一種遠程船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與展望

王郁茗，張尚悅

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一種遠程船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與展望

王郁茗，張尚悅

(海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018)

針對船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）廣播距離受限，岸上指揮中心無法通過基站對遠洋航行的艦艇進行快速準確地動態(tài)監(jiān)控和預警指揮的問題，提出一種遠程船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)—北斗AIS系統(tǒng)。通過分析比較衛(wèi)星AIS、LRIT系統(tǒng)在遠程船舶動態(tài)監(jiān)控中的應用缺陷，設計構(gòu)想北斗AIS系統(tǒng)并對其優(yōu)點進行了研究分析，證明北斗AIS系統(tǒng)能夠有效增大艦用AIS的作用范圍，且能保證信息的完整性和數(shù)據(jù)更新頻率，增強傳輸保密性。

船舶 遠洋動態(tài)監(jiān)控 北斗系統(tǒng) 衛(wèi)星AIS LRIT 數(shù)據(jù)處理

0 引言

船舶自動識別接收系統(tǒng)（Automatic Identificati-on System）AIS是集現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡和信息技術(shù)于一體的多門類高科技新型航海助航設備和安全信息系統(tǒng)[1]，已陸續(xù)安裝在民用船只和軍艦上。艦用AIS既要保證軍艦航行的安全性，避免和其它船舶發(fā)生碰撞事故，維護航行水域交通的有序性，又要保證軍艦活動的隱蔽性和保密性。在編隊運動時，還要保證編隊內(nèi)艦船間的交通管理和組織指揮順暢。AIS是在VHF海上移動頻段傳輸數(shù)據(jù)，廣播距離有限[2]。但是隨著中國海軍走向深藍，遠洋航行任務增多，為保證艦船的遠洋航行保障能力，加強艦船的遠海域動態(tài)監(jiān)控變得刻不容緩。

衛(wèi)星AIS與遠程與識別跟蹤系統(tǒng)（long range identification and tracking ，LRIT）都可用于遠海域動態(tài)監(jiān)控，但它們在軍艦上應用存在局限性。本文基于對衛(wèi)星AIS以及LRIT在艦船遠洋航行動態(tài)監(jiān)控中應用情況及局限性的分析，結(jié)合北斗系統(tǒng)與AIS的功能特點，構(gòu)想了北斗AIS的邏輯結(jié)構(gòu)，并對其優(yōu)勢進行了探討和分析。

1 衛(wèi)星AIS系統(tǒng)

1.1衛(wèi)星AIS的概況

衛(wèi)星AIS是一種船舶定位技術(shù)，通過低軌道的衛(wèi)星接收船舶發(fā)送的AIS報文信息，衛(wèi)星將接收和解碼AIS報文信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應的地球站，從而讓陸地管理機構(gòu)掌握船舶的相關動態(tài)信息，實現(xiàn)對遠洋海域航行船舶的監(jiān)控[3]。

從概念上講，衛(wèi)星探測AIS即使用一顆或者多顆低軌道的衛(wèi)星(衛(wèi)星軌道高度在600 km到1000 km)，在這些衛(wèi)星上面搭載AIS收發(fā)機來接收和解碼AIS報文并將信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應的地球站，從而讓陸地管理機構(gòu)掌握船舶的相關動態(tài)信息[4]。衛(wèi)星AIS系統(tǒng)主要用于傳輸AIS報文信息，以短消息數(shù)據(jù)傳輸為主。且運行衛(wèi)星數(shù)量較少，屬于低軌小衛(wèi)星系統(tǒng)。

從小衛(wèi)星提供的通信業(yè)務來劃分。衛(wèi)星AIS屬于非實時通信系統(tǒng)。系統(tǒng)對船舶位置的覆蓋不是一直持續(xù)的。要實現(xiàn)系統(tǒng)全球范圍的覆蓋并保證一定數(shù)量地球站的使用，有必要使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來傳輸AIS數(shù)據(jù)。即用戶發(fā)送的報文在衛(wèi)星上解調(diào)/解碼，若信宿站就在當前衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，文件就被立即轉(zhuǎn)發(fā)到信宿站，否則文件將由衛(wèi)星固態(tài)存儲器保存。等待衛(wèi)星飛臨信宿站上空時再被轉(zhuǎn)發(fā)。在衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)用戶間可以實時地進行通信并下載數(shù)據(jù)。

