基于星載AIS的船舶越界預警系統的設計與實現

李世友

(湖南信息學院 電子科學與工程學院，長沙 410151)

船舶自動識別系統(Automatic Identification System, AIS)[1-2]采用自組織時分多址(Self-organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)通信協議[2]，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, 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[3]。

星載AIS系統[4-7]有著全天時、全天候、遠距離、大范圍、多參數等特點，以及衛星探測的合法性、低軌道衛星發射不受國籍限制等優點，因此星載AIS在海洋監管領域具有獨到的優勢[6-8]。衛星AIS技術彌補了岸基AIS系統在地域覆蓋上的局限性，拓展數據接收范圍，進而實現船舶全球監控。星載AIS系統信息在國民經濟建設中可用于掌握全球船舶動態、維護航行安全、分析全球經濟態勢等，在軍事上可用于監視全球海域艦船目標，特別是在與其他手段配合的基礎上，可以提高定位精度、準確判定目標屬性，并生成全球海洋目標態勢圖。目前，美國、挪威、德國、日本等多個國家和組織發射了自己的AIS衛星[9]；我國也積極開展AIS相關技術的研究，并于2012年發射了第一顆AIS海事衛星“天拓一號”[10]，隨后2015年發射“天拓三號”[11-12]、2017年發射“和德一號”[13]以及2018年和2020年發射的“海洋一號C”和“海洋一號D”[14]等多顆衛星上搭載了AIS載荷，極大地豐富了我國的星載AIS數據庫。

近些年來，隨著衛星AIS技術的快速發展，其應用領域越來越廣泛，并且逐漸持續朝向縱深層面發展。它可以提高船舶監測能力，加強船舶交通監管、打擊海上恐怖主義、協助海上搜尋救援。除上述基礎應用外，可將衛星AIS數據與岸基AIS數據進行融合，有利于全面和完整地收集船舶AIS數據，實現對船舶的全程跟蹤與監控。同時，可使電子海圖系統上顯示的船舶航跡等信息更加連貫，融合數據在利用過程中的效率和效益都將大幅提高。

隨著星載AIS數據庫的日益豐富，國內在用AIS數據特別是星載AIS數據的研究方面開展了很多相關工作。例如，2014年姜洪濤和楊曉峰開發了一套可以在PC 平臺上運行的船舶實時監控系統[15]；2015年肖瀟等利用軌跡聚類算法分析AIS 信息，以獲取船舶典型運動軌跡[16]；2016年李立春提出一種基于船舶自動識別系統(AIS)時態數據庫的船舶實時監控和歷史軌跡查詢解決方案,有助于提高水上交通管理的效率并改善水上交通的安全[17]；2017～2018年李世友等利用天拓三號星載AIS的數據分析了全球船舶的檢測概率并得到了全球船舶的靜態分布[18]、分析了長程AIS數據的全球船舶分布和發展趨勢[19]，為下一代星載AIS的發展提供了必要的理論支持；2018年周田瑞等基于AIS數據獲取船舶航行典型運動軌跡，結合船舶歷史航速、航跡向等數據，預測船舶到港時間[20]；2019年劉奧博利用AIS衛星獲取的船舶軌跡數據對2015年6月～2016年5月南極半島地區的人類活動進行分析[21]。

然而利用AIS數據對面向海面船舶越界方面的研究還少有涉及。本文結合星載AIS數據和海圖設計一款基于星載AIS的海面船舶越界預警系統，并用國內自主研制的天拓三號[11-12]星載AIS的實測數據實現對系統的驗證。本系統有如下功能：(1) 船舶動態顯示自身以及附近船舶在海圖上的位置；(2) 結合海圖實現對船舶靠近領海、毗鄰區、專屬經濟區域、國際公共海域等分界線進行預警。本文設計的船舶越界預警系統能極大地提高我國漁民海上捕撈作業的安全性，具有較好的實用性。

1 電子海圖與海洋分界線

1.1 地球表面任意兩點距離

精確計算地球表面上任意兩地理坐標點之間的距離對本系統具有重要的意義。常用的計算方法有球面余弦公式法、Haversine公式法等。根據球面余弦推導得到的Great-circle distance公式需要用到大量余弦函數的計算，因此在兩點之間距離過近時余弦函數會造成比較大的誤差；Haversine公式采用了正弦函數，因此在距離很小的情況下也能保持足夠的有效數字。本文采用Haversine公式來計算地球表面任意兩點距離

