AIS(船舶自动识别系统)原理及应用

1船载自动识别系统（AIS）原理及应用上海航道局设备部陈强华编者按：根据《1974年海上人命安全公约》(SOLAS公约)第V章修正案的要求，航行于国际海域大于300总吨以上或500总吨以上的非国际航行船舶，在2004年7月1日以后的第一次设备安全检验，包括年度检验，定期检验或换证检验都必须配置安装船载自动识别系统（AIS），AIS设备的安装最迟不得晚于2004年12月31日。本刊发表此文旨在使局有关人员对该类设备在航行中的重要性有所认识，尤其对航行于国际海域的船舶应引起高度重视。一、引言国际海事组织（IMO）第73届海安会通过的SOLAS公约第V章修正案原要求在2008年7月1日前在所有航行于国际海域大于300总吨的各类船舶，安装船载自动识别系统，简称AIS（AutomaticIdentificationSystem）。9.11事件后，美国向联合国递交了海上反恐的议案，联合国指令IMO尽快出台海上保安规则。通过1年左右的准备，2002年12月在伦敦召开的海上保安外交大会通过了《1974年海上人命安全公约》关于海上保安的修正案和国际船舶和港口设施保安规则。这些新要求构成了船舶和港口设施可以合作探测并制止威胁海上交通保安行为的国际框架。根据IMO默认生效程序，这些新要求将于2004年7月1日起生效，其中公约修正案和规则的A部分为强制性要求。AIS是公约修正案和规则的A部分需强制执行的部分，根据公约第V章修正案的要求，航行于国际海域大于300总吨以上或500总吨以上的非国际航行船舶，在2004年7月1日以后的第一次设备安全检验，包括年度检验，定期检验或换证检验都必须配置安装船载自动识别系统（AIS），AIS设备的安装最迟不得晚于2004年12月31日。为了保障公约修正案和规则得以顺利实施，公约规定了各缔约国政府可通过船旗国、港口国等管理途径，采取严厉的监督和控制措施，包括：检查船舶、延误船舶、滞留船舶、限制操作（包括限制在港内活动）或将船舶驱逐出港。二、船载自动识别系统（AIS）原理及其组成1.AIS原理AIS原理是通过广播通信系统方式，在本船与其他一些船舶以及海岸台站之间建立导航数据交换的系统。该系统是在一个或多个频道上工作的、由两个或更多个电台构成的无线电数据链系统，其设备可以是移动电台或基地台。AIS的组成如图1所示：图1AIS工作原理示意图2系统工作模式是船对船、船对岸、岸对船状态，系统可自主运行，用户干预达到最小。现在使用中的AIS系统由船舶交通管制中心（VTS）、一组AIS岸台和船舶组成，将来还可加入与卫通Inmarsat-C之间的通信。一组AIS岸台通常受同一船舶交通管制中心（VTS）控制，发布一些有关安全的航行警告、交通和港口管理当局的有关信息和GNSS改正信号等。船舶一般提供“MMSI”（船舶识别号，即船舶身份证9位数字，一船一证，具有唯一性）、船名、船位（经纬度）、航速、航向、起始港、目的港和所装货物等信息。AIS系统的空中链接是通过VHF（甚高频）专用频道。由于AIS系统采用VHF（甚高频）通信，受VHF所用频率特性制约，它的作用距离较为有限，一般通信距离约为20至30海里左右（其作用距离取决于发射功率，接收灵敏度和天线高度等因素）。对于一些大型港口（尤其是港口海岸线狭长），受VHF作用距离影响，需要用多台AIS岸台（中继站）组网，如上海港在吴淞口、长兴岛和横沙岛都设有岸台，使整个上海港处于船舶交通管制中心监控之下。所有船载AIS持续不断地向其他船舶和VTS（VesselTrafficServices船舶交通管制中心）播发静态和动态的本船航行信息，同时也连续地接收其他船舶和VTS站的数据，不需要船舶值班驾驶员的人为干预。岸基AIS可以在“轮询”模式下向某一特定船舶发出要求更新船舶信息的指令，特定船舶在收到更新信息的指令后，将更新后的新信息在相同的VHF频道上发出。AIS基站也可以“轮询”某一指定海区内的所有船舶。