蔡 君，王郁茗，張尚悅

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基于北斗傳輸?shù)腁IS信息預(yù)處理及差分編碼技術(shù)

蔡 君1，王郁茗2，張尚悅2

(1. 鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連 116018)

基于北斗短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)AIS信息可以解決其遠(yuǎn)海域存在監(jiān)控盲區(qū)的問(wèn)題，然而船舶密集海域的AIS信息經(jīng)過(guò)篩選過(guò)濾后數(shù)據(jù)量依然較大，轉(zhuǎn)發(fā)需要大量的時(shí)間，不滿足船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的時(shí)效性要求。針對(duì)此局限性研究AIS信息的壓縮編碼技術(shù)，先對(duì)AIS信息作預(yù)處理去除無(wú)效冗余，再應(yīng)用差分編碼壓縮AIS船位信息，將處理后的AIS參數(shù)按新規(guī)則重組后通過(guò)北斗轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)預(yù)處理和差分編碼技術(shù)處理過(guò)的AIS信息量縮減一倍，誤碼率極低，船舶位置誤差在2米以內(nèi)。

AIS信息 北斗短報(bào)文 預(yù)處理 差分編碼

0 引言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱AIS，是一種通用高效的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，在船舶導(dǎo)航、船舶避碰、船船通信、船岸通信、航運(yùn)信息化建設(shè)等方面發(fā)揮了重要作用。AIS能夠識(shí)別目標(biāo)船，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，接收并轉(zhuǎn)發(fā)周邊船舶的AIS信息，具有接近實(shí)時(shí)跟蹤、對(duì)地穩(wěn)定性強(qiáng)、簡(jiǎn)化信息交流、丟失目標(biāo)可能性小等特點(diǎn)[1,2]。

本文研究基于北斗傳輸?shù)腁IS特征信息的壓縮編碼技術(shù)，通過(guò)分析AIS數(shù)據(jù)特征，對(duì)AIS信息作壓縮前預(yù)處理和差分編碼技術(shù)處理，在保證誤碼的前提下，壓縮信息體積，增加AIS傳輸數(shù)據(jù)量。

1 AIS信息的壓縮編碼概述

1.1 AIS信息壓縮編碼的提出

當(dāng)船舶航行到密集海域時(shí)會(huì)收到大量的AIS信息，但北斗通信能力有限、帶寬窄，單次最大傳輸210字節(jié)的報(bào)文信息。AIS暗碼電文共28個(gè)字節(jié)如“1P000Oh1IT1svTP2r:43grwb0Eq4”，設(shè)本船在密集海域航行時(shí)收到200條船舶，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)篩選技術(shù)篩選出對(duì)本船安全航行產(chǎn)生影響的船舶50艘。這50條船舶包含1400字節(jié)的報(bào)文信息，如果全部通過(guò)北斗轉(zhuǎn)發(fā)且采用5s的高服務(wù)頻度，則共需要30s才能將這50條船的AIS信息發(fā)送完畢，大于在航船舶AIS動(dòng)態(tài)信息報(bào)告的最大更新間隔t=12s[4]，削弱了基指對(duì)船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控能力。則在對(duì)接收到的船舶采用篩選過(guò)濾技術(shù)后還需進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s編碼技術(shù)以縮減信息量。

1.2 AIS信息的壓縮技術(shù)分析

數(shù)據(jù)壓縮是指在不丟失信息的前提下，縮減數(shù)據(jù)量以減少存儲(chǔ)空間，提高其傳輸、存儲(chǔ)和處理效率的一種技術(shù)方法。或按照一定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，減少數(shù)據(jù)的冗余和存儲(chǔ)空間[6]。數(shù)據(jù)的冗余包括空間冗余、結(jié)構(gòu)冗余、知識(shí)冗余、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)冗余、統(tǒng)計(jì)冗余和信息熵冗余。數(shù)據(jù)壓縮分為無(wú)損和有損壓縮，對(duì)于AIS信息，要求減少或去除數(shù)據(jù)中的冗余并能夠無(wú)失真地還原成原來(lái)的數(shù)據(jù)，因此只能采取無(wú)損壓縮的方式。

