CN102984673A

CN102984673A - 用于检测ais消息的方法

Info

Publication number: CN102984673A
Application number: CN2012103243580A
Authority: CN
Inventors: 安托万·德拉图尔; 米歇尔·福普
Original assignee: CT NAT D ETUDES SPACIALES (FR)
Current assignee: CT NAT D ETUDES SPACIALES (FR); Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: CA2787939A1; US9246575B2; FR2979736B1; FR2979736A1; EP2566069A1; EP2566069B1; US20130058271A1; JP2013109753A; CN102984673B; CA2787939C; JP5903356B2

Abstract

一种用于检测AIS消息的方法，包括提供代表在至少一个AIS信道上由卫星接收的信号的数字化数据，并通过将数字化数据与假设碎片消息相关来识别数字化数据中的候选消息（E18）。假设碎片消息包括取决于传输时间和/或发送器位置、并借助于AIS发送器的数据库（26）来确定的至少一个AIS消息碎片。

Description

用于检测AIS消息的方法

技术领域

本发明涉及用于船舶和浮标的卫星监视系统。

背景技术

自动识别系统AIS（automatic identification system）是一种在20至30海里（37至56km）的范围内在船舶、海岸站和导航支持系统之间进行短消息交换的系统。AIS在VHF海上移动频段内采用自组织时分多址接入（SOTDMA）。在频道AIS1（中心位于162.975MHz）或AIS 2（中心位于162.025MHz）（每个的宽度为25kHz）上发生通信。交换的消息具有预定长度，并包括数据，如船舶的标识、它的位置、它的航线和它的速度。

每个通信信道是在60秒长度的帧中的时间片段。每个帧都被分成2250个时隙，在正常操作中每个都能够被AIS消息（或报告）占用。在正常模式下，每艘船在两个通信信道上将它的AIS消息交替发出。来自给定的船舶的AIS消息的频率取决于其速度：如果船正在航行中，则每2-10秒发送一次消息，两个连续消息之间的间隔越短，船的速度越快；如果船是固定的，则每3分钟发送一次消息。来自参与到系统中的不同平台的消息之间的时间间隔例如在ITU-R M.2084报告“自动识别系统消息的卫星检测”中被指出。

船和海岸站的AIS接收器接收来自附近所有船的消息，从而使它们能够创建当地环境的详细地图。

假设AIS在没有管理船的时分接入的中央TDMA控制器情况下操作。每个AIS转发器监视通信信道，并在每个消息中保留其会用来发送下一条消息的时隙。在本地地理区域，解决冲突协议会避免同一时隙中的消息冲突。

这不是AIS消息的卫星检测的情形。实际上，低轨道卫星的天线覆盖范围通常涵盖一般都不能协调在一起的多个本地地理区域。因此，卫星将观察消息在相同时隙中的随机冲突，其结果可能会丢失一个或多个冲突消息。给定的AIS消息的正确检测和解码的概率随着冲突次数的增加率而减小。这个问题的更详细信息提供在报告ITU-R M.2084中。该文件还指出了提高卫星能力的可能方法：

○由卫星运动造成的多普勒频移取决于发送器在覆盖范围中的位置，从而使消息能够在多普勒频移的基础上被辨别。卫星运动引起的多普勒频移可达到±4kHz。在这种方法中，仍然应该牢记，AIS标准容忍了关于船的TDMA发送器的±500Hz载波频率的错误。

○在给定的船发送的两个连续AIS消息之间具有重要的信息冗余。报告ITI-R M.2084建议鉴于在地面站中的特定处理，通过在两个AIS信道上接收的数据的实时下载进行连续发送，特别是在与卫星的一个通道的长度对应的时隙中进入的AIS信号与先前接收到的信号的扫描副本的连续关联。

文献US 7,876,865介绍了一种用于在空间中检测AIS消息和解码它们的系统和方法。AIS信号被数字化，且通过关联数字化数据和与不同多普勒频移的AIS消息的码序列相对应的预定义的信号来识别候选AIS消息。用于关联的消息码序列对应于所有AIS消息共同的消息的开始，即24位的训练序列和8位的开始标志。为了改善候选AIS消息的检测，用于相关的消息码序列可以利用部分已知消息延长，如例如船的标识符（在这种情况下，MMSI编号10）。文献US 7,876,865因此从报告ITU-R M.2084（其在于试图重新检测不久前检测的来自发送器的消息）中建立了想法。这种方法利用来自相同船的两个连续消息的显著数量的位是相同的事实。

在推荐IUT-R M.1371-4（04/2010）及其附件中可以发现AIS的详细介绍。

发明内容

本发明的目的

本发明的一个目的是通过卫星改善AIS消息的检测，例如产生AIS发送器的区域或世界地图。

本发明的概述

根据本发明，一种用于检测AIS消息的方法，包括：提供表示在至少一个AIS信道上由卫星接收的信号的数字化数据，并通过关联数字化数据与假设碎片消息来识别数字化数据中的候选消息。假设碎片消息包括至少一个AIS消息碎片，其取决于传输时间和/或发送器位置并借助于AIS发送器的数据库而被确定。

