电子与信息工程毕业论文：船舶自动识别系统中GMSK调制算法的仿真.doc

1、 本 科 毕 业 设 计 船舶自动识别系统中 GMSK 调制算法的仿真 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 船舶自动识别系统（ Automatic Identification System，简称 AIS）是以自组时分多址（ SOTDMA）为核心技术，实现船舶交通管理系统的船 -岸、船 -船间的通信及辅助导航，避免船舶间的碰撞，用于提高航行的安全。 AIS 作为一种新兴的海上监视设备和技术，有着广泛而美好的应用前景。它将给海上船舶驾驶和岸基交通管理带来深刻的变革。由于 GMSK 不仅保留了 MSK 的优点，而且 GMSK 调制信号具有

2、较理想的性能，频谱在主瓣以外衰减得更快，且邻路干扰小，因此在 AIS 中信号的发送和接受信息得到广泛的应用。 在熟悉 GMSK 调制解调原理的基础上，完成了在 MATLAB 系统工具 Simulink 工具箱下 GMSK调制解调的系统仿 真，完成了 GMSK 信号的调制解调。 关键字 ： AIS； MSK;GMSK； MATLAB II Abstract Automatic Identification System (Automatic Identification System, referred to as AIS) is from the set of time division mu

3、ltiple access (SOTDMA) as the core technology, vessel traffic management system of the ship - shore, the ship - the communication between the ship and auxiliary navigation, to avoid inter-ship collision, to improve navigation safety. AIS as a new maritime surveillance equipment and technology, has a

4、 broad and bright prospects. It will ship to the sea and shore-based traffic management driving profound changes. GMSK not only preserves the advantages of MSK and GMSK modulated signal with better performance, the spectrum in the decay faster than the main lobe, and adjacent road disturbance, so th

5、e AIS signal to send and receive information to be widely used. GMSK modem in a familiar principle, based on the complete system tools in MATLAB Simulink toolbox under the GMSK modulation and demodulation system simulation, the completion of the GMSK signal modulation and demodulation. Keywords: AIS

6、; MSK;GMSK; MATLAB III 目录 前 言 . 1 第 1 章 船舶自动识别系统 AIS . 2 1.1 概述 .2 1.2 AIS 系统构成及主要功能 .3 1.2.1 系统构成 .3 1.2.2 系统的主要功能 .4 1.2.3 AIS 通信协议 .4 1.3 AIS 的在航海上的应用 .5 1.4 AIS 发展的前景 .7 第 2 章 最小频移键控 MSK. 8 2.1 正交 2FSK 信号的最小频率间隔 .8 2.2 MSK 信号的基本原理 .9 2.3 MSK 信号的产生和解调 .14 2.3.1 MSK 信号的产生方法 .14 2.3.2 MSK 信号的解调方法 .

7、14 2.4 MSK 信号的功率谱 .16 第 3 章 高斯最小频移键控 GMSK . 17 3.1 GMSK 调制原理 .17 3.2 GMSK 信号的产生 .17 3.3 GMSK 信号的功率谱 .17 第 4 章 MATLAB 下的 GMSK 仿真 . 19 4.1 GMSK 仿真 .19 4.2 GMSK 调制信号误码率分析 .22 4.3 实验结果 .24 小结 . 25 致 谢 . 25 参考文献 . 26 附录 . 27 1 前 言 在一定的作用范围内 ,在规定的频道上 ,用 VHF 传输船对船 、船对岸的识别、导航和通信信息，自动进行船对船、船对岸的识别系统称为自动识别系统 A

8、IS（ Automatic Identification System)。 从 70 年代以来，船舶朝着大型化、高速化方向发展，船舶数量与水域交通密度及危险货物装载量不断增加，海损事故时有发生，严重威胁船舶航行安全及海洋生态环境。 人们在长期研究船舶航行安全保障技术中越来越深刻地认识到船舶间、船岸问相互交换信息及船舶识别的重要性，同时也深感到相关的通信导航现状存在着诸多局限性。尽管船用雷达、 ARPA 具有避碰功能，但提供的信息有限，不 能识别船舶，不能告知船名、呼号、国籍与操船意图，并且其工作常常受到气象、海况及地形的影响，越是需要雷达、 ARPA 发挥作用的狭水道、船舶密度大的水域以及遭遇