1.2 衛(wèi)星AIS存在的問題

通過分析衛(wèi)星AIS的系統(tǒng)原理與構(gòu)成可得出以下幾個問題：

1）船只更新不及時

船舶更新不及時受多方面原因影響，主要有以下2種：

（1）衛(wèi)星數(shù)量目前較少，有些地方衛(wèi)星需要很長時間才能到達其上空；

（2）衛(wèi)星運動速度較快，每115 min左右繞地球一圈，但是在海上航行的船舶信號發(fā)送頻率在12s左右，有時候很難捕獲到。

2）報文沖突問題

衛(wèi)星收集AIS數(shù)據(jù)的主要障礙是報文沖突問題，尤其在高船舶密度區(qū)域系統(tǒng)性能會大幅度降低。AIS通信采用的是VHF通信，頻率在156-164 MHz，與海上其他的通信頻率接近。另外中國沿海船舶眾多，信號傳輸相互干擾厲害，也是衛(wèi)星AIS信號接收差的原因之一。

3）衛(wèi)星AIS信息缺少吃水、目的地、ETA等信息這個是因為AIS信息的發(fā)送頻率造成的，船舶AIS信息中的航程信息，需要在6 min發(fā)送一次，而衛(wèi)星掠過船舶上空的時間，也就幾秒鐘，多數(shù)情況下只能獲得船舶動態(tài)信息，無法獲得航程信息。

4）數(shù)據(jù)安全性存在嚴重問題

衛(wèi)星探測AIS消息是全球開放性服務。不同于點對點的系統(tǒng)，人們可以簡單迅速地接收配備A類設備的船舶發(fā)送的AIS數(shù)據(jù)。這樣一來，數(shù)據(jù)的安全性就相對差一些。用戶可以自由獲取并使用接收到的AIS信號。包括潛在的商業(yè)用途、軍事用途，這會對船舶安保帶來一定的負面影響。

2 遠程識別與跟蹤系統(tǒng)（LRIT）

2.1 LRIT概述

船舶遠程識別與跟蹤（LRIT)通過從AIS提取船舶識別碼、船位和時間等數(shù)據(jù)，并利用全球海上遇險和搜救系統(tǒng)(GMDSS)的Inmarsat-C或高頻設備(HF)以固定的時間間隔發(fā)送LRIT數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機對數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)船舶的遠程識別與跟蹤[5]。

2.2 LRIT系統(tǒng)要求

根據(jù)國際海事組織（IMO）要求，船舶配備滿足SOLASV/9-1條款規(guī)定的LRIT系統(tǒng)設備，于2008年12月31日后投入運營，主要用于跟蹤船舶和獲取相應信息。其系統(tǒng)要求主要有：

1）終端設備傳輸船舶ID、位置與當時時間，不發(fā)送所有AIS信息；

2）自動定時發(fā)送信息：300海里以外海域，每四小時發(fā)送一次；沿岸300海里內(nèi)海域，每一小時發(fā)送一次；

3）發(fā)送數(shù)據(jù)到岸上基站，保證信息安全性，即不會泄露，不被盜用篡改；

4）能與定位設備連接或者自身具有定位功能[1]。

2.3 LRIT在遠洋動態(tài)監(jiān)控中的局限性

通過分析LRIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及要求可分析出其在遠洋動態(tài)監(jiān)控中存在不足：

1）傳輸?shù)男畔⒘枯^少。并不是所有AIS提供的數(shù)據(jù)，不足以滿足岸上指揮人員對遠洋航行艦船的動態(tài)掌控。

2）更新時間慢。LRIT能在30 min完成報告，發(fā)送周期一般為6 h（更高頻率要求除外），而且LRIT中心在收到船舶發(fā)送的LRIT信息后的15分鐘才能將數(shù)據(jù)發(fā)送給岸上指揮人員。因此LRIT相當于艦船活動的定期錄像，不能滿足對遠洋航行艦船的實時監(jiān)控性。

3）保密性問題較大。LRIT通過國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)Inmarsat船舶地球站發(fā)送數(shù)據(jù)，本身就不滿足我軍要求的保密性問題，雖然它是應用點對點傳送數(shù)據(jù)，但通過海事衛(wèi)星傳送我軍艦船重要信息，將對未來海域作戰(zhàn)帶來嚴重安全隱患。

3 北斗AIS系統(tǒng)研究

通過分析衛(wèi)星AIS以及LRIT在艦船遠洋航行動態(tài)監(jiān)控中的局限性可知，它們主要存在信息量不足、更新頻率慢、保密性差三方面問題。下面針對這三個問題分析AIS及北斗組合成北斗AIS系統(tǒng)的優(yōu)勢。

3.1北斗系統(tǒng)的功能及優(yōu)勢

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其具有定位、通信功能，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后，第三個趨于成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它改變了我國長期缺少高精度、實時定位手段的局面，打破了美國和俄羅斯在這一領域的壟斷地位。

