衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的船舶AIS研究范文

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摘要：船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）屬于海上交通安全體系的重要組成部分，它能自動對船舶信息和航行信息進行交互并上報交管部門。“天通一號”是我國自主研制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，具有成本低、保密性強、覆蓋范圍廣等優(yōu)點。通過衛(wèi)星移動系統(tǒng)把AIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效增加AIS傳輸距離，減少覆蓋盲區(qū)，服務(wù)海上安全監(jiān)管。

關(guān)鍵詞：天通一號；AIS；衛(wèi)星移動通信；自動識別系統(tǒng)

1引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，世界船舶數(shù)量的增加，水道越來越擁擠，海損事故時有發(fā)生。各國主管部門建立了船舶交管系統(tǒng)（VTS）、船舶自動識別系統(tǒng)（ais）、船舶遠程識別與跟蹤系統(tǒng)（LRIT）等海上交通安全系統(tǒng)。其中，船舶AIS由配合北斗/GPS定位系統(tǒng)，把艦船位置、航行速度、航向等船只動態(tài)信息以及船名、呼號、吃水等靜態(tài)信息通過甚高頻進行廣播，使得岸站和周圍船舶可以掌握附近所有船只信息，在臨近時及時避讓，從而保障船舶航行安全。根據(jù)國際海事組織要求，所有300t以上國際航向船舶、500t以上非國際航向船舶以及所有客船都要求配備一臺AIS設(shè)備。“天通一號”是我國自行研制的第一顆衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，于2016年成功發(fā)射，預(yù)計2017年系統(tǒng)投入商業(yè)運營。系統(tǒng)具備短信、語音和數(shù)據(jù)通信功能，具有成本低、保密性強、覆蓋范圍廣等優(yōu)點。本文設(shè)計一款基于“天通一號”對AIS數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)的系統(tǒng)，可以監(jiān)控區(qū)域覆蓋AIS基站的盲區(qū)，為我國海上安全監(jiān)管提供幫助。

2AIS系統(tǒng)介紹

船舶和航行管理部門需要及時了解船舶的航行狀態(tài)、船舶類型等信息，以便于采取適當措施，保證海上航行安全，包含海洋環(huán)境。安裝了AIS系統(tǒng)的船舶可以周期性廣播船舶信息，實現(xiàn)船舶的自動識別。AIS廣播4類信息：（1）船舶靜態(tài)信息，包括海上移動業(yè)務(wù)識別（MMSI）、船名和呼號、船長和船寬、船舶總噸、船舶類型和天線安裝位置。（2）船舶動態(tài)信息，包括船位、船舶航向和航速、船首向、航行狀態(tài)機轉(zhuǎn)向角度。（3）與航行有關(guān)的信息，包括船舶吃水、危險品、目的地、預(yù)計到達時間和航行計劃。（4）與安全有關(guān)的信息，包括航行警告等。船舶在能見度低的情況下，雷達是主要避免碰撞的手段，但是島嶼遮擋等情況會使得雷達覆蓋不完整而影響目標識別和跟蹤。AIS系統(tǒng)可以通過無線信號廣播來傳輸船舶信息和航行狀態(tài)，包括船舶識別碼、呼號、轉(zhuǎn)向燈，這樣可以防止船舶相遇時由于沒有預(yù)先發(fā)現(xiàn)或者語音不通無法協(xié)調(diào)而引起誤解，可以有效避免船舶碰撞。AIS作為一種自組織無線通信系統(tǒng)，具有較強的開放互聯(lián)和兼容性，可以實現(xiàn)通過基站組網(wǎng)，也可以通過陸地公眾網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)成全國性網(wǎng)絡(luò)，有效實現(xiàn)海上交管部門對船只的監(jiān)視、識別、通信等需求。

