一種基于fpga的小衛(wèi)星載ais信號采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種小衛(wèi)星載功能模塊設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空、航天技術(shù)尤其是小衛(wèi)星的快速發(fā)展，基于小衛(wèi)星載AIS的實現(xiàn)具有重要意義。星載AIS系統(tǒng)可以接近實時地獲得大范圍甚至全球范圍內(nèi)的配備了 AIS設(shè)備的船舶相關(guān)信息，比如船舶當(dāng)前所在的位置、航度、運行狀態(tài)、船舶大小、吃水，甚至國籍、船舶編號等信息。有著全天時、全天候、大范圍、遠(yuǎn)距離、多參數(shù)、以及低軌道小衛(wèi)星發(fā)射不受國籍限制等優(yōu)點，所以AIS在海洋監(jiān)管領(lǐng)域具有獨到的優(yōu)勢。
[0003]現(xiàn)階段國外的小衛(wèi)星載AIS系統(tǒng)大多都是采用FPGA來實現(xiàn)的，國內(nèi)研宄起步較晚，發(fā)展空間較大。
[0004]從國外目前的實際應(yīng)用來看，包括美國、歐空局、德國、加拿大、意大利、法國、挪威、日本等都在積極發(fā)展自己的小衛(wèi)星載AIS系統(tǒng)，并且部分小衛(wèi)星載AIS已經(jīng)發(fā)射并投入使用。2004年美國海岸警衛(wèi)隊與美國ORBCOMM公司協(xié)商發(fā)射一顆裝載有AIS接收機的概念演示衛(wèi)星。在2006年末美國發(fā)射了搭載海軍研宄實驗室目標(biāo)指示實驗AlS載荷的衛(wèi)星。2008年ORBCOMM公司發(fā)射了裝載有AIS接收機的海岸警衛(wèi)驗證衛(wèi)星以及5顆裝載有AIS接收機的Quick Launch系列衛(wèi)星。2009年ORBCOMM公司成為了全球第一家衛(wèi)星AIS商業(yè)服務(wù)的提供商。與此同時，在2008年4月，加拿大COMDEV公司也發(fā)射了他們的第一顆星載AIS試驗系統(tǒng)。德國的OHB公司及其盧森堡分公司LuxSpace也是世界上著名的星載AIS研制單位之一，除了參與美國ORBCOMM公司的星載AIS研制之外，他們先后發(fā)射了 Rubin 7AIS、Rubin 8AIS、Rubin 9系列星載AIS試驗載荷?？梢哉f，國外在基于小衛(wèi)星載AIS系統(tǒng)的發(fā)展上正處于一個高速狀態(tài)。
[0005]從國內(nèi)而言，已有部分專家和機構(gòu)在船載、機載和岸基AIS的基礎(chǔ)上，對小衛(wèi)星載AIS的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)進行了初步的探索和研宄，也獲得了一些成果。但總的來說，與國外相比我國的小衛(wèi)星載AIS技術(shù)還處于一個初步發(fā)展的水平，缺乏系統(tǒng)深入的研宄與分析評估。
[0006]目前常見的的船載、岸基和機載AIS是一種工作在VHF波段的陸-?；鞠到y(tǒng)，受到天線高度等其他條件的限制，其最大作用距離一般不超過相距50海里范圍，進而導(dǎo)致AIS并未完全體現(xiàn)其在大范圍甚至全球海洋中的重要作用與地位。隨著航空航天技術(shù)尤其是小衛(wèi)星的快速發(fā)展，基于小衛(wèi)星載AIS的設(shè)計與實現(xiàn)，對國際上各個國家和社會對海上的來往船舶進行識別、檢測和持續(xù)跟蹤的應(yīng)用需求具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于FPGA芯片的小衛(wèi)星載AIS信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)小衛(wèi)星上船舶AIS信號的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，電路設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定，抗輻射能力強，可靠性尚。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括前端射頻處理模塊和FPGA主控處理模塊。
[0009]VHF天線接收的船舶AIS信號經(jīng)過前端射頻處理模塊的窄帶濾波及放大后，送至A/D轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的中頻數(shù)字信號送至FPGA主控處理模塊進行下變頻、濾波提取、零頻調(diào)整、混頻、抽取濾波和門限設(shè)置，最后將提取出的AIS數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼后輸出。
[0010]所述的前端射頻處理模塊中，從VHF天線進來的船舶AIS信號經(jīng)低噪放大器AM12021進行20dB的放大，輸出的信號經(jīng)帶寬20kHz的射頻帶通濾波器濾除AIS信號帶外干擾，射頻帶通濾波器選擇SAWTEKSAW 856042，經(jīng)過濾波之后的信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化為14bit數(shù)字信號進入FPGA主控處理模塊。