9、恶劣气象、海况环境时，雷达、 ARPA 却显得无能为力；航行中相遇船舶间通信，至今仍沿用 VHF 无线电话，由于这种靠人工操作的通信方式不能自动获得相遇船标识，不能及时掌握对方操船意图，实际上难以在实操船前达成双方避碰协议，往往因延误宝贵的时间或不明对方真正的操船意图而采取不相协调的避让动作，因而酿成碰撞海事；在港口 VTS 中，目前利用 VHF/DF 及雷达观测进行人工 船舶识别方式，操作费时，获取的信息有限，至今未解决船舶自动识别问题，后者一直是困绕着船舶航行安全、船舶交通管理及航海科技发展的一大难题。 此外，基于港口交管雷达信号的 VTS 雷达数据处理子系统，由干采用常规恒载频非相参脉冲

10、雷达信号体制的局限性，导致对动态目标跟踪的精度、分辨率及可靠性均不尽如人意，这种目标信息源的缺憾和先进的计算机处理能力已越来越不相称，也不能适应现代港口 VTS技术发展的需求，实际已成为 VTS 目标跟踪处理系统发展的瓶颈。 全球船载自动识别系统 AIS（ Automat Identification System）正是在上述背景下以及现代通信发展的基础上应运而生的。在国际有关组织 IMO、 IALA。 ITU、 IEC 的努力下，从 1992 年开始在国际会议上研讨 AIS 至今仅仅经过约 9 年时间，已经正式发布了 AIS 的性能标准。技术特性、测试标准、操作指南及各类船舶限期安装的决议，

11、发展之迅速既反映了客观迫切需求，也十分令人瞩目。 2 第 1 章 船舶自动识别系统 AIS 1.1 概述 为了解决自动获得船舶信息和航行状态的问题，国际上对船舶自动识别系统提出过两种方案，一种称为甚高频 (VHF) /数字选呼 (Digital Selection Call, DSC)方式 ;另一种称为广播方式。 1988 年， VTS 委员会根据对现有应答器设备的兼容性、分辨率、应答速度、价格、可靠性等要素进行了加权评价，其结论是 :甚高频无线电应答器 (VHF/Radio Transponder)为最优。挪威、德国和荷兰承担了 VHF / DSC 设备的试制工作。 与此同时，国际航标协会

12、(IALA)也开展了这方面的研究活动。在 1989 年的第 36 次国际海事组织航行安全分委会的会议上，提出了“采用数字选呼技术的应答器系统”的提案，将它作为国际航标协会、国际港 口与港湾协 会 (IAPH),国际航海学会 (IAIN),船长协会国际联合会 (IFSMA)和国际海洋引水员协会 (LMPA)的共同备忘录。 国际无线电咨询委员会的常设小组 (CCIR-SG8B)审议这种应答器的技术特性，并将它制定为前述的 M.825 号的建议 ;航行安全分委员会也在 1992 年的第 38 次会议上同意了这个提案。 作为以 M. 825 号建议为标准的船舶自动识别系统，北美和欧洲的一些国家在 90

13、 年代前后提出的系统是一种基于 VHF DSC 技术的“应答器系统 (Transponder System)” VHF / DSC选呼方式， 它使用了甚高频 70 频道。其基本方法是在 VHF 70 频道上以 DSC 方式自动发出询问信息，接收到询问信息的 VHF 接收机 (装在船舶或岸台上 )根据询问方要求的频道，将本船的识别码、船名、船位、航向、航速、吃水等信息自动传给询问方，这样便实现了自动应答功能。这一新技术也在 VTS 中得到了运用，被称为“增强型 VTS”广播方式。 在 M. 825 号建议中指定的船舶自动识别系统可应用于世界的大部分海域，但使用频率为甚高频 70 频道 (全球海上

14、遇险与安全系统 GMDSS 中数字选呼通信的专用频率 )，由于调制速率低 (1200b / s)， 且各应答器发来的信息不同步，单位时间内的最大呼叫次数又受到限制，所以它的容量小，难于适应在船舶交通拥挤的海域中的需求，而且也不能用于船舶之间为避碰而进行的通信，也难于在信息需要迅速更新海域中船舶航行位置的跟踪。 由于现有的美国的全球定位系统 (GPS)能提供准确的船位信息数据，并利用从 GPS 导航卫星得到准确的时间信息来同步发送和接收信息。这样，通过把获取船位用的系统接收机、甚高频段收发机和通信处理装置进行组合，就可有效地利用无线电频道，能使各发信机在各个相应时隙 (time slot)间内自