通過(guò)分析AIS信息特征，減少冗余信息縮減存儲(chǔ)空間，在應(yīng)用北斗傳輸AIS數(shù)據(jù)時(shí)充分利用北斗通信帶寬。AIS冗余信息可分為無(wú)效冗余和空間冗余信息，無(wú)效冗余是指對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)控?zé)o關(guān)的部分，通過(guò)進(jìn)行壓縮前無(wú)效冗余預(yù)處理方法去除。空間冗余是指相鄰信息之間存在關(guān)聯(lián)性的部分，船舶AIS數(shù)據(jù)間存在關(guān)聯(lián)性信息，通過(guò)差分編碼技術(shù)進(jìn)行處理。

2 AIS信息壓縮編碼技術(shù)

2.1 AIS無(wú)效冗余信息分析與預(yù)處理

AIS電文種類有很多，為保證遠(yuǎn)海域動(dòng)態(tài)監(jiān)控需求，北斗只需傳輸電文ID1,2,3的位置報(bào)告信息。其暗碼電文總比特?cái)?shù)168位，參數(shù)分別為電文ID（6位）、轉(zhuǎn)發(fā)指示器（2位）、用戶ID（30位）、航行狀態(tài)（4位）、旋回速率（8位）、實(shí)際航速（10位）、位置精度（1位）、緯度（27位）、經(jīng)度（28位）、實(shí)際航向（12位）、真艏向（9位）、時(shí)間標(biāo)記（6位）、留待區(qū)域（4位）、備用（1位）、RAIM狀態(tài)（1位）、通信狀態(tài)（19位）[4]。

在不同時(shí)段采集200條船舶，由于數(shù)據(jù)較多，只顯示部分船舶AIS信息和譯碼信息，如圖2.1、圖2.2所示。通過(guò)分析其暗碼電文及對(duì)應(yīng)譯碼信息可發(fā)現(xiàn)，AIVDM和AIVOM語(yǔ)句中部分參數(shù)非動(dòng)態(tài)監(jiān)控有效信息，如電文ID、轉(zhuǎn)發(fā)指示器、位置精度、真艏向、留待區(qū)域使用、備用以及RAIM標(biāo)志參數(shù)。遠(yuǎn)海域動(dòng)態(tài)監(jiān)控是為了實(shí)時(shí)監(jiān)控保障本船航行安全，岸基指揮人員需要掌控本船周邊船舶的動(dòng)態(tài)信息變化，因此以上參數(shù)信息在通過(guò)北斗短報(bào)文傳輸時(shí)應(yīng)當(dāng)作監(jiān)控?zé)o效冗余信息去除，共15位。

時(shí)間標(biāo)記與通信狀態(tài)參數(shù)可以通過(guò)整合信息進(jìn)行去冗余處理。時(shí)間標(biāo)記顯示UTC時(shí)間的秒位，通信狀態(tài)包括同步狀態(tài)、時(shí)隙時(shí)限和子電文，子電文中包括接收臺(tái)站、時(shí)隙數(shù)、UTC時(shí)與分位和時(shí)隙偏置，因此只需保留UTC時(shí)分秒即可，則去除7位冗余信息。由于船舶同一次收到周圍船舶的AIS信息的UTC時(shí)間一致，因此只發(fā)送一次本船接收時(shí)刻的UTC時(shí)間即可。經(jīng)去除監(jiān)控?zé)o效冗余信息后，周邊一艘船舶信息體積為137位，較源碼減少29位的信息體積。

2.2 差分編碼技術(shù)

差分編碼是根據(jù)信源相鄰信息之間存在一定關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，用過(guò)去的樣本預(yù)測(cè)當(dāng)前的樣本，然后對(duì)差值進(jìn)行編碼。如果預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，誤差就會(huì)很小。設(shè)系統(tǒng)發(fā)送端先發(fā)送一個(gè)起始值，接著就只發(fā)送預(yù)測(cè)差值，收端把接收到的量化后的預(yù)測(cè)差值與前一個(gè)算出的預(yù)測(cè)值相加，即得恢復(fù)信號(hào)。

2.3 AIS船位信息的差分編碼

AIS屬于VHF通信設(shè)備，其電波作用距離受到天線高度、發(fā)射功率、大氣狀況等條件的影響都由AIS的廣播和接收距離公式可知，一般而言，AIS作用距離由公式（2）[2]得出：