因此，根据本发明的方法基于包含AIS发送器的信息的数据库。首先，该信息用于确定在AIS发送器的通过期间（即在接收被转换为所考虑的数字化数据的信号的时候）在卫星的覆盖范围中将发现哪些AIS消息。取代在数字化数据中搜索任何AIS消息——通过关联数字化数据和所有AIS消息的共同的消息碎片（特别是开始标志可能跟随其后的训练序列），本发明提出在数字化数据中搜寻来自特定发送器的AIS消息，当接收信号时，从数据库已知该特定发送器在卫星覆盖的区域中被发现（或在数据不会被实时评估的情况下被发现）。因此，假设碎片消息由消息碎片组成，所述消息碎片借助于数据库并根据卫星的轨迹（即卫星根据时间的位置）是可预测的。例如，每个AIS消息包含字段“用户ID”，这明确地标识发送器（通常是船的MMSI编号）。通过使用用于与数字化数据相关的包括训练序列、开始标志和“用户ID”字段的碎片消息，人们可以明确地搜索源自特定AIS发送器的AIS消息。应理解，相对于噪声的相关峰值高度随着碎片消息的大小（位数）而增加。根据本发明，也可预测候选消息的动态部分。应理解，这里的术语“动态”部分或字段是指从一个消息到另一个消息可能改变的AIS消息的一部分，例如，位置、导航等的信息。如上所述，假设碎片消息的动态部分可以包括取决于传输时间（例如，来自“时间戳”、“UTC年”、“UTC月”、“UTC日”、“UTC小时”、“UTC分钟”和/或“UTC秒”字段的位）和/或发送器的位置（例如来自“经度”和/或“纬度”的字段）的AIS消息的至少一个片段。在推荐ITU-R M.1371-4（04/2010）及其附件中可找到各种AIS消息字段的描述。

根据本发明的方法的一个优选实施方式，假设碎片消息包括取决于发送器的位置的至少一个AIS消息碎片。该消息碎片的构造包括：

○基于AIS发送器的数据库，识别在信号被接收时位于由卫星服务的区域中的AIS发送器；以及

○基于储存于数据库中的所识别的发送器的位置确定取决于发送器的位置的所述至少一个AIS消息片段。

取决于发送器的位置的至少一个AIS消息碎片优选包括来自“经度”字段的最高有效位和/或来自“纬度”字段的最高有效位。这里假定在同一船的两次连续观测之间，船的位置至少是大致相同的。船的新位置可以在以其最后已知位置为圆心的圆中被预测，并对应于船的该最大速度和自上次消息所经过的时间的乘积。如果其他参数，诸如例如船的目的地、它的最后前进方向、它的最后速度、它的最后的航行状态等是已知的（即存储在数据库中），则可以更准确的预测。如果发送器每2至10秒发送其AIS消息，则对于在卫星的同一通过期间接收的AIS消息，位置估计是非常准确的。发送器可以在卫星的两次通过之间保持一段时间（例如1至2小时）未被观察。所估计的位置越准确，将会知道字段“经度”和“纬度”的更多最高有效位。

数字化数据优选被时间戳标记（例如：通过卫星）。可以基于数字化数据的时间戳来确定取决于传输时间的所述至少一个AIS消息碎片。取决于传输时间的所述至少一个AIS消息碎片可以特别包括来自“时间戳”字段的位或来自“UTC年”、“UTC月份”、“UTC时间”、“UTC小时”、“UTC分钟”和/或“UTC秒”字段的位。

假设碎片消息有利地包括来自在数据库中识别的特定于发送器的（各发送器不同的）一个或多个静态字段的位。术语“静态”字段应理解为在这里是指其内容对于给定的AIS发送器从一个消息到另一个消息不会改变的字段。示例的静态字段为“用户ID”字段（包含MMSI号）、“AIS版本指示符”字段、“IMO号”字段（国际海事组织号）、“呼号（call sign）”字段、“名称”字段（船的名称）、“船舶类型和货物类型”字段、“整体尺寸/参考位置”字段、“电子定位装置类型”字段。

除了取决于传输时间或发送器的位置的片段，假设碎片消息还可包括在数据库中识别的发送器专用的一个或多个动态字段的位，例如“RAIM标志”字段（接收机自主完好性监测）、“特定操纵指示器”字段、“预计到达时间”字段、“当前气流”字段、“目的地”字段、“导航状态”字段、“对地航向”字段、“对地速度”字段和/或“通信状态”字段。

