AIS基础知识及其国际标准的发展

AIS基础知识及其国际标准的发展AIS与网络基础培训船舶通信■声音通信鸣笛■视觉通信旗语，灯光■地面通信中高频单边带电话、直接印字电报、甚高频电话等■卫通通信通过INMARSATA、B、C、F站的语音、电传、传真、E-mail■雷达扫描系统雷达扫描系统航海雷达只能探测目标船的位置、平均速度和航（迹）向，不能获取目标船的即时速度和船首向。存在近距盲区，近距目标图像和数据不能显示（船用雷达一般为10-50m）。障碍物和大船对其后的小目标遮挡较严重。受海浪暴雨干扰，丢失小目标。信息量有限，不能提供目标船标识和航行状态等信息。与通信设备未能有机结合，不能与目标船自动交换数据；人工操作延误时间；语言交换信息易失误。雷达的劣势雷达对航向的判定的局限解决雷达存在问题的两种途径提高雷达性能，如采用大时宽带宽积雷达，可使探测目标的位置、速度、精度均提高，解决问题（1）；采用抗海杂波技术，可解决问题（4），但会使雷达成本大幅度提高。（2）、（3）、（5）和（1）中航向问题雷达不能解决。采用（本船动静态信息+通信）方法，向外播发本船信息并接收他船信息。上述（1）-（5）问题均能解决，且造价低。这是一种技术变革：目标跟踪方法的技术变革，船舶避碰手段的技术变革。AIS是这种变革的产物。AIS的产生过程（1990—1992）(1994—1995）（1996）VHF/DSC应答器无线电AIS通用AIS（通过VHF/DSC将本船信息传给询问对方）（用于VTS，SOTDMA，应答器式）（SOTDMA广播式）（1998）通过AIS技术性能通过SOLAS公约第五章修正案（2000）（确定频道（87B、88B））（强制装备AIS）1992年：IALA向IMO、ITU提议使用DSC应答器系统，并以ITU-RM.825号建议案内容作为国际标准。1994—1995年：瑞典、芬兰首次提出“无线电AIS”的概念。1995年7月：瑞典芬兰联合在IMONAV41会议上首次提出将自组织时分多址技术（SOTDMA）应用于船舶间和船岸间海上转发器系统的建议（草）提案。同时，根据英国提案，确定利用VHFCH70的应答器性能标准。1996年9月：在IMONAV42会议上，研讨AIS采用两种信息交换方式（VHF/DSC式和广播式），对未来船载AIS必须满足船舶间和船岸间不断增长的信息交换需求得到共识。1996年12月：IMOMSC67会议，同意将广播式信息交换方案引入AIS。1998年7月：IMONAV44会议建议2002年起300总吨及以上新船和客轮必须安装AIS。2000年12月：IMOMSC73会议通过AIS强制性安装议案。AIS的产生过程AIS船载设备的安装时间表关于部分沿海航行船舶安装船载自动识别系统的通知•各省、自治区、直辖市交通厅（局、委）、船舶检验局（处），中远集团、中海集团、长江航运集团公司，中国船级社，各直属海事局，地方海事局：为加强沿海航行船舶安全管理，提高船舶安全航行的技术条件，改善沿海通航秩序，经研究，决定部分沿海航行船舶安装船载自动识别系统（AIS），现将有关要求通知如下：一、沿海航行的所有客船，500总吨及以上的油船、危险化学品船、集装箱船必须于2006年4月30日之前配备船载自动识别系统。二、各省、自治区、直辖市船舶检验部门和中国船级社负责各自检验范围内船舶的AIS安装指导和验收工作，与船公司一起制定上述船舶的AIS安装计划，确保在2006年4月30日前完成AIS的安装和调试工作。三、各有关船公司要主动和船舶检验部门沟通，根据船舶数量制定船舶的AIS安装计划，确保按要求将AIS安装上船。四、所有安装上船的AIS产品需经过船用产品型式认可并具有经船舶检验机构颁发的产品证书；船舶检验部门要严格把关，确保产品和安装满足规范要求。五、各直属海事局、地方海事局要作好船舶安装的督促工作，2006年5月1日起开始检查AIS的安装情况，对未按要求安装AIS的船舶禁止离港。