3“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)介紹

“天通一號”是我國自主研發(fā)的首個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。“天通一號”衛(wèi)星是地球同步軌道衛(wèi)星，在2016年8月成功發(fā)射。整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)預(yù)計將于2018年投入使用，可以為我國領(lǐng)土范圍及周邊海域提供短信、語音和數(shù)據(jù)通信手段，填補我國移動衛(wèi)星通信空白。相對于國外移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具有以下特點：（1）自主系統(tǒng)，安全可靠天通系統(tǒng)是我國獨立研制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，國內(nèi)廠家進行研制、掌握全部知識產(chǎn)權(quán)并自主運營，適合涉及到國家安全和海洋監(jiān)控管理部門使用。（2）成本低不同于國外盈利為目的的商業(yè)運營公司，天通系統(tǒng)服務(wù)于我國以及周邊海域，資費預(yù)計只有國外同類衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)一半左右，極大降低了用戶的使用成本，有利于船舶用戶的大面積推廣使用。（3）自主知識產(chǎn)權(quán)系統(tǒng)，可定制開發(fā)天通系統(tǒng)從芯片到終端都是國內(nèi)廠商自主研發(fā)，國家科技重大專項也投入經(jīng)費進行重點扶持。終端可以根據(jù)用戶特殊需求進行不同類型的終端產(chǎn)品定制開發(fā)。可構(gòu)建船舶衛(wèi)星通信虛擬專網(wǎng)，適合海監(jiān)、船舶報告中心等部門大范圍內(nèi)進行船舶數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控管理的數(shù)據(jù)傳輸需求。（4）通信定位一體化終端具備衛(wèi)星移動通信和北斗定位功能，可以為用戶提供通信和位置服務(wù)，可提供高精度授時等功能。

4應(yīng)用天通系統(tǒng)的船舶AIS設(shè)計

4.1“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)船舶AIS應(yīng)用總體設(shè)計

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在快速發(fā)展。通過衛(wèi)星通信技術(shù)，把分散在全球各地船舶的VTS、AIS、水文氣象傳感器等數(shù)據(jù)進行匯聚、處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)，可以構(gòu)建智能海上交通管理系統(tǒng)，解決海上信息孤島問題。例如，港口業(yè)務(wù)人員可以提前得到即將入港船舶信息，并進行提前科學(xué)、高效的規(guī)劃。運輸部門可以掌握船舶貨物類型、集裝箱和旅客情況，合理組織船舶交通秩序，安排碼頭作業(yè)和貨物綜合物流運輸。交管部門可以得到全國船舶實時信息，在臺風(fēng)到來前及時通知船舶進行躲避，在艦船遇難時可以通知周圍船只進行營救。船舶遠洋航行時距離陸地較遠，衛(wèi)星通信是主要的數(shù)據(jù)傳輸方式。天通系統(tǒng)船載終端可以提供實時雙向數(shù)據(jù)傳輸，對AIS數(shù)據(jù)進行傳輸。基于天通系統(tǒng)的AIS應(yīng)用系統(tǒng)包括船載衛(wèi)星AIS終端、天通衛(wèi)星、岸上處理中心等組成。岸上處理中心對收到的船舶信息根據(jù)用戶和監(jiān)管部門需求，可以送給中國船舶報告中心、船舶調(diào)度信息系統(tǒng)、航運公司信息網(wǎng)、港口信息網(wǎng)等機構(gòu)和部門。其中，岸上處理中心為用戶提供語音、短信服務(wù)、數(shù)據(jù)傳送、遠程測控以及各類信息增值服務(wù)的機構(gòu)。對于海洋船舶用戶而言，可以通過天通運營服務(wù)中心進行語音、數(shù)據(jù)通信、短信通信服務(wù)，還可以基于天通數(shù)據(jù)功能開發(fā)專用服務(wù)軟件。應(yīng)用服務(wù)功能包括：（1）基本應(yīng)用：電子海圖顯示及控制、船舶監(jiān)控、船舶搜索、船舶定位、軌跡回放、短消息收發(fā)、調(diào)取船位等功能的服務(wù)。（2）高級應(yīng)用：在線離線船舶統(tǒng)計、港內(nèi)港外船舶統(tǒng)計、電子海圖下載等功能的服務(wù)。（3）告警及安全應(yīng)用：船舶預(yù)警、船舶報警、報警處理、搜救救助、指揮調(diào)度功能的服務(wù)。（4）災(zāi)害應(yīng)用：臺風(fēng)、海浪等氣象和海況信息，并能提供預(yù)警信息播發(fā)等災(zāi)害應(yīng)用服務(wù)。（5）視頻應(yīng)用：可調(diào)用漁船漁港視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)視頻監(jiān)控服務(wù)，進行視頻通話。（6）增值服務(wù)：向船舶經(jīng)營者提供機器運轉(zhuǎn)情況、燃油消耗統(tǒng)計、漁汛信息等交易信息和物流運輸信息服務(wù)。