优选地，一旦已经在数字化数据中识别了候选消息，则候选消息被解码，且所解码的消息中包含的信息用于更新AIS发送器的数据库。

优选通过将数字化数据与多个假设碎片消息相关联来识别候选消息。事实上，可能必要的是，为了识别候选消息，测试几个假设，特别是如果特定于消息的信号非常弱或嘈杂。原因之一是候选消息的可预测碎片可能分开有间隙。理论上，间隙的长度是已知的，因为AIS标准定义了字段的标称固定长度。然而，如果要插入填充位（stuffing bits）以避免发生与开始或结束标志相同的位序列，则字段长度可以有所不同。因为这是先前未知的，如果间隙（候选消息的未知部分）包括填充位，则可以设计多个假设碎片消息以测试填充位在候选消息中的存在或不存在。可以串行和/或并行计算对应于不同假设碎片消息的关联。

可以以几种方式获得卫星在接收信号时的位置。例如，卫星可配备定位系统（GPS、Doris、Galileo、Glonass、Compass或其它），并从而将数字化数据链接至卫星轨道数据。另一种可能性是通过卫星控制中心（TT＆C中心：遥测、跟踪和指令）或监测网络（使用例如激光测距系统）来获得卫星轨道数据。然而，另一种可能性是通过关于一个或多个AIS消息在数字化数据中被识别的发送器的三角测量（通过读出距离）来估计卫星在接收信号时的位置。因此可以基于它接收的AIS消息重建卫星轨迹。

为了关联数字化数据与假设碎片消息，假设碎片消息的开始优选与AIS时间帧的时间间隔的开始同步。由于数字化数据被标记了时间戳，且AIS帧与UTC时间同步，所以时间的不确定性范围减少到AIS的同步抖动（对应于±3位的±312μs）加一定缓冲（以补偿船的位置的不确定性）。总而言之，可以假定相对于UTC时间，时间的不确定性范围±6位。

为了关联数字化数据与假设碎片消息的目的，优选根据发送器的位置补偿对于假设碎片消息所计算的多普勒频移。AIS消息的多普勒频移取决于卫星和消息发送器之间的相对速度。由于在陆地基准帧中可以忽略AIS发送器的速度，所以可以根据在卫星的参考帧中的发送器位置来表示多普勒频移。对于低轨道卫星，多普勒频移将被包括在±4.5kHz的间隔中。假设发送器的位置是已知的，至少为最近100km（以上次检测的位置为中心半径约100km），且卫星轨道也是已知的，则多普勒频移的不确定性将小于500Hz。然而，对于卫星的低高度（目标方向和水平方向之间的角度），多普勒频移的不确定性是±100Hz的量级。

然而，由于AIS标准容忍关于发送器±500Hz的载波频率范围的误差，所以频率范围内总的不确定性是±1000Hz（多普勒频移的不确定性加上关于载波频率的误差）。对于给定的AIS发送器，关于载波频率的误差通常随着时间的推移是基本恒定的。因此，该误差有利地存储在数据库中，以便能够在频率的范围内搜索时考虑。对于AIS发送器，其关于载波频率的误差可从数据库中提取，因此，在频率范围内的不确定性仅为多普勒频移（±100Hz）的不确定性。如果关于给定的AIS发送器的载波频率的误差没有被保存在数据库中，那么其可以根据频率（在该频率上可检测到相关峰值）和理论的多普勒频移（通过使用卫星和发送器的位置来获得）来计算，并通过将其存储在数据库中以供将来使用。

最后，为了关联数字化数据与假设碎片消息的目的，同样优选地考虑将AIS发送器调制指数（调制率）存储在数据库中。要搜索特定AIS发送器的消息，有利的是知道它的调制指数（AIS标称值：0.5）。如果调制指数先前是未知的，则可以为调制指数进行对于多个假设的关联（相关）（例如，在0.5±0.1的范围内）；使相关性最大化的调制指数的值被存储在数据库中。

本发明的另一个方面涉及一种计算机程序，其包括计算机可执行指令，当由计算机执行时，该指令会使得计算机执行上述方法。本发明的另一个方面涉及一种计算机程序产品，其包括包含该程序指令的数据存储介质（例如随机存取存储器或只读存储器，CD-ROM、USB密钥、硬盘等）。