15、动地传送船舶的识别符 号等信息。 根据这样的背景和新技术开发的船舶自动识别系统 AIS，可称为广播方式的识别系统。1994 年，瑞典和芬兰首次提出了“无线电 AIS”的概念，这是一种“将自组织时分多址联接技术 SOTDMA (Self-Organized Time Division Multiple Access)应用于船舶间和船岸间的海上转发器系统”，需要具有 25kHz 带宽的甚高频频道，每分钟可使用 2250 个时隙信道。根据这种时隙指定的想法而实现的数据链，最初是为民航飞机的管理，飞机之间和飞机与地面的通信开发的，为了最大限度地利用频道 ，采用了 SOTDMA 处理方式。这种方式也能满

16、足在交通3 环境恶劣的海上通信条件，具有通信容量大、抗干扰能力强的特点。 表 1.1 AIS 的产生过程 时间 发展 1990 1992 VHF/DSC 应答器（通过 VHF/DSC 将本船信息传给询问对方） 1994 1995 无线电 AIS（用于 VTS， SOTDMA，应答器式） 1996 通用 AIS（ SOTDMA 广播式） 1998 通过 AIS 技术性能（确定频道（ 87B、 88B） 2000 通过 SOLAS 公约第五章修正案（强制装备 AIS） 国际海事组织规定安装自 动识别系统（ AIS）的具体要求 所有 300 总吨及以上的国际航行船舶，和 500 总吨及以上的非国际航

17、行船舶，以及所有客船，应按如下要求配备一台自动识别系统 AIS: a)在 2002 年 7 月 1 日及以后建造的船舶。 b)在 2002 年 7 月 1 日之前建造的国际航行船舶： 客船不迟干 2003 年 7 月 1 日； 液货船不迟于 2003 年 7 月 1 日以后的第一个船检日； 除客船和液货船外的 50,000 总吨及以上的船舶，不迟于 2004 年 7 月 1日； 除客船和液货船外的 10,000 总吨及以上但 小于 50,000 总吨的船舶 ,不迟于 2005 年 7月 1 日； 除客船和液货船外的 3,000总吨及以上但小于 10,000总吨的船舶 ,不迟于 2006 年 7

18、月1 日； 除客船和液货船外的 300 总吨及以上但小于 3,000 总吨的船舶，不迟于 2007 年 7 月 1日。 c)在 2002 年 7 月 1 日之前建造的非国际航行船舶，不迟于 2008年 7月 1日。 d)部分实施日期之后两年内永久退役的船舶，主管机关可以免除对这些船舶的要求 1。 1.2 AIS 系统构成及主要功能 1.2.1 系统构成 通用船载自动识别系统的主要功 能是将船舶的标识信息、位置信息、运动参数和航行状态等与船舶航行安全有关的重要数据，通过 VHF 数据链路，广播给周围的船舶，以实现对本海区船舶的识别和监视。因此，为了支持上述功能的实现，通用船载自动识别系统的基本组

19、成包括：内置的卫星定位传感器、 VHF 数据通信机、通信控制器、船舶运动参数传感器接口和显示接口（如图 2.1 所示）。它的外围设备主要有提供船舶航向的电罗经，提供船舶位置以及对地运动参数的船舶主卫星导航定位仪器，提供船舶转向速率的传感器，和显示操作终端（如：电子海图显示与信息系统（ ECDIS）。 4 图 2.1 AIS 系统组成框图 1.2.2 系统的主要功能 1）系统可在无需人工介入的情况下，主动连续地向具有适当配备的主管当局的岸台和其他船舶（飞机）提供信息，包括船舶识别码、船型、船位、航向、航速、航行状态和其他与安全有关的信息。 2）系统能接收、处理船位、航向、航速等传感信息，自动接收

20、来自具有相同配备船舶、管理当局及其他来源的上述信息。 3）以适当的更新速率提供船位和操纵信息以便于管理当局和其他船舶 精确跟踪和监视船舶动态。自主模式下的信息更新率因船舶类型不同而不同。对高优先级的以及有关安全的呼叫以最快的速率确定。 4）与 AIS 岸台交换数据，以使主管部门指配工作模式，控制数据传输的时间和时隙，指配工作模式，使用广播式或受控应答式。 5）系统有内设测试设备（ BITE）。 6）系统提供国际海事标准界面，并有人工输入和输出数据的接口。 1.2.3 AIS 通信协议 在无线通信中，系统是以信道来区分通信对象的，一个信道只能容纳一个用户进行工作，许多同时工作的用户，互相以信道来

