[6048]利用天基 AIS 接收机进行海上交通监测外文翻译资料

英语原文共 13 页

利用天基 AIS 接收机进行海上交通监测

Torkild Eriksenlowast;,Gudrun HZye,BjZrn Narheim, Bente JenslZkken Meland

挪威国防研究机构，P.O.框 25，N-2027，挪威

2005年5月30日收到; 2005年11月25日收到订正表格; 2005年12月15日接受，2006年3月31日可在线

摘要

自动识别系统 (AIS) 是国际海事组织 (IMO) 规定的海上安全和船舶交通系统。该系统广播与船舶和航行的信息位置有关的报告和短消息。使用频率为海上甚高频波段，覆盖面类似于其他甚高频应用，基本上依赖于天线的高度。船对船通信的范围通常是20海里，船对岸的范围提升到40海里。低地球轨道的天基 AIS 接收机将具有超过1000海里的视界范围，为大面积海洋监测提供了极好的机会。挪威国防研究机构 (FFI) 对从太空接收 AIS 消息进行了可行性研究。结果表明，在覆盖范围内，一艘船100% 附近的检测概率可以获得高达 1000 艘船舶，这对于标准 AIS 接收机，其信号功率的10-20 dB范围就可以实现。在此背景下，对欧洲的场景进行了宽度分析。有人认为，基于空间接收 AIS 消息是一种很有前途的方式，以边际成本实现远程识别和跟踪服务。

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1.介绍

挪威水域面积超过120万平方英里，包括200英里经济区、斯瓦尔巴德附近的渔业保护区和扬马延岛附近的渔业区。渔业、航运、石油和天然气出口是挪威最大的工业之一。为了确保可持续发展、人民和设施的安全以及国家主权，必须建立一个控制系统。自从1991雷达卫星图像被用作对偏远地区监视的援助。在挪威国防研究机构 (FFI) 的可行性研究表明，天基的来自对船舶的合作自动识别系统 (AIS)的信息接收为进一步监测偏远地区提供了极好的机会[1]。

作为国际海事组织（IMO）在《国际海上人命安全公约》（SOLAS）[2]的题纲，通用舰载AIS是一个舰载转发器广播船舶、航次和安全相关报道。

该系统的覆盖范围类似于其他甚高频应用，并且主要取决于从甚高频天线的位置到地平线的范围。在海上的一个典型值是20海里。在挪威和其他几个国家，正在沿海建立一个 AIS 基站网络。该网络将有一个典型的40纳米的范围，预计会给岸边船只交通服务 (VTS)带来显着改善。

在国内和国际上，也迫切需要进行远距离识别和跟踪。AIS 标准具有远程应用的选项，然而，海事组织委员会在无线电通信、搜索、救援 (COM-SAR) 中指出，“在小组委员会能够向海事安全委员会提供关于船舶远程识别与跟踪系统的咨询意见之前，需要做大量工作”[3]。

从600千米高空轨道的卫星，到地平线的距离是 1440 nm。作为一种能以边际成本提供远程从现有的甚高频系统接收 AIS 消息的可能性可能是待考虑的一部分工作。

本文在第二节简要介绍了 AIS 系统。第三节，在这一背景下对天基信息接收进行处理并对两个欧洲场景进行了宽度分析。图1展示了卫星扫描通过欧洲的一个欧洲方案，用100：1的比例标记表示船舶。直径800、1200、1900、2880海里区域分别被用于分析。在第四节中提出了一些系统注意事项，并在第五节中给出了结论。

2.AIS系统

2.1.背景

根据国际航海辅助设备协会和灯塔管理局（IALA），AIS 的目的是 “提高海上安全和航行效率, 海上生命安全与海洋环境保护”[4]。IALA于1990年初向海事组织提出了AIS的第一项建议。该系统的最初动机是获得识别雷达屏幕上船只的手段。

IALA对ITU建议ITU-R M.1371-1[4]的技术澄清进一步表明：“长期以来，人们认识到，安装在船舶上的自动报告装置将有可能显著提高航行的安全性并且会提升对海事事件的控制和监测。应对这一挑战时，海事组织与国际电信联盟 (ITU) 和国家间电工委员会 (IEC) 开发了一个新的导航系统称为自动识别系统 (AIS)。”

《国际海上人命安全公约》（SOLAS）第五章第19条第2.4款中概述了AIS的执行计划和要求。该系统自 2002年7月1日以来一直强制应用于国际交通中的所有新船舶，并将在 2004年底之前包括应用到客船、油轮和其他 300 吨的从事国际航行的船舶。该系统于 2008年全面实施，还将涵盖所有 500 吨或更多用于国家航行的船舶。要求指出:

“AIS 应:

1.自动向适当的配备岸站、其他船舶和飞机提供信息，包括船舶的身份、类型、位置、航向、航速、航行状态等安全相关信息;

2.从类似配置的船舶自动接收此类信息;

3.监视和跟踪船舶;

4.与岸上设施交换数据。AIS 应依据本组织通过的指南进行操作。除国际协定、规则或标准规定保护航行信息外，装有 AIS 的船舶应在任何时候都维持运行。”

条例 19 所涵盖的船舶被定义为SOLAS的A类船舶，而在这些船舶上强制要求一个移动的AIS站。在IEC中，工作也正在进行，去为SOLAS的B类船舶提出一个设备建议[5]，但是在这些船舶上，AIS目前并没有被强制安装。

ITU的建议M.1371-1的附件4中描述了远程应用。附件指出：“AIS 设备提供双向远程通信，报告率为每小时 2-4 次”。COMSAR已表示，“在进一步推进LRIT问题之前，需要进行成本效益分析和研究”[3]。目前，没有强制性远程报告的计划。

海事组织[7,14]与IALA [8,4]，国际电信联盟(ITU)[6],和国际电子技术委员会(IEC)[9]一起制定了AIS的标准、准则和解释及其执行情况。

2.2.操作特性

AIS是作为船对船和船对岸的报告系统开发。配备AIS的船舶定期广播报告位置、船舶，航行和安全相关的消息，这些消息由其他船舶和岸基站接收。

船上的移动AIS站由连接到船舶传感器和显示系统的甚高频无线电设备组成。位置和时间信息通常来自卫星导航系统

图1.欧洲场景的图示中代表船只的目标，卫星的下降通道显示为黑虚线。800,1200，1900和2880海里的宽度以白虚线显示。

图 2.AIS访问方案

(例如 GPS)。报告系统是基于固定数字长度消息的广播。从一个AIS站的位置报告在每60秒输入一帧的2250个时隙中的一个时隙内。消息在两个甚高频通道上交替广播，总容量为每分钟 4500 个消息插槽。

AIS使用时分多址 (TDMA) 接入方案来分配时隙，并避免AIS站覆盖区域内的传输重叠。当发送消息时，该站还会预先宣布其下一个传输插槽。图2说明访问方案。

表1

A类船舶移动设备信息类型

表2

动态信息对大面积海洋监测特别重要，因为它们经常被报告并且包含船舶的身份和位置。A 类船舶动态消息的报告间隔在表2。B类消息报告间隔更长[6]。

2.3.技术特点

天基AIS 接收机依赖于 AIS 系统物理层和链路层的性能和特性。下面简要总结了他们的规格。

2.3.1.物理层

物理层负责在数据链路上传输比特流。表3对物理层的性能要求进行了总结。

默认情况下，AIS 工作站交替在87B和88B通道上广播。其他通道可以在某些地区应用。12.5 W的发射机功率和25 kHz的带宽是公海的默认设置。

表3

AIS链路层要求的摘要

表4

AIS链路层要求的摘要

2.3.2.链路层

链路层指定如何打包数据、如何管理对链接的访问、系统如何同步以及消息类型和说明。

该系统采用1分钟1帧的概念，分为2250个时隙，时隙长度为26.7毫秒或256比特，在9.6 kbps时，通过四种时分多址（TDMA）接入方案（见表4）中的一种实现同步，该方案可自动运行。

消息条目与通用时间协调 (UTC) 同步。距离延迟位可以防止由于202nm范围内不同的信号路径长度而导致的重叠信息问题。这对于基于空间的应用程序也很有用。

图 3 简化了 SOTDMA 访问方案。

自组织时分多址（SOTDMA）是一种基本的接入方案，用于从一个自治站进行定时重复传输。接入方案自动分配时隙和解决潜在的冲突。图3显示了访问方案的简化图。

通电时，一个站点监视TDMA通道1分钟，以确定通道活动、其他参与成员ID、当前插槽分配和其他用户的报告位置。然后，站点进入网络，并开始根据自己的时间表发送报告。

在数据链路上用来宣布自己的第一个时隙称为名义起始时隙（NSS）。其他可重复传输通常以NSS作为参考选择。

标称槽（NS）用作选择用于传输报告的槽的中心。对于帧中的第一个传输，NSS和NS是相等的。NS由

,

此处n是一个整数，Rr是报告速率，即每个帧的位置报告数，NI 是名义增量。

报告速率与报告间隔的关系如下：

.

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