附图说明

通过以下给出的一些有利的示例实施方案的详细描述并为了说明之目的参照附图会使本发明的其它特点和特征变得显而易见。所述附图示出：

图1是AIS消息的卫星探测系统的总体轮廓；

图2是AIS消息的结构的示意图；

图3是示出根据本发明的第一实施方式的检测AIS消息的方法的原理的示意图；

图4是用于检测AIS消息的假设碎片消息的示意图；

图5是预测船的新位置的原理的示意图；

图6是假设碎片消息的消息碎片（已知位）和间隙（先前未知位）的示意图；

图7是LEO卫星的相控阵天线的覆盖范围的示意图；

图8是示出根据本发明的第二实施方式的检测AIS消息的方法的原理的示意图。

具体实施方式

图1示出AIS消息的卫星探测系统的总体轮廓；船10（每个都配备AIS收发器12）发送AIS消息，AIS消息包含诸如船的识别号（MMSI号）、WGS 84坐标中的定位（世界大地测量系统，1984年修订）、航向、速度和其它状态信息的数据。通过附近的船和海岸站的AIS接收器接收消息。因此，每艘船10都可在其本地环境（约20至30海里的半径范围内）创建AIS发送器的详细地图，这补充了雷达和其他助航设备所提供的信息。

也可通过低地球轨道上的卫星（LEO）（即，在海拔160km和2000km之间发现的那些）接收AIS消息。低轨道卫星的天线的覆盖范围通常覆盖的地理区域，其尺寸大大超过在其中AIS避免消息冲突的小区域（cell，单元）的那些尺寸。由于在小区域之间小区域不被总体地标定坐标，所以卫星接收的AIS信号能够包含在时间和频率上重叠的消息。特别是在运输密度高的区域产生问题。

AIS信道1中心（位于162.975MHz）或AIS 2（中心位于162.025MHz）以下称为AIS信号，通过卫星14接收并被数字化。由此得到的数字化数据被标记时间戳，并在下行链路上传输到一个或多个地面站16。应注意，船舶监视系统可以包括多个LEO卫星和多个地面站。LEO卫星由一个或多个卫星控制中心18控制。为了清楚起见，我们将在下面参照一个LEO卫星。如果使用多个卫星，则优选并行执行通过各卫星进行的数据处理。

LEO卫星14优选配备有地理定位系统，例如GPS接收机。卫星利用源自GNSS卫星20的无线电导航信号24确定其位置。表示AIS信号的数字化数据然后可以双向（bijectively）链接至LEO卫星的轨迹22：每个数据序列可以明确地归因于一个时刻和LEO卫星的一个位置。

图2是AIS消息的结构的示意图。每个AIS消息包含256位并被再分成斜升（ramp up）字段（8位）、训练序列（24位）、消息开始标志（8位）、数据序列（168位）、循环冗余校验（16位）、消息结束标志（8位）和缓冲器（24位）。推荐ITU-R M.1371.4中提到起始缓冲器以及结束缓冲器。在该文件中，这两个字段被视为一个字段。

AIS消息的数据序列又被再分成定义了长度的几个字段。数据序列的结构和发送的字段取决于消息的类型。应注意，每个AIS消息包含所有AIS消息共同的位序列，例如斜升字段、训练序列、开始标志和结束标志。如果仅考虑特定类型的AIS消息，则字段“ID消息”也是已知的。其他位序列特定于发送器。在这些之中，人们也可以区分特定于发送器的“静态”位序列（其被编程用于发送器中的无限周期）和特定于发送器的“动态”位序列（从一个消息到另一个消息其可改变）。

下表示出了特定于发送器的“静态”位序列：

字段名称	位数
		ID用户	30
AIS版本指示符	2
		IMO号	30
呼号	42
		名称	120
船和货物的类型	8
		整体尺寸/参考位置	30
电子定位装置类型	4

图3示出了根据本发明的方法的第一优选实施方式的方案的发明方法的原理的方案。本发明利用以下事实：如果发送了消息的AIS发送器是已知的，且此外如果关于此发送器的某些补充信息是可用的，特别是其位置，则可以预测AIS消息的数据序列的一定数量的位。可预测的位特别包括特定于发送器的“静态”字段的位，因为将这些字段的内容保存在AIS发送器的数据库中就足够了。其它可预测的位是特定于发送器的“动态”字段的某些位，诸如例如，字段“经度”和“纬度”的最高有效位，然而，这是在所讨论的发送器的位置位于足够高的节律而使得发送器不会从视野中消失的情况下。

在LED卫星的级别上捕获数据（步骤E10），如上所述。带时间戳的数字化数据被发送到数据中心，其可以位于与卫星14直接链接的地面站16，或与地面站16通信的另一个位置。

为了检测AIS消息，（直接或间接）源自LEO卫星的数字化数据通常与训练序列关联。由于该序列相当短，所以不会使相关峰（并因此候选消息）在嘈杂信号存在的情况下被检测到。为了能够预测在数字化数据中仍然未被检测到的AIS消息的更大数量的位，在卫星通过的时候在卫星覆盖的区域中识别可能已经发送AIS消息的那些AIS发送器。

要做到这一点，首先必须确定卫星的轨迹（步骤E12）。例如在定位系统的帮助下，优选在卫星的级别计算轨迹（即，根据时间的位置）。在这种情况下，关于卫星轨道的数据可以在与AIS信号数据相同的通信链路上被发送到数据中心。可选地，数据中心可以经由任何通信链接从卫星控制中心18（TT＆C中心）接收LEO轨迹数据。

