利用北斗卫星技术实现三沙海域AIS转发台远程通讯技术的研究

江德亮+石峻峰

摘要：随着三沙海域船舶密度的增加，国家海洋权益维护、海上安全监管、海上救生等需求越来越多，船舶自动识别系统（AIS）作为一种船舶监视手段变得尤为重要。本文将探索研究一套利用北斗卫星技术短报文通讯功能，实现三沙海域偏远岛屿AIS转发台远距离通讯的技术，有效提高AIS数据传输距离，增大AIS覆盖面积，服务国家海洋开发。

关键词：北斗卫星技术 三沙海域 AI S通讯技术 数据分包传输

1.引言

近年来国家对南海的开发越来越重视，随着三沙市的成立，南海海域往来船舶密度逐渐增大。随着我国“一带一路”系统工程的提出，三沙市在建设“21世纪海上丝绸之路”中将发挥重要的支点作用，其将为海上贸易、交通运输、联合应急救援等提供广阔的合作空间，因此三沙市对导助航设施的需求变得更加迫切。

目前三沙海域目视航标严重不足，仅有北礁灯塔、浪花礁灯塔等为数不多的几座灯塔，而电子航标仅有三沙市永兴岛AIS（船舶自动识别系统，Automatic Identification System）基站一座。导助航设施的不足不利于三沙市岛际交通建设，不利于来往船只航行安全，也不利于海上执法工作、搜救活动的开展。

近年来三沙海域发生多次海上安全事故，例如2013年9月，受强台风“蝴蝶”影响，五艘广东台山、香港籍渔船在西沙珊瑚岛海域遇险，多人下落不明。