AIS系統(tǒng)ITU-R M.1371協(xié)議研究

◎ 韓孟強(qiáng)　北海航海保障中心煙臺(tái)航標(biāo)處

AIS系統(tǒng)ITU-R M.1371協(xié)議研究

◎ 韓孟強(qiáng)北海航海保障中心煙臺(tái)航標(biāo)處

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）是工作在VHF海上頻段的新興的船舶和岸基廣播系統(tǒng)。本文介紹了AIS相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系，著重分析了ITU 1371協(xié)議的分類、演進(jìn)、通信主題等，并進(jìn)一步闡述了AIS技術(shù)應(yīng)用及與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合的前景。

協(xié)議 演進(jìn) 幀格式 解析 編碼

1.AIS系統(tǒng)建設(shè)基本情況

中國(guó)海事局自2000年開始建設(shè)“中國(guó)沿海船舶自動(dòng)識(shí)別岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，針對(duì)中國(guó)沿海的具體情況，經(jīng)過(guò)選點(diǎn)、勘察和測(cè)試，歷經(jīng)先期的渤海灣、珠江口、長(zhǎng)江口、瓊州海峽AIS岸基系統(tǒng)工程，北方海區(qū)、東海海區(qū)、南海海區(qū)AIS一期、二期岸基系統(tǒng)工程及后期的補(bǔ)點(diǎn)建設(shè)，在全國(guó)沿海共建設(shè)完成121座AIS基站，一個(gè)國(guó)家AIS管理維護(hù)中心、3個(gè)海區(qū)AIS管理維護(hù)中心，19個(gè)轄區(qū)AIS管理維護(hù)中心，標(biāo)志著全國(guó)沿海AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建成。AIS信號(hào)基本覆蓋全國(guó)沿海水域，重點(diǎn)港口、航道已實(shí)現(xiàn)多重覆蓋，系統(tǒng)可用性達(dá)到99.95%以上。

為服務(wù)內(nèi)河航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，支持內(nèi)河高等級(jí)航道建設(shè)，自2010年開始建設(shè)內(nèi)河AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括黑龍江和松花江水系、京杭運(yùn)河與淮河水系、長(zhǎng)江水系以及珠江水系。截至目前共建成4個(gè)水系管理中心、13個(gè)轄區(qū)中心和143座基站，并實(shí)現(xiàn)了內(nèi)河AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與沿海AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)互通。

經(jīng)過(guò)10余年來(lái)的研究開發(fā)與建設(shè)應(yīng)用，我國(guó)AIS岸基網(wǎng)絡(luò)不僅成為船舶航行的助航系統(tǒng)，也成為船舶安全監(jiān)管、海上事故調(diào)查和海上演練等不可或缺的支持保障系統(tǒng)，更在保障海洋權(quán)益、保障航運(yùn)安全和保護(hù)水域環(huán)境等方面發(fā)揮出積極作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.國(guó)際組織對(duì)AIS協(xié)議的規(guī)定

①與AIS相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織有國(guó)際海事組織（IMO）、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、世界無(wú)線電通信大會(huì)（WRC）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）、國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）。

對(duì)船舶使用AIS及AIS設(shè)備的要求做官方規(guī)定的IMO是監(jiān)管者，對(duì)AIS的通信性能標(biāo)準(zhǔn)定義并修正的ITU是定義者，對(duì)AIS設(shè)備具體功能、性能制定標(biāo)準(zhǔn)的IEC是標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行者。

②國(guó)際電信聯(lián)盟綜合考慮以上建議，提出：

（1）國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)通用船載AIS的要求；

（2）使用該AIS可以在船與船之間、船與岸上電臺(tái)之間，有效地交換導(dǎo)航數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)航行的安全性；

（3）這樣的系統(tǒng)主要用于導(dǎo)航安全、船與船之間的監(jiān)視、船舶的數(shù)據(jù)報(bào)告以及船舶交通服務(wù)（VTS）。也可用于其它海上通信安全，假定不削弱其主要功能的話；

（4）使用SOTDMA的系統(tǒng)可以容納所有的用戶，并滿足未來(lái)有效使用頻譜的可能需求；

（5）該系統(tǒng)是自主的、自動(dòng)的、連續(xù)的，主要的操作是廣播，而且還可使用TDMA技術(shù)，運(yùn)行在指配方式和詢問(wèn)方式；

