龔永壽 錢廷發(fā) 張明睿

（1.云南省航務(wù)管理局 云南省昆明市 650051 2.上海普適導(dǎo)航有限公司 上海市 201112）

（3.交通運輸部水運科學(xué)研究所 北京市 100088）

船舶安全是發(fā)展海洋經(jīng)濟的重要保障。北斗終端和AIS 終端是船舶安全生產(chǎn)的重要裝備。2013年1月24日，農(nóng)業(yè)部和財政部發(fā)布了《2013年農(nóng)業(yè)機械購置補貼實施指導(dǎo)意見》（農(nóng)辦財〔2013〕8 號），將漁船用北斗船載終端和AIS 船載終端納入全國農(nóng)機購置補貼機具種類范圍，大幅度提高北斗和AIS 船載終端在船舶上的覆蓋率，有效預(yù)防和減少了船舶碰撞事故發(fā)生。

北斗船載終端能通過北斗衛(wèi)星鏈路實現(xiàn)船和岸上的數(shù)據(jù)通訊，AIS 終端通過甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播自己船位、速度、航向等信息，來避免船舶之間的碰撞[1]。由于AIS 通訊距離有限，實際效果一般在30～50 海里的范圍內(nèi)，岸基AIS 基站很難收到AIS 終端的信號。目前，北斗通信范圍已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū)，將來可能進一步覆蓋全球。為此可以考慮利用北斗通信來向岸上北斗中心傳輸AIS 信息，再通過地面網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紸IS 中心。提高海洋作業(yè)安全生產(chǎn)管理的信息化、智能化水平，提升公共服務(wù)水平[2]。

由于北斗通信的頻率及報文通信量有限制，一般每分鐘通信一次，每次數(shù)據(jù)大小為628 Bit，如果收到多個船舶的AIS 數(shù)據(jù)，不能及時一次性的發(fā)送完畢。因此本文研究了一種高效、簡約、公平的通信轉(zhuǎn)發(fā)模型來構(gòu)建北斗AIS 轉(zhuǎn)發(fā)隊列，該模型通過計算隊列中每一條待發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，按優(yōu)先級從大到小的原則轉(zhuǎn)發(fā)AIS 數(shù)據(jù)，提高AIS 數(shù)據(jù)傳輸效率，能夠有效解決AIS 超長距離傳輸問題，實現(xiàn)移動小型AIS 基站功能。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為各類用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航、授時、短報文通信服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。截至2019年5月，我國成功發(fā)射了44 顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，目前在軌衛(wèi)星和地面工作穩(wěn)定，經(jīng)全球范圍測試評估，系統(tǒng)性能滿足預(yù)期。中國北斗系統(tǒng)已于2018年12月27日開始提供全球服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)集定位、雙向短報文通信和授時服務(wù)這三種功能為一身，具有24 小時全天候服務(wù),無通訊盲區(qū)，高強度加密設(shè)計，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用等特點。因此，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特別適用于需要定位導(dǎo)航與移動數(shù)據(jù)通信相互結(jié)合的遠海海洋船舶安全保障服務(wù)領(lǐng)域[3]。

1.2 AIS系統(tǒng)

AIS 系統(tǒng)（Automatic Identification System,船舶自動識別系統(tǒng)）是指一種應(yīng)用于船和岸、船和船之間的海事安全與通信的新型助航系統(tǒng)，由VHF 通信機、GPS 定位儀和與船載顯示器及傳感器等相連接的通信控制器組成，能自動交換船位、航速、航向、船名、呼號等重要信息。裝在船上的AIS 在向外發(fā)送這些信息的同時，同樣接收VHF 覆蓋范圍內(nèi)其他船舶的信息，從而實現(xiàn)了自動應(yīng)答。

AIS 系統(tǒng)受外界自然因素干擾少，它在船舶導(dǎo)航、避碰、船舶通信、船岸通信、海上搜救、海事調(diào)查等方面發(fā)揮獨特而重要的作用。航行于開闊水域的船舶不用VHF 無線電話的通話便可自動獲得來往船舶的各類信息；航行于限制水域的船舶不僅可自動獲得其他船舶的信息，而且通過VTS 的廣播獲得各類航行信息和港口信息。同時，作為一種開放式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),它可與雷達、ARPA、ECDIS、VTS 等終端設(shè)備和INTERNET 實現(xiàn)連接，構(gòu)成海上交管和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，是不用雷達探測也能獲得交通信息的有效手段，這樣可在最大程度上人為防止船舶碰撞和各類海難事故的發(fā)生。

