應用北斗衛星導航系統的船舶AIS數據采集

賀超峰，徐鐵，胡勤友，葛依東

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

0 引言

目前，3種主流的海上船舶監控形式［1］有沿海CDMA網絡監控，海事衛星監控以及結合AIS的VTS監控.沿海CDMA網絡監控只能在沿海有CDMA信號的地區使用，比較適合近岸運輸船舶.海事衛星監控雖然不受船舶所在海區的限制，可以較好地實現全天候監控，但海事衛星通信費用昂貴，不適合持續監控.雖然AIS覆蓋的船舶范圍非常廣泛，目前全球任何500總噸以上的船舶都強制安裝AIS系統，但AIS系統發射的信號傳輸距離有限，存在監控盲區.當船舶在遠洋中航行時，其AIS信息往往不能被岸基AIS基站接收，從而使其失去監控.

幾年前，美國、挪威等國家開始利用低軌衛星接收其覆蓋范圍的船舶AIS信息，從而實現遠離陸地區域的船舶動態監控，但由于衛星數量較少，不能連續采集同一地區的船舶AIS信息，因此獲得的船舶動態信息實時性較差.船舶遠程識別與跟蹤系統(LRIT)利用衛星定位和衛星通信技術獲取本船的位置與時間信息，并發送給船旗國所指定的數據中心進行儲存和處理.［2］目前，并不是所有船舶都已配備LRIT，尤其是內貿船舶.對于沒有配備LRIT的船舶，進入陸地AIS基站監控盲區時就無法被監控.此外，LRIT通信費用昂貴，不適合連續監控，實時性較差.

利用北斗衛星導航系統(簡稱北斗)轉發本船AIS信息［3］的做法對裝有北斗設備的船舶是有效的，但目前還有很多船舶沒有配備北斗設備，因此這些船舶不能得到有效監控.本文結合AIS和北斗的優勢，用北斗轉發本船和周圍船舶的AIS信息，使沒有配備北斗設備的船舶也能得到有效監控，且通過北斗衛星通信要比通過其他衛星通信成本低，從而既可以使監控區域覆蓋陸地AIS基站的盲區，又可以不用付出與其他衛星通信一樣的昂貴代價.另外，還在AIS數據中添加優先權(priority)字段，用于實現對指定船舶的搜索.

1 處理流程簡介

一個時段內本船接收到的AIS信息數據量往往較大，而北斗的短報文通信能力有限.為了有效利用北斗的短報文通信功能，有必要對接收到的AIS信息采取一系列處理措施，減少數據冗余.AIS數據冗余主要有以下幾種形式:重復數據冗余、無用數據冗余、數據表示冗余、編碼冗余等.首先通過數據預處理和數據壓縮減少AIS數據冗余，然后利用北斗轉發處理過的數據.數據處理總流程見圖1.

2 數據預處理

數據預處理的主要目的是去除重復數據冗余，無用數據冗余以及數據表示冗余，主要包含如下幾個部分，見圖2.

(1)數據獲取.主要通過時間過濾和字段篩選減少數據量，達到減少無用數據冗余的目的.(2)數據過濾.主要進行重復數據過濾.(3)去除數據表示冗余.通過差值法減少表示相同信息量所需要的數據量.(4)數據重組.去除數據表示冗余后，數據在轉發后要想恢復原樣就必須在數據中加上某些數據(數據頭)，將數據中相應項和數據頭中相應項相加才能得到原來的數據.

2.1 數據獲取

本船接收到的周圍船舶AIS信息并非都有用.比如想知道某船舶目前的位置，如果數據庫中有該船當前時刻或最近很短時間內的AIS信息，那么該船幾個小時前的數據就會是無用數據或是之前被發送過的數據.因此，有必要對AIS數據進行時間過濾.另外，AIS信息中包括很多字段，對于特定的應用只需要某些特定字段，例如對于船舶動態監控而言，只需要海上移動識別碼(mmsi)、經度(lon)、緯度(lat)以及更新時間(updatetime，以下簡稱ut)等字段.因此，還可以通過字段篩選減少數據量.這里主要研究定位字段.

定義tg為時間間隔，tp為過去某時刻，tn為現在時刻，則只需獲取時間區間TR=［tp，tn］內的數據，而在tp時刻以前的數據可以近似認為是無用數據.其中

式中的tg須根據具體情況決定.例如，根據北斗轉發AIS數據的速度，使得北斗正好在某個tg時間內轉發完所有應發的AIS數據，這樣就能保證所有有用的AIS數據都有機會被轉發.

