内河AIS通讯链路可靠性分析与技术研究

摘要

船舶自动识别系统(automatic identification system，AIS)是工作于海事频道的数字通信系统，是当前重要的海事管理工具。由于内河复杂的地形、拥挤的带状航道，AIS系统的性能较之海面有较大下降，主要体现在以下方面:
　　 1)有效距离缩短。AIS是典型的VHF无线电系统，以视距方式传播，在内河中，沿岸山地、城区高楼等，都会对AIS信号造成很大的衰减，从而缩短其有效距离，造成数据包遗失。
　　 2) AIS信道容量不足。AIS设计容量较少，不能满足内河拥挤的通信需求，无法达到管理者的预期。
　　 3) AIS设备故障造成错误信息。AIS设备受限于不同厂商的工艺、技术水平，在内河应用中存在定位设备性能不佳的问题，报告大量错误位置。
　　 以上问题制约了AIS设备充分发挥其在海事管理上的应用，不仅降低了其实用效果，而且迫使在海事监管中，需要耗费人力去判别AIS信息的准确性。
　　 为解决上述问题，主要研究工作如下。
　　 1)对于AIS此类复杂调制解调无线系统，其性能定量研究一直缺乏可靠的软件工具与理论模型。利用半实物仿真方法，将AIS调制解调过程作为仿真参量引入环境中，建立起与现实环境高度拟合的研究平台;
　　 2)在半实物仿真环境之外，同时在长江武汉航道建立起了内河AIS传输实验平台，设计了配套的实验终端;
　　 3)利用半实物仿真平台开展AIS调制解调过程的微观特征研究，提出了场强-误包率对应模型、干扰信号评估方法、复杂航道下的短消息生存能力模型以及AIS基带信号的快速调制方法，为进一步研究AIS的通信特性奠定了基础;
　　 4)系统地研究了AIS信号在内河的信号分布与衰减规律，分别利用中值场强模型与射线追踪模型对特定航道的信号分布作出了分析与评估，提出了改进型的射线追踪模型，用以支持在复杂地形与天气下的AIS场强预估，并在实地环境中予以了验证;
　　 5)运用改进型证据相似系数方法，融合船舶运动证据与航道分布证据，提出了剔除异常AIS设备数据的整套算法;同时根据AIS信道的容量与基站的位置信息，提出了动态调整AIS船台发射功率的方法。
　　 上述研究实现了内河AIS应用中的研究方法设计、场强计算、误包率预估、异常数据剔除、船台功率自适应算法、AIS基带信号快速调制算法等关键内容，对内河AIS的可靠性进行了分析，为AIS系统应用提供理论与技术支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 AIS系统组成及国内外研究现状

1．2．1 AIS技术简介

1．2．2 AIS在船舶交通流管理中的应用

1．2．3 内河AIS频段无线电场强分布研究

1．2．4 AIS与雷达系统的共用与融合

1．2．5 精简AIS设备的发展

1．3 现状总结与论文主要研究内容

1．4 论文内容安排

第2章 基础理论

2．1 无线电场强计算模型

2．1．1 场强中值模型

2．1．2 射线追踪模型

2．2 证据理论

2．3 本章小结

第3章 AIS可靠性实验系统

3．1 半实物仿真平台

3．1．1 AIS半实物仿真框架设计

3．1．2 AIS半实物仿真平台设计

3．1．3 AIS半实物仿真方法应用实例

3．2 实地实验平台

3．3 本章小结

第4章 船舶自动识别系统信号微观失效因素研究

4．1 AIS基带GMSK编码体系与数字调制算法

4．1．1 AIS基带调制过程

4．1．2 基带快速调制算法概述

4．2 AIS信号失效与场强的相关关系

4．2．1 引言

4．2．2 内河AIS通信系统性能实验

4．2．3 接收性能实验

4．2．4 特性曲线拟合

4．3 AIS短消息生存能力研究

4．3．1 研究目的

4．3．2 网络结构与容量概述

4．3．3 AIS基站短消息误包分析

4．3．4 AIS信号长度与失效特性相关关系

4．3．5 信道容量极限计算

4．4 本章小结

第5章 基于射线追踪的AIS场强预测方法研究

5．1 研究目的

5．2 AIS无线电追踪模型

5．2．1 AIS传播模型简化

5．2．2 传播介质衰减与变形

5．3 射线追踪应用方法

5．3．1 地理信息模型简化

5．3．2 射线追踪方法

5．4 模型修正与改进

5．4．1 理想模型实验误差

5．4．2 传播介质修正因子

5．5 本章小结

第6章 内河AIS优化技术研究

6．1 AIS无效数据甄别与容错处理

6．1．1 研究目的

6．1．2 识别框架

6．1．3 证据与标准合成模型

6．1．4 证据冲突描述与合成方法对比

6．1．5 证据相似系数Hum修正合成方法

6．1．6 实验对比与验证

6．2 AIS船台终端自适应发射功率控制研究

6．2．1 研究目的

6．2．2 AIS船台发射功率与误包率实验分析

6．2．3 AIS船台发射功率调节原理

6．2．4 AIS船台自适应功率算法设计

6．2．5 AIS发射功率自适应算法验证

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 主要研究工作总结

7．2 主要创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

在研期间学术论文与其他科研成果