International audienceLes signaux AIS sont échangés par des bateaux en visibilité afin d'améliorer la sécurité en mer. Dans le contexte de la surveillance depuis l'espace, l'exploitation de ces signaux permet d'améliorer le contrôle des routes maritimes. Cette exploitation passe par la séparation des différents messages reçus dans le même espace temps-fréquence par le satellite. Dans cet article nous exploitons la partie commune des séquences AIS afin d'estimer la position des sources émettrices. L'estimateur proposé est basé sur la corrélation spatiale et ses performances sont quantifiées

Baudais, Jean-Yves

Le Maitre, Julia

Méric, Stéphane

HAL-Univ-Nantes

Estimation de position de bateaux depuis l’espace a`l’aide des signaux AISJean-Yves Baudais, Ste´phane Me´ric, Julia Le MaitreTo cite this version:Jean-Yves Baudais, Ste´phane Me´ric, Julia Le Maitre. Estimation de position de bateaux depuisl’espace a` l’aide des signaux AIS. GRETSI, Sep 2009, Dijon, France. 4p, 2009. <hal-00421614>HAL Id: hal-00421614https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00421614Submitted on 18 Sep 2014HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.Estimation de position de bateaux depuis l’espace à l’aidedes signaux AISJean-Yves Baudais1, Stéphane Méric1 et Julia Le Maitre21IETR — 20, av. des Buttes-de-Coësmes, CS 14315, 35043 Rennes Cedex, France2CNES — 18, avenue Édouard Belin, 31401 Toulouse Cedex 9{jean-yves.baudais,stephane.meric}@insa-rennes.frRésumé – Les signaux AIS sont échangés par des bateaux en visibilité afin d’améliorer la sécurité en mer. Dans le contexte de lasurveillance depuis l’espace, l’exploitation de ces signaux permet d’améliorer le contrôle des routes maritimes. Cette exploitationpasse par la séparation des différents messages reçus dans le même espace temps-fréquence par le satellite. Dans cet article nousexploitons la partie commune des séquences AIS afin d’estimer la position des sources émettrices. L’estimateur proposé est basésur la corrélation spatiale et ses performances sont quantifiées.Abstract – The AIS signals are exchanged by boats in visibility to improve safety at sea. In the context of monitoring from thespace, these signals allows to improve the control of the sea routes. This exploitation needs the separation of the various receivedmessages in same time-frequency space by the satellite. In this article we exploit the common part of the AIS sequences toestimate the position of the transmitting sources. The proposed estimator is based on the space correlation and its performancesare quantified.1 ContexteLe rôle croissant du spatial permet un contrôle discretdes communications radios sur toutes les zones sensiblesdu globe. Dans le contexte maritime, les capacités spa-tiales de surveillance peuvent intervenir en complémentdes autres moyens au sol. Imposé par l’Organisation ma-ritime internationale et par la Convention internationalepour la sûreté de la vie en mer, le système d’identifica-tion automatique (AIS, automatic identification system)peut être exploité par des constellations satellites pouraméliorer la surveillance des routes maritimes. Ce systèmeAIS est un système de communication radio-fréquence ini-tialement utilisé par des bateaux et des stations côtièresafin de communiquer l’identité, le statut, la position ou laroute des unités AIS et ainsi anticiper les actions à menerpour éviter les collisions. Ce système est autonome, au-tomatique et fonctionne principalement en mode d’émis-sion. Les transmissions s’effectuent en bande VHF (veryhigh frequency) et la portée est au plus de 20 à 30 milesnautiques (nm). Alors que ces distances de visibilité sontsuffisantes pour accroître la sécurité de navigation des ba-teaux en mer, des applications