一种远程船舶动态监控系统的研究与展望

王郁茗，张尚悦



一种远程船舶动态监控系统的研究与展望

王郁茗，张尚悦

(海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018)

针对船舶自动识别系统（AIS）广播距离受限，岸上指挥中心无法通过基站对远洋航行的舰艇进行快速准确地动态监控和预警指挥的问题，提出一种远程船舶动态监控系统—北斗AIS系统。通过分析比较卫星AIS、LRIT系统在远程船舶动态监控中的应用缺陷，设计构想北斗AIS系统并对其优点进行了研究分析，证明北斗AIS系统能够有效增大舰用AIS的作用范围，且能保证信息的完整性和数据更新频率，增强传输保密性。

船舶 远洋动态监控 北斗系统 卫星AIS LRIT 数据处理

0 引言

船舶自动识别接收系统（Automatic Identificati-on System）AIS是集现代通信、网络和信息技术于一体的多门类高科技新型航海助航设备和安全信息系统[1]，已陆续安装在民用船只和军舰上。舰用AIS既要保证军舰航行的安全性，避免和其它船舶发生碰撞事故，维护航行水域交通的有序性，又要保证军舰活动的隐蔽性和保密性。在编队运动时，还要保证编队内舰船间的交通管理和组织指挥顺畅。AIS是在VHF海上移动频段传输数据，广播距离有限[2]。但是随着中国海军走向深蓝，远洋航行任务增多，为保证舰船的远洋航行保障能力，加强舰船的远海域动态监控变得刻不容缓。

卫星AIS与远程与识别跟踪系统（long range identification and tracking ，LRIT）都可用于远海域动态监控，但它们在军舰上应用存在局限性。本文基于对卫星AIS以及LRIT在舰船远洋航行动态监控中应用情况及局限性的分析，结合北斗系统与AIS的功能特点，构想了北斗AIS的逻辑结构，并对其优势进行了探讨和分析。

1 卫星AIS系统

1.1卫星AIS的概况

卫星AIS是一种船舶定位技术，通过低轨道的卫星接收船舶发送的AIS报文信息，卫星将接收和解码AIS报文信息转发给相应的地球站，从而让陆地管理机构掌握船舶的相关动态信息，实现对远洋海域航行船舶的监控[3]。

从概念上讲，卫星探测AIS即使用一颗或者多颗低轨道的卫星(卫星轨道高度在600 km到1000 km)，在这些卫星上面搭载AIS收发机来接收和解码AIS报文并将信息转发给相应的地球站，从而让陆地管理机构掌握船舶的相关动态信息[4]。卫星AIS系统主要用于传输AIS报文信息，以短消息数据传输为主。且运行卫星数量较少，属于低轨小卫星系统。

从小卫星提供的通信业务来划分。卫星AIS属于非实时通信系统。系统对船舶位置的覆盖不是一直持续的。要实现系统全球范围的覆盖并保证一定数量地球站的使用，有必要使用存储转发技术来传输AIS数据。即用户发送的报文在卫星上解调/解码，若信宿站就在当前卫星覆盖范围内，文件就被立即转发到信宿站，否则文件将由卫星固态存储器保存。等待卫星飞临信宿站上空时再被转发。在卫星覆盖区内，系统用户间可以实时地进行通信并下载数据。

1.2 卫星AIS存在的问题

通过分析卫星AIS的系统原理与构成可得出以下几个问题：

1）船只更新不及时

船舶更新不及时受多方面原因影响，主要有以下2种：

（1）卫星数量目前较少，有些地方卫星需要很长时间才能到达其上空；

（2）卫星运动速度较快，每115 min左右绕地球一圈，但是在海上航行的船舶信号发送频率在12s左右，有时候很难捕获到。

2）报文冲突问题

卫星收集AIS数据的主要障碍是报文冲突问题，尤其在高船舶密度区域系统性能会大幅度降低。AIS通信采用的是VHF通信，频率在156-164 MHz，与海上其他的通信频率接近。另外中国沿海船舶众多，信号传输相互干扰厉害，也是卫星AIS信号接收差的原因之一。

3）卫星AIS信息缺少吃水、目的地、ETA等信息这个是因为AIS信息的发送频率造成的，船舶AIS信息中的航程信息，需要在6 min发送一次，而卫星掠过船舶上空的时间，也就几秒钟，多数情况下只能获得船舶动态信息，无法获得航程信息。

4）数据安全性存在严重问题

卫星探测AIS消息是全球开放性服务。不同于点对点的系统，人们可以简单迅速地接收配备A类设备的船舶发送的AIS数据。这样一来，数据的安全性就相对差一些。用户可以自由获取并使用接收到的AIS信号。包括潜在的商业用途、军事用途，这会对船舶安保带来一定的负面影响。

2 远程识别与跟踪系统（LRIT）

2.1 LRIT概述

船舶远程识别与跟踪（LRIT)通过从AIS提取船舶识别码、船位和时间等数据，并利用全球海上遇险和搜救系统(GMDSS)的Inmarsat-C或高频设备(HF)以固定的时间间隔发送LRIT数据，经计算机对数据处理，实现船舶的远程识别与跟踪[5]。

