AIS系统的开发与应用

AIS系统的开发与应用船舶自动识别系统(AutomaticIdentificationSystem,缩写为AIS)是一种新型船舶避碰系统,也称无线电应答系统,用于船舶之间、船岸之间自动应答和识别,由AIS船台和AIS岸站系统组成,通过增强船舶识别和船舶动态信息收集的功能,实现船岸之间的信息传输和交换,可在航行安全、交通控制和海事管理方面发挥十分重要的作用。AIS(AutomaticIdentificationSystem，自动识别系统)是集现代通信、网络和信息科技于一体的多门类高科技新型助航设备和安全信息系统，是一种工作在VHF频段采用SOTDMA（自主时分多址）现代通讯技术的广播式自动报告系统。AIS系统由岸基台、船载台、转发台、助航台、机载台组成。船载台可向他船及岸基台自动播放本船的动态信息（船位、航速、航向等）、静态信息（船名、目的港等）、航次信息和安全短消息等相关资料，同时也可自动接收他船及岸基台的资讯。岸基台则可依靠所获取的信息，拓展主管机关的服务管理范围，及时掌握海域交通动态，提高海域管理效率等等。AIS系统建立了船舶、船－岸的信息平台，为真正实现海上交通安全的信息化管理提供了重要的手段，使其成为促进航行安全，提高航运交通效率的先进工具。AIS系统的关系图如图1所示。图1AIS系统关系图一、AIS介绍机载AISA类AIS船台A类AIS船台A类AIS船台B类AIS船台B类AIS船台ATONAIS航标ATONAIS航标AIS岸台AIS数据链AIS1AIS2机载AIS机载AISA类AIS船台A类AIS船台A类AIS船台A类AIS船台A类AIS船台A类AIS船台B类AIS船台B类AIS船台B类AIS船台B类AIS船台ATONAIS航标ATONAIS航标ATONAIS航标ATONAIS航标AIS岸台AIS岸台AIS数据链AIS1AIS21.AIS产生的背景随着世界船舶数量不断增加及船舶向大型化和高速化方向发展，世界重要水道越来越拥挤，海损事故时有发生，给船舶航行安全和海洋生态环境造成了巨大威胁。人们在长期研究航行安全保障技术中越来越认识到，船舶之间和船岸之间的信息交换与船舶识别的重要性，同时也深感现行状况存在的诸多局限性。因此，提高船舶航行安全，防止及控制船舶对海洋的污染，成为国际海事组织(IMO)和各国主管部门的当务之急。为了进一步提高船舶航行安全，有必要研究和开发新的助航设备。通信和计算机技术的发展，为该研究提供了技术上的保证。船载AIS就是依托这些技术发展而成的。在AIS系统中，国际海事组织航海安全委员会（NAV）在1997年第43次全会上通过了《关于全球船舶自动识别系统AIS作业标准的建议案》；并随后由国际海事组织海上安全委员会（MSC）在1998年5月第69届全会上以MSC.74号(69)决议批准。1998年ITU正式通过了ITU-RM.1371-2关于《海上VHF波段使用TDMA的船用自动识别系统(AIS)的技术特性》的决议案。国际电工技术委员会IEC于2001年6月也通过了IEC61993-2关于《通用AIS的技术测试标准》的决议案，简称“AIS测试标准”。AIS系统的国际标准已经建立。海上生命安全公约（SOLAS）第五章新规则要求，所有在2002.7.1或以后建造的大于等于300总吨从事国际航运的船舶，大于等于500总吨不从事国际航运的货船或者所有客船均须装备AIS设备。要求所有于2002.7.1前建造的从事国际航运的各类船舶必须在2003.7.1到2008.7.1前装备AIS设备。但在此期限后2年内将永久退役的船舶可免装AIS设备。AIS设备的船舶安装数量快速增长，国际海事组织（IMO）规定，大中型船舶（300总吨以上）必须安装AISA类船台，中小型船舶安装AISB类船台，辅助导航设施（包括无线浮标和灯塔）安装ATONAIS设备。