一種基于FPGA的小衛星載AIS信號采集系統技術方案

本發明專利技術提供了一種基于FPGA的小衛星載AIS信號采集系統，VHF天線接收的船舶AIS信號經過前端射頻處理模塊的窄帶濾波及放大后，送至A/D轉換電路進行模數轉換，得到的中頻數字信號送至FPGA主控處理模塊進行下變頻、濾波提取、零頻調整、混頻、抽取濾波和門限設置，最后將提取出的AIS數字信號經過數據編碼后輸出。本發明專利技術電路設計簡單，工作穩定，抗輻射能力強，可靠性高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于航天應用領域，涉及一種小衛星載功能模塊設計。
技術介紹
隨著航空、航天技術尤其是小衛星的快速發展，基于小衛星載AIS的實現具有重要意義。星載AIS系統可以接近實時地獲得大范圍甚至全球范圍內的配備了 AIS設備的船舶相關信息，比如船舶當前所在的位置、航度、運行狀態、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、遠距離、多參數、以及低軌道小衛星發射不受國籍限制等優點，所以AIS在海洋監管領域具有獨到的優勢。現階段國外的小衛星載AIS系統大多都是采用FPGA來實現的，國內研宄起步較晚，發展空間較大。從國外目前的實際應用來看，包括美國、歐空局、德國、加拿大、意大利、法國、挪威、日本等都在積極發展自己的小衛星載AIS系統，并且部分小衛星載AIS已經發射并投入使用。2004年美國海岸警衛隊與美國ORBCOMM公司協商發射一顆裝載有AIS接收機的概念演示衛星。在2006年末美國發射了搭載海軍研宄實驗室目標指示實驗AlS載荷的衛星。2008年ORBCOMM公司發射了裝載有AIS接收機的海岸警衛驗證衛星以及5顆裝載有AIS接收機的Quick Launch系列衛星。2009年ORBCOMM公司成為了全球第一家衛星AIS商業服務的提供商。與此同時，在2008年4月，加拿大COMDEV公司也發射了他們的第一顆星載AIS試驗系統。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，他們先后發射了 Rubin 7AIS、Rubin 8AIS、Rubin 9系列星載AIS試驗載荷。可以說，國外在基于小衛星載AIS系統的發展上正處于一個高速狀態。從國內而言，已有部分專家和機構在船載、機載和岸基AIS的基礎上，對小衛星載AIS的基本原理與關鍵技術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星載AIS技術還處于一個初步發展的水平，缺乏系統深入的研宄與分析評估。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-海基站系統，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，進而導致AIS并未完全體現其在大范圍甚至全球海洋中的重要作用與地位。隨著航空航天技術尤其是小衛星的快速發展，基于小衛星載AIS的設計與實現，對國際上各個國家和社會對海上的來往船舶進行識別、檢測和持續跟蹤的應用需求具有重要意義。
技術實現思路
為了克服現有技術的不足，本專利技術提供一種基于FPGA芯片的小衛星載AIS信號采集系統，實現小衛星上船舶AIS信號的接收與轉發，電路設計簡單，工作穩定，抗輻射能力強，可靠性尚。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是:包括前端射頻處理模塊和FPGA主控處理模塊。VHF天線接收的船舶AIS信號經過前端射頻處理模塊的窄帶濾波及放大后，送至A/D轉換電路進行模數轉換，得到的中頻數字信號送至FPGA主控處理模塊進行下變頻、濾波提取、零頻調整、混頻、抽取濾波和門限設置，最后將提取出的AIS數字信號經過數據編碼后輸出。所述的前端射頻處理模塊中，從VHF天線進來的船舶AIS信號經低噪放大器AM12021進行20dB的放大，輸出的信號經帶寬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，經過濾波之后的信號經模數轉換器量化為14bit數字信號進入FPGA主控處理模塊。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中頻數字信號進行下變頻、濾波提取、零頻調整、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、量化位數為1bits的低頻數字信號；對兩路低頻數字信號進行相關的虛警檢查處理，一旦檢測到信號存在，立刻打包輸出該路信號，傳送給FPGA內部固存處理；然后將提取出的AIS數字信號經過數據編碼最終通過小衛星數傳模塊傳送給地面設備。所述的模數轉換器選用AD9640，FPGA主控處理模塊為IGLOO系列的基于Flash結構 AGL600。本專利技術的有益效果是:前端射頻處理模塊將天線接收的AIS信號經過微波接收前端的窄帶濾波及放大后，送至A/D轉換電路進行模數轉換，再送入后端FPGA模塊進行相關處理。FPGA作為主控芯片，主要功能為完成對前端傳送進來的AIS中頻數字信號進行下變頻、濾波提取、零頻調整、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下變頻到量化位數為lObits，頻率范圍為O?20kHz、采樣頻率為40kHz的低頻數字信號。繼而對輸出的兩路低頻數字信號進行相關的虛警檢查處理，一旦檢測到信號存在，立刻打包輸出該路信號，傳送給FPGA內部固存處理。然后將提取出的AIS數字信號經過數據編碼后輸出，最終通過小衛星數傳模塊傳送給地面設備。本專利技術電路設計簡單，工作穩定，抗輻射能力強，可靠性高。【附圖說明】圖1為本專利技術的結構原理框圖；圖2為本專利技術中的前端射頻處理模塊原理圖；圖3為本專利技術中的模數轉換器模塊原理圖；圖4為本專利技術中的FPGA內部信號處理軟件流程圖。【具體實施方式】下面結合附圖和實施例對本專利技術進一步說明，本專利技術包括但不僅限于下述實施例。本專利技術設計了一種基于FPGA的小衛星載AIS信號采集模塊，其可通過FPGA電路強大的邏輯資源和數據處理能力，實現小衛星上船舶AIS信號的接收與轉發，繼而實現對全球海域內艦船目標的監視。電路設計簡單，工作穩定，可靠性高。本專利技術的技術方案是:一種基于FPGA的小衛星載AIS信號采集系統，包括了前端射頻處理模塊和FPGA主控處理模塊。其中，FPGA部分作為小衛星載AIS系統的主控模塊，主要用來控制接收來自前端的中頻模擬信號，對其實現數字化后的AIS信號的頻率分離處理、數據編解碼及數據存儲與調用功能。本專利技術的進一步技術方案是:本系統將VHF天線接收的船舶AIS信號經過前端射頻處理模塊的窄帶濾波及放大后，送至A/D轉換電路進行模數轉換。然后將中頻數字信號送至FPGA主控處理模塊進行下變頻、濾波提取、零頻調整、混頻、抽取濾波、門限設置，最后將提取出的AIS數字信號經過數據編碼后輸出。再將輸出的AIS信號通過小衛星上的數傳系統傳送到地面信號處理設備中進行相關處理，并最終發送至船舶，滿足星載-岸基-船載AIS的當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于FPGA的小衛星載AIS信號采集系統，包括前端射頻處理模塊和FPGA主控處理模塊，其特征在于：VHF天線接收的船舶AIS信號經過前端射頻處理模塊的窄帶濾波及放大后，送至A/D轉換電路進行模數轉換，得到的中頻數字信號送至FPGA主控處理模塊進行下變頻、濾波提取、零頻調整、混頻、抽取濾波和門限設置，最后將提取出的AIS數字信號經過數據編碼后輸出。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李立欣，袁建平，侯建文，岳曉奎，羅建軍，馮浩，萬桂斌，袁健華，申禮斌，周德云，張會生，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61