2.2 LRIT系统要求

根据国际海事组织（IMO）要求，船舶配备满足SOLASV/9-1条款规定的LRIT系统设备，于2008年12月31日后投入运营，主要用于跟踪船舶和获取相应信息。其系统要求主要有：

1）终端设备传输船舶ID、位置与当时时间，不发送所有AIS信息；

2）自动定时发送信息：300海里以外海域，每四小时发送一次；沿岸300海里内海域，每一小时发送一次；

3）发送数据到岸上基站，保证信息安全性，即不会泄露，不被盗用篡改；

4）能与定位设备连接或者自身具有定位功能[1]。

2.3 LRIT在远洋动态监控中的局限性

通过分析LRIT系统结构及要求可分析出其在远洋动态监控中存在不足：

1）传输的信息量较少。并不是所有AIS提供的数据，不足以满足岸上指挥人员对远洋航行舰船的动态掌控。

2）更新时间慢。LRIT能在30 min完成报告，发送周期一般为6 h（更高频率要求除外），而且LRIT中心在收到船舶发送的LRIT信息后的15分钟才能将数据发送给岸上指挥人员。因此LRIT相当于舰船活动的定期录像，不能满足对远洋航行舰船的实时监控性。

3）保密性问题较大。LRIT通过国际海事卫星通信系统Inmarsat船舶地球站发送数据，本身就不满足我军要求的保密性问题，虽然它是应用点对点传送数据，但通过海事卫星传送我军舰船重要信息，将对未来海域作战带来严重安全隐患。

3 北斗AIS系统研究

通过分析卫星AIS以及LRIT在舰船远洋航行动态监控中的局限性可知，它们主要存在信息量不足、更新频率慢、保密性差三方面问题。下面针对这三个问题分析AIS及北斗组合成北斗AIS系统的优势。

3.1北斗系统的功能及优势

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，其具有定位、通信功能，是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后，第三个趋于成熟的卫星导航系统，它改变了我国长期缺少高精度、实时定位手段的局面，打破了美国和俄罗斯在这一领域的垄断地位。

3.1.1 北斗系统的功能

北斗卫星导航系统具有以下三大功能[6]：

1）快速定位

目前，该系统可在亚太地区全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。定位响应时间：1类用户5 s；2类用户2秒；3类用户1 s。定位更新时间小于1。一次性定位成功率95%。定位精度与GPS民用定位精度相当；

2）简短报文

即短报文通信，北斗卫星导航系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字报文通信能力，可实现70~210字节的双向数字报文通信服务；

3）精确授时

北斗卫星导航系统具有单向和双向两种授时功能，利用定时用户终端，完成与北斗卫星导航系统之间的时间和频率同步，提供100 ns（单向授时）和20 ns（双向授时）的同步精度。

3.1.2 北斗系统的优势

通过研究北斗卫星导航系统，分析出以下四点优势：

1）通信与定位功能，比起GPS，北斗无需其他通信系统的支持；

2）目前整个亚太区域没有通信盲区。预计2020年，北斗二代卫星导航系统全面建成，届时通信范围覆盖全球；

3）适合集团用户大范围数据采集和监控管理用户数据传输应用；

4）由我国自主生产，可靠性高、稳定性好、安全保密性强。

3.2 AIS的信息种类

AIS的信息量非常丰富，足以满足岸上指挥人员充分掌握远洋航行舰船动静态情况。信息种类见表1.

表1 AIS信息种类

3.3北斗AIS系统的构想及优势

3.3.1 北斗AIS终端构想

针对AIS通信距离有限的问题，本文提出一种远程船舶动态监控系统—北斗AIS系统的构想。舰船将本船与周围船只的AIS信息利用AIS终端通过核心处理器经过分类、过滤、压缩等处理后，输入到北斗终端，通过北斗通信模块按照通信协议转发到岸上监控中心，将数据入库到监控中心并进行动静态信息显示。北斗AIS系统逻辑结构如图1所示。北斗AIS系统终端逻辑结构如图2所示。

图1 北斗AIS系统逻辑结构图

3.3.2北斗AIS系统的优势

北斗AIS系统就是利用北斗系统与AIS系统各自的功能特点，将北斗与AIS终端通过核心处理器模块结合，将AIS信息利用北斗网络传送到基站。通过研究分析可得北斗AIS系统的几点优势：

1）无监控盲区。通过北斗卫星中转AIS信息，解决了AIS广播距离受限的问题，从而保证舰船远航的动态监控；

2）信息全面。核心处理器对舰用AIS终端搜集到的一片海域的信息经过一定处理之后传输到北斗终端，相比卫星AIS与LRIT，更好地保证了信息的完整性，使岸上指挥人员充分掌握远洋航行舰船动静态情况。

3）保证数据更新频率。北斗二号系统预计2020年全面建成，届时通信功能将覆盖全球。利用北斗系统中转AIS信息，相比卫星AIS与LRIT系统，保证数据更新频率满足监控要求。

