王郁茗，張尚悅

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一種遠(yuǎn)程船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與展望

王郁茗，張尚悅

(海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018)

針對(duì)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）廣播距離受限，岸上指揮中心無(wú)法通過(guò)基站對(duì)遠(yuǎn)洋航行的艦艇進(jìn)行快速準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)監(jiān)控和預(yù)警指揮的問(wèn)題，提出一種遠(yuǎn)程船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)—北斗AIS系統(tǒng)。通過(guò)分析比較衛(wèi)星AIS、LRIT系統(tǒng)在遠(yuǎn)程船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用缺陷，設(shè)計(jì)構(gòu)想北斗AIS系統(tǒng)并對(duì)其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，證明北斗AIS系統(tǒng)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(shù)據(jù)更新頻率，增強(qiáng)傳輸保密性。

船舶 遠(yuǎn)洋動(dòng)態(tài)監(jiān)控 北斗系統(tǒng) 衛(wèi)星AIS LRIT 數(shù)據(jù)處理

0 引言

船舶自動(dòng)識(shí)別接收系統(tǒng)（Automatic Identificati-on System）AIS是集現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)于一體的多門類高科技新型航海助航設(shè)備和安全信息系統(tǒng)[1]，已陸續(xù)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(fā)生碰撞事故，維護(hù)航行水域交通的有序性，又要保證軍艦活動(dòng)的隱蔽性和保密性。在編隊(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，還要保證編隊(duì)內(nèi)艦船間的交通管理和組織指揮順暢。AIS是在VHF海上移動(dòng)頻段傳輸數(shù)據(jù)，廣播距離有限[2]。但是隨著中國(guó)海軍走向深藍(lán)，遠(yuǎn)洋航行任務(wù)增多，為保證艦船的遠(yuǎn)洋航行保障能力，加強(qiáng)艦船的遠(yuǎn)海域動(dòng)態(tài)監(jiān)控變得刻不容緩。

衛(wèi)星AIS與遠(yuǎn)程與識(shí)別跟蹤系統(tǒng)（long range identification and tracking ，LRIT）都可用于遠(yuǎn)海域動(dòng)態(tài)監(jiān)控，但它們?cè)谲娕炆蠎?yīng)用存在局限性。本文基于對(duì)衛(wèi)星AIS以及LRIT在艦船遠(yuǎn)洋航行動(dòng)態(tài)監(jiān)控中應(yīng)用情況及局限性的分析，結(jié)合北斗系統(tǒng)與AIS的功能特點(diǎn)，構(gòu)想了北斗AIS的邏輯結(jié)構(gòu)，并對(duì)其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了探討和分析。

1 衛(wèi)星AIS系統(tǒng)

1.1衛(wèi)星AIS的概況

衛(wèi)星AIS是一種船舶定位技術(shù)，通過(guò)低軌道的衛(wèi)星接收船舶發(fā)送的AIS報(bào)文信息，衛(wèi)星將接收和解碼AIS報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的地球站，從而讓陸地管理機(jī)構(gòu)掌握船舶的相關(guān)動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)洋海域航行船舶的監(jiān)控[3]。

從概念上講，衛(wèi)星探測(cè)AIS即使用一顆或者多顆低軌道的衛(wèi)星(衛(wèi)星軌道高度在600 km到1000 km)，在這些衛(wèi)星上面搭載AIS收發(fā)機(jī)來(lái)接收和解碼AIS報(bào)文并將信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的地球站，從而讓陸地管理機(jī)構(gòu)掌握船舶的相關(guān)動(dòng)態(tài)信息[4]。衛(wèi)星AIS系統(tǒng)主要用于傳輸AIS報(bào)文信息，以短消息數(shù)據(jù)傳輸為主。且運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量較少，屬于低軌小衛(wèi)星系統(tǒng)。

從小衛(wèi)星提供的通信業(yè)務(wù)來(lái)劃分。衛(wèi)星AIS屬于非實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)船舶位置的覆蓋不是一直持續(xù)的。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全球范圍的覆蓋并保證一定數(shù)量地球站的使用，有必要使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來(lái)傳輸AIS數(shù)據(jù)。即用戶發(fā)送的報(bào)文在衛(wèi)星上解調(diào)/解碼，若信宿站就在當(dāng)前衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，文件就被立即轉(zhuǎn)發(fā)到信宿站，否則文件將由衛(wèi)星固態(tài)存儲(chǔ)器保存。等待衛(wèi)星飛臨信宿站上空時(shí)再被轉(zhuǎn)發(fā)。在衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)用戶間可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行通信并下載數(shù)據(jù)。

1.2 衛(wèi)星AIS存在的問(wèn)題

通過(guò)分析衛(wèi)星AIS的系統(tǒng)原理與構(gòu)成可得出以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）船只更新不及時(shí)