式中12為兩船AIS天線高度，根據(jù)IEC建議船對(duì)船時(shí)采用=3.0。本船可接收它船AIS信息的距離一般在20～30海里以內(nèi)，由此可知，它船與本船船距較近，船位經(jīng)緯度差值在角分級(jí)。

為方便編碼與收端解碼，對(duì)于船位差值的編碼采用均勻量化，編碼長(zhǎng)度由位置精度確定。設(shè)兩船間距離為，見(jiàn)公式（3）[7]。式中為以經(jīng)度1′的圖上長(zhǎng)度為單位度量時(shí)的漸長(zhǎng)緯差，根據(jù)兩船的緯度、查《航海用表選集》中表（17）“緯度漸長(zhǎng)率表”，得出、對(duì)應(yīng)的漸長(zhǎng)緯度、，二者之差即，為中分緯度，、為緯差和經(jīng)差，為東西距。由公式可知它船距本船的緯差最大為30′，通常海圖顯示分辨率為0.001′，地球表面對(duì)于緯差和東西距1′的長(zhǎng)度約等于1海里等于1852米，此時(shí)理論上精度在2米以內(nèi)滿足位置精確度需求，則緯差最大確定為30.000′。30000的二進(jìn)制位111010100110000，為15位，則可發(fā)送緯差有效信息位數(shù)為16位（首位為符號(hào)位），相對(duì)原始數(shù)據(jù)，每艘船舶AIS緯度信息減少11位空間冗余。

經(jīng)差取值最大的情況為兩船位于同一緯度，由緯度漸長(zhǎng)率公式可得同緯度上兩船距離與經(jīng)差關(guān)系：

3 差分編碼誤差分析

某船于渤海海峽航行時(shí)采集100條船舶AIS數(shù)據(jù)，船位信息為緯度38°50′.796，經(jīng)度121°55′.890，對(duì)周圍100條船舶進(jìn)行AIS船位信息差分編碼，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，緯度誤差在5.5e-4分以內(nèi)，平均誤差為1.53e-4分，由1緯度等于1852米可得，緯度誤差在1米以內(nèi)，平均值為0.28米；經(jīng)度誤差在5.6e-4分以內(nèi)，平均誤差為1.33e-4；位置誤差在1米以內(nèi)，平均位置誤差為0.27米。緯度編碼誤碼率在2.5e-7以內(nèi)，平均值為6.5e-8；經(jīng)度編碼誤碼率在9e-8以內(nèi)，平均值為4.2e-8。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，經(jīng)緯度誤差很小，在米級(jí)，符合理論值2米以內(nèi)。誤碼率極低，基本無(wú)誤碼。

4 AIS數(shù)據(jù)壓縮后信息重組

由于AIS信息壓縮編碼為均勻量化編碼，將待發(fā)送的船舶按照首先發(fā)送本船AIS信息然后依次發(fā)送其它船舶AIS信息的順序打包成碼元序列，這樣發(fā)送的碼元長(zhǎng)度能夠固定在一個(gè)數(shù)值，見(jiàn)表1。本船與它船的船舶AIS信息重整格式見(jiàn)表3。

筆者通過(guò)分析AIS特征信息，提出采用壓縮前預(yù)處理方法與差分編碼技術(shù)對(duì)AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，減少數(shù)據(jù)體積，使更多的船舶AIS信息可以通過(guò)北斗信道轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用差分編碼壓縮技術(shù)處理AIS船位信息，船位壓縮率為58.2%，系統(tǒng)壓縮率為57.1%，壓縮前最多只能發(fā)送9艘船舶信息，壓縮后能發(fā)送17艘船舶AIS信息，信息量擴(kuò)大將近一倍。且誤差小，誤碼率低。

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AIS Information Preprocessing & Differential Encoding Technologies Based on Beidou Transmission

Cai Jun1, Wang Yuming2, Zhang Shangyue2

（1.Zhenjiang watercraft Academy，Zhenjiang 212000,Jiangsu,China；2.Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning, China）

U666

A

1003-4862（2016）09-0040-04

2016-04-15

蔡君（1988-），男，助教。研究方向：航海學(xué)