星載AIS報文時間解析

李世友，陳利虎，陳小前

國防科學技術大學 航天科學與工程學院，長沙 410073

星載AIS報文時間解析

李世友，陳利虎*，陳小前

國防科學技術大學 航天科學與工程學院，長沙 410073

星載船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)接收到的報文中解析出發送報文的時間信息能夠有效提高AIS報文在全球海上目標監控等方面的應用價值。著眼于動態顯示某一特定船舶進行連續跟蹤這一目的，結合天拓一號AIS和天拓三號AIS來研究報文中的時間信息。首先，利用天拓一號星載AIS在軌運行期間接收到的所有數據進行統計分析。通過統計分析發現僅僅依靠報文自身的自組織時分多址(Self-Organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)通信狀態等信息不能有效解析報文時間。其次，研究了天拓三號AIS的報文組成格式。通過每間隔1 min往星上存儲器中植入一個時間信標的方式，天拓三號AIS系統很好地解決了問題，實現了對每一條報文的精確時間顯示，為今后實現海面船舶進行連續跟蹤與監視提供了良好的技術基礎。

天拓一號；天拓三號；星載船舶自動識別系統；自組織時分多址；星上時標

船舶自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)1-2]主要用于對海上航行的船舶進行動態跟蹤，實現船舶標識、位置、航向、航速等航行信息的自動交換，用于領航及避撞。AIS采用自組織時分多址(Self-Organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)通信協議3]，自動地播發出本船的靜態、動態和航次信息，達到規避船舶碰撞、領航調度和航運管理等航行決策的目的。傳統的岸站AIS 系統覆蓋范圍有限，傳輸距離僅約為40 nmil(約74 km)。在衛星上搭載高靈敏度AIS接收系統具有極其重要的戰略意義4-9]。當衛星過海洋(或主要航線)的時候接收星下海面上的AIS信息，可實現民用船只的空間跟蹤、監視和物流調控。另外，根據星載AIS收集的大范圍的船舶信息，將其與衛星圖像技術相結合可以大大提高對軍用船只判讀的準確性4-9]。

目前，世界各國都非常重視星載AIS的研究，挪威8]、美國10-11]、加拿大12]、歐洲13-14]、德國15]、中國16-18]等多個國家和地區都發射了自己的AIS衛星。國防科學技術大學在星載AIS研制方面做了很多工作。2012年5月10日，國內第一顆單板微納衛星“天拓一號”發射成功，主要載荷為星載AIS系統16]。2015年9月20日中國首次發射的“長征六號”運載火箭以一箭20星的方式將國防科學技術大學自主研制的，以高性能AIS接收機為主載荷的“天拓三號”與國內其他高校研制的微納衛星發射進入預定軌道18]。

精確得知AIS的報文發送時間是非常重要的。從星載船舶AIS接收到的報文中解析出發送報文的時間信息能夠有效提高AIS報文在全球海上目標監控等方面的應用價值。例如，該時間信息有利于動態監視某一特定船舶并對其進行連續跟蹤。單顆衛星對地覆蓋范圍比較有限，因此發射多顆AIS衛星實現星座組網從而形成對全球海面船舶進行連續監測將是未來星載AIS發展的一種趨勢11，19]。此時更要求報文中能夠精確解析出時間信息從而實現對船舶的連續跟蹤與監測。

本文結合天拓一號AIS和天拓三號AIS來研究報文中的時間信息。首先利用天拓一號星載AIS(下文簡稱TT1-AIS)在軌運行期間接收到的所有數據進行統計分析。其次研究了天拓三號AIS的報文組成和數據格式。通過每間隔1 min往星上存儲器中植入一個時間信標的方式，實現了對每一條報文的精確時間顯示，為今后實現對海面船舶進行連續跟蹤與監視提供了良好的技術基礎。

1 天拓一號星載AIS和SOTDMA 通信狀態

國防科學技術大學“天拓一號”衛星于2012年5月10日發射成功，運行在高度為512 km的太陽同步軌道上。其主載荷為中國第一代星載AIS接收系統16]。“天拓一號”星載AIS接收機是一種微型化星載AIS接收機，質量80 g，功率0.7 W。采用精確載頻估計和跟蹤等技術解決了多普勒頻移和星地傳輸損耗問題，接收靈敏度≤-112 dBm，滿足軌道高度1 000 km以下星載需求；采用雙天線分集偵收等技術減緩了多信號沖突問題，實現了對地覆蓋直徑3 300 Mm的星載偵收(約850萬平方公里)20]。