3.1.1 北斗系統(tǒng)的功能

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有以下三大功能[6]：

1）快速定位

目前，該系統(tǒng)可在亞太地區(qū)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務。定位響應時間：1類用戶5 s；2類用戶2秒；3類用戶1 s。定位更新時間小于1。一次性定位成功率95%。定位精度與GPS民用定位精度相當；

2）簡短報文

即短報文通信，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數(shù)字報文通信能力，可實現(xiàn)70~210字節(jié)的雙向數(shù)字報文通信服務；

3）精確授時

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有單向和雙向兩種授時功能，利用定時用戶終端，完成與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)之間的時間和頻率同步，提供100 ns（單向授時）和20 ns（雙向授時）的同步精度。

3.1.2 北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢

通過研究北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，分析出以下四點優(yōu)勢：

1）通信與定位功能，比起GPS，北斗無需其他通信系統(tǒng)的支持；

2）目前整個亞太區(qū)域沒有通信盲區(qū)。預計2020年，北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面建成，屆時通信范圍覆蓋全球；

3）適合集團用戶大范圍數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控管理用戶數(shù)據(jù)傳輸應用；

4）由我國自主生產(chǎn)，可靠性高、穩(wěn)定性好、安全保密性強。

3.2 AIS的信息種類

AIS的信息量非常豐富，足以滿足岸上指揮人員充分掌握遠洋航行艦船動靜態(tài)情況。信息種類見表1.

表1 AIS信息種類

3.3北斗AIS系統(tǒng)的構(gòu)想及優(yōu)勢

3.3.1 北斗AIS終端構(gòu)想

針對AIS通信距離有限的問題，本文提出一種遠程船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)—北斗AIS系統(tǒng)的構(gòu)想。艦船將本船與周圍船只的AIS信息利用AIS終端通過核心處理器經(jīng)過分類、過濾、壓縮等處理后，輸入到北斗終端，通過北斗通信模塊按照通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到岸上監(jiān)控中心，將數(shù)據(jù)入庫到監(jiān)控中心并進行動靜態(tài)信息顯示。北斗AIS系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。北斗AIS系統(tǒng)終端邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 北斗AIS系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.3.2北斗AIS系統(tǒng)的優(yōu)勢

北斗AIS系統(tǒng)就是利用北斗系統(tǒng)與AIS系統(tǒng)各自的功能特點，將北斗與AIS終端通過核心處理器模塊結(jié)合，將AIS信息利用北斗網(wǎng)絡傳送到基站。通過研究分析可得北斗AIS系統(tǒng)的幾點優(yōu)勢：

1）無監(jiān)控盲區(qū)。通過北斗衛(wèi)星中轉(zhuǎn)AIS信息，解決了AIS廣播距離受限的問題，從而保證艦船遠航的動態(tài)監(jiān)控；

2）信息全面。核心處理器對艦用AIS終端搜集到的一片海域的信息經(jīng)過一定處理之后傳輸?shù)奖倍方K端，相比衛(wèi)星AIS與LRIT，更好地保證了信息的完整性，使岸上指揮人員充分掌握遠洋航行艦船動靜態(tài)情況。

3）保證數(shù)據(jù)更新頻率。北斗二號系統(tǒng)預計2020年全面建成，屆時通信功能將覆蓋全球。利用北斗系統(tǒng)中轉(zhuǎn)AIS信息，相比衛(wèi)星AIS與LRIT系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)更新頻率滿足監(jiān)控要求。

4）安全保密性強。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，安全、可靠、穩(wěn)定，保密性強，相比衛(wèi)星AIS的低軌道衛(wèi)星與LRIT的國際海事衛(wèi)星Inmarsat，北斗中轉(zhuǎn)艦用AIS信息，避免了安全隱患。

4 研究展望

北斗AIS的構(gòu)想不僅擴大了AIS的作用范圍，還解決了衛(wèi)星AIS與LRIT在艦船遠洋航行動態(tài)監(jiān)控中存在的局限性。在一片海域內(nèi)本艦接收的AIS信息量往往較大，而北斗短報文通信能力有限。通過北斗系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)一片海域船舶的AIS信息，在設計核心處理器時就需要考慮如何處理大量數(shù)據(jù)，從而滿足北斗信道容量。這將是接下來的工作重點。對數(shù)據(jù)的處理主要采用先分類過濾再進行壓縮的方法，數(shù)據(jù)處理流程圖見圖3。

圖3 AIS信息處理流程圖

4.1信息分類過濾

一片海域本艦接收到的AIS數(shù)據(jù)量往往很大，而周圍船舶AIS信息很多是無用的，這就需要通過一定的方法對這些數(shù)據(jù)進行分類過濾，從而選取有效信息，下面提出幾種篩選方法的設想：