à plus longue distance uti-lisant des satellites défilants [1] sont envisagées par lesorganismes civils et militaires de surveillance afin de dé-tecter et de suivre les bateaux à plus de 200 nm des côtesou des stations offshores.Cet article est organisé de la façon suivante. Le para-graphe 2 décrit de façon générale le problème lié aux in-terférences et la méthode utilisée pour le résoudre. Dansle paragraphe 3, nous décrivons les caractéristiques des si-gnaux AIS et la géométrie de la liaison. Le paragraphe 4décrit les fonctions de corrélation utilisées par l’estimateurde position. Le paragraphe 5 donne quelques éléments surla robustesse de cet estimateur et le paragraphe 6 conclut.2 Problème et méthodeAu niveau des mers, les signaux AIS de bateaux en vi-sibilité accèdent au canal de communication par une ré-partition en temps, évitant ainsi les collisions entre mes-sages. Au niveau du satellite, des signaux de bateaux quine se voient pas peuvent être reçus dans le même espacetemps-fréquence, conduisant ainsi à des interférences. Lasurveillance des routes maritimes dans des environnementsdenses nécessite alors la séparation de ces signaux AIS su-perposés.Les signaux AIS possèdent un préambule commun àtous les messages. La connaissance de ce préambule peutavantageusement être exploitée pour séparer les signauxet cette séparation s’effectue alors en deux étapes : 1) es-timation des paramètres de la liaison à l’aide du préam-bule, 2) filtrage et démodulation des signaux reçus. Danscet article, nous nous intéressons à la première étape decette séparation à savoir l’estimation des paramètres dela liaison qui se résume à l’estimation de la position desémetteurs AIS.3 Caractérisation du problèmeSignal AIS et géométrie Les caractéristiques tech-niques des signaux AIS sont décrites dans [2]. Ces si-gnaux sont transmis sur une fréquence porteuse autourde 162 MHz à un débit de 9600 b/s, la modulation est uneGMSK (Gaussian modulation shift keying) et les émet-teurs sont synchronisés au temps UTC (universal timecoordinated). Les messages sont envoyés sur un des 2250slots temporels constituant une trame d’une minute et lemode d’accès au canal est le SO-TDMA (self-organizedtime division multiple access).Nous considérons un satellite à 950 km d’altitude sedéplaçant à 7,4 km/s [3] : le satellite parcourt 197 m pen-dant la durée d’un slot. L’antenne à bord du satellite esttelle que la vision est latérale et son empreinte au sol aun rayon de 500 km, avec une zone éclairée comprise dansl’intervalle [−500; 500] km selon l’axe d’évolution du satel-lite (axe along) et [0; 1000] km selon l’axe perpendiculaireà l’axe précédent (axe cross), cf. figure 1.                                                                                                                                        ymmx                 −500 km500 km1000 kmnadir crossalong950 kmFig. 1 – Géométrie de la liaison.Signal reçu Dans notre problème, nous considérons lesignal en bande de base, si(t), reçu par le satellite commela somme des signaux émis parM bateaux qui ne se voientpas et qui émettent sur le même slot temporel i. À cettesomme s’ajoute un bruit ξi(t) blanc gaussien circulaire devariance σ2si(t) =M∑m=1si,m(t) + ξi(t) , (1)où le signal si,m(t) dépend de la position du bateau m viale vecteur d’onde. Afin d’alléger les notations, m repré-sente aussi bien l’indice du bateau que la position spatialede celui-ci. Le signal si,m(t) s’écritsi,m(t) = (2)Ai,meφi,mpi,m(t− τi,m(t))eωi,m(t−τi,m(t))e−ω0t ,avec pi,m(t) le signal GMSK en bande de basepi,m(t) = epi2+∞Pl=−∞αlt−lTR−∞g(η) d η, (3)où g(·) est le filtre gaussien de la modulation GMSK, {αl}les symboles NRZI (non return to zero) et T la périodedu signal. Ce signal GMSK est émis à la pulsation