船舶更新不及時(shí)受多方面原因影響，主要有以下2種：

（1）衛(wèi)星數(shù)量目前較少，有些地方衛(wèi)星需要很長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)其上空；

（2）衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)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(hào)發(fā)送頻率在12s左右，有時(shí)候很難捕獲到。

2）報(bào)文沖突問(wèn)題

衛(wèi)星收集AIS數(shù)據(jù)的主要障礙是報(bào)文沖突問(wèn)題，尤其在高船舶密度區(qū)域系統(tǒng)性能會(huì)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(guó)沿海船舶眾多，信號(hào)傳輸相互干擾厲害，也是衛(wèi)星AIS信號(hào)接收差的原因之一。

3）衛(wèi)星AIS信息缺少吃水、目的地、ETA等信息這個(gè)是因?yàn)锳IS信息的發(fā)送頻率造成的，船舶AIS信息中的航程信息，需要在6 min發(fā)送一次，而衛(wèi)星掠過(guò)船舶上空的時(shí)間，也就幾秒鐘，多數(shù)情況下只能獲得船舶動(dòng)態(tài)信息，無(wú)法獲得航程信息。

4）數(shù)據(jù)安全性存在嚴(yán)重問(wèn)題

衛(wèi)星探測(cè)AIS消息是全球開(kāi)放性服務(wù)。不同于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的系統(tǒng)，人們可以簡(jiǎn)單迅速地接收配備A類設(shè)備的船舶發(fā)送的AIS數(shù)據(jù)。這樣一來(lái)，數(shù)據(jù)的安全性就相對(duì)差一些。用戶可以自由獲取并使用接收到的AIS信號(hào)。包括潛在的商業(yè)用途、軍事用途，這會(huì)對(duì)船舶安保帶來(lái)一定的負(fù)面影響。

2 遠(yuǎn)程識(shí)別與跟蹤系統(tǒng)（LRIT）

2.1 LRIT概述

船舶遠(yuǎn)程識(shí)別與跟蹤（LRIT)通過(guò)從AIS提取船舶識(shí)別碼、船位和時(shí)間等數(shù)據(jù)，并利用全球海上遇險(xiǎn)和搜救系統(tǒng)(GMDSS)的Inmarsat-C或高頻設(shè)備(HF)以固定的時(shí)間間隔發(fā)送LRIT數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程識(shí)別與跟蹤[5]。

2.2 LRIT系統(tǒng)要求

根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）要求，船舶配備滿足SOLASV/9-1條款規(guī)定的LRIT系統(tǒng)設(shè)備，于2008年12月31日后投入運(yùn)營(yíng)，主要用于跟蹤船舶和獲取相應(yīng)信息。其系統(tǒng)要求主要有：

1）終端設(shè)備傳輸船舶ID、位置與當(dāng)時(shí)時(shí)間，不發(fā)送所有AIS信息；

2）自動(dòng)定時(shí)發(fā)送信息：300海里以外海域，每四小時(shí)發(fā)送一次；沿岸300海里內(nèi)海域，每一小時(shí)發(fā)送一次；

3）發(fā)送數(shù)據(jù)到岸上基站，保證信息安全性，即不會(huì)泄露，不被盜用篡改；

4）能與定位設(shè)備連接或者自身具有定位功能[1]。

2.3 LRIT在遠(yuǎn)洋動(dòng)態(tài)監(jiān)控中的局限性

通過(guò)分析LRIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及要求可分析出其在遠(yuǎn)洋動(dòng)態(tài)監(jiān)控中存在不足：

1）傳輸?shù)男畔⒘枯^少。并不是所有AIS提供的數(shù)據(jù)，不足以滿足岸上指揮人員對(duì)遠(yuǎn)洋航行艦船的動(dòng)態(tài)掌控。

2）更新時(shí)間慢。LRIT能在30 min完成報(bào)告，發(fā)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(fā)送的LRIT信息后的15分鐘才能將數(shù)據(jù)發(fā)送給岸上指揮人員。因此LRIT相當(dāng)于艦船活動(dòng)的定期錄像，不能滿足對(duì)遠(yuǎn)洋航行艦船的實(shí)時(shí)監(jiān)控性。

3）保密性問(wèn)題較大。LRIT通過(guò)國(guó)際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)Inmarsat船舶地球站發(fā)送數(shù)據(jù)，本身就不滿足我軍要求的保密性問(wèn)題，雖然它是應(yīng)用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，但通過(guò)海事衛(wèi)星傳送我軍艦船重要信息，將對(duì)未來(lái)海域作戰(zhàn)帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。

