北斗AIS一體化基站架構(gòu)研究

隋永舉 李輝 李鵬宇 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州航標(biāo)處

1.背景

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制、獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（BDS），2020年在軌運(yùn)行合計(jì)55顆衛(wèi)星（北斗三號(hào)星座由3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和24顆MEO衛(wèi)星組成）；向全球提供服務(wù)，包括定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，亞太區(qū)域還可提供短報(bào)文、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位等服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因其通信、導(dǎo)航一體的特點(diǎn)，適合海上船舶監(jiān)控與通信信息傳輸。

將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與AIS系統(tǒng)結(jié)合，利用北斗短報(bào)文通信功能將AIS基站接收的船舶AIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到岸基數(shù)據(jù)中心，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離海岸線的船舶監(jiān)控，可大大降低遠(yuǎn)海區(qū)域AIS船舶數(shù)據(jù)的獲取成本，提高遠(yuǎn)海主要航道船舶監(jiān)控能力和信息服務(wù)水平。

2.北斗AIS一體化基站系統(tǒng)架構(gòu)

北斗AIS基站系統(tǒng)由北斗AIS一體化基站和北斗AIS基站系統(tǒng)平臺(tái)組成。北斗AIS一體化基站接收周圍船舶的AIS數(shù)據(jù)并通過北斗短報(bào)文發(fā)送到北斗指揮機(jī)，再由北斗指揮機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至南海AIS國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 北斗AIS一體化基站系統(tǒng)架構(gòu)

3.北斗AIS一體化基站系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

3.1 A IS有效數(shù)據(jù)分析

船舶AIS數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及與航次有關(guān)的信息。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)包括：IMO號(hào)碼、呼號(hào)、船名、船長(zhǎng)、型寬、船舶類型、船舶定位天線的位置；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括：經(jīng)緯度、UTC時(shí)間、對(duì)地航向、航速、航首向、航行裝填、轉(zhuǎn)向率、傾角等；航次相關(guān)信息包括：船舶吃水、危險(xiǎn)貨物、目的港和預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等，消息體總共字節(jié)數(shù)據(jù)592bit。

3.2 北斗容量分析

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)，系統(tǒng)開通后，北斗的短報(bào)文能力，比北斗一號(hào)系統(tǒng)能力大大提升。

北斗終端一條短消息傳輸14000bit（1000個(gè)漢字）信息，而船舶播報(bào)AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)為168bit，靜態(tài)數(shù)據(jù)424bit，總數(shù)據(jù)量為592bit。不同類型的信息以不同的時(shí)間周期進(jìn)行發(fā)送。

北斗三代短報(bào)文通信一張北斗卡發(fā)送能力 1000漢字/秒，相當(dāng)于每秒可以完成動(dòng)態(tài)信息95組，根據(jù)船舶動(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)2s計(jì)算，單卡即可以完成最大190條船的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如實(shí)際船舶數(shù)量更多，可選擇雙模雙卡工作模式，可提升一倍帶寬，即可以完成最大380條船的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

而根據(jù)實(shí)際船舶航行速度，一般船舶14節(jié)以下，更新動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在6s或12s，由此可以初步估算單卡大致能發(fā)送500-1000條之間，雙卡大致能發(fā)送1000-2000條之間。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)判斷，一般在中遠(yuǎn)海海域一般船舶數(shù)量大概在100-300左右，完全滿足海域AIS數(shù)據(jù)的回傳。

如無1秒級(jí)北斗卡，使用1000漢字/30秒的北斗卡時(shí)，改用單模6卡切換模式，可達(dá)到1000漢字/5秒，再通過過濾、算法壓縮、北斗傳輸陣列等方法擴(kuò)展帶寬。

AIS位置數(shù)據(jù)包內(nèi)容包括MMSI號(hào)、AIS類別、經(jīng)緯度、航速、航向、時(shí)間。AIS基站接收到船舶數(shù)據(jù)后，根據(jù)接收歷史記錄、報(bào)文優(yōu)先級(jí)以及當(dāng)前帶寬可傳輸?shù)淖畲笮畔?shù)量，如信息量小于最大帶寬則全部交與北斗壓縮并租包傳回岸基，如帶寬不足則過濾掉重復(fù)報(bào)文，優(yōu)先保證不同船舶的最新信息。岸基收到報(bào)文后按照時(shí)間排序，其處理后AIS基站容量將大量提升，支持近海AIS基站接收的數(shù)據(jù)。