为了识别已经发送了包含在数字化数据中的AIS消息（步骤E14）的那些AIS发送器，在AIS信号的接收的时间确定卫星的位置。然后征询AIS发送器26的数据库，其示出被保存在数据库26中的最后位置是与卫星位置有关的预定区域中的那些AIS发送器。预定区域可以包括卫星的一个或多个天线的覆盖范围且可能是外围区域。该外围区域考虑到被保存在数据库中的最后位置在覆盖范围的外面但足够接近使得在从位置已被检测起经过了时间的船能够进入其中的那些船。

对于可以发送包含在数字化数据中的AIS消息的每个AIS发送器，基于包含在数据库26中（步骤E16）的信息构成了一个或多个假设碎片消息，其包含可以预测的位。然后通过关联数字化数据与假设碎片消息（步骤E18）进行在数字化数据中搜索候选消息。这些步骤将在下面更详细描述。

一旦已经在数字化数据中识别了候选消息，则解码其未知的部分（步骤E20）（即无法以足够的确定性预测的位序列）。可以通过已知的技术（例如在Viterbi算法的帮助下）解码未知的部分。然后使用包含在解码的消息中的信息来更新数据库26（步骤E22）。

该方法将继续下一个数字化数据。由于卫星位置发生变化，进入卫星覆盖范围的新的AIS发送器被识别，并且离开的那些也被识别。

数据库的用户可以访问它，并且可以特别得到AIS发送器的地图的显示（步骤E24）。

当AIS发送器离开卫星的覆盖范围时，其仍然保持未被观察，直到AIS消息的卫星探测系统的相同或另一颗卫星的下一次通过。对于四个LEO卫星的星群，本地观察时间可以是以2小时的量级。这意味着为进入卫星的覆盖范围的发送器保存的数据是平均2小时的寿命。在构成假设碎片消息时优选考虑这个时期。可能需要多个假设，以便在数字化数据中确定候选信息。这些假设可以并行和/或串行进行测试。当选择串行测试时，人们会开始最可能的假设，如果检测失败，继续以递减概率的顺序进行下面的假设。

例如，对于给定的AIS发送器，其保存在数据库中的最后导航状态表示发送器是移动的，优选尝试检测类型1AIS消息；要与数字化数据关联的假设碎片消息将被适当配置。在失败的情况下（即没有检测到相关峰值），可以通过相同时间和频率的假设来尝试检测来自相同发送器的类型3AIS消息。当寻找其保存在数据库中的最后导航状态表示该发送器是不动的的AIS发送器时，则将首先尝试检测类型3AIS消息。在失败的情况下，可以通过相同时间和频率的假设来尝试检测来自相同发送器的类型1AIS消息。并行时，优选尝试检测来自出现在所覆盖的地理区域中的所有发送器的类型5消息。

下表示出类型1、2或3AIS消息的可预测位。通常，可预测的位数取决于用于预测的模型的复杂性，以及在预测时数据库的新鲜度。通常，特定于发送器的所有“静态”字段位都可以被预测。相反，对于从一个消息到另一个消息可以改变的特定于发送器的“动态”字段，数据库的新鲜度确定这些字段的多少个位可以被预测。

图4是示出用于检测来自被固定的船（锚泊或系泊）的类型1AIS消息的假设碎片消息的示图，其AIS发送器处于通信状态SOTDMA。可预测的位序列（消息碎片）被阴影示出。应注意，可预测的位序列可以跨越几个字段。对于某些字段，例如“经度”和“纬度”字段，只有一部分位是可以以足够的确定性预测的。

下表示出了（固定基站传输的）类型4AIS消息的可预测位：

下表示出类型5AIS消息的可预测位（其跨AIS帧中的两个连续时隙）：

下表示出了类型21AIS消息的可预测位（通过导航辅助设备站广播：跨AIS帧中的两个连续时隙）：

由此，如果AIS发送器是已知的，则每个AIS消息以可预测位的序列开始。该位序列表示假设碎片消息的第一碎片，具体包含字段“训练序列”、“开始标志”、“ID消息”、“重复指示符”和“ID用户”，即，至少70位。根据将被识别的消息类型，该第一消息碎片可以显著地更长（类型4消息为110位，类型5消息为306位）。

在上面的表格中，没有考虑可能的填充位。在每个AIS消息中，为了避免出现与结尾消息标志相同的位序列（即位序列为[01111110]），填充位被自动插入数据序列中，并插入帧校验序列中。在AIS发送器侧，这意味着，如果在输出位流中发现五个连续的1，则在这五个连续的1之后插入0。在接收侧，必须删除五个连续1之后的第一个0。填充位可以使被检测的消息的已知部分以及其未知部分变长。为了考虑可能的不同情况，因此，在与数字化数据关联的多个假设碎片消息内，间隙（未知部分）的长度必须不同。

