

涂世龙针对同频调制多路线性混合信号的单通道盲分离，根据自适应跟踪信道参数和逐幸存路径处理原理的思想提出了RLS-RPSP算法，利用多路RLS收敛速度快的特点，通过分段设置幸存路径数来保留幸存路径，既能实现对多路信道响应的同步跟踪，仿真结果表明，在误码率性能相同情况下，新算法相比LMS跟踪下的M-PSP算法，至少能降低一半的运算复杂度。

4    结语

星载AIS技术对远洋船舶的管理说，是一种非常好的技术手段，单通道盲分离技术是AIS混合信号处理领域新的研究方向，其研究也越来越深入，理论和实际应用都得到了较大发展。对于本文所研究的突发星载AIS混合信号而言，应该研究一种低复杂度、高分离性能的单通道盲分离算法，以达到实时处理的要求。

[参考文献]

[1]杨倩.我国应用星载基站AIS系统研究[J].管理研讨，2011（1）：53-55.

[2]CERVERA M A，GINESI A.On the performance analysis of a satellite-based AIS system[C].NewYork：International Workshop on Signal Processing for Space Communications. 2008.

[3]王聪，朱守中，姜文利，等.基于Laurent分解的星载AIS解调算法[J].飞行器测控学报，2012（5）：12-13.

[4]胡昌海.星载IAS混合信号盲分离技术研究[D].洛阳：解放军信息工程大学，2013.

[5]廖灿辉，涂世龙，万坚.抗频偏的突发GMSK混合信号单通道盲分离算法[J].通信学报，2013（5）：6-8.

[6]郑忠国，来飞.AIS系统中NRZI编码及GMSK的调制与解调的仿真[J].电子质量，2011（10）：38-41.

[7]廖灿辉，万坚，周世东.两同频调制信号混合单通道盲分离的性能界[J].清华大学学报（自然科学版），2010（10）：1646-1650.

[8]彭耿，黄知涛，姜文利，等.单通道盲信号分离研究进展与展望[J].中国电子科学研究院学报，2009（3）：268-277.

[9]黄大伟，戴吾蛟，刘斌，等.单通道独立分量分析算法的比较分析[J].大地测量与地球动力学，2014（1）：60-61.

[10]涂世龙，陈越新，郑辉.利用纠错编码的同频调制混合信号单通道盲分离[J].电子与信息学报，2009（9）：2113-2117.

[11]杨勇，张冬玲，彭华.结合编码信息的单通道盲信号分离改进算法[J].计算机工程与应用，2013（12）：49.

[12]ZHENYU Z，HAMID R，SADJADPOUR，et al.An adaptive per-survivor processing algorithm[J].IEEE Transactions on Communications，2002（11）：6-7.

Study on single-channel blind source separation technology

of satellite-borne AIS hybrid signal

Gao Wanming

（Donghai Navigation Safety Administration（DNSA）MOT， Shanghai 200086， China）

Abstract：In recent years， the navigation operation and safety of our country have been seriously threatened， and the development of space-borne AIS technology is becoming more and more important. Single channel blind separation technology uses single antenna to receive mixed signals， which has been widely studied because of its advantages of low complexity and low cost. In this paper， the related knowledge of space-borne AIS technology is introduced， and the importance of reducing the complexity of the algorithm and improving the separation performance is analyzed for the single-channel blind separation algorithm of space-borne AIS mixed signal.

Key words：navigation safety; space-based Automatic Identification System mix signal; single channel blind source separation; reducing algorithm complexity; improving separation performance