天拓一號星載AIS包括射頻前端(天線、微波網絡)、接收機、數據存儲和數據下傳設備等20]。在衛星經過海域時，遙控AIS接收機開機，實時偵收覆蓋范圍內的AIS報文并存儲；星載AIS將偵收到的AIS數據包累加存儲在星上存儲器內并在衛星過境時采用延時傳輸的方式傳送到位于長沙的地面數傳站。長沙地面數傳站下載AIS報文時，地測軟件自動根據時間先后順序命名，一天兩次過境，凌晨1～3點左右一次，下午1～3點左右一次。

天拓一號星載AIS于2012年5月13日開始有效偵收全球AIS數據。截止到衛星失效前，于2014年10月27日最后1次接收數據，在衛星900多天的有效在軌時間段內地面站共接收到了672個有效數據包約80 Mbyte數據，有效報文約160多萬條。對AIS的報文結構和具體解析過程本文不作詳述，可參見文獻21-22]。

根據AIS技術要求規定3]，SOTDMA通信狀態具有以下功能：1)包含SOTDMA概念中時隙分配算法所使用的信息；2)表示同步狀態。SOTDMA通信狀態應只適用于信道中進行相應傳輸的時隙。SOTDMA通信狀態的數據為AIS船位報告消息數據的最后19位，具體含義參見表1(SOTDMA的通信狀態)及表2(通信狀態子信息)。

AIS報文的發送時間在報文內容中得到體現。根據“船載自動識別系統(AIS)技術要求”(GB/T 20068—200623])和國際無線電通信聯盟(ITU)推薦標準Rec.ITU-R M.1371-424]，時間同步狀態一般有下面4種方式：1)協調世界時(UTC)直接同步；2)協調世界時(UTC)間接同步；3)與基地臺同步(直接或間接)；4)與移動臺同步。其中，UTC直接同步是指能以符合要求的精確度直接采用UTC計時的同步狀態。對每一條AIS報文的接收和發送時間只能從報文本身獲取。具體每條AIS報文的接收時間可以通過兩條途徑得知：

1)某些1、2、3、4、9、11、18類AIS報文的通信狀態(最后19位)存在UTC時間的小時和分鐘值，而此類報文的時間標記有UTC秒，兩者結合，此條報文的UTC時分秒均可解析。

2)如果從通信狀態不可得到UTC時間的小時和分鐘(有可能是時隙號等參數)，可通過前后AIS報文的UTC小時和分鐘來推導或者插值估計。

表1 SOTDMA通信狀態

表2 SOTDMA通信狀態子信息

2 報文UTC時間統計分析與討論

如果通信狀態的同步狀態顯示為0，即代表該船可以直接獲取UTC，但這并不意味著該船只在播發AIS報文的時候報告其發送的時間。這應該算是SOTDMA通信狀態的局限性所在。本節將對天拓一號AIS報文數據中UTC直接同步的數據接收幾率及UTC同步狀態下的通信狀態進行統計分析。

2.1 UTC直接同步的數據統計

圖1給出了天拓一號在兩年多的運行時間內由AIS儀器接收到的所有有效數據文件得到的有效報文中的時間同步類型的統計分析結果。數據顯示，絕大多數報文都能夠采用世界時直接同步的方式發送報文。除了第475號和第669號文件因為數量少(分別只接收到12和6個有效的AIS數據包)而導致A0(代表UTC直接同步)的比值比較低(分別為1/3和2/3)，其余的都在80%以上。

圖1 AIS數據的時間同步類別統計Fig.1 Statistics for the time synchronous types of AIS data

表3給出對天拓一號AIS報文中的UTC直接同步的進一步統計結果。可知，天拓一號AIS總接收到約680個數據包中，近90%的數據包的UTC直接同步的比值在90%～100%，其余少部分(71個，占比10%)數據包的UTC直接同步的比值在85%～90%之間。

表3 TT1-AIS報文中UTC直接同步的占比統計

2.2 通信狀態子信息的數據統計

然而，在對天拓一號AIS數據進一步分析時發現，即使在UTC直接同步的情況下，報文也不一定給出發送的確切時間。對此也做統計分析，結果如圖2所示。從圖2可知，船舶在直接同步UTC的情況下，能夠在報文中給出廣播報文的時間(小時和分鐘)的概率也僅有10%～20%。這顯然是一個很低的比值。

圖2 UTC直接同步下能否給出時間統計Fig.2 Statistics for the time information under UTC synchronous

2.3 小結與討論

本節利用天拓一號(TT-1)衛星星載AIS在軌運行期間接收到的所有數據對星載AIS報文通信狀態進行統計分析。結果表明，雖然90%以上的AIS數據包中的AIS報文在時間同步上都采取協調世界時直接同步的方式，然而由于SOTDMA通信狀態的局限性，報文能夠包含發送的時間信息的比值也很低，大約只有10%～20%的報文能夠顯示時間。