2 AIS數(shù)據(jù)優(yōu)先級判定原則

香農(nóng)提出信息熵的概念來研究信息的價值。指出變量的不確定性越大，熵也就越大，把它搞清楚所需要的信息量也就越大[4]。其中不確定定義為公式（1）：

其中p 表示事件發(fā)生的概率，信息熵的性質(zhì)表示發(fā)生概率越高的事件，其攜帶的信息量越低。因此，在北斗轉(zhuǎn)發(fā)AIS 數(shù)據(jù)的過程中，優(yōu)先選擇發(fā)生概率高的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。衡量AIS 數(shù)據(jù)下一時刻被接收的概率的因素包括AIS 設(shè)備間距離、AIS 數(shù)據(jù)最后活躍時間和AIS 數(shù)據(jù)上次發(fā)送時間。通過綜合評估三個因素的發(fā)生概率定義AIS 數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，優(yōu)先轉(zhuǎn)送發(fā)送級別較高的數(shù)據(jù)，提高北斗傳輸數(shù)據(jù)的效率。

2.1 AIS設(shè)備間距離

首先從距離方面考慮，由于AIS 傳輸距離的限制，當己方和對方距離較遠的時候，很可能雙方距離就超過接收范圍；當雙方距離相對近的時候，下一時刻接收其信號的可能性就比較大，因此距離是重要考慮的因素，優(yōu)先發(fā)送遠距離的信號。

定義船舶的距離因子：考慮到一般AIS 最大通信距離為50 海里左右，因此定義如下：

D 表示己方和對方的距離。

2.2 最后活躍時間

由于海上氣候變化劇烈，船上通航設(shè)備較多，也存在電磁信號干擾現(xiàn)象。己方AIS 設(shè)備可能斷斷續(xù)續(xù)收到對方的AIS 數(shù)據(jù)，下次就很可能收不到該信號。因此考慮同一信號的活躍時間，活躍時間越短（頻繁在線），說明下次還會收到AIS 數(shù)據(jù)的概率大?；钴S時間越長（頻繁斷線），說明下次收到活躍時間的概率越小。根據(jù)信息熵原理，對不活躍的AIS 位置要重點傾斜。

表1：0 時刻隊列情況

表2：60 秒后隊列情況

表3：90 秒后隊列情況

AIS 編號 當前距離（海里）舊級別 上次發(fā)送時間（秒）最后活躍時間（秒）接收時間（秒）當前時間（秒）級別1 10.34.9815084637901508464390150846439015084644804.98 2 3.84.25無1508464480150846448015084644804.06 4 6.24.58無1508464390150846439015084644804.65 6 15.74.1615084640901508464390150846439015084644804.29 7 20.05.58無1508464390150846439015084644805.65 8 31.36.25無1508464390150846439015084644806.31 9 27.45.92無1508464390150846439015084644805.98 1149.5無無1508464480150846448015084644807

定義最后活躍時間因子：

TlastActive表示最后收到AIS 數(shù)據(jù)的時間，為UTC 秒數(shù)。

2.3 AIS數(shù)據(jù)上次發(fā)送時間

當接收多個船舶上的AIS 數(shù)據(jù)的時候，北斗這時候未來得及發(fā)送完都會積壓在發(fā)送隊列中，因此需要考慮同一AIS 設(shè)備數(shù)據(jù)的上次發(fā)送的時間。上次發(fā)送時間距離當前時間短，說明該同一AIS 設(shè)備信號被發(fā)送的次數(shù)相對會較多；反之，說明該同一AIS 設(shè)備信號被發(fā)送的次數(shù)相對會較少。本著公平的原則，對于發(fā)送隊列的信息，在更新計算其級別的時候需要，需要考慮該因素。