船与船之间也可通过短消息的形式了解船舶间的有关信息。在通常情况下，装有AIS的船舶应使AIS始终保持运行状态，但国际协定、规则或标准规定要保护航行信息的情况除外。2.AIS船用移动设备的分类根据AIS应用的目的，AIS船用移动设备的分类可分为A类和B类。A类AIS设备按照IMO有关AIS配备的必要条件，可以接收和发射有关安全之类的短消息包括重要的航行信息和重要的气象分析警告之类的航行信息。B类AIS设备提供简易的不必要满足IMO有关AIS配备的必要条件，可以接收有关安全之类的短消息。3.AIS系统应用目的AIS系统应用的目的：帮助识别船舶；协助跟踪目标；简化信息交换（如减少口头必须的船舶报告）；提供船舶附加信息有助于了解各方面的情况。AIS系统在初始阶段主要是为了防止航行船舶在狭窄的航道中交会时的碰撞，航行中的船舶彼此在了解了对方船舶的航向、航速、船型和位置后，可以迅速作出正确判断，从而操作船舶避免碰撞，增加航行的安全系数。近阶段，由于无线电技术的不断进步，制约无线数据交换的技术障碍被克服，AIS系统由原先为防止船舶避碰目的而推出，到目前已延伸出对航行船舶的监管。尤其是在9.11事件后，各国政府为了对付日益增多的恐怖袭击，特别是利用船舶对港口设施的袭击。因此，联合国授权IMO出台了海上保安规则，强制推出AIS系统和海上安保系统。总之，无论是在岸基监视站或者在船上，AIS将提高值班驾驶员的可使用信息的质量，是导航系统（包括雷达）信息来源的一个补充。4.AIS系统发送数据类型无论是A类还是B类设备，AIS发送信息或数据是一项基本功能，其功能特性述说如下：⑴船舶发送的信息有以下三种类型3---固定或静态的信息，即在AIS安装后输入的信息，只要不更改船名也不进行重大船舶类型的改装就无需更改。---动态信息，即除了航行状况信息，从与AIS连接的船舶上其他设备自动提供更新的信息。---与航行有关的信息，可能需要在航行中人工输入和更新。静态信息动态信息▲MMSI（船舶识别号）▲提供指示精确的船位▲IMO号（有些地方需要）▲提供世界时间（UTC）▲船舶呼号与船名▲对地航向（COG）▲船长与船宽▲对地航速（SOG）▲船舶类型▲船艏向▲天线在船上的定位位置▲航行状态（手动输入）▲更新率：每6分钟▲回旋速度（有些地方需要）▲更新率：依据航速和航向交替（2秒到3分钟）有关航程信息有关航行安全的短消息▲船舶吃水▲免费的消息▲船载危险货物（类型）▲更新率：按需要▲目的地和大约到达的时间（ETA）（由船长作出判断）▲可选择的---航路图▲更新率：每6分钟表1船舶AIS发送信息的内容⑵信息按不同更新时间间隔自动发出---动态信息：根据航速和航线变化，如表1所示。---静态和航行有关的数据：每6分钟或者根据要求（AIS能自动应答）。船舶状态通常报告间隔时间泊锚船舶3分钟航速0-14节12秒航速0-14节并改变航向4秒航速14-23节6秒航速14-23节并改变航向2秒航速＞23节3秒航速＞23节并改变航向2秒表2动态信息报告的更新时间间隔⑶与安全有关的短消息与安全有关的短消息是固定或自由格式的文本信息，可以发往该海域内一个特定目标（以船舶MMSI识别码为标识），也可以面向该水域内的所有船舶。内容必须与航行安全有关，信息应尽可能短小。系统允许每条信息最多包含150个字符。5.AIS无线电发射机应答器结构4图2AIS无线电发射机应答器结构方框图AIS无线电发射机应答器包括一个VHF发射机，两个TDMA（时分多路寻址）工作在两个并行的VHF频道上，一个70频道的DSC（数字选择呼叫）接收机，接口电路，信息处理器，LCD（液晶）显示器和内置的GPS接收机。内置的8或12通道GPS接收机为系统提供UTC（世界时）参数，用于系统同步，以消除多用户间的冲突。当外接GPS连接失败时，它也能提供位置信息、对地航向（COG）和对地航速（SOG）。液晶显示面板显示所有关于静态和动态信息需要的信息，航海信息和有关安全类的短消息。