對TT-1星載AIS數據的研究表明，只有很少部分的AIS報文能夠從報文本身得到時間信息，因此完全依靠從接收到的AIS報文中本身來獲取時間信息是非常困難的。著眼于動態顯示某一特定船舶進行連續跟蹤這一目標，精確得知船舶報文的發送時間是非常必要的。

在今后的AIS系統中，可以采取間隔一定的時間打入一個時間信標的方式以獲取報文的接收時間，如圖3所示。例如，在后續設計的天拓三號星載AIS載荷中每一分鐘往報文存儲器中打入一次UTC時標(年月日時分秒)，則地面應用系統解析時可根據時標對報文增加時間戳，秒值可根據報文SOTDMA通信狀態子信息解析或前后時標插值得到。

圖3 星載AIS接收系統時標注入示意Fig.3 Illustration for the time flag inserting on the space-based AIS system

3 天拓三號AIS改進方案

2015年9月20日中國首次發射的“長征六號”運載火箭以一箭二十星的方式將國防科大“天拓三號”與國內其他高校研制的微納衛星發射進入預定軌道18]。天拓三號由一顆23 kg的主星“呂梁一號”和、一顆1 kg的“智能號”手機衛星和4顆0.1 kg級的飛衛星“星塵1～4”組成。天拓三號主星上搭載有新型AIS信號接收機、星載航空目標信號廣播式自動相關監視系統(ADS-B)及紅外相機等載荷。其中，AIS載荷為中國新一代輕型星載AIS接收機，質量僅為0.2 kg。該AIS接收機在天拓一號衛星基礎上，采用多信道技術、多普勒頻移估計補償技術，并優化天線設計，突破多信號沖突、賦形天線和小型化載荷自存儲+數傳等難點，解決了信號沖突問題帶來的影響，并擁有更好的覆蓋范圍，極大地提高了信號偵收能力。目前在軌運行正常，該星載AIS系統每天接收到約2萬到4萬條有效AIS報文。

除此之外，天拓三號AIS接收機較之天拓一號AIS而言，其最重要的改進體現在兩個方面：一是實現了4頻點接收；二是增加了如圖4所示的時間信標。本節通過對天拓三號AIS報文組成進行解析來闡述這兩個方面，尤其是對時間信息的改進方案。

圖4給出天拓三號星載AIS數據中某一幀有效報文的組成。表4則給出對應于圖5的報文內容的格式說明。一條有效的AIS報文以“B87E”作為起始標志，結束于“7E7E”。緊接著起始標志的是一個8位的類型標志，代表信道或者接收功率或者時間。具體數值的含義參見表5。其中，00～03分別代表信道01、信道02、信道03和信道04。

圖4 天拓三號星載AIS數據報文格式Fig.4 TT-3 AIS data packet composition and format

參數長度/bit說明SF2起始標志“B87E”TP3類型標志位“0X”MSGC21/12/16消息內容CRC2循環冗余校驗碼EF2結束標志“7E7E”

表5 TT3-AIS報文中不同類型的報文內容

表5給出了對天拓三號AIS報文中不同類型的報文內容的詳細說明。天拓三號AIS采用了4頻點接收方案。其中兩個為現有AIS標準頒布已正式啟用的頻點(161.975 MHz，162.025 MHz)，另外兩個為2012年國際海事組織已向國際電聯(ITU)申請的專用星載AIS頻點(156.775 MHz，156.825 MHz)，參見Rec.ITU-R M.1371-424]和Rec.ITU-R M.1371-525]。如果“類型”標志數值是00和01，則“message”字段共21個8位的二進制數，總共為168位，此即AIS標準中的168位信息。如果“類型”標志數值是02和03，則“message”字段為12個8位的二進制數，總共有96位。此即為第27類AIS報文，主要用于長距離通信的星載AIS，并且規定只能在A類船只上使用，詳見ITU-RM.1371-525]。

如果“類型”標志數值是05，則代表該報文為系統注入的時標信息。前文基于天拓一號的數據對報文數據中UTC直接同步的數據接收幾率及UTC同步狀態下的通信狀態進行統計分析的結果表明，雖然90%以上的AIS數據包中的AIS報文在時間同步上都采取UTC直接同步的方式，但是由于SOTDMA通信狀態的局限性，大約只有10%～20%的報文能夠顯示時間。天拓三號星載AIS接收機在設計上一個重要方面就是在接收機上每間隔1 min注入一個時間信標。每一條報文根據時標對報文增加時間戳，秒值可根據報文SOTDMA通信狀態子信息解析得到。如此，每一條報文解析之后就可以得到精確的時間。圖5給出解析得到的最終的報文信息的某一個數據段。值得注意的是，前兩列為日期和時間，即在解析每一條報文時候加入的接收到的報文時間信息，精確到分鐘。第10列為報文的時間標記的UTC秒值。兩者結合，即可得到每一條報文精確的發送時間。