3 北斗AIS系統(tǒng)研究

通過(guò)分析衛(wèi)星AIS以及LRIT在艦船遠(yuǎn)洋航行動(dòng)態(tài)監(jiān)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(wèn)題。下面針對(duì)這三個(gè)問(wèn)題分析AIS及北斗組合成北斗AIS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

3.1北斗系統(tǒng)的功能及優(yōu)勢(shì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有定位、通信功能，是繼美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS之后，第三個(gè)趨于成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它改變了我國(guó)長(zhǎng)期缺少高精度、實(shí)時(shí)定位手段的局面，打破了美國(guó)和俄羅斯在這一領(lǐng)域的壟斷地位。

3.1.1 北斗系統(tǒng)的功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下三大功能[6]：

1）快速定位

目前，該系統(tǒng)可在亞太地區(qū)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。定位響應(yīng)時(shí)間：1類用戶5 s；2類用戶2秒；3類用戶1 s。定位更新時(shí)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(dāng)；

2）簡(jiǎn)短報(bào)文

即短報(bào)文通信，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向數(shù)字報(bào)文通信能力，可實(shí)現(xiàn)70~210字節(jié)的雙向數(shù)字報(bào)文通信服務(wù)；

3）精確授時(shí)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向兩種授時(shí)功能，利用定時(shí)用戶終端，完成與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時(shí)間和頻率同步，提供100 ns（單向授時(shí)）和20 ns（雙向授時(shí)）的同步精度。

3.1.2 北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)研究北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分析出以下四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）通信與定位功能，比起GPS，北斗無(wú)需其他通信系統(tǒng)的支持；

2）目前整個(gè)亞太區(qū)域沒(méi)有通信盲區(qū)。預(yù)計(jì)2020年，北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成，屆時(shí)通信范圍覆蓋全球；

3）適合集團(tuán)用戶大范圍數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控管理用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；

4）由我國(guó)自主生產(chǎn)，可靠性高、穩(wěn)定性好、安全保密性強(qiáng)。

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(yuǎn)洋航行艦船動(dòng)靜態(tài)情況。信息種類見(jiàn)表1.

表1 AIS信息種類

3.3北斗AIS系統(tǒng)的構(gòu)想及優(yōu)勢(shì)

3.3.1 北斗AIS終端構(gòu)想

針對(duì)AIS通信距離有限的問(wèn)題，本文提出一種遠(yuǎn)程船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)—北斗AIS系統(tǒng)的構(gòu)想。艦船將本船與周圍船只的AIS信息利用AIS終端通過(guò)核心處理器經(jīng)過(guò)分類、過(guò)濾、壓縮等處理后，輸入到北斗終端，通過(guò)北斗通信模塊按照通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到岸上監(jiān)控中心，將數(shù)據(jù)入庫(kù)到監(jiān)控中心并進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)信息顯示。北斗AIS系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。北斗AIS系統(tǒng)終端邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 北斗AIS系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.3.2北斗AIS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

北斗AIS系統(tǒng)就是利用北斗系統(tǒng)與AIS系統(tǒng)各自的功能特點(diǎn)，將北斗與AIS終端通過(guò)核心處理器模塊結(jié)合，將AIS信息利用北斗網(wǎng)絡(luò)傳送到基站。通過(guò)研究分析可得北斗AIS系統(tǒng)的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）無(wú)監(jiān)控盲區(qū)。通過(guò)北斗衛(wèi)星中轉(zhuǎn)AIS信息，解決了AIS廣播距離受限的問(wèn)題，從而保證艦船遠(yuǎn)航的動(dòng)態(tài)監(jiān)控；

2）信息全面。核心處理器對(duì)艦用AIS終端搜集到的一片海域的信息經(jīng)過(guò)一定處理之后傳輸?shù)奖倍方K端，相比衛(wèi)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(yuǎn)洋航行艦船動(dòng)靜態(tài)情況。

3）保證數(shù)據(jù)更新頻率。北斗二號(hào)系統(tǒng)預(yù)計(jì)2020年全面建成，屆時(shí)通信功能將覆蓋全球。利用北斗系統(tǒng)中轉(zhuǎn)AIS信息，相比衛(wèi)星AIS與LRIT系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)更新頻率滿足監(jiān)控要求。

4）安全保密性強(qiáng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，安全、可靠、穩(wěn)定，保密性強(qiáng)，相比衛(wèi)星AIS的低軌道衛(wèi)星與LRIT的國(guó)際海事衛(wèi)星Inmarsat，北斗中轉(zhuǎn)艦用AIS信息，避免了安全隱患。