21、区分，这就是多址。在移动通信环境的电 波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题，解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。 时分多址（ Time Division Multiple Access 简称 TDMA）技术是在一个无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧还是时隙都是互相不重叠的），每船用电子通讯接口 AAIS信息处理器 AIS 显示器 GPS/DGPS/GNS 计程仪 电罗经 VHF 发射机 VHF/TDMA接收机 1 VHF/TDMA接收机 2 VHF/DCS接收机 雷达 /ARPA ECDIS/ENC 输入装置 5 一个时隙就是一个

22、通信信道，被按顺序分配给一个用户。系统根据一定的时隙分配原则，使移动台在每帧中只能按照指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到移动台的信号而不互相干 扰。同时，基站发向多个移动台的信号也都按顺序安排在预定的时隙中发射，各移动台只要在指定的时隙中接收即可。 TDMA 是一种新型数字访问技术，它利用数字传输方法，大幅度地提高了频率利用率，使信道分配合理，访问灵活，容量大，覆盖范围广。 自组织时分多址（ Self-Organized Time Division Multiple Access,简称 SOTDMA）是90 年代在 TDMA 技术基础上发展起来的一

23、种新型的、用于未来航海和航空交通管理的新型数字通信技术，是通过数据打包链接的技术，是全球定位及通讯系统（ GP&C）的核心，用其组成的通信网络是自组织通信网的一种。采用 SOTDMA 技术的 AIS 在同一区域能同时容纳 200-300艘船舶，当系统超载的情况下，只有距离很远的目标才会被放弃，以保证作为 AIS 船对船运行主要对象的近距离目标的优先权。 应用 SOTDMA 技术的 AIS 技术标准规定：每分钟分为 2250 个时隙，每个时隙可发布一条不长于 256 比特的信息，长于 256 比特的信息需增加时隙（最长不能超过 5 个时隙的长度）。每条船舶会通过询问（自动）选择一个与他船不发生冲

24、突的时隙来发布本船的信息。在统一的 VHF 的频道上， AIS 范围 内任何船舶都能自行互不干扰地发送报告和接收全部船舶的报告。 SOTDMA 协议比 TDMA 协议增强了自控能力，不必像 TDMA 那样，要由一个控制台站给各个移动台指定信道和时隙，而是各个移动台站通过 SOTDMA 智能算法自由选择信道，并在预先选择的时隙内发射数据包与岸台或其他移动台站进行无线通信，并在通信完成后及时释放占有的时隙，维护通信信道，保证系统容量，每个移动台站都设置有一个时隙状态表，用来动态掌握目前通信范围内时隙占用情况及本台站时隙选择情况，并可以给新入网的台站一个时隙选择范围，避免发生冲突。这个动 态过程是一

25、直进行的、是自控制的，是由 SOTDMA 时隙预约算法来实现的。 1.3 AIS 的在航海上的应用 AIS 作为一种新兴的海上监视设备和技术，有着广泛而美好的应用前景。它将给海上船舶驾驶和岸基交通管理带来深刻的变革。它在航海领域的应用主要有以下几个方面： 1. AIS 在航标监控中的应用 航标是帮助船舶在特定水域安全航行而设置的助航设施，传统的视觉航标系统中尤其以灯浮、灯塔和灯船等水上航标的日常维护管理最为困难而且成本很高。由于灯标工作环境恶劣，无线电技术的局限等影响，一直无法研制出理想的遥控、遥测 和预报的航标遥控系统。而且在恶劣气候条件下，驾驶员很难发现需要的航标。在财政预算逐年削减的压力

26、下， 1990年开始，美国海岸警卫队就开始寻求替代传统视觉航标系统的电子航标系统。 ECDIS 和 ECS 的出现从理论上解决了电子航标系统的技术问题。 AIS 的开放体系互联工作模式和通信传输模式为新型航标应用提供了良好的技术基础。以AIS 为基础的航标遥控遥测系统和虚拟航标系统已经在国外处于实验阶段。虚拟航标系统是基于计算机技术、 GPS/DGPS、 ECDIS 和 AIS 等新型航海技术产生和发展起来的一种新型航标系统。AIS 虚拟航标设备相当于固定的船，它们具有船载 AIS 的全部功能。来往于 AIS 虚拟航标覆盖范围内的船舶都可以接收到它们的广播信息。 各类助航标志都可以准确的显示在