六、各船舶检验管理处负责辖区内船检机构AIS安装检验工作的管理和督促工作。二〇〇五年十月十四日•􀂆瑞典的HakanLans先生以个人名义申请了这种技术的专利，并把他的专利卖给了当时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。•􀂆美国Motorola公司已经开发了这种系统，并申请专利比HakanLans先生还要早。Motorola公司的“铱星”卫星通讯系统就是基于此类技术。•􀂆早在九十年代初，美国的Motorola公司的一个雇员JamesRidiout曾就专利侵权向SAAB提出诉讼。该诉讼在美国专利法庭历经五年，在花了成千上万的美元后，这个争论才私下解。Lans先生同意不再卷入卫星通信系统中，而Motorola公司同意不再涉足AIS领域。AIS雏形－SOTDMA技术•􀂆到1997年，SAAB、ROSS和MDS三家公司均开发出了各自的SOTDMA技术，并应用在各自的AIS系统中。SOTDMA系统的技术核心是如何使每个AIS设备的时间一致，并实现同步。•􀂆SODTMA的SAAB版本就是基于前面提及的GPS时域标记脉冲，也就是说它通过GPS获得统一时间，并实现同步。•􀂆MDS的SOTDMA是采用一种旗语系统。基站和船舶将依照尺寸和类型进行排序。发送时隙的分配基于主从方式进行。•􀂆ROSS的SOTDMA是基于世界时的。该系统的优点在于大家都认可格林尼治时间且该时间可以从许多时间服务提供者处得到，例如GPS或GLONAS。•􀂆三家技术各有优势，但是商业竞争阻碍了产业发展和合作•􀂆1997年，RossNorsworthy先生（ROSS公司的总裁）将其SOTDMA专利（在瑞士进行了国际专利注册）免费特许给了国际电信联盟（ITU），由此产生了国际电信联盟认可的关于AIS的新的技术标准ITUR-M.1371。GPS/DGPS罗经计程仪监视器VHFAIS组成原理框图接口电路信息处理器TDMA接收机DSC接收机发射机天线共用器TDMA接收机各组成部分功能•（1）接口电路•接口电路主要接收来自GPS/DGPS或GNSS接收机的本船船位、同步世界时UTC及来自陀螺罗经的本船航向，来自计程仪的本船对地航速等信号，数字化后加到信息处理器。GPS、陀螺罗经均采用NEMA-0183格式，计程仪一般以200个脉冲/1nm，通信接口采用RS232、RS485/422标准。各组成部分功能•（2）信息处理器•信息处理器包括两个TDMA解码器和一个TDMA编码器，以及一个DSC编码器和一个DSC解码器。它是AIS的核心部分，主要作用如下：存储本船识别码、船名、呼号、船型等静态信息与船舶吃水、危险货类、航线等航行相关信息；处理存储本船动态信息；将存储的本船最新航线数据及必要的静态数据与航行相关的其他信息进行编码后送VHF发射；对接收到的来自周围其他船舶的航行数据进行解码并存储解码后的数据；将本船和其他船舶航行数据等信息在监视器上显示。各组成部分功能信息处理器中包括船舶静、动态数据库，对信息的处理、管理及控制，基于SOTDMA技术的通讯协议、通讯方式及显示等相关的软件。为使广播式AIS系统具有可靠、有序的信息通信，要求各船舶AIS设备时间严格同步，从而避免内部干扰。通常用于同步的参考时间均采用来自GPS的UTC，也可采用与UTC相关的时间源。各组成部分功能（3）信息监视器用于显示各种数据和状态信息，监视系统的运行状况，实际应用的信息监视器将可能和雷达ARPA、ECDIS、IBS等监视器一体化，成为多系统公共的综合信息显示终端。（4）VHF收发机包括一台VHF发射机、两台VHFSOTDMA接收机和一台VHFDSC接收机。由系统信息处理器控制，用CH87B、CH88B两个国际专用频段自动发射和接收按协议通信方案规定的已调信号，频带为25KHz/12.5KHz，采用半双工通信方式。已调信号中含有本船和他船的航行信息，发送信息的编码和接收信息的解码均由信息处理器完成。