2.AIS的功能船舶自动识别系统AIS(AutomaticIdentificationSystem)是一种船舶导航设备，通过AIS使用能增强船舶间避免碰撞的措施，能加强ARPA雷达、船舶交通管理系统、船舶报告的功能，能在电子海图上显示所有船舶可视化的航向、航线、船名等信息，达到改进海事通信的功能和提供一种船舶进行语音和文本通信的方法，增强了船舶的全局意识。AIS的功能包括：1)AIS设备能在没有船员介入的情况下，自动和连续地向岸基台及其他船载台报告自己的导航数据和状态信息。同时，也能接收和处理由岸基台、其他船载台等传送来的指令和相关信息；2)AIS设备在所有区域通常工作在自主和连续模式，在岸基台的控制下也可以与指定模式或询问模式相互转换工作；3)AIS设备能以高优秀级和最小的延迟向岸基台和其它成员自动广播与安全有关的短信息，也能向指定的成员发送与安全有关的电文；4)AIS设备能根据不同的用途，发射或接收及处理ITU-RM.1371附件2表13规定的22种类型报文；5)AIS设备可以使用SOTDMA、ITDMA和RATDMA三种时分多址访问协议。AIS设备能使用与世界协调时UTC同步，或者在不能直接得到UTC时能够采用其他源同步的方法来保持TDMA工作的完整性；6)AIS设备内部装有GNSS接收机，由此获得精确的UTC定时源，并能接收由岸基台广播的DGNSS修正数据，提供精确的船位精度。在失去外部提供船位信息源的情况下，内部GNSS接收机可被用作船位信息源；7)AIS设备具有最小键盘和显示MKD，能人工输入航次和安全有关的信息，能进行AIS功能控制和数据选择等操作，能显示船舶航行有关的导航信息，能够提供有关的报警和状态信息指示。在MKD基础上可以考虑扩展具有电子海图显示和信息处理功能，向操作员提供信息内容更丰富和更形象直观的显示；8)AIS设备具有一个符合IEC61162标准的双向接口，用于远程应用。同时还根据相应的国际海事接口标准要求配置于各种传感器、船载系统及其相关应用的标准接口；9)AIS设备提供必要的安全机制，以发现AIS失效和防止未经许可的数据输入，发送或更改。能自动记录AIS设备停止运行的所有时间，用户不得修改记录，当需要时可以恢复记录数据。3.AIS采用的SOTDMA多址技术AIS采用了独特的时分多址（TDMA）技术，即SOTDMA，这是一种不需要建设基站，移动台中间自动组网的新型时分多址技术。SOTDMA是“自组织时分多址”的英文首字母的缩写。这个名字最早由瑞典科学家提出并使用，用以描述智能时分复用传输系统。例如十个人各使用一个麦克风，而且各人都希望和其余每一个人说话，SOTDMA就是实现这项功能的一种有效方法，可以使每个人彼此之间都能自由地同时交流。在瑞典科学家提出并使用“SOTDMA”这个概念之前，南非的MDS公司及美国的ROSS工程公司也已开始进行相关技术的研究并拥有了同样功能的技术雏形。该系统是基于GPS时域标记脉冲的TDMA传输，该技术专利原属于瑞典航天公司的GP&C（全球定位和通讯）公司，后来该公司被SAAB公司收购，并逐步完善成为目前AIS系统中的主要多址技术。SOTDMA技术目前还应用在民航的ADS－B系统，以及Motorola公司的“铱星”卫星通讯系统中。AIS技术标准规定：每分钟划分为2250个时间段。每个时间段可发布一条不长于256比特的信息，长于256比特的信息需增加时间段。每条船舶会通过询问（自动）选择一个与他船不发生冲突的时间段和对应的时间段来发布本船的信息。在统一的VHF的频道上，AIS范围内任何船舶都能自行互不干扰地发送报告和接受全部船舶（岸站）的报告，这就是SOTDMA的技术核心。AIS系统（在同一区域）能同时容纳200-300艘船舶，当系统超载的情况下，只有距离很远的目标才会被放弃，以保证作为AIS船对船运行主要对象的近距离目标的优先权。在实际操作中，系统的容量是不受限制的，可同时为很多船只提供服务。在实施SOTDMA中，需要2个AIS专用的VHF信道，信道已由国际海事部内向国际电联申请并获得保护。