4 研究展望

北斗AIS的構(gòu)想不僅擴(kuò)大了AIS的作用范圍，還解決了衛(wèi)星AIS與LRIT在艦船遠(yuǎn)洋航行動(dòng)態(tài)監(jiān)控中存在的局限性。在一片海域內(nèi)本艦接收的AIS信息量往往較大，而北斗短報(bào)文通信能力有限。通過(guò)北斗系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)一片海域船舶的AIS信息，在設(shè)計(jì)核心處理器時(shí)就需要考慮如何處理大量數(shù)據(jù)，從而滿足北斗信道容量。這將是接下來(lái)的工作重點(diǎn)。對(duì)數(shù)據(jù)的處理主要采用先分類過(guò)濾再進(jìn)行壓縮的方法，數(shù)據(jù)處理流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 AIS信息處理流程圖

4.1信息分類過(guò)濾

一片海域本艦接收到的AIS數(shù)據(jù)量往往很大，而周圍船舶AIS信息很多是無(wú)用的，這就需要通過(guò)一定的方法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類過(guò)濾，從而選取有效信息，下面提出幾種篩選方法的設(shè)想：

1）距離限制法。艦船在航行中根據(jù)其任務(wù)要求及上級(jí)指令，通過(guò)收縮以VHF信號(hào)廣播距離為半徑的圓形AIS信息區(qū)域，過(guò)濾距本艦較遠(yuǎn)的船舶AIS信息，將距本艦較近的AIS信息傳輸?shù)桨渡现笓]中心，從而滿足數(shù)據(jù)量要求；

2）時(shí)間限制法。對(duì)于處在拋錨停泊狀態(tài)的船舶，在其停泊狀態(tài)下無(wú)需轉(zhuǎn)發(fā)AIS信息，這時(shí)要通過(guò)時(shí)間的限制，過(guò)濾掉該段時(shí)間內(nèi)該船舶AIS信息。當(dāng)一定時(shí)間間隔閾值內(nèi)，該船舶廣播的AIS信息近似相同時(shí)，則轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)過(guò)濾掉該船信息。

3）舷角限制法。通過(guò)限制本艦舷角大小獲取相應(yīng)角度內(nèi)海域中其他船舶的AIS信息，有利于岸上指揮中心掌握目標(biāo)海域船舶的大致動(dòng)向，對(duì)下一步的指揮監(jiān)控，防止避碰等起到關(guān)鍵作用。

除了以上幾種限制方法外，還可以采取對(duì)地速度(SOG)限制、UTC限制等方法，這些只是針對(duì)信息過(guò)濾方法的幾種設(shè)想，具體如何實(shí)施將是作者今后需要研究的內(nèi)容。

4.2信息壓縮處理

AIS信息經(jīng)過(guò)分類過(guò)濾處理，其數(shù)據(jù)量已經(jīng)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(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(shí)別應(yīng)用。在選取算法時(shí)，可以根據(jù)不同容量選取不同的算法，考慮時(shí)效性，選擇適當(dāng)壓縮比。例如，數(shù)據(jù)量較少時(shí)，就要采取一種快速壓縮的算法，減少時(shí)間，獲取高的更新頻率；數(shù)據(jù)量多時(shí)，采取的算法既要側(cè)重誤碼率大小，又要滿足更新頻率，通過(guò)比較不同算法選擇最佳壓縮比。

目前，數(shù)據(jù)壓縮的算法分為有損壓縮和無(wú)損壓縮，對(duì)于AIS文本信息壓縮通常采用無(wú)損壓縮，主要有以下幾種：霍夫曼編碼、算術(shù)編碼、香農(nóng)-范若編碼、行程編碼（RLE編碼），LZW編碼以及無(wú)損預(yù)測(cè)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(duì)于選取哪種壓縮算法，可以通過(guò)以下兩種方法比較選取：

1）縱向比較。對(duì)于相同數(shù)據(jù)量的AIS信息，采用不同壓縮算法進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)壓縮時(shí)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(yīng)用于不同數(shù)據(jù)量的AIS信息，如應(yīng)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(gè)算法的壓縮情況（壓縮時(shí)間、誤碼率等）。

5 結(jié)束語(yǔ)

AIS是在VHF海上移動(dòng)頻段傳輸數(shù)據(jù)，傳播距離有限，存在遠(yuǎn)海域監(jiān)控盲區(qū)。北斗系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有定位、短報(bào)文通信功能，安全、可靠、穩(wěn)定，保密性強(qiáng)。本文通過(guò)比較衛(wèi)星AIS、LRIT系統(tǒng)在艦船遠(yuǎn)洋航行動(dòng)態(tài)監(jiān)控中的缺陷，發(fā)現(xiàn)它們存在信息量不足、更新頻率慢、保密性差三方面的問(wèn)題。然后提出一種遠(yuǎn)程船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)—北斗AIS系統(tǒng)，并詳細(xì)分析了其主要功能和優(yōu)點(diǎn)。

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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(yè)方向：交通信息工程及控制。