[0011]所述的FPGA主控處理模塊對前端射頻處理模塊傳送進來的AIS中頻數(shù)字信號進行下變頻、濾波提取、零頻調(diào)整、混頻、抽取濾波，完成混頻及抽取濾波后，每路輸入信號的兩個子頻段161.975MHz ± 1kHz、162.025MHz ± 1kHz下變頻到頻率范圍為O?20kHz、采樣頻率為40kHz、量化位數(shù)為1bits的低頻數(shù)字信號；對兩路低頻數(shù)字信號進行相關(guān)的虛警檢查處理，一旦檢測到信號存在，立刻打包輸出該路信號，傳送給FPGA內(nèi)部固存處理；然后將提取出的AIS數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼最終通過小衛(wèi)星數(shù)傳模塊傳送給地面設(shè)備。
[0012]所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用AD9640，F(xiàn)PGA主控處理模塊為IGLOO系列的基于Flash結(jié)構(gòu) AGL600。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:前端射頻處理模塊將天線接收的AIS信號經(jīng)過微波接收前端的窄帶濾波及放大后，送至A/D轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再送入后端FPGA模塊進行相關(guān)處理。FPGA作為主控芯片，主要功能為完成對前端傳送進來的AIS中頻數(shù)字信號進行下變頻、濾波提取、零頻調(diào)整、混頻、抽取濾波。完成混頻及濾波處理后，每路輸入信號的兩個子頻段161.975MHz ±10kHz、162.025MHz± 1kHz下變頻到量化位數(shù)為lObits，頻率范圍為O?20kHz、采樣頻率為40kHz的低頻數(shù)字信號。繼而對輸出的兩路低頻數(shù)字信號進行相關(guān)的虛警檢查處理，一旦檢測到信號存在，立刻打包輸出該路信號，傳送給FPGA內(nèi)部固存處理。然后將提取出的AIS數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼后輸出，最終通過小衛(wèi)星數(shù)傳模塊傳送給地面設(shè)備。本發(fā)明電路設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定，抗輻射能力強，可靠性高。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖；
[0015]圖2為本發(fā)明中的前端射頻處理模塊原理圖；
[0016]圖3為本發(fā)明中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊原理圖；
[0017]圖4為本發(fā)明中的FPGA內(nèi)部信號處理軟件流程圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。
[0019]本發(fā)明設(shè)計了一種基于FPGA的小衛(wèi)星載AIS信號采集模塊，其可通過FPGA電路強大的邏輯資源和數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)小衛(wèi)星上船舶AIS信號的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，繼而實現(xiàn)對全球海域內(nèi)艦船目標(biāo)的監(jiān)視。電路設(shè)計簡單，工作穩(wěn)定，可靠性高。
[0020]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于FPGA的小衛(wèi)星載AIS信號采集系統(tǒng)，包括了前端射頻處理模塊和FPGA主控處理模塊。其中，F(xiàn)PGA部分作為小衛(wèi)星載AIS系統(tǒng)的主控模塊，主要用來控制接收來自前端的中頻模擬信號，對其實現(xiàn)數(shù)字化后的AIS信號的頻率分離處理、數(shù)據(jù)編解碼及數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用功能。
[0021]本發(fā)明的進一步技術(shù)方案是:本系統(tǒng)將VHF天線接收的船舶AIS信號經(jīng)過前端射頻處理模塊的窄帶濾波及放大后，送至A/D轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后將中頻數(shù)字信號送至FPGA主控處理模塊進行下變頻、濾波提取、零頻調(diào)整、混頻、抽取濾波、門限設(shè)置，最后將提取出的AIS數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼后輸出。再將輸出的AIS信號通過小衛(wèi)星上的數(shù)傳系統(tǒng)傳送到地面信號處理設(shè)備中進行相關(guān)處理，并最終發(fā)送至船舶，滿足星載-岸基-船載AIS的