ωi,m etreçu avec une amplitude complexe Ai,meφi,m et un retardde propagation τi,m(t) dépendant de la distance entre lebateau et le satellite et des erreurs de synchronisation. Cesignal est transposé en bande de base au niveau du satelliteà l’aide de la pulsation ω0. L’approximation bande étroitepermet d’écrirepi,m(t− τi,m(t))≃ pi,m(t− τi,m(0)), (4)avec τi,m(0) le retard à l’origine du slot.4 Corrélation spatialeDans cette partie nous nous intéressons à un systèmecohérent en temps et en fréquence. Cette cohérence setraduit par une synchronisation parfaite de l’émetteur entemps et en fréquence, c.-à-d. ωi,m = ω0 pour tout couple{i,m}, et les émetteurs possèdent la même référence tem-porelle que le satellite. Il n’y a pas d’erreur de synchro-nisation temporelle et τi,m(t) ne dépend que la distanceentre le bateau et le satellite.0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−1.0−0.8−0.6−0.4−0.20.00.20.40.60.81.0t/T_sI/QFig. 2 – Représentation des 50 premiers temps symbolesdes voix en phase et en quadrature de la fonction de réfé-rence s0i,m0(t) pour un retard nul.Fonction de corrélation L’estimation de la positiondes bateaux s’obtient à partir d’une fonction de corréla-tion spatiale normalisée et calculée sur le préambule de laséquence AIS. La fonction de corrélation est un produitscalaire normaliséΓi(m0) =〈s0i,m0(t), si(t)〉||s0i,m0(t)||22, (5)où s0i,m0(t) est le préambule de 32 bits reçu par le satelliteet émis par un bateau situé en m0. La figure 2 donne l’en-veloppe complexe de la fonction de référence, le préambulede la séquence AIS pour un décalage τi,m(0) = 0 et seul lescinquante premiers temps symboles sont représentés. Unexemple de signature spatiale, représentant l’amplitude endB de la fonction de corrélation pour toutes les positionsspatiales, est donné sur la figure 3 pour un bateau situé en{xm, ym} = {0, 500} km. Un plancher est fixé à −10 dBpour l’affichage de la fonction. Le nadir du satellite au dé-but du slot est l’origine du repère. Le satellite se déplaçantselon l’axe along, la corrélation selon cet axe présente deslobes secondaires plus faibles que ceux obtenus selon l’axecross.−500 −400 −300 −200 −100 0 100 200 300 400 50001002003004005006007008009001000ALONG (km)CROSS (km)−10−8−6−4−20Fig. 3 – Signature spatiale, amplitude de la fonction decorrélation Γi(m0) en dB, d’un bateaux en {xm, ym} ={0, 500} km.Dans le cas d’un seul bateau émetteur, le RSB (rapportsignal sur bruit) de l’auto-corrélation est alorsRSBΓi(m0) = NA2i,m0σ2, (6)où N est le nombre d’échantillons utilisés pour calculer lacorrélation.Traitement multi-slot Les messages AIS sont envoyésavec une période de répétition moyenne de 7 s [3]. Afin deréduire les inter-corrélations, on effectue alors un traite-ment sur I slots . Nous supposons les signaux des bateauxde même période de répétition et les slots connus. Les si-gnaux étant reçus avec une phase à l’origine aléatoire etindépendante d’un slot à l’autre et d’un bateau à l’autre,la corrélation est alors une corrélation en amplitude afinde s’affranchir de ces phases. Cette fonction s’exprime parΓI(m0) =I∑i=1|〈s0i,m0(t), si(t)〉|||s0i,m0(t)||22. (7)Le RSB de l’auto-corrélation en amplitude sur plusieursslots est [4, chapitre 2]RSBΓI(m0) =f(I · RSBΓi(m0))I · RSBΓi(m0) + 1− f(I · RSBΓi(m0)) , (8)avec f(x) = π4 e−x((1 + x)I0(x2 ) + xI1(x2 ))2, où I0 et I1sont les fonctions de Bessel modifiées de seconde espèce.Pour x ≫ 1, f(x) ≃ x + 12 . Ainsi l’équation (8) devientRSBΓI(m0) ≃ 2I RSBΓi(m0).