4.2船舶衛(wèi)星AIS終端設(shè)計

船舶衛(wèi)星AIS終端包括船舶設(shè)備通用接口、AIS信息處理器、衛(wèi)星移動通信模塊、VHF收發(fā)機、信息顯示器和按鍵等。其中，船舶設(shè)備通用接口單元采集其他船舶設(shè)備信息，包括陀螺羅經(jīng)、自動雷達標繪儀（ARPA）、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）、船載航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）和計程儀等。AIS信息處理器對采集到的各種信息和AIS數(shù)據(jù)進行分類、過濾、壓縮等處理，這樣可以減少數(shù)據(jù)傳輸量、降低通信成本。操作顯示單元采用安卓智能操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對AIS信息進行查看、顯示海圖、撥打衛(wèi)星電話、發(fā)短信等功能。航行記錄儀類似于黑匣子，可以記錄日期、時間、船位、船速、航行、駕駛臺聲音、通信聲音、雷達數(shù)據(jù)、告警信號、舵命令和響應(yīng)、輪機命令和響應(yīng)、深度信號、船體開口情況、水密門和防火門狀態(tài)等15個方面數(shù)據(jù)，用于事故發(fā)生后確定事故原因。衛(wèi)星移動通信單元包括衛(wèi)星射頻處理單元、基帶處理單元、USIM卡、存儲單元、晶振、電源管理單元等，完成衛(wèi)星移動通信功能，可以與岸上處理中心進行語音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。衛(wèi)星移動通信單元對外接口包括UART、電源、USIM、PCM、SDMMC、JTAG、狀態(tài)指示等。其中，UART完成與信息處理單元的通信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，PCM作為語音傳輸接口。模塊采用四線睡眠喚醒機制，在沒有業(yè)務(wù)時，功耗可以控制在20mW以內(nèi)。當有業(yè)務(wù)需要通信時信息處理單元喚醒衛(wèi)星模塊，模塊進入工作模式。電源管理負責(zé)衛(wèi)星模塊以及衛(wèi)星天線的電壓轉(zhuǎn)換，采用低功耗措施，把不需要運行的功能模塊電源關(guān)閉，同時智能調(diào)節(jié)處理器運行頻率，降低設(shè)備功耗。

衛(wèi)星天線采用寬波束天線，實現(xiàn)S移動信號接收和發(fā)射。經(jīng)過仿真，天線在±60°時增益大于0dBi。天線仿真如圖4所示。衛(wèi)星天線、DB/GPS天線和AIS天線集成在一起，應(yīng)安裝在艙外空曠位置，不要安裝在工作甲板周圍的護欄桿附近，最好高出船舶其他物體的頂部，特別是金屬物體對與衛(wèi)星天線仰角方向的遮擋角不宜大于10°。衛(wèi)星通信天線安裝位置也應(yīng)避開船舶雷達天線的直接照射。AIS終端使用自組織時分多址SOTDMA技術(shù)，所有AIS臺站在本次發(fā)射中指定下一次發(fā)射時隙，發(fā)射時隙隨機選擇作為候選時隙的空隙，工作在VHF頻段。為了保證可靠性，使用161.975MHz和162.025MHz。終端兩個接收機分別工作在這兩個頻率上，而發(fā)射機在兩個頻率上輪流發(fā)射，傳輸速率為9.6kbit/s，調(diào)制方式采用最小移頻鍵控（MSK）。AIS與雷達目標信息進行時空校準、航跡關(guān)聯(lián)和航跡融合處理，可以得到最接近真實航行數(shù)據(jù)的融合航跡。操作顯示單元主要由輸入菜單、輸出系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)3部分組成。輸入菜單主要包括船舶信息、航行信息、日志維護、港口信息等；輸出系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、打印等；信息處理作為處理軟件運行后臺。軟件采用安卓操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件具有可擴展性，用戶可以安裝和使用基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的微信、收發(fā)E-mail等應(yīng)用軟件。

5結(jié)束語

天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，船舶衛(wèi)星AIS終端把AIS信息通過衛(wèi)星信道進行傳輸，具有使用方便、保密性強、費用低等特點，為船舶管理部門提供了一個較好的解決方案。本文結(jié)合船舶AIS和天通衛(wèi)星移動通信的特點，設(shè)計了一套船舶AIS監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效增加AIS傳輸距離，減少覆蓋盲區(qū)，服務(wù)海上安全監(jiān)管。

參考文獻

[1]周立,趙新生,王繼剛,等.基于“北斗”海上智能交通系統(tǒng)安全模型研究[J].現(xiàn)代測繪,2014,37(03):6-9.

[2]王郁茗,張尚悅.一種遠程船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與展望[J].船電技術(shù),2015,35(02):16-20.

[3]劉宇,鄒光南,王兆俊,等.衛(wèi)星短報文通信系統(tǒng)研究[J].無線電工程,2014,44(10):12-14.

[4]國曉博,劉金燦,周紅彬.分布式衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)傳調(diào)度研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(4):29-32.

作者：李明光 單位：中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師