假设碎片消息包含至少一个消息碎片，其取决于传输时间（例如，类型1、2、3或21消息的“时间戳”字段）和/或AIS发送器的位置（例如类型1、2、3、4和21消息的“经度”和“纬度”字段）。为了估计（预测）取决于发送器位置的消息碎片的位，必须考虑所讨论的AIS发送器的最后已知位置（即保存在数据库中的）。几种情况是可能的。有利的是，假设导航状态并没有在来自特定发送器的最后解码的AIS消息和来自相同发送器的待识别的AIS消息之间改变。这个假设肯定不是在所有情况下都正确，但对于所考虑的未观测的时间（最多几个小时）是非常可能的。因此，如果数据库表明船抛锚或停泊，则基于船的位置保持不变（10米以内）的假设，组成碎片消息。如果不能检测到相关峰值，则将假设船正在行进。如果最后的航行状态表明船正在行进，则首先测试这个假设。在这种情况下，如图5中所示，必须在围绕最后已知位置30的圆中找到船28的新的先前未知的位置，其中圆的半径R是自上次解码AIS消息的时间ΔT和船的最大速度v_max的乘积：R=ΔT·v_max。可以在数据库中发现船的最大速度（如果它已存储在那里）。如果最大速度是未知的，则可以假设低于给定的阈值（例如50km/h）。在圆里面发现的陆地32的面积可以忽略。（但是，如果所讨论的船是河船，则显然航水道不能被排除）。对于新位置的精确度R=100km，可以分别预测字段“经度”和“纬度”的9位、8位。如果船上的其他信息在数据库中可用，特别是类型5消息的字段“船的类型和货物类型”、“估计时间到达”和“目的地”，则可以提高预测的准确性。例如，如果讨论中的船已知是渡轮，其过去的路线是已知的，则可能会在这些路线中的一条路线上发现船，从而大大地降低了区域位置的不确定性。如果预计到达时间和目的地港口是已知的，则这也允许在船所采用的路线上进行预测。

现在将更详细地描述在数字化数据中搜索候选消息的搜索步骤的优选实现方式（步骤E18）。应注意，数字化数据唯一地关联于预测位的片段（消息碎片）。未知位（不同消息碎片之间的间隙）不与AIS信号的数字化数据关联。得益于数字化数据与UTC时间同步，以及AIS发送器的位置的至少近似了解，可以计算来自每个发送器的AIS消息的传播延迟。由于每个AIS发送器将其消息（直接或间接地）同步至UTC时间，则通过考虑传播延迟，可知道具有±6位的精度（时间的不确定性范围）的、AIS消息能够从给定发送器开始的时刻。时间的不确定性范围由AIS的同步抖动（对应于±3位的±312μs）加上一定的缓冲（以补偿船的位置的不确定性）构成。对于关联，时间搜索范围对应于时间的不确定性范围（即12位）。在AIS帧的每个时隙的开始处进行关联。

为了考虑多普勒效应和关于发送器的载波频率的误差，在载波频率附近的搜索频率范围上执行相关性方法。如果搜索来自发送器的AIS消息，其关于载波频率的误差包含在数据库中，则该误差可以得到补偿，且剩余频率域的不确定性仅是多普勒频移（通常为±100Hz）的不确定性。因此，频率搜索间隔一般为200Hz宽。

通过在半位的各积分间改变假设碎片消息和数字化数据之间的延迟，每个相关操作将包含24个积分。频率搜索间隔划分成8个小区域（宽度为25Hz），这在时间/频率搜索空间中每个小区域获得总共192个积分（不计算对于调制指数的不同假设，见下文）。应注意，优选频率中的小区域的宽度被选择为使得可以检测到主相关峰值，而在频率轴上没有不定性。

一旦已经发现关于载波频率的移位，可以减去理论多普勒频移。可以使用残差以纠正关于保存在数据库中的载波频率的误差。

对于时间/频率搜索空间的每个小区域的一个调制指数假设，关联方法优选包括以下步骤：

a.通过使用两种可能的相位（NRZI编码的数据）进行数字化数据与第一消息碎片的关联（具有K1个已知位，参照图6）。从步骤a中得到两个关联结果。

b.数字化数据的与第二消息碎片的关联（具有K2个已知位）。要考虑第一间隙中可能的填充位（第一和第二片段之间的未知位），关联的开始必须定位在与第一碎片不同距离处。第一间隙的未知位数是已知的（L1）。第一间隙的长度因此是L1加上填充位数。由于后者是未知的，所以必须尝试不同的可能间隙长度（L1、L1+1，...，L1+B1，其中，B1是L1个位的序列中的最大填充位数）。还针对两个可能的相位执行每个关联，以便考虑NRZI编码。从步骤b获得2·B1个相关结果。