圖5 天拓三號星載AIS報文信息Fig.5 TT-3 AIS message composition

4 結束語

本文首先利用天拓一號星載AIS在兩年多的在軌運行中接收到的數據對報文中UTC直接同步的數據出現概率及UTC同步狀態下的通信狀態進行統計分析。其次，對天拓三號星載AIS的報文組成與數據格式進行了詳細分析。主要結果如下：

1)天拓一號衛星90%以上的報文在通信狀態中采用了UTC直接同步的方式，但僅僅只有10%～20%能夠在報文中給出發報的時間，因此完全依靠從接收到的AIS報文中本身來獲取時間信息是非常困難的。這對具體的AIS報文解析中顯示正確的時間信息有很大的局限性，限制了星載AIS的實際應用能力。

2)天拓三號AIS接收機較之天拓一號AIS而言有很大改進，其中最重要的一個方面是增加了時間信標。通過每間隔一分鐘往星上存儲器中植入一個時間信標的方式，天拓三號AIS系統實現了對每一條報文的精確時間顯示，為今后實現對海面船舶進行連續跟蹤與監視提供了良好的技術基礎。

天拓一號衛星作為中國第一顆AIS試驗衛星，雖然在技術驗證方面取得了巨大的成功，但由于無法精確得知報文的時間信息，以及報文的信號偵收概率不高等問題，導致天拓一號AIS還不能實現對海上目標進行動態監測的目標。在隨后研制并成功應用于天拓三號微納衛星上的新一代星載AIS系統中，采用每間隔1 min向存儲器中植入一次UTC時標(年月日時分秒)的方式有效解決了時間解析問題，并結合報文中包含的秒值精確獲取AIS報文的接收時間，從而實現了對每一條報文的精確時間顯示，為今后實現對海面船舶進行連續跟蹤與監視提供了良好的技術基礎。

由于AIS信號從發送到接收的延遲時間非常短(例如對600 km高度的衛星，其接收到的信號較發射延遲小于2 ms)，如此可生成每一條報文的發送時間，能夠實現對船只的實時、動態地連續跟蹤和進行航跡優化分析等。然而，這有可能帶來數據冗余的問題，特別是當數據量特別大的時候，對星上存儲容量、通信帶寬等要求較高，加大星載AIS的負荷。這是在未來研制的星載AIS需要解決的核心問題之一。

致謝 感謝天拓一號和天拓三號團隊提供AIS數據。

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(編輯：車曉玲)

Decoding analysis of time information from space-based AIS message

LI Shiyou，CHEN Lihu*，CHEN Xiaoqian

CollegeofAerospaceScienceandEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China

The time information evaluated from the message of the automatic identifying system (AIS) is of most importance in monitoring and controlling of the global vessels. Aiming at continuously monitoring some particular vessels，the time information in the AIS messages of the AIS systems onboard both the TianTuo-1 (TT1) and TianTuo-3 (TT3) micro-nano satellites was studied. Firstly，a statistical analysis was performed by employing the AIS data received by the TianTuo-1 nano-satellite during its on-orbit operation. The results suggest that it is impossible to obtain the time information merely by the AIS message itself. Secondly，the composition and format of the AIS message received by the TT3-AIS was studied. In the TT3-AIS system，a time-flag was generated every minute to be inserted into the received AIS data package. Thus the TT3-AIS has a good function on adding the time information to the AIS messages，which will be helpful for monitoring and controlling of the global vessels.

TianTuo-1 nano-satellite；TianTuo-3 micro-nano-satellite；space-based AIS；SOTDMA；time-flag

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0014

2016-06-07；

2016-07-12；錄用日期：2017-01-24；

時間：2016-12-01 17:11:20

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161201.1711.001.html

國家自然科學基金(41304132，61302092)；民用航天預先研究(2013-34)；國防科學技術大學預研(ZDYYJCYJ20140701)

李世友(1980-)，男，講師，toneylab@163.com，研究方向為空間物理與空間環境、空間信息技術及應用

*通訊作者：陳利虎(1980-)，男，副研究員，clh2055@163.com，研究方向為空間信息技術

李世友,陳利虎,陳小前.星載AIS報文時間解析J].中國空間科學技術, 2017,37(1)：75-81.LISY,CHENLH,CHENXQ.Decodinganalysisoftimeinformationfromspace-basedAISmessageJ].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017, 37(1)：75-81(inChinese).

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http:∥zgkj.cast.cn