27、电子海图上，使来往船舶可以及时准确了解周围助航标志的情况。以灯浮、沉船标的设置为例：灯浮是容易漂移的航标，一旦漂移，容易造成船舶的搁浅等航行事故。在 AIS 系统下可完全改变这一状况。由于 AIS 状态下的电子航标是不6 会移位的，因灯浮漂移而造成船舶搁浅的因素也就不成立，部分搁浅事故也就可以避免。如果在 AIS 系统情况下仍需要现行的实物航标的话，只要在现行灯 标体上安置一台 AIS 设备就能解决。当灯标发生移位时，移位了的灯标上的 AIS 设备就能把移动了的位置报告出来并报警，船舶的航行安全能够得到充分的保障。另外在灯浮的设置方面，当需要变更航道，批量灯浮需要重新设置时，现行的施工方法是一

28、个相当大的工程，需要很长的时间和很大的费用。在对航标重新设置期间，因船方不能及时获得航标的变更信息，对船舶航行安全是很不利的。而在 AIS 系统情况下只要轻轻点击鼠标电子航标就能在瞬间完成，几乎不存在航标重新设置期间的问题。再说沉船标的设置情况。目前沉船标的设置需要审批，周期比较长，沉船标 显示的信息如左侧标，独立碍航标等内容也比较少。在 AIS 系统情况下，每一艘船舶都可以使用短消息等手段发布沉船消息，在船舶沉没到沉船标抛设期间，船舶管理部门可以设电子沉船标，电子沉船标不仅可以包含一个具体坐标位置，还可以包含一个具体的警告区域（面积）并备注有相关信息和危急等级的综合信息。当因潮流等因素沉船移

29、位需要移动沉船标时，现行的沉船标移位需要人力物力，而在 AIS 系统情况中，处理此事就非常简单。 AIS 虚拟航标技术可以为船桥系统提供可靠的导航标志信息，再结合避碰专家系统，真正意义上的全自动船舶航行系统 不久就可以实现。 2 .AIS 在探测目标中的应用 目前，船舶在航行避让过程中，较为有效的助航设备是雷达，尤其是在能见度受限时，但雷达在使用上受自然环境的影响较大， AIS 的使用在某些方面可解决或改善这些问题。 如： 1）当遇到风雪、大风浪等恶劣天气时，雷达的反馈信号可能会受到干扰，而出现可能的回波丢失，造成目标丢失等问题。 AIS 尽管在强雷暴天气中也可能会受到干扰，但由于其工作原理的

30、不同，受恶劣天气的影响较雷达来说还是小的多，并且只要在 AIS 覆盖区，目标不会由于距离的远近、大小、形状而产生信号差异， 加之 AIS 传输的信息量较大，因而有助于船舶在实施避让行动前，对目标的识别和对避碰局面的判断。 2）当船舶行使于多岛礁、航道的弯头或地段等遮蔽水域时，雷达将肯定无法观测到这些目标，而 AIS 在这些地区障碍物的高度不影响无线电波传输的情况下，仍可发现目标，这可使航行于遮蔽水域的船舶及早发现目标，避免突然出现目标使船舶一下陷入十分窘迫的局面之中，进而提高在该水域中船舶航行安全。 3. AIS 在其他领域中的应用 在 AIS 的基础上，能开发许多新的系统，它们能提供诸如下面

31、的许多功能： 1）在 VTS 中心及船舶驾驶台中的电于 海图上显示本船、其它邻近的装有 AIS 的船舶和岸基站传送的信息如：识别码、航向、船首向、速度等； AIS 在 VTS 中的应用见第六章船舶交通服务系统（ VTS）部分。 2）由于 AIS 能够自动连续地在信息显示器上提供目标船的船名、船位、航向、航速等各种动态、静态信息，可以充分利用这些信息来进行避碰； AIS 在船舶航行避碰中的应用见第五章自动避航系统 3）当附近的船舶在进入某水域或者与本船的距离或者本船所处水域的水深不足时， AIS的一些特殊报警功能将提醒值班驾驶员； 4） AIS 可将一切与船舶有关的信息存入计算机这将使得 建立船舶“黑匣子”成为现实； 5） AIS 还有利于海上污染的监视、控制、评估和调查。