定義上次發(fā)送時間因子：

TlastSend表示上次發(fā)送時間，為UTC 秒數(shù)。Tcurrent表示當前時間，UTC 秒數(shù)。

2.4 發(fā)送級別評估

結(jié)合上述三個因素以及級別的慣性作用，制定一個優(yōu)先發(fā)送級別計算及更新函數(shù)[5]，來合理調(diào)度安排AIS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略。

約定AIS 數(shù)據(jù)最后活躍時間超過當前時間600 秒未完成發(fā)送，該AIS 數(shù)據(jù)從北斗隊列中刪除，不進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。同時定義級別L∈[1,10]。

Lold生命期為600 秒，600 內(nèi)Lold不存在，則級別計算公式如下：

600 內(nèi)Lold存在，則級別計算公式如下：

Lold表示上一輪計算時的對應(yīng)優(yōu)先級別，公式（5）、公式（6）采用加權(quán)平均計算模型[3]，Wi表示對應(yīng)的權(quán)重，[ ]表示取整運算。

接收到AIS 數(shù)據(jù)后，如在系統(tǒng)600 秒首次收到的該AIS 信息，根據(jù)公式（5）計算其發(fā)送級別放入發(fā)送隊列；如非首次，根據(jù)公式（6）、（7）計算其對應(yīng)的級別放入發(fā)送隊列，相應(yīng)的因子計算參考公式（2）、公式（3）、公式（4）。同時系統(tǒng)定期跟據(jù)公式（6）、（7）更新發(fā)送隊列中待發(fā)數(shù)據(jù)級別；當北斗滿足發(fā)送頻度要求的時候從發(fā)送隊列中按級別由大到小順序取出AIS 數(shù)據(jù)發(fā)送。

3 仿真試驗

上海普適導(dǎo)航科技股份有限公司擁有北斗導(dǎo)航民用服務(wù)資質(zhì)，建立了北斗運營服務(wù)平臺，為入網(wǎng)注冊用戶提供導(dǎo)航定位、通信和增值服務(wù)。本文通過北斗運營服務(wù)平臺與北斗終端進行通信，創(chuàng)建多條AIS 數(shù)據(jù)信息，每30 秒計算一次發(fā)送隊列中AIS 級別權(quán)重，檢驗北斗終端系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況。設(shè)定北斗終端每分鐘可以傳輸3 個AIS 信息內(nèi)容，取W=[0.25 0.25 0.25 0.25]T。

設(shè)定初始0 時刻衛(wèi)星終端發(fā)送頻度剛被使用，等待下一個發(fā)送周期才可以發(fā)送。同時在0 時刻收到10 個AIS 數(shù)據(jù)信息，并計算其對應(yīng)級別，如表1 和表2所示。

由于AIS 編號5、AIS 編號10、AIS 編號3 的級別最高，同時將被從緩存移出轉(zhuǎn)發(fā)。

30 秒后，又收到2 條信息AIS 2、AIS 11 位置信息，其中AIS 2 的數(shù)據(jù)還在隊列中未發(fā)送完成，需要把最新的經(jīng)緯度等信息替換舊的信息。此時隊列緩存情況如表3所示。

通過以上仿真，可以看出級別的動態(tài)變化，級別的增長、下降符合系統(tǒng)規(guī)律，整個北斗終端良好運行。本模型具有較高的科研和實用價值。

4 結(jié)論

由于北斗通信的頻率及報文通信量有限制，如果收到多個船舶的AIS 數(shù)據(jù)，不能及時一次性的發(fā)送完畢。本文通過研究一種高效、簡約、公平的通信轉(zhuǎn)發(fā)模型來構(gòu)建北斗AIS 轉(zhuǎn)發(fā)隊列，該模型通過綜合評估AIS 設(shè)備間距離、AIS 數(shù)據(jù)最后活躍時間和AIS 數(shù)據(jù)上次發(fā)送時間這三個因素的發(fā)生概率定義AIS 數(shù)據(jù)的優(yōu)先級計算隊列中每一條待發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，按優(yōu)先級從大到小的原則轉(zhuǎn)發(fā)AIS 數(shù)據(jù)，提高北斗傳輸數(shù)據(jù)的效率。