3.3 北斗信息格式分析

根據(jù)《AIS接口控制文件》規(guī)定，船舶播報(bào)AIS位置信息需47個(gè)字節(jié)，即376bit。根據(jù)北斗區(qū)域短報(bào)文主要性能指標(biāo)，一條北斗報(bào)文的電文容量為14000bit。針對(duì)與無法使用1秒級(jí)北斗卡的情況，如果不采用高效的算法對(duì)AIS報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、壓縮，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和完整性將不太理想。對(duì)通信容量受限、通信頻度有限的北斗通信鏈路而言，直接發(fā)送原始的AIS數(shù)據(jù)信息，無法實(shí)時(shí)對(duì)周邊船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)全面監(jiān)控。

通過船到岸的監(jiān)視也需要轉(zhuǎn)發(fā)MMSI號(hào)和經(jīng)緯度信息，如不進(jìn)行信息壓縮，在AIS消息中，采用30bit表示MMSI號(hào)，采用55bit（經(jīng)度28bit，緯度27bit）表示船舶位置，一條北斗短消息只能發(fā)送37條船的信息。

參考在航空領(lǐng)域采用的簡(jiǎn)潔位置報(bào)告（compact position report，CPR）的形式，在每條北斗短消息中發(fā)送基站經(jīng)緯度信息和其他船舶相對(duì)于基站的位置差，可實(shí)現(xiàn)信息量的壓縮，信息經(jīng)過壓縮和解壓縮后導(dǎo)致的位置誤差在0.5秒以內(nèi)，基本不影響船舶監(jiān)控。經(jīng)過信息壓縮后，每條周圍船舶MMSI號(hào)和位置信息共占用8個(gè)字節(jié)，一條北斗報(bào)文最多可以發(fā)送66條船舶信息。北斗陣列采用了6張IC卡，每分鐘可進(jìn)行兩輪全卡切換，一共可傳送792條船舶的MMSI號(hào)和位置信息。參照船訊網(wǎng)衛(wèi)星AIS南海水域的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在南海遠(yuǎn)海水域的船舶密度大約為30艘/每百平方海里。按照AIS基站覆蓋范圍25海里計(jì)算，約為2000平方海里，航行船舶約為600艘次。因此，以北斗短消息作為AIS移動(dòng)基站的傳輸手段是完全可以滿足監(jiān)管需求的。

4.北斗AIS一體化基站設(shè)計(jì)

北斗AIS一體化基站主要由北斗衛(wèi)星天線、北斗衛(wèi)星通信單元、GPS天線、電源管理及數(shù)據(jù)采集單元、AIS天線、AIS電路單元組成，這三個(gè)單元裝在一個(gè)金屬腔體里，其具體原理如框圖2所示。

圖2 北斗AIS一體化基站原理框圖

（1）電源管理及數(shù)據(jù)采集單元。是對(duì)電源進(jìn)行管理，產(chǎn)生其余模塊需要的工作電壓，同時(shí)也對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，該單元也同時(shí)采集電壓、電流及位置信息數(shù)據(jù)，然后把所采集的數(shù)據(jù)送給其它單元。

（2）北斗衛(wèi)星通信單元。主要把當(dāng)前的所采集數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星通訊鏈路轉(zhuǎn)回南海國(guó)產(chǎn)AIS數(shù)據(jù)中心。

（3）AIS電路單元。主要把當(dāng)前的采集船舶數(shù)據(jù)通過集成電路總線發(fā)送給北斗衛(wèi)星通信單元。

5.展望

通過應(yīng)用北斗AIS一體化基站系統(tǒng)可以有效對(duì)遠(yuǎn)海及海島等布設(shè)基站條件有限的地方覆蓋AIS，其北斗AIS一體化基站可以為船舶報(bào)告、遇險(xiǎn)搜救、AIS航標(biāo)設(shè)置及海事監(jiān)管上發(fā)揮重要作用，可有效覆蓋AIS盲區(qū)。今后隨著北斗及AIS技術(shù)的進(jìn)一步融合，北斗AIS一體化基站將成為一種新的AIS信號(hào)盲區(qū)的解決方案，為大灣區(qū)建設(shè)保駕護(hù)航。