1）距離限制法。艦船在航行中根據(jù)其任務要求及上級指令，通過收縮以VHF信號廣播距離為半徑的圓形AIS信息區(qū)域，過濾距本艦較遠的船舶AIS信息，將距本艦較近的AIS信息傳輸?shù)桨渡现笓]中心，從而滿足數(shù)據(jù)量要求；

2）時間限制法。對于處在拋錨停泊狀態(tài)的船舶，在其停泊狀態(tài)下無需轉(zhuǎn)發(fā)AIS信息，這時要通過時間的限制，過濾掉該段時間內(nèi)該船舶AIS信息。當一定時間間隔閾值內(nèi)，該船舶廣播的AIS信息近似相同時，則轉(zhuǎn)發(fā)時過濾掉該船信息。

3）舷角限制法。通過限制本艦舷角大小獲取相應角度內(nèi)海域中其他船舶的AIS信息，有利于岸上指揮中心掌握目標海域船舶的大致動向，對下一步的指揮監(jiān)控，防止避碰等起到關鍵作用。

除了以上幾種限制方法外，還可以采取對地速度(SOG)限制、UTC限制等方法，這些只是針對信息過濾方法的幾種設想，具體如何實施將是作者今后需要研究的內(nèi)容。

4.2信息壓縮處理

AIS信息經(jīng)過分類過濾處理，其數(shù)據(jù)量已經(jīng)大大減小，然而在一片海域大量船只的情況下，仍然不能滿足北斗信道容量，這樣就要采取一定的壓縮方法，既使數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼壓縮處理后滿足北斗信道容量，又要保證一定誤碼率，使之不影響信息的識別應用。在選取算法時，可以根據(jù)不同容量選取不同的算法，考慮時效性，選擇適當壓縮比。例如，數(shù)據(jù)量較少時，就要采取一種快速壓縮的算法，減少時間，獲取高的更新頻率；數(shù)據(jù)量多時，采取的算法既要側(cè)重誤碼率大小，又要滿足更新頻率，通過比較不同算法選擇最佳壓縮比。

目前，數(shù)據(jù)壓縮的算法分為有損壓縮和無損壓縮，對于AIS文本信息壓縮通常采用無損壓縮，主要有以下幾種：霍夫曼編碼、算術(shù)編碼、香農(nóng)-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DPCM編碼、DM編碼、DCT變換編碼、小波變換編碼等[7]。對于選取哪種壓縮算法，可以通過以下兩種方法比較選取：

1）縱向比較。對于相同數(shù)據(jù)量的AIS信息，采用不同壓縮算法進行試驗。根據(jù)壓縮時間及誤碼率情況折中選取合適的算法。

2）橫向比較。將同種算法應用于不同數(shù)據(jù)量的AIS信息，如應用于少于50條船情況，50至100條船情況，100至200條船情況，比較各個算法的壓縮情況（壓縮時間、誤碼率等）。

5 結(jié)束語

AIS是在VHF海上移動頻段傳輸數(shù)據(jù)，傳播距離有限，存在遠海域監(jiān)控盲區(qū)。北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其具有定位、短報文通信功能，安全、可靠、穩(wěn)定，保密性強。本文通過比較衛(wèi)星AIS、LRIT系統(tǒng)在艦船遠洋航行動態(tài)監(jiān)控中的缺陷，發(fā)現(xiàn)它們存在信息量不足、更新頻率慢、保密性差三方面的問題。然后提出一種遠程船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)—北斗AIS系統(tǒng)，并詳細分析了其主要功能和優(yōu)點。

[1] 鮑君忠, 周尊山, 徐東華, 等. 船載自動識別系統(tǒng)應用[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2006.

[2] 魏冰. AIS的應用及前景展望[J]. 中國水運, 2012(7): 70-92

[3] IMO-Document MSC86/25/1, Comments on the satellite detection of AIS[M]. London: IMO, 2009.

[4] 王兵, 周賢偉等. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006: 11-12.

[5] IMO. Resolution MSC. 210-performance standards and functional requirements for the long-range identification and tracking of ships[M]. London: IMO, 2007.

[6] 黃瑞. 基于北斗短報文剖分面片傳輸應用技術(shù)研究[D]. 吉林: 吉林大學, 2009.

[7] 徐成俊, 舒毅, 柴蓉, 等. 文本壓縮算法的比較研究[J]. 甘肅科技, 2006, 22(12): 81-83.

Research &Prospect for Ship Long-range Dynamically Monitoring System

Wang Yuming, Zhang Shangyue

（Dept. of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, Liaoning, China）

TP311

A

1003-4862（2015）02-00016-05

2014-09-17

王郁茗（1990-），男，研究生。專業(yè)方向：交通信息工程及控制。