−500 −400 −300 −200 −100 0 100 200 300 400 50001002003004005006007008009001000ALONG (km)CROSS (km)−10−8−6−4−20Fig. 4 – Signature spatiale, amplitude de la fonction decorrélation ΓI(m0) en dB calculée sur 10 slots, d’un ba-teaux en {xm, ym} = {0, 500} km.Comme le montre la figure 4, le traitement sur plusieursslots ne permet pas de réduire la taille du lobe principalà −3 dB car les contributions des corrélations sur chaqueslot sont combinées en amplitude et non en amplitude etphase.Cas de M bateaux Nous nous intéressons ici au pou-voir séparateur de l’estimateur. Comme le montre les fi-gures 3 et 4, la largeur du lobe principal à −3 dB estd’environ 100 km pour un bateau en xm = 0 km ; elleest supérieure à la distance de visibilité qui est au plus de30 nm, soit environ 55 km. La séparation des bateaux n’estalors pas possible pour une forte densité d’occupation desmers.La figure 5 donne un exemple de signature spatiale, cal-culée sur 10 slots, de deux bateaux situés en {0, 500} km−500 −400 −300 −200 −100 0 100 200 300 400 50001002003004005006007008009001000ALONG (km)CROSS (km)−10−8−6−4−20Fig. 5 – Signature spatiale, calculée sur 10 slots, de deuxbateaux en {xm, ym} ∈{{0, 500}, {60, 500}} km.et {60, 500} km. L’estimation des sources est possible maisl’algorithme de détection reste à préciser ainsi que les ca-ractéristiques opérationnelles du récepteur.5 Robustesse de l’estimateurLa position estimée mˆ est donnée par le maximum dela fonction de corrélation mˆ = argmaxΓI(m0). Cette po-sition estimée est alors la valeur qui maximise la vraisem-blance entre le signal reçu si(t) et le signal s0i,mˆ(t). Lafigure 6 donne l’écart type de l’estimateur non biaisé pourun bateau situé en {0; 500} km avec une corrélation surun slot. On observe une décroissante classique en 1/√RSBde l’écart type de la mesure obtenue par filtrage adaptée.−20 −10 0 10 20 30 40−210−110010110210310RSB (dB)écart type (km)Fig. 6 – Écart type de l’estimateur argmaxΓI(m0) pourune bateau situé en {0; 500} km sur 1 slot en fonction duRSB.La corrélation sur I slots correspond à une estimationde la position avec une séquence d’estimation I fois pluslongue. Comme le montre la figure 7 la décroissante del’écart type de l’estimateur en fonction du nombre de slotsI est bien en 1/√I. On peut alors atteindre un écart typede l’estimation inférieur à 1 km pour un RSB de 0 dB.1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.51.01.52.02.53.0nombre de slotsécart type (km)Fig. 7 – Écart type de l’estimateur argmaxΓI(m0) pourune bateau situé en {0; 500} km en fonction du nombre deslots, pour un RSB de 0 dB.6 ConclusionDans le contexte de la surveillance maritime par satel-lite en orbite basse, il est proposé d’exploiter les signauxde télécommunications AIS émis par des bateaux. Nousmontrons que l’estimation de la position de ces bateauxest possible à partir d’un estimateur simple basé sur lacorrélation. Nous montrons également l’intérêt d’un trai-tement multi-slot.RemerciementsCette étude a fait l’objet d’un soutien financier du CNESsous les conventions 71110/00 et 81658/00.Références[1] B.J. Tetreault, « Use of the Automatic IdentificationSystem (AIS) for Maritime Domain Awareness (MDA) ». InProceedings of MTS/IEEE OCEANS, vol. 2, pages 1590–1594, septembre 2005.[2] ITU-R M.1371-2, Technical characteristics for a universalshipborne automatic identification system using time divi-sion multiple access in the VHF maritine mobile band. ITURadiocommunication recommendation, 2006.[3] ITU-R M.2084, Satellite detection of automatic identifi-cation system messages. ITU Radiocommunication report,septembre 2006.[4] J.G. Proakis, Digital communications. Electrical enginee-ring, McGraw-Hill, 3rd ed., 1995.

Estimation de position de bateaux depuis l'espace à l'aide des signaux AIS

HAL-Rennes 1

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00421614

Estimation de position de bateaux depuis l'espace à l'aide des signaux AIS

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

HAL-Univ-Nantes

HAL-Rennes 1