（6）該系統(tǒng)能夠擴(kuò)展，以便在將來(lái)增加用戶數(shù)量，并使應(yīng)用多樣化，包括沒有按照IMO的要求來(lái)裝備AIS的船只，輔助導(dǎo)航和搜救。

（7）IALA正在為AIS制造商和其它感興趣的團(tuán)體，維護(hù)和出版一種關(guān)于國(guó)際應(yīng)用標(biāo)識(shí)碼分支和技術(shù)指南的記錄。

圖1　國(guó)際海事組織（IMO）文件

圖2　國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）文件

3.ITU-R M.1371協(xié)議演進(jìn)

ITU-R M.1371-1發(fā)展至1371-5，變化主要有：

（1）在數(shù)據(jù)幀中加入包含同步狀態(tài)和時(shí)隙相關(guān)信息的通信狀態(tài)位。

（2）針對(duì)報(bào)文反復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)造成的時(shí)隙利用效率低下，在報(bào)文中加入了轉(zhuǎn)發(fā)計(jì)數(shù)位，初始狀態(tài)位為1或2。當(dāng)報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)站轉(zhuǎn)發(fā)后，該位+1，當(dāng)該位等于3時(shí)，報(bào)文將不再被轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）為提高資源利用率，詳細(xì)定義6號(hào)和8號(hào)報(bào)文的二進(jìn)制信息。

（4）增加報(bào)文7、報(bào)文13、報(bào)文17和報(bào)文22的描述。

（5）增加了23號(hào)組指派命令報(bào)文、24號(hào)靜態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)文、25號(hào)單時(shí)隙二進(jìn)制報(bào)文、26號(hào)含通信狀態(tài)的多時(shí)隙二進(jìn)制報(bào)文、27號(hào)大量程AIS報(bào)文。

（6）增加擴(kuò)展的航標(biāo)名稱位至21號(hào)報(bào)文，AIS航標(biāo)名稱字符數(shù)由20個(gè)增加到最多34個(gè)。

表1　A類B類AIS設(shè)備物理參數(shù)對(duì)比圖

4.AIS通信技術(shù)特性

①A IS通信主體包括基站、船臺(tái)、AIS航標(biāo)、AIS搜救相關(guān)、AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺(tái)站。

②AIS臺(tái)站按照是否移動(dòng)可分為移動(dòng)和固定兩類，移動(dòng)臺(tái)站包括A類船載移動(dòng)臺(tái)站、B類船載移動(dòng)臺(tái)站、機(jī)載AIS臺(tái)站和助航臺(tái)站。

固定臺(tái)站包括基站、單工轉(zhuǎn)發(fā)器和雙工轉(zhuǎn)發(fā)器。按照功能ITU定義可分為AIS船載臺(tái)、助航AIS臺(tái)、受限基站、搜救移動(dòng)航空器設(shè)備及轉(zhuǎn)發(fā)臺(tái)。AIS種類有Class A（通用船載自動(dòng)識(shí)別設(shè)備）；Class B（適合小型船舶安裝AIS設(shè)備）；Class C（基站）；Class S（搜救飛機(jī)及直升機(jī)用AIS設(shè)備）；Class N（Aids to Navigation）航標(biāo)AIS設(shè)備。A類B類AIS設(shè)備物理參數(shù)對(duì)比如表1。

A類B類AIS設(shè)備在通信制式、靜態(tài)報(bào)告、報(bào)告更新率、報(bào)文通信方面也不相同。

③AIS通信模型包含開放式系統(tǒng)互連（OSI）模型的1～4層（物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層）。

（1）物理層主要負(fù)責(zé)將來(lái)自源的比特流輸出到數(shù)據(jù)鏈，對(duì)裝配的發(fā)射用數(shù)據(jù)包進(jìn)行NRZI編碼，把數(shù)字NRZI編碼的發(fā)射用數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成模擬GMSK信號(hào)，調(diào)制發(fā)射機(jī)。

