一種遠程船舶動態監控系統的研究與展望

王郁茗，張尚悅

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一種遠程船舶動態監控系統的研究與展望

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（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監控和預警指揮的問題，提出一種遠程船舶動態監控系統—北斗AIS系統。通過分析比較衛星AIS、LRIT系統在遠程船舶動態監控中的應用缺陷，設計構想北斗AIS系統并對其優點進行了研究分析，證明北斗AIS系統能夠有效增大艦用AIS的作用范圍，且能保證信息的完整性和數據更新頻率，增強傳輸保密性。

船舶 遠洋動態監控 北斗系統 衛星AIS LRIT 數據處理

0 引言

船舶自動識別接收系統（Automatic Identificati-on System）AIS是集現代通信、網絡和信息技術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[1]，已陸續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據，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監控變得刻不容緩。

衛星AIS與遠程與識別跟蹤系統（long range identification and tracking ，LRIT）都可用于遠海域動態監控，但它們在軍艦上應用存在局限性。本文基于對衛星AIS以及LRIT在艦船遠洋航行動態監控中應用情況及局限性的分析，結合北斗系統與AIS的功能特點，構想了北斗AIS的邏輯結構，并對其優勢進行了探討和分析。

1 衛星AIS系統

1.1衛星AIS的概況

衛星AIS是一種船舶定位技術，通過低軌道的衛星接收船舶發送的AIS報文信息，衛星將接收和解碼AIS報文信息轉發給相應的地球站，從而讓陸地管理機構掌握船舶的相關動態信息，實現對遠洋海域航行船舶的監控[3]。

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

從小衛星提供的通信業務來劃分。衛星AIS屬于非實時通信系統。系統對船舶位置的覆蓋不是一直持續的。要實現系統全球范圍的覆蓋并保證一定數量地球站的使用，有必要使用存儲轉發技術來傳輸AIS數據。即用戶發送的報文在衛星上解調/解碼，若信宿站就在當前衛星覆蓋范圍內，文件就被立即轉發到信宿站，否則文件將由衛星固態存儲器保存。等待衛星飛臨信宿站上空時再被轉發。在衛星覆蓋區內，系統用戶間可以實時地進行通信并下載數據。

1.2 衛星AIS存在的問題

通過分析衛星AIS的系統原理與構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）衛星數量目前較少，有些地方衛星需要很長時間才能到達其上空；

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

2）報文沖突問題

衛星收集AIS數據的主要障礙是報文沖突問題，尤其在高船舶密度區域系統性能會大幅度降低。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，也是衛星AIS信號接收差的原因之一。

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

4）數據安全性存在嚴重問題

衛星探測AIS消息是全球開放性服務。不同于點對點的系統，人們可以簡單迅速地接收配備A類設備的船舶發送的AIS數據。這樣一來，數據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（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、船位和時間等數據，并利用全球海上遇險和搜救系統(GMDSS)的Inmarsat-C或高頻設備(HF)以固定的時間間隔發送LRIT數據，經計算機對數據處理，實現船舶的遠程識別與跟蹤[5]。

2.2 LRIT系統要求

根據國際海事組織（IMO）要求，船舶配備滿足SOLASV/9-1條款規定的LRIT系統設備，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。其系統要求主要有：

1）終端設備傳輸船舶ID、位置與當時時間，不發送所有AIS信息；

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

3）發送數據到岸上基站，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在遠洋動態監控中的局限性

通過分析LRIT系統結構及要求可分析出其在遠洋動態監控中存在不足：

1）傳輸的信息量較少。并不是所有AIS提供的數據，不足以滿足岸上指揮人員對遠洋航行艦船的動態掌控。

2）更新時間慢。LRIT能在30 min完成報告，發送周期一般為6 h（更高頻率要求除外），而且LRIT中心在收到船舶發送的LRIT信息后的15分鐘才能將數據發送給岸上指揮人員。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控性。

3）保密性問題較大。LRIT通過國際海事衛星通信系統Inmarsat船舶地球站發送數據，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據，但通過海事衛星傳送我軍艦船重要信息，將對未來海域作戰帶來嚴重安全隱患。