c.数字化数据与第三消息碎片的关联（具有K3个已知位）。要考虑第二间隙中可能的填充位（第二和第三片碎片之间的未知位），相关性的开始必须定位在与第二碎片不同距离处。第二间隙的未知位数是已知的（L2）。因此，第二间隙的长度是L2加上填充位数。由于后者是未知的，所以必须尝试不同的可能间隙长度（L1、L1+1，...，L1+B2，其中B2是L2个位的序列中的最大填充位数）。还针对两个可能的相位执行每个关联，以便考虑NRZI编码。从步骤c获得2·B2个相关结果。

d.等等。

e.如果采用并行处理技术，则必须根据步骤a、b、c和d的可能组合来叠加不同的相关结果。测试的假设数量因此达2·(2·B1)(2·B2)...

f.在所测试的假设中对具有最高相关峰（对于碎片的组）的假设进行搜索。而且，积极的检测需要相关峰值超过凭经验巩固的某个分析预定的阈值（关于噪声）。

代替测试所有的假设（所有可能的组合），还可为步骤a、b、c和d仅保留对每个消息碎片产生最高相关峰值的假设。这具有较高的风险：此选项可能无法实现碎片的正确组合。为了缓减这个缺点，在通过步骤a、b、c和d进行的过程中，可以保留具有最高的相关峰值的有限数量的组合，并放弃其他组合。

有利的是，LEO卫星包括一组基本天线（形成相控阵天线），每个都接收AIS信号。从而可以组合通过转换由不同天线接收的信号得到的数字化数据，以获得天线组的有意指向。在这种情况下，天线组所覆盖的海平面处的区域可以被人为地减少，从而减少了在同一时间要考虑的AIS发送器的数量（及冲突消息的数量）。换句话说，针对某些地理区域，天线的灵敏度增加，而在此区域之外，则其灵敏度降低。从而，能够通过改变不同数字化数据流之间的相位关系来扫描天线组的覆盖范围。此频率选择性的技术（窄频率小区域）可使干扰信号的功率显着降低。

图7示意性地示出了卫星天线组的覆盖范围34。卫星以速度vsat移动（由箭头36所示），这会导致由卫星接收的AIS信号的多普勒频移。等多普勒线由参考编号38表示。阴影带40对应频率的小区域。相控阵天线使检测区减少到显著小于覆盖范围34的局部区域42。然后，可以尝试检测来自船的AIS消息，该AIS消息作为它们被记录在数据库中的最后位置的结果，可位于此局部区域42中。在局部区域42内，多普勒频移的范围显然比覆盖范围34的小，因此，对于各局部区域42待测试的的频率小区域数大大减少。

图8示出根据第二优选实施方案的本发明方法的原理的方案。相同的附图编号已经用于指定与该图的方法中的那些相同或相似的步骤。如前面的实例中所述，以LEO卫星的级别收集数据（步骤E10）。带时间戳的数字化数据被发送到计算机中心。与图3的方法的主要区别在于通过三角测量关于发送器（在数字化数据中确定其AIS消息）位置的距离来获得卫星的位置。如果LEO卫星没有配备地理定位系统，如果系统发生故障，或者如果没有通过控制中心传输与卫星有关的轨道数据，本发明的该变化是有利的。

要开始进行方法，可能已发送数字化数据中包含的AIS消息的那些AIS发送器被识别（步骤E14）。卫星位置的初始估计优选是可用的（步骤E12′中可见），以便能够减少初始的可能性。如果卫星位置的初始估计不可用，则可以尝试以常规方式（通过仅使用所有AIS消息共同的静态部分用于相关）在数字化数据中检测第一AIS消息。一旦第一AIS消息已经被解码，则首先接收的AIS发送器的位置是已知的，然后其可以用作卫星位置的粗略估计。然后尝试从找到的第一发送器的附近的船中寻找数字化数据中的消息（通过遵循上述的步骤E16、E18和E20）。一旦至少四个AIS消息（来自不同的发送器）已被检测到，通过求解下面的方程组来估计卫星位置（步骤E12”）：

其中，T_i，i=A，...，D是以卫星的时间系统（卫星时钟）从发送器i接收消息的时间，c是光的速度，

是卫星在时间T_i的位置，

是发送器i的位置，T_{émission_i_UTC}是以UTC时间系统从发送器i传输消息的时间，以及δ_sat-UTC(t）是卫星的参考时间和参考UTC的时间之间的偏差。时间T_{émission_i_UTC}是已知的，因为AIS帧与UTC时间同步。位置i=A，...，D是已知的，因为船的位置表示在AIS消息中。可以假设卫星时钟对于四个测量结果是稳定的，且因此表现出关于UTC时间的恒定偏差，且卫星位置对于时间T_i，i=A，...，D是相同的，其中误差一般小于100m。设定T_m=1/4(T_A+T_B+T_C+T_D)，可得：