式中：d為待計算的兩點之間的距離；R為地球的半徑，取其平均值為6 371 km；φ1、φ2為兩點的緯度；Δλ則為兩點經度差值。本節以北京到廣州兩地距離的計算為例驗證。北京和廣州的經緯度坐標分別為(116.4°E, 39.9°N)和(113.15°E, 23.06°N)。利用Haversine公式得到了兩地相距1 889.175 km，該結果與高德地圖上的距離誤差在1 km以內。

1.2 海洋分界線

注：其中A1～A4為插值點。圖1 船舶位置P到邊界線 AB的距離計算示意圖Fig.1 The calculation diagram of the distance between the ship position P and the boundary line AB

根據《聯合國海洋法公約》規定每一個沿海國家擁有的海域由內海、領海、毗連區、專屬經濟區四部分組成。根據公約規定領海基點以內為內海；領海區域是根據領海基點確定的，一般領海外部界線是根據領海基點線往外推12 n mile。領海相鄰的區域為毗連區(連接區、專門管制區等)，該區域是從領海基線往外推移24 n mile而劃分出的一個區域。而專屬經濟區域則是不超過領海基點200 n mile；超過這個距離的區域屬于公海。

由于現有的電子海圖上很少有對海洋分界線的劃分，本文通過各國已有的基點畫出基線，并通過基線推算出領海界線(距離基線12 n mile)、毗連區界線(距離基線24 n mile)、專屬經濟區域(距離基線200 n mile)、公海(專屬經濟區域之外)，然后把推算出的領海基線結合電子海圖顯示出來。本文設計的越界預警系統主要服務于中國沿海地區，因此本文首先利用中國政府公布的領海基點數據利用1.1節介紹的Haversine公式進行距離外推(外推算法略)從而得到海洋分界線，分別得到領海界線、毗連區界線和專屬經濟區界線。

2 船舶越界判斷

2.1 船舶到邊界線距離

根據點到直線距離的計算方法，圖1給出某船舶P所在位置到邊界線AB最短距離的計算。實際計算過程，對AB之間進行數據插值的方式，使得AB之間的數據點足夠密集，然后利用Haversine公式來計算地球表面任意兩點距離的方法，計算得到PA、PA1、PA2、PA3、PA4和PB的距離，然后取其最小值作為P到邊界線AB的距離。

圖2 某船舶靠近邊界線越界判斷示意圖Fig.2 The judgment diagram of a ship′s crossing near the boundary line

2.2 船舶越界判斷

圖2給出某船舶在靠近某海洋界線的航行過程中的越界判斷示意圖。黑色船形為船體，點線為某邊界線，5個黑色箭頭代表5種可能的航行方向，分別用A, B, C, D 和E表示，對應的五個虛箭頭代表下一時刻的航行方向。當前時刻，船舶距離邊界線的最短距離為L0，下一時刻船舶距離邊界線的最短距離為L1。圖2中L1(a),L1(b),L1(c),L1(d)和L1(e)分別為5個可能航行方向上的下一時刻船舶所在位置與邊界線的最近距離。L1

3 船舶越界預警系統

3.1 系統要求

圖3 船舶客戶端的船舶越界預警 系統界面Fig.3 The interface of the ship boundary crossing warning system (For Vessel Client)

本文設計的越界預警系統要求在海圖上對海域進行符合國際法規范的海域劃分并顯示海域邊界線，實時解析接收到的星載AIS的數據并將船舶自身所在海域一定范圍之內的船舶和軍艦的船舶標識、位置分布、動向以及船舶靠近各國海域邊境線警告。考慮到便利使用，對客戶端的船舶越界預警系統的設計要求主要包括如下幾個方面的因素：(1) 數據選擇：實時接入衛星數據或者用歷史數據模擬；(2) 海圖選擇；(3) 可選擇是否使用分界線顯示，或者顯示哪些分界線；(4) 越界距離選擇1 n mile、2 n mile，或根據實際需要輸入；(5) 預警信息提醒方式設置：界面上警示或者/語音警示。

3.2 總體設計

本文結合JAVA和MATLAB設計海面船舶越界預警系統。JAVA語言主要具有跨平臺、具有安全性、簡單等特點。MATLAB主要用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算機語言和交互式環境，尤其因為具備完善的數據可視化功能而備受軟件開發者的青睞。本文基于JAVA設計平臺對海面船舶越界預警系統進行界面設計，利用MATLAB實現數據計算和海圖表現，然后打包成jar包供Java調用。Java調用MATLAB中要注意以下幾點：(1) MATLAB的版本必須是2006b+(包括2006b或更高版本)，因為只有在這些版本中才有MATLAB Builder for Java(也叫Java Builder)；(2) 運行機器上必須裝有jre 并且其版本要和MATLAB自帶的jre版本保持一致(位數也要保持一致)；(3) 驗證系統jdk和jre。