為了實現對指定船舶的定位，船載AIS接收端在接收到的AIS數據后加上優先級(priority)字段，使指定船舶的AIS信息能優先被轉發.

2.2 數據過濾

通過減少重復數據的轉發，達到減輕北斗負擔、提高北斗有效利用率的目的.

如果某船舶(稱為A船)的AIS數據沒有更新且已通過北斗轉發或更新過，但是其經度和緯度與該船之前的AIS信息的相應字段的差值——經度差(londiff)和緯度差(latdiff)分別小于經度差閾值(londiffT)和緯度差閾值(latdiffT)，則稱該AIS數據為重復數據.已經通過北斗轉發的AIS數據顯然是重復數據，沒有必要再轉發一次.而之所以把經度差和緯度差都小于相應閾值的更新過的AIS信息定義為重復數據，是因為在這種情況下A船基本沒移動，其位置可近似認為沒變化.

記A船在t時刻的AIS數據為AIS_t，且設t2=t1+Δt，其中t1為上次從數據庫中取數據的時刻，t2為當前從數據庫中取數據的時刻，若

或

其中

則在t2時刻取到的A船的AIS數據為重復數據，故丟棄該數據.

設usefullais為用于存儲已發送AIS信息的數據庫表，則數據過濾的流程見圖3.

圖3 數據過濾

2.3 去除數據表示冗余

篩選出的AIS信息各字段的類型見表1.

表1 AIS信息各字段類型

從表1可以看出，前4個字段所占的空間都比較大，而本船與周圍船舶之間的距離都不遠，在緯度上相差1'近似于距離上相距1 n mile，經度上略有出入，但也可以作為近似估計.所以，周圍船舶與本船的經度差和緯度差應該很小.于是，采用差值法，用經度差和緯度差代替經度和緯度進行傳輸，然后在救助指揮中心用相反的過程恢復其經度和緯度.

另外，updatetime 的格式為 yyyy－MM－dd hh－mmss.s.注意到周圍船舶AIS的更新時間與本船AIS數據在年、月、日上更新時間絕大多數情況下相同，甚至小時也相同.如果用本船AIS數據更新時間減去周圍船舶AIS數據更新時間，其差就只包含時、分、秒、小秒，甚至連時也沒有，這樣就可大大縮短ut的長度，從而達到壓縮的效果.程序如下:

2.4 數據重組

通常，北斗轉發信息時一條北斗報文包含很多條AIS數據信息，各AIS信息之間優先級可能不一樣，因此通過北斗轉發周圍船舶AIS信息時，需要按照某種標準判斷某AIS信息的重要性.例如，要讓基站了解本船周圍的船舶情況，離本船較近船舶的AIS信息就顯得重要些;再如，若基站指定要查找某條船(比如A船)，則A船的AIS信息就顯得格外重要.因此，數據重組的過程還應該包括優先級的計算，各AIS信息的排序，以及一條北斗信息所包含的AIS信息數目的設定等.

一般情況下，以距離和等待時間作為優先級的判別因素，要想得到優先級，就得先求出距離d.本船與A船的距離［4］見如下程序:

則優先級取值規則程序如下:

若某數據A不滿足

則令

其中:

pTime為開始數據重組的時刻.

一般情況下，d值越小的船舶在某種程度上對本船影響越大，故其AIS數據的優先級應該越大;但是，如果只考慮距離因素可能導致饑俄現象，即d比較大的數據永遠都得不到轉發，于是又增加等待時間因子，等待的時間越長，其優先級越大.總之，一般情況下優先級與距離成反比，與等待時間成正比.

有了priority就可以進行排序，而采用的數據排序算法是最大堆優先級排序法［5］.堆數據結構是一種數組對象，它可以被視為一棵完全二叉樹，樹中每個節點與數組中存放該節點值的那個元素對應.而最大堆是這樣一種堆結構:除了根節點以外的每個節點 i，有

即某個節點的值至多與其父節點的值一樣大.

假定每次都依次選取前NUM條處理好的AIS數據進行數據重組，則重組后的數據格式見表2，數據重組的流程見圖4.