3 北斗AIS系統研究

通過分析衛星AIS以及LRIT在艦船遠洋航行動態監控中的局限性可知，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系統的優勢。

3.1北斗系統的功能及優勢

北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統，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星導航系統，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 北斗系統的功能

北斗衛星導航系統具有以下三大功能[6]：

1）快速定位

目前，該系統可在亞太地區全天候、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，北斗衛星導航系統具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數字報文通信能力，可實現70~210字節的雙向數字報文通信服務；

3）精確授時

北斗衛星導航系統具有單向和雙向兩種授時功能，利用定時用戶終端，完成與北斗衛星導航系統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 北斗系統的優勢

通過研究北斗衛星導航系統，分析出以下四點優勢：

1）通信與定位功能，比起GPS，北斗無需其他通信系統的支持；

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

3）適合集團用戶大范圍數據采集和監控管理用戶數據傳輸應用；

4）由我國自主生產，可靠性高、穩定性好、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情況。信息種類見表1.

表1 AIS信息種類

3.3北斗AIS系統的構想及優勢

3.3.1 北斗AIS終端構想

針對AIS通信距離有限的問題，本文提出一種遠程船舶動態監控系統—北斗AIS系統的構想。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議轉發到岸上監控中心，將數據入庫到監控中心并進行動靜態信息顯示。北斗AIS系統邏輯結構如圖1所示。北斗AIS系統終端邏輯結構如圖2所示。

圖1 北斗AIS系統邏輯結構圖

3.3.2北斗AIS系統的優勢

北斗AIS系統就是利用北斗系統與AIS系統各自的功能特點，將北斗與AIS終端通過核心處理器模塊結合，將AIS信息利用北斗網絡傳送到基站。通過研究分析可得北斗AIS系統的幾點優勢：

1）無監控盲區。通過北斗衛星中轉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監控；

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過一定處理之后傳輸到北斗終端，相比衛星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情況。

3）保證數據更新頻率。北斗二號系統預計2020年全面建成，屆時通信功能將覆蓋全球。利用北斗系統中轉AIS信息，相比衛星AIS與LRIT系統，保證數據更新頻率滿足監控要求。

4）安全保密性強。北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統，安全、可靠、穩定，保密性強，相比衛星AIS的低軌道衛星與LRIT的國際海事衛星Inmarsat，北斗中轉艦用AIS信息，避免了安全隱患。

4 研究展望

北斗AIS的構想不僅擴大了AIS的作用范圍，還解決了衛星AIS與LRIT在艦船遠洋航行動態監控中存在的局限性。在一片海域內本艦接收的AIS信息量往往較大，而北斗短報文通信能力有限。通過北斗系統轉發一片海域船舶的AIS信息，在設計核心處理器時就需要考慮如何處理大量數據，從而滿足北斗信道容量。這將是接下來的工作重點。對數據的處理主要采用先分類過濾再進行壓縮的方法，數據處理流程圖見圖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數據量往往很大，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據進行分類過濾，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信息傳輸到岸上指揮中心，從而滿足數據量要求；

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

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容。

4.2信息壓縮處理

AIS信息經過分類過濾處理，其數據量已經大大減小，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，既使數據經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，數據量較少時，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；數據量多時，采取的算法既要側重誤碼率大小，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，數據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。對于相同數據量的AIS信息，采用不同壓縮算法進行試驗。根據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據量的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 結束語

AIS是在VHF海上移動頻段傳輸數據，傳播距離有限，存在遠海域監控盲區。北斗系統是我國自主研發的衛星導航系統，其具有定位、短報文通信功能，安全、可靠、穩定，保密性強。本文通過比較衛星AIS、LRIT系統在艦船遠洋航行動態監控中的缺陷，發現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監控系統—北斗AIS系統，并詳細分析了其主要功能和優點。

[1] 鮑君忠, 周尊山, 徐東華, 等. 船載自動識別系統應用[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. 衛星通信系統[M]. 北京: 國防工業出版社, 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。專業方向：交通信息工程及控制。