来源：郭志恒,曾柏华,洪金城,陈翔,刘敏.基于USRP的AIS接收机实现[J].实验室研究与探索,2020,39(03):93-97+154.

摘要：

船舶AIS是集海上船舶识别、安全监控和通信导航功能为一体的新型数字助航系统，其在甚高频上采用SOTDMA方式实现船舶动态、静态及其他相关信息收发，以确保船舶的检测与识别功能。使用USRP对AIS的船载终端进行设计与实现，以国家GB/T20068-2006标准规范为基础，完成了基于LabVIEW语言的AIS软件无线电接收机。在该接收机中，采用了两步频偏估计校正方法，有效克服了USRP平台的频率稳定度不足的缺点，并最终实现了船舶AIS信息接收、报文解析、数据库存储，同时通过在LabVIEW中嵌入开源的GIS与航海图，实现了对珠江上航行船舶的定位与可视化。

AIS工作协议与通信规程

(1)SOTDMA协议。自组织时分多址接入(SelfOrganized Time Division Multiple Access，SOTDMA)技术是实现AIS自主连续数据通信的核心技术。这种新型网络通信技术会在AIS设备发送数据之前，观测当前信道及当前时隙的占用情况，并根据所发射信号需要占用的时隙数，选择合适的时隙发送信息。其工作原理如图1所示。

国际电信联盟根据AIS中所使用的SOTDMA技术的需要，为AIS分配了两个专用的甚高频(VHF)无线通信信道，分别是：

Channel87B(AIS1)：161.975 MHz；Channel88B(AIS2)：162.025MHz。

(2)HDLC通信规程。AIS信号传输采用面向bit的协议、TDMA技术和信息分组结构，以AIS报文1、2、3为例，其结构见表1。

AIS信息由前置码、同步序列、开始标志、数据、帧校验序列、结束标志、缓冲码元组成。其中，前置码为AIS信号的启动信号，表示时隙开始，为AIS发射机施加射频电源；同步序列由24bt交替0、1码元组成；开始标志和结束标志与标准的HDLC标记一致，为8bit01111110，标志着信息的开始和结束；数据携带着船舶信息，其传输的正确性由后续16bit CRC校验码组成的帧校验序列检验；最后24bit缓冲码元作用是保证帧长度为定值。

AIS发送机制

(1)CRC校验原理。循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check，CRC)是数字通信系统中一种具有较强检错能力的差错校验码[8]。根据GB/T20068-2006规定，AIS信息只对数据部分进行校验，采用的是C RC-16的生成多项式g(x)=x16+x12+x5+1，其对应的17位生成序列为G=10001000000100001。

(2)位反转。根据GB/T20068-2006的规定，在VHF数据链路层发出数据前，需要将数据部分以Byte为单位，按bt逆序输出。为了保持Byte边界，最后一个Byte中的无用应当置为零。

(3)差分编码(NRZI编码)。根据GB/T20068-2006的规定，AIS信息在进行调制前，需要对封装好的船舶信息帧进行不归零反向编码，即NRZ-l编码，NRZI编码原理如图2所示。

(4)bit填充。为防止出现连续相同的“1”信号进入导致NRZI编码码元长时无法翻转的现象，必须对输入的序列进行bit填充。在发射端AIS信号数据部分，对连续出现的5个“1”后面插入一个零bit。

2.2基于差分相关信号帧同步算法

当接收端接收到经过信道的船舶AIS信号后，需要对接收到的信号进行帧同步处理，确定信号的起始位置并消除信号时延对后续频偏估计、解调等的影响。

AIS信号中包含训练序列0101…0101共24bit，假设训练序列经过GMSK调制后为s(t)，共含N=24bit信息位。接收信号为r(t)，共含有l位信息位。二者码元周期T，=1/R，相同，其中R=9600bit/s。为方便公式推导，当信噪比足够大时，可忽略高斯加性白噪声的影响，且假定信道为慢衰落信道，则接收信号为：

定义两者相关函数为：

两步求精频偏估计算法

本次AIS模拟接收机实现平台为USRP2920软件无线电平台，其自带时钟源的晶振频率偏差约为2.5ppm，当AIS信号传输频率为162.025MHz时，最大接收频偏可达±405Hz，当AIS信号传输速率为9600bit's、发送码元个数为256bit时，一条AIS信号最大相角偏移为：

在解调过程中会出现信号相位翻转的现象。由于GMSK调制方式所携带的信息体现在信号相位的变化上，若相位发生翻转，会导致信号解调出错，无法得到正确AIS信息。因此，需要一种精确的频偏估计方案应对USRP所带来的较大频偏，并消除频偏对GMSK解调的影响。本文采用文献[13]中所提的两步求精频偏估计算法，首先通过粗略估计缩小频偏范围，而后提高估计的精确度，达到精确估计并校正频偏的目的。

根据时延估计算法做采样、帧同步处理后，接收信号为：

式中：A为信号幅值。

S(n)S(n)=1，式(14)中，A为所需要估计的频偏值，w(n)为曝声项，假定噪声为均值为零的高斯白曝声，现构造辅助信号x(n)消除接收信号中的调制相位信息：

为消除辅助信号中仍然存在的相移和噪声的影响，需要对辅助信号做差分求期望运算：

频偏估计值为：

式中：MQ为求和项数。

此算法误差值为该方法频偏估计的标准差国，图3为使用不同M值时的频偏估计误差。bit 差分解调算法

AIS信号所用的GMSK调制方式属于连续相位调制，所携带的信息体现在信号的相位变化中，因此采用较为普遍的1bit 差分解调算法国解调接收到的AIS信号。其工作原理是，通过对接收到的GMSK调制信号做1bit差分运算，获取信号中所携带的相位信息，解调出信号的码元序列。其误码率特性曲线如图4所示。

数据库搭建与船舶定位

AIS模拟接收机搭建

基于上述物理层关键技术以及AIS国标要求，采用基于LabVIEW+USRP的软件无线电平台搭建AIS模拟接收机。由于AIS信号所采用的频点为161.975

MHz、162.025MHz，故选用覆盖频段为50MHz~2.2GHz的USRP2920和LabVIEW2013搭建AIS模拟接收机实验平台。

船舶AIS信息接收及数据库搭建

本文所设计的AIS 接收机接收实地船舶AIS信号地点为广州珠江水域，主要接收携带船舶动态信息的AIS报文1、2、3及B类发射机所发射的报文18。图5、6分别为接收机所解析出的船舶AIS信号报文1和报文18。

根据实地接收并解析出的船舶AIS信息，依照其报文类型以及各船舶特有的水上移动通信业务标识码(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)，可以构建AIS 信息数据库，如图7所示。

如表2所示，工作表中存储接收到信号的时间以及相应船舶对应报文所携带的信息。

海图嵌入与船舶定位

基于所得到的船舶AIS信息和已经建立的数据库，可以对相应船舶进行船舶定位。在LabVIEW中嵌入开源海图，通过读取数据库中各船舶的位置信息，就可实现附近海域中实时的船舶定位功能，并具有实时更新功能，实际界面显示情况如图8所示。

总结： 尝试使用BB60C采集AIS信号。