表2 重組后的數據格式

圖4 數據重組流程

3 數據壓縮

數據預處理部分是從過濾和差值的角度減少數據量，得到的數據必須是精簡的數據.為了更進一步減少數據量，從壓縮算法的角度著手.目前數據壓縮的算法分為有損壓縮和無損壓縮［6－7］:無損壓縮主要有霍夫曼編碼、算術編碼、香農－范若編碼、行程編碼(RLE編碼)、LZW編碼以及無損預測編碼等;有損壓縮主要有DPCM(Differential Pulse Code Modulation)編碼、DM(Delta Modulation)編碼、DCT變換編碼、小波變換編碼等.由于文本壓縮只能使用無損壓縮，而無損壓縮中LZW編碼的效果相對最好，但因為LZW編碼對小數據壓縮的效果有時不穩定，所以文本直接用java中的GZIPOutputStream和Byte－ArrayOutputStream［8］進行壓縮.實驗結果表明其字符串壓縮率平均值在29%左右.

4 北斗衛星轉發

北斗衛星每次轉發的字節數有限，每次發射的電文長度不超過120個漢字［9］，而經過上述步驟后的數據較大，因此在轉發數據時要先拆分數據.為了在接收端能將數據重新組合，必須在每條拆分的數據前用序號標志，稱之為數據報頭.格式如下:

其中:第1，2個字節表示原數據被拆分成的條數;第3，4個字節表示該數據在原數據中的序列號;最后兩個字節表示該原數據在所有數據中的序列號.

這樣，在接收端根據數據報頭判斷該數據是否已經接收完整，若接收完整就拋棄數據報頭，組裝數據，然后進行CRC校驗;若校驗結果正確，則解壓組裝后的數據，若校驗結果不正確，則丟棄該數據.具體流程見圖5.

圖5 北斗發送與接收

5 實驗結果分析

圖6顯示字符串壓縮率和總壓縮率.由圖可知字符串壓縮率在20% ～40%之間，其平均值約為29%;其總壓縮率的平均值約為2.9%，總壓縮率的取值落在1%～6%之間，與字符串壓縮率相比，其壓縮效果更明顯.總壓縮率由數據預處理和字符串壓縮兩部分組成.數據預處理過濾掉很多無用數據、重復數據以及表示冗余數據，大大減少數據量.隨著間隔tg取值的不同，重復數據量也會有所不同，因此數據預處理效果的好壞與tg的選擇有關.如果tg過小，則重復數據過多，這樣雖然總壓縮率提高，但是系統做了很多無用功;如果tg過大，則某些數據有可能永遠都得不到發送.因此，在實踐中要根據實際情況調整tg的值.

圖6 壓縮率

6 應用實例

6.1 對遇險船舶的救助

若A船在某處遇險，其通過衛星發出遇險信號，岸上指揮中心根據A船位置以及其周圍船舶的情況指揮救助.若A船恰巧在陸上AIS基站的監控盲區，則岸上指揮中心就不能掌握A船的實時信息，不利于救助.此時，若A船上配備有本文研究系統，則可以通過北斗衛星導航系統優先轉發本船的AIS信息，同時也轉發周圍船舶的AIS信息以便岸上指揮中心了解A船位置及其周圍船舶的分布情況，使岸上指揮中心能更好地指揮救助;若A船沒有配備本文研究系統，但其周圍有船舶能接受到A船的 AIS信息，并配備有本文研究系統，則岸上指揮中心同樣能了解A船的位置和其周圍船舶分布情況.結果見圖7.

圖7 對遇險船舶的救助

6.2 指定船舶監控

當基站需要知道A船的位置時，可以通過北斗發送一條命令，系統接到命令后，在船載AIS終端接收到A船AIS數據時，直接在該AIS數據后添加priority字段并令其值為MaxPriority，則系統會優先轉發該數據，從而達到指定船舶監控的功能.

7 結束語

針對陸上AIS基站存在監控盲區這一缺陷，通過集成北斗衛星導航系統和AIS系統，在合理利用北斗衛星導航系統的短報文通信前提下，有效增大AIS數據采集范圍，使船舶動態監控范圍覆蓋陸地AIS基站的監控盲區.與傳統船舶動態監控技術相比具有如下特點:

(1)船舶動態監控范圍擴展到陸地AIS基站的監控盲區;(2)實現指定船舶監控功能;(3)可以用作海上移動AIS中轉站，實現對處于陸地AIS基站盲區且未配備北斗系統船舶的監控;(4)有效壓縮AIS數據，降低北斗衛星導航系統傳達相同信息所需轉發的數據量.

陸地AIS基站盲區的船舶AIS數據采集也可以通過其他衛星系統實現，但通過北斗衛星導航系統實現成本相對較低.北斗帶寬有限，因此采用一系列措施降低船舶AIS數據的傳輸數據量.

程序中的時間間隔tg對性能影響較大，因此選擇合適的tg很重要，目前在實踐中主要通過人工選擇來調節tg的值.在接下來的工作中，將進一步研究如何實現tg的智能調節.

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