4.AIS的信息AIS系统采用船舶全球的唯一编码体制，即MMSI码来作为识别手段。每一艘船舶从开始建造到船舶使用结束解体，给予一个全球唯一的MMSI码。1987年11月19日IMO通过了第A.600(15)号决议，推广应用MMSI码。目的在于加强海运安全和防止海运中的欺骗及防止船舶造成海洋污染的管理。MMSI码一般由当地船级社办理，现有的营运船可以向当地船级社提出申请获得。4.1AIS信息内容1)静态信息：a)IMO编号；b)海上移动业务识别码(MMSI)；c)呼号及船名；d)船长、船宽、船舶类型；e)船上使用的定位仪天线的位置(离船舷距离和中心线左右距离)2)动态信息：a)船位及其精度标示和完好性状态；b)世界协调时UTC时间；c)对地航向(1/10度为单位)；d)对地航速(1/10Kn为单位)；e)艏向(0~359度)；f)航行状态(由人工输入)；g)转向速率(若无可不发)；3)航次相关的信息：a)船舶吃水；b)危险货物(种类)按管理当局要求；c)目的港及估计到达时间(船长估计)；d)选项—航路计划(航路点X基本电文中无此数据区)。4)与安全有关的短电文：a)与安全有关的寻址电文(包含源ID、目的地ID，安全电文长度可占1~5时隙)；b)与安全有关的广播电文(只包含源ID，安全电文长度可占1~5时隙)。4.2信息更新率自主模式下信息的更新速率规定为:1)静态信息：6分钟以及接收到发送要求时；2)动态信息：根据船速不同，按下表1更新率报告；3)航次相关信息：6分钟及数据有变化时和接收到发送要求时；4)安全信息：根据需要。表1A级AIS自主模式的信息更新率船舶状态报告间隔时间船舶锚泊或停泊且移动速度≤3kn3min船舶锚泊或停泊且移动速度3kn1s船速0~14kn10s船速0~14kn并改变航向10/3s船速14~23kn6s船速14~23kn并改变航向2s船速23kn2s船速23kn并改变航向2s4.3AIS信息类别包括信息摘要、信息描述;在信息描述中详细有位置报告、基地台报告、船舶静态和航行有关数据报告、船舶类别报告、使用全球导航卫星系统(GNSS)位置报告、安全信息报告、广播信息、世界协调时查询、差分GNSS信息、数据链的管理信息和信道管理信息等。共有22种报文。表2AIS处理报文列表报文ID名称说明M/B1.位置报告预定的位置报告（A级船载移动设备）M2.位置报告指定模式下的预定位置报告（A级船载移动设备）M3位置报告响应询问的专门位置报告（AM报文ID名称说明M/B.级船载移动设备）4.岸基台报告岸基台的位置、UTC、日期和当前时隙号B5.静态和航行的相关数据预定静态的、与航行相关的船只数据报告（A级船载移动设备）M8.二进制广播报文广播通信的二进制数据M/B9.标准的搜救（SAR）飞机位置报告只与搜救工作有关的机载台的位置报告M14.与安全有关的广播报文广播与安全有关的数据M/B18.标准的B级设备位置报告B级船载移动设备的标准位置报告被用于插入到报文1、2、3（8）M19.扩充的B级设备位置报告B级船载移动设备扩充的位置报告：增加静态信息M21.助航装置报告助航装置的位置和状态报告M/B22.信道管理由岸基台进行信道和收发信机工作模式的管理，指定本工作区的地理坐标。BM：移动台，B：基台。表3A级AIS的位置报告报文内容表参数比特数说明报文ID6报文1、2、或3的识别符转发指示器2用于指示报文转发次数。0～3；0＝缺省；3＝不再转发用户ID30MMSI（海上移动服务识别码）数字导航状态40=发动机启动中,1=锚泊,2=没有指挥,3=有限的机动性,4=受它的吃水深度限制，5＝停泊，6＝搁浅，7＝捕鱼中，8＝在航路航行中,9=预留用于将来对于船载DG,HS或MP,或者IMO的C类危险品或污染物(HSC)时导航状态的修正,10=预留用于将来对于船载DG,HS或MP,或者IMO的A级危险品或污染物(WIG)时导航状态的修正,11-14=预留将来用,15=不定义=缺省.转向速率ROTAIS8127.(-128