圖4 海面船舶越界預警系統 工作流程圖Fig.4 The working flowing chart of the boundary crossing early warning system

設計的系統分為船舶界面端和監管界面端，分別對應海面船舶用戶和監管單位用戶，本文介紹的是面向海面船舶用戶的船舶客戶端。進入海面船舶客戶端的船舶越界預警系統界面如圖3所示。在該系統界面中用戶可以進行參數設置，包括數據選擇、海圖選擇、分界線顯示設置、越界警告距離設置、是否進行區域動態顯示以及語音播報設置等。數據選擇包括實時衛星數據和歷史數據；其中，實時衛星數據是默認選項。海圖選擇包括ECDIS海圖、SENC海圖等；需要說明的是，由于這些海圖獲取途徑比較困難，在本文中用MATLAB中默認的世界地圖作為演示。分界線顯示包括領海基線顯示、領海線顯示、毗鄰區線顯示、專屬經濟區分界線顯示等，可以根據本船航行的位置進行設置。越界參數設置主要是警告距離設置，用戶可在界面上進行選擇1 n mile和2 n mile，也可以根據實際船舶速度大小進行自行輸入；一般選擇的越界警告距離是1 n mile。如果用戶選擇區域動態顯示，則在實際顯示中，除了用戶自身船舶之外，在區域內的其他船舶也會實時顯示；否則只顯示本船。系統默認為區域動態顯示。在本系統中，語音播報暫未實現實際的功能，在界面設計的時候考慮到了語音播報。

3.3 軟件設計與工作流程

船舶越界預警系統的工作流程圖如圖4所示。系統啟動之后進行初始化，給出船舶自身的MMSI號，然后自動導入實時衛星數據并在界面右側進行動態顯示。動態顯示系統通過對自身船舶經緯度進行獲取，并默認設置海圖的初始顯示范圍為以本船為中心經緯度正負20°的范圍。從接入數據到動態顯示的過程包括數據解析和導入海圖等過程。系統默認采用ECDIS海圖。天拓三號衛星的數據解析過程參見文獻[11]。

圖5 海面船舶越界預警流程Fig.5 The boundary crossing early warning working flow

系統在工作過程中接受客戶端參數設置。如果船舶用戶導入歷史數據，則顯示一個月之內本船的歷史航跡。船舶動態或者歷史航跡使用的海圖為默認的ECDIS海圖，用戶可以根據需要設置為其他的海圖。船舶用戶可根據自己的需要顯示分界線。例如，本船目前的工作地點在東海附近的專屬經濟區之內進行漁業作業，可顯示毗鄰區和專屬經濟區的分界線，以便清楚自身的位置。總之，船舶根據自身的需要動態顯示在電子海圖上，形成一種直觀的表達方式，達到區域船舶動態的實時更新，對于船舶駕駛員能更好地了解船舶周圍情況，及時做出應對措施。

船舶在海面作業時如果靠近分界線，特別是靠近專屬經濟區的分界線，則很容易發生一些國際漁業糾紛，甚至導致被鄰國扣押。因此，越界預警非常重要。本系統最重要的組成部分是越界預警模塊。該模塊通過星載AIS船舶反饋的數據在電子海圖上顯示，能夠在海圖上顯示出本船舶的基本信息(船艏向、航行速度、船舶位置等)，并且可以通過給定的航線判斷船舶是否偏離航向；也能更加方便本船獲悉所處位置以及船舶距離領海、專屬經濟區域等界線的距離，能夠有足夠的時間對船舶進行航向調整。

本系統的越界預警模塊中默認的預警距離是1 n mile；船舶用于根據實際需要選擇2 n mile或者自行設置越界預警距離。船舶越界預警模塊的預警流程見圖5所示。首先，船舶獲取越界設置中越界距離D0并獲取邊界線的數據；然后，根據1.1節中的Haversine公式計算本船位置與邊界線的距離，取其最小值L0，并根據當前位置和航向計算下一時刻的位置，在此基礎之上計算下一個時刻與邊界線距離的最小值(L1)。根據D0、L0和L1三個值來判斷本船是否即將越界。越界預警條件為：L0