针对未知数

和δ_sat-UTC（T_m），可以求解该系。通过考虑超过四个消息，可以更准确地确定位置。优选使用最小二乘法或基于卫星轨道的数学模型的卡尔曼滤波器。

如果已经以这种方式找到了卫星位置，可以以更高的精确度识别可能已经发送由卫星接收的并因此包含在数字化数据中的消息的那些AIS发送器。可以继续在已经处理过的数据中且然后在数字化数据中搜索消息。

如图3的实例所示，更新数据库。

参考标号：

10 船

12 AIS收发器

14 LEO卫星

16 地面站

18 控制中心

20 GNSS卫星

22 LEO卫星的轨迹

24 无线电导航信号

26 数据库

28 船的新位置

30 船的最后位置

32 封闭的陆地区域

34 覆盖范围（footprint）

36 表示v_sat的箭头

38 等多普勒线

40 对应于频率的小区域的阴影带

42 局部区域

E10 数据采集的步骤

E12 确定卫星轨迹的步骤

E12’ 初始估计卫星位置的步骤

E12” 估计卫星位置的步骤

E14 识别AIS发送器的步骤

E16 构成假设碎片消息的步骤

E18 在数字化数据中搜索候选消息的步骤

E20 解码所找到的消息的未知部分的步骤

E22 更新数据库的步骤

E24 显示AIS发送器的地图的步骤

R 半径

Claims

1.一种用于检测AIS消息的方法，其包括

提供表示由卫星在至少一个AIS信道上接收的信号的数字化数据；

通过将所述数字化数据与假设碎片消息相关，来识别所述数字化数据中的候选消息（E18）；

所述方法的特征在于，所述假设碎片消息包括取决于传输时间和/或发送器位置、并且借助于AIS发送器的数据库（26）来确定的至少一个AIS消息碎片。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述假设碎片消息包括取决于发送器位置的至少一个AIS消息碎片，且其特征在于，构造所述假设碎片消息包括：

基于AIS发送器的数据库，识别信号被接收时位于由所述卫星服务的区域中的AIS发送器（E14）；

基于存储在所述数据库中的所识别的发送器的位置，确定取决于发送器位置的所述至少一个AIS消息碎片。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，取决于发送器位置的所述至少一个AIS消息碎片包括来自“经度”字段的最高有效位和/或来自“纬度”字段的最高有效位。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述数字化数据被标记了时间戳，且其特征在于所述假设碎片消息包括取决于传输时间的一个或多个AIS消息碎片，且其特征在于构造所述假设碎片消息包括基于所述数字化数据的所述时间戳确定取决于传输时间的至少一个AIS消息碎片。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，取决于传输时间的所述至少一个AIS消息碎片包括来自所述“时间戳”字段的位或来自“UTC年”、“UTC月”、“UTC日”、“UTC小时”、“UTC分钟”和/或“UTC秒”字段的位。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述假设碎片消息包括来自在所述数据库中识别的特定于发送器的一个或多个静态字段的位，例如，“用户ID”字段、“AIS版本指示符”字段、“IMO号”字段、“呼号”字段、“名称”字段、“船舶类型和货物类型”字段、“整体尺寸/参考位置”字段、“电子定位装置类型”字段。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述假设碎片消息包括来自在所述数据库中识别的特定于发送器的一个或多个动态字段的位，例如“RAIM标志”字段、“特定操纵指示器”字段、“预计到达时间”字段、“当前气流”字段、“目的地”字段、“导航状态”字段、“对地航向”字段、“对地速度”字段和/或“通信状态”字段。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，一旦已经在所述数字化数据中识别了候选消息，则所述候选消息被解码（E20），且所解码的消息中包含的信息用于更新AIS发送器的所述数据库（E22）。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，通过将所述数字化数据与多个假设碎片消息相关，来识别所述候选消息（E18），以串行和/或并行方式计算各个相关。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述假设碎片消息被设计为测试填充位在所述候选消息中的存在或不存在。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，通过关于其一个或多个AIS消息在所述数字化数据中被识别出的发送器的三角测量来估计信号被接收时所述卫星的位置（E12”）。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，为了将所述数字化数据与所述假设碎片消息相关，所述假设碎片消息的开始与AIS时间帧的时间间隔的开始同步。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，为了将所述数字化数据与所述假设碎片消息相关，根据发送器位置补偿对于所述假设碎片消息计算出的多普勒频移。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，为了补偿所述多普勒频移，考虑存储在所述数据库（26）中的发送器载波频率误差。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，为了将所述数字化数据与所述假设碎片消息相关，考虑存储在所述数据库（26）中的发送器调制指数。

16.一种计算机软件产品，包括包含计算机可执行指令的数据存储介质，其中，当由计算机执行时，使得所述计算机执行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。