4）安全保密性强。北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，安全、可靠、稳定，保密性强，相比卫星AIS的低轨道卫星与LRIT的国际海事卫星Inmarsat，北斗中转舰用AIS信息，避免了安全隐患。

4 研究展望

北斗AIS的构想不仅扩大了AIS的作用范围，还解决了卫星AIS与LRIT在舰船远洋航行动态监控中存在的局限性。在一片海域内本舰接收的AIS信息量往往较大，而北斗短报文通信能力有限。通过北斗系统转发一片海域船舶的AIS信息，在设计核心处理器时就需要考虑如何处理大量数据，从而满足北斗信道容量。这将是接下来的工作重点。对数据的处理主要采用先分类过滤再进行压缩的方法，数据处理流程图见图3。

图3 AIS信息处理流程图

4.1信息分类过滤

一片海域本舰接收到的AIS数据量往往很大，而周围船舶AIS信息很多是无用的，这就需要通过一定的方法对这些数据进行分类过滤，从而选取有效信息，下面提出几种筛选方法的设想：

1）距离限制法。舰船在航行中根据其任务要求及上级指令，通过收缩以VHF信号广播距离为半径的圆形AIS信息区域，过滤距本舰较远的船舶AIS信息，将距本舰较近的AIS信息传输到岸上指挥中心，从而满足数据量要求；

2）时间限制法。对于处在抛锚停泊状态的船舶，在其停泊状态下无需转发AIS信息，这时要通过时间的限制，过滤掉该段时间内该船舶AIS信息。当一定时间间隔阈值内，该船舶广播的AIS信息近似相同时，则转发时过滤掉该船信息。

3）舷角限制法。通过限制本舰舷角大小获取相应角度内海域中其他船舶的AIS信息，有利于岸上指挥中心掌握目标海域船舶的大致动向，对下一步的指挥监控，防止避碰等起到关键作用。

除了以上几种限制方法外，还可以采取对地速度(SOG)限制、UTC限制等方法，这些只是针对信息过滤方法的几种设想，具体如何实施将是作者今后需要研究的内容。

4.2信息压缩处理

AIS信息经过分类过滤处理，其数据量已经大大减小，然而在一片海域大量船只的情况下，仍然不能满足北斗信道容量，这样就要采取一定的压缩方法，既使数据经过编码压缩处理后满足北斗信道容量，又要保证一定误码率，使之不影响信息的识别应用。在选取算法时，可以根据不同容量选取不同的算法，考虑时效性，选择适当压缩比。例如，数据量较少时，就要采取一种快速压缩的算法，减少时间，获取高的更新频率；数据量多时，采取的算法既要侧重误码率大小，又要满足更新频率，通过比较不同算法选择最佳压缩比。

目前，数据压缩的算法分为有损压缩和无损压缩，对于AIS文本信息压缩通常采用无损压缩，主要有以下几种：霍夫曼编码、算术编码、香农-范若编码、行程编码（RLE编码），LZW编码以及无损预测编码等。有损压缩主要DPCM编码、DM编码、DCT变换编码、小波变换编码等[7]。对于选取哪种压缩算法，可以通过以下两种方法比较选取：

1）纵向比较。对于相同数据量的AIS信息，采用不同压缩算法进行试验。根据压缩时间及误码率情况折中选取合适的算法。

2）横向比较。将同种算法应用于不同数据量的AIS信息，如应用于少于50条船情况，50至100条船情况，100至200条船情况，比较各个算法的压缩情况（压缩时间、误码率等）。

5 结束语

AIS是在VHF海上移动频段传输数据，传播距离有限，存在远海域监控盲区。北斗系统是我国自主研发的卫星导航系统，其具有定位、短报文通信功能，安全、可靠、稳定，保密性强。本文通过比较卫星AIS、LRIT系统在舰船远洋航行动态监控中的缺陷，发现它们存在信息量不足、更新频率慢、保密性差三方面的问题。然后提出一种远程船舶动态监控系统—北斗AIS系统，并详细分析了其主要功能和优点。

[1] 鲍君忠, 周尊山, 徐东华, 等. 船载自动识别系统应用[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2006.

[2] 魏冰. AIS的应用及前景展望[J]. 中国水运, 2012(7): 70-92

[3] IMO-Document MSC86/25/1, Comments on the satellite detection of AIS[M]. London: IMO, 2009.

[4] 王兵, 周贤伟等. 卫星通信系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006: 11-12.

[5] IMO. Resolution MSC. 210-performance standards and functional requirements for the long-range identification and tracking of ships[M]. London: IMO, 2007.

[6] 黄瑞. 基于北斗短报文剖分面片传输应用技术研究[D]. 吉林: 吉林大学, 2009.

[7] 徐成俊, 舒毅, 柴蓉, 等. 文本压缩算法的比较研究[J]. 甘肃科技, 2006, 22(12): 81-83.

Research &Prospect for Ship Long-range Dynamically Monitoring System

Wang Yuming, Zhang Shangyue

（Dept. of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, Liaoning, China）

TP311

A

1003-4862（2015）02-00016-05

2014-09-17

王郁茗（1990-），男，研究生。专业方向：交通信息工程及控制。