4 基于星載AIS的船舶越界系統驗證

4.1 星載AIS系統與數據

船舶越界預警系統主要通過船載AIS設備實時向衛星發送AIS信息，經過衛星星載AIS接收設備實時獲取本船和周邊海域相關船只的AIS信息進行數據分析，進而得到相關的預警信息。本系統主要依賴“天拓三號”衛星星載AIS進行數據接收和傳輸，所有數據均使用的是“天拓三號”衛星所接收到的船舶信息[11-12]。星載AIS接收到的每一條報文信息主要有發送時間、數據消息識別碼、用戶識別碼、航向狀態、對地航速、對地航向、經緯度、通信狀態等信息等幾部分組成。特別說明每一條報文的發送時間由前面的時間信標(精確到分鐘)和報文中給出的秒值共同合成[12]。

圖6 2016年3月13日MMSI為503****的船舶穿越領海 基線進入領海并將越過領海分界線示意圖Fig.6 Schematic diagram of ship crossing the baseline and entering the territorial water (2016-03-13)

4.2 越界預警案例一

本節根據“天拓三號”衛星星載AIS接收到報文信息解析結果進行越界預警案例篩選。選擇的基本原則是，某船舶在某海域的分界線(領海線、毗鄰區界線或者專屬經濟分界線)附近存在至少3個AIS偵收數據點。圖6為船舶號MMSI為503****的一艘漁船在2016年3月13日的一段航行動態圖。需要注意的是此時在參數設置的時候沒有進行區域動態顯示。本文不從地圖規范方面考慮，因此在圖6中將具體的地圖數據隱去，經緯度坐標為相對經緯度。方點線、十字點線和星點線分別代表領海基線、領海分界線和毗鄰區分界線。該漁船在2016年3月13日從福建附近海域穿越領海基線進入領海，并即將穿越領海分界線進入毗鄰區。該漁船在8:40時距離領海分界線2 n mile，此時收到越界預警：本船距離領海分界線2 n mile，預計6.5 min后進入毗鄰區。

如果本系統運行在監管界面端，從監管的角度來看，如該類船舶屬于只能在領海航行的船舶應該對該船警告并提醒該船舶返航，如該船舶具備在領海外區域航行的資格，則提醒該船舶已經靠近領海區域。

4.3 其他越界預警案例

本小節簡要闡述另外2個船舶越界案例。2018年5月13日08:50 UT左右天拓三號衛星星載AIS偵收到在中國沿海航行的MMSI號為503****的船舶動態。該船在2018年5月13日8:48時分距離領海基線連接線約3 km，再繼續往前航行時，在距離界線2 n mile時船舶給出進入領海的越界通知。由于該船舶航行速度較快，該船舶于8:53時候已經航行在領海基線之外。

2017年10月14日06:52UT左右天拓三號衛星監測到MMSI號為11111****的船舶的航行動態。該船在東海海域位于中國專屬經濟區和日本專屬經濟區的邊界線附近，距離邊界線僅僅為1 n mile，且其航行方向為向中國專屬經濟區一側。在本文的模擬應用系統中，該船舶在東海海域作業，在距離專屬經濟區界線2 n mile即將越過中國專屬經濟區邊界時收到即將越界進入鄰國專屬經濟區的即將越界預警信息，并且，在靠近邊界線時不斷收到預警。在即將越過界線并收到越界預警之后，立即調整航向返回中國專屬經濟區，從而避免越界。

5 結論

本文結合星載AIS數據和海圖設計一款基于星載AIS的海面船舶越界預警系統，并用國內自主研制的天拓三號星載AIS的實測數據實現對系統的驗證。該系統有如下功能：

(1) 船舶動態顯示自身以及附近船舶在海圖上的位置；

(2) 結合海圖實現對船舶靠近領海、專屬經濟區域、國際公共海域等分界線進行預警。本越界預警系統在海面船舶預警中具備以下幾點意義：

①減少漁船發生越界捕撈的概率；

②為漁船作業提供安全保障；

③提高海事管理機構對于海洋監控的實時性。

該系統的應用能極大地提高海面船舶的航行安全，尤其是我國漁民海上捕撈作業，具有極大的實用性。下一步可以安裝在海洋或漁政相關監管部門作為系統監控之用。監管單位只需要將海圖范圍設定在自己的監管區域之內，利用實時接收的星載AIS信號解析得到本系統內的相關船舶動態圖，然后對可能的越界行為發出預警即可。

本系統目前只設計了本船的越界預警功能。未來根據需要，可擴展對友鄰船舶的越界預警功能和對區域船舶的越界預警等功能。“友鄰船越界預警”可對一同出海的友鄰船舶是否越界提出預警提示，以便在特殊情況下能夠及時對友鄰船舶進行必要的援助；“區域船舶越界預警”主要是為了方便了解船主所關心的區域船舶是否有越界行為，也可以方便海上管理機構對于每艘船舶的管理與調度。