标准范围图例AIS站台的分类A、B类AIS设备对比船载AIS对比A类B类发送功率12.5W（缺省）/2W(低功率）2W通信协议SO-TDMACS-TDMA频带156.025-162.025MHz@12/25KHz161.500-162.025MHz@25kHz定位源和外部输入外部GPSAIS集成GPS显示和数字界面昀小键盘显示（MKD），多个输入输出口可选位置，静态消息以及报告速率位置信息由AIS消息1，2或3位置信息通过AIS18号消息回报，静态消息通过24号消息汇报安全信息发送和传输发送可选价格$2,800-4000$700-1,500AIS船台•AIS船台架构AIS基站AIS基站台系统架构•扩展无线船舶障碍物周围的覆盖•转发接受到的AIS数据•通过岸基通信链路连接两个或两个以上的地理上被分开的区域•付出的代价：降低系统容量，增加了系统复杂性AIS转发站转发器（单工）转发器（双工）•􀂆R：覆盖半径•􀂆H(M):岸台天线高度•􀂆h(m):船台天线高度AIS覆盖范围AIS可以同时在两个频率上交替进行，可以避免RF干扰和增加系统容量。此外，主管部门还可以指配AIS的区域性使用频率，使AIS可工作于一组频率，并具有频道选择和切换手段，既可以工作于近程，也可工作于远程。AIS专用两个VHF频道：CH87Bf=161.975MHz；CH88Bf=162.025MHz。AIS信息种类(1)静态信息:MMSI、IMO编号、呼号及船名、船长和船宽、船舶种类、GPS天线位置等。(2)动态信息:MMSI、UTC时间、船舶位置、对地航向（COG）、对地速度（SOG）、船首向（HDG）、航行状态和转向速率等。(3)航行相关信息:吃水、货物类型、目的地、ETA、计划航线等。(4)与安全相关的信息:广播和通知信息。AIS消息类型（22种）AIS消息类型（22种）中国AIS网络结构示意图AIS基站AIS基站AIS基站AIS基站海区中心服务器海区中心服务器国家中心服务器局域网代理服务器Internet代理服务器终端用户终端用户中国AIS网络AIS国家中心网络结构示意图AIS的主要功能（1）系统可在无需人工介入的情况下，自动连续地向同样配备AIS的主管当局的岸台和其他船舶提供信息，包括船舶识别码、船型、船位、航向、航速、航行状态和其他与安全相关的信息。（2）系统能接收并处理船位、航向、航速等传感信息，自动接收来自具有相同配备（AIS）的船舶、管理当局及其他来源的上述信息。（3）以适当的更新速率提供船位和操纵信息以便于管理当局和其他船舶精确跟踪和监视船舶动态。AIS的主要功能（4）与AIS岸台交换数据，以使主管部门指定工作模式，控制数据传输的时间和时隙。（5）自主模式下的信息更新率因船舶类型不同而不同。对高优先级以及有关安全的呼叫以最快的速率确定。（6）数据的传输响应来自于船舶或主管部门的问询，有轮询和受控两种模式。（7）提供国际海事标准界面，并有人工输入和输出数据的接口。AIS与雷达相比的优越性(1)实现船——船，船——岸间自动交换数据(2)信息量大(3)不受海浪、暴雨等干扰(4)不存在近距盲区(5)目标位置精度高，可得目标的即时速度和航向(6)VHF电波传播绕射作用比雷达（微波）强，因而AIS作用距离比雷达远，可与小岛、山脚及弯曲河道后的船载AIS进行数据交换。■AIS不是万能的•􀂆只能预警，具体响应仍需要人为干预•􀂆并非所有船只都装备了AIS•􀂆AIS信息也会出错•􀂆AIS信息系统没有足够的安全保障•􀂆IMO：国际海事组织•􀂆ITU：国际无线电通信大会•􀂆IEC：国际电工委员会•􀂆IALA：国际航标协会AIS相关标准组织AIS协议分类ITU协议组规定了AIS系统的总体要求ITU-RM1371-1ITU-RM1371-2ITU-RM1371-3三个协议的改进之处在于对协议的一些细节上的完善和报文种类的增加。ITU-RM1371-3的相对1371-1版本的主要变化有：1、在数据帧中加入了通信状态位。包含同步状态和时隙