6.AIS无线电发射机应答器主要技术参数工作频率：AIS1：161.975MHz（CH87B：2087）AIS2：162.025MHz（CH88B：2088）频率范围：156.025-162.025MHz（CH60-CH88）VHF数字选择呼叫（DSC）频道：CH70（接收来自VTS指令）AIS调制：25KHz信道：GMSKBT0.5AIS数据率：9600bits/s输出功率：12.5W或2W7.A类AIS设备基本（最简）配置A类AIS设备基本配置由无线电发射应答器、GPS接收机、电罗经及电源（包括后备电源）等组成，如图3所示。5图3A类AIS设备基本组成从外接GPS接收机中输入本船位置信息对地航向（COG）和对地航速（SOG），从罗经上取得方位信息，通过内置的GPS接收机取得UTC时间用于AIS信号同步。如有需要，本船位置信息对地航向（COG）和对地航速（SOG）也可通过内置的备用GPS接收机获得。三、船舶AIS设备应用指南现以我局东方疏浚公司已安装的日本FURUNO公司出产的AIS“FA-100”设备为例，进行AIS安装后船舶信息的输入和设置及使用操作流程。对其他类型的AIS设备的操作具有参考性。FA-100主菜单和外型如下图所示：图4FA-100主菜单与外型图如需选择菜单条款，按相应的数字键或通过按“NEXT”键选择，选中后，按“ENT”键调用。1.船舶AIS设置步骤☆（1）MMSI（船舶识别号）设置在控制面板上按住0号数字键同时打开电源，直到出现“ENTERPASSWORD”（输入口令）字符出现。在“ENTERPASSWORD”项下，输入口令。口令通过后，输入9位MMSI号，注意：当船舶的IMO号是7位时，在7位数字前，输入数字00，充足9位数。然后，输入船名、输入船舶呼号。（2）亮度和对比度的调整〔MENU〕菜单1TARGETDATA（目标信息）2PLOTTER.（标绘器）3OWNDATA（本船信息）4SETMSG(设置短消息)5INITSETTINGS.(初始设置)6SYSTEMSETTINGS(系统设置)7DIAGNOSTICS(诊断程序)6通过控制面板上底下的2个CLR和SFT键，按压CLR（-）和SFT（+）键来对亮度和对比度进行调整，直到亮度和对比度合适为止。（3）标绘器显示（PLOTTER）在每次开机之后，标绘器显示都将自动出现如图5所示的内容。在显示距离内，附近水域装有AIS的船舶都会以“目标标志”的方式在标绘器显示自动呈现出。图5标绘器显示内容注意：①如果在1分30秒内没有接收到来自于AIS的目标信号，它将认为目标丢失（开始闪动），三分钟后，它将清除屏幕记录。②当目标的（CPA）预计相遇最近点和（TCPA）预计相遇最近点的时间都小于菜单中的设定值时，目标标志将会闪动并且响起报警声（如果菜单中已设定好）。2.初始设置（INITSETTINGS）☆在主菜单中选择第5行“INITSETTINGS”（初始设置），在初始设置菜单中选第1行“SETSHIPDATA”（设置船舶信息），进入设置船舶信息菜单。“DRUGHT”（吃水）可以从0.0到25米间选择，“DTE”设置不要改动，永远设成“KEY＆DISP”（键盘和显示），在完成上述选择后，按“ENT”输入键，再按“MENU”菜单键，退回到主菜单，出现是否要储存字符，在“YES，NO，CANCEL”三个选项中选择“YES”要储存。3.设置目的地港（SETDESTINATION）☆在主菜单中选择第5行“INITSETTINGS”（初始设置），在初始设置菜单中选第1行“SETDESTINATION”（设置目的地港）。在该设置页内，输入目的地名，在完成上述输入后，按“ENT”输入键，再按“MENU”菜单键，退回到主菜单，出现是否要储存字符，在“YES，NO，CANCEL”三个选项中选择“YES”要储存。4.设置航行状态（SETNAVSTATUS）☆在主菜单中选择第5行“INITSETTINGS”（初始设置），在初始设置菜单中选第5行“SETNAVSTATUS”（设