（2）為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋z測(cè)和糾錯(cuò)，鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)的打包方法。鏈路層分成介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）、數(shù)據(jù)鏈服務(wù)（DLS）、鏈路管理實(shí)體（LME）3個(gè)子層。MAC子層使用公共時(shí)間基準(zhǔn)的TDMA訪問(wèn)數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，即VHF數(shù)據(jù)鏈。AIS系統(tǒng)采用幀的概念，一幀為1分鐘，分為2250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙為26.67ms，每一幀開始和結(jié)束都是以UTC分鐘一致的。

（3）網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)通道連接；管理報(bào)文的優(yōu)先級(jí)指定；兩個(gè)通道之間發(fā)射用數(shù)據(jù)包的分配；數(shù)據(jù)鏈擁塞的解決。作用：（a）信道管理，建立和保持信道連接。AIS工作信道為87B和88B，只能在人工輸入命令、基地臺(tái)發(fā)來(lái)的TDMA命令、基地臺(tái)發(fā)來(lái)的DSC命令等情況下轉(zhuǎn)換到其他信道上工作。（b）確定報(bào)告速率；（c）解決信道阻塞問(wèn)題。

（4）傳輸層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大小合適的發(fā)射用數(shù)據(jù)包；將數(shù)據(jù)包排隊(duì);將協(xié)議與較高若干層接口。傳輸層應(yīng)當(dāng)將來(lái)自表示層接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成發(fā)射用數(shù)據(jù)包，如果發(fā)射用數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度要求在5個(gè)以上的時(shí)隙中才能發(fā)射完，或者對(duì)AIS移動(dòng)臺(tái)，如果報(bào)文6、8、12、14在這一幀中通過(guò)RATDMA協(xié)議發(fā)射的時(shí)隙總數(shù)超過(guò)20，則AIS不應(yīng)當(dāng)發(fā)射該數(shù)據(jù)，而應(yīng)當(dāng)響應(yīng)以一個(gè)負(fù)證實(shí)給表示層接口。

5.AIS技術(shù)應(yīng)用

5.1優(yōu)化船舶調(diào)度與提升航運(yùn)效率

AIS信息有利于調(diào)度人員全面了解和分析海上船舶交通狀況與各航線的船舶流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的科學(xué)、有效地調(diào)度，提高船舶進(jìn)出港效率，創(chuàng)建一個(gè)高效和諧的海上交通環(huán)境。AIS信息可與雷達(dá)信息相融合，提供精確、全面的船舶實(shí)時(shí)的信息，增強(qiáng)雷達(dá)的信息識(shí)別能力；AIS可以擴(kuò)展航海雷達(dá)系統(tǒng)的觀測(cè)范圍，彌補(bǔ)雷達(dá)的觀測(cè)盲區(qū)；AIS還能夠克服雨雪對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生的干攏，使船舶能夠在暴雨、大雪等惡劣天氣下安全的進(jìn)出港口。

5.2海上人命和安全救助

海上船舶發(fā)生事故后，通過(guò)AIS數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確定位查找遇險(xiǎn)船舶，掌握事發(fā)水域周圍水域環(huán)境及通航狀況，為及時(shí)開展海上搜救工作創(chuàng)造有利時(shí)機(jī)，縮短救助時(shí)間，提高搜救效率，最大限度的保護(hù)海上人命和財(cái)產(chǎn)安全。

5.3提供助航服務(wù)，維護(hù)航行安全

利用AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以及時(shí)對(duì)安裝AIS船臺(tái)的船舶播發(fā)航標(biāo)動(dòng)態(tài)、水文、氣象、航行警告、等信息，豐富了助航信息發(fā)布手段，為航海用戶提供了更為優(yōu)質(zhì)的航海保障服務(wù)。

5.4設(shè)置虛擬航標(biāo)

虛擬航標(biāo)是依據(jù)ITU 1371-1標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)AIS基站播發(fā)的一種助航標(biāo)志。在遇到沉船等緊急情況及在某些水域需要設(shè)標(biāo)又不便于設(shè)標(biāo)時(shí),可以設(shè)立虛擬航標(biāo)對(duì)船舶予以提示。

[1]ITU,Recommendation ITU-R M.1371-4,2010.

[2]IMO,NAV 58/14 report to the maritime safety committee,2012.

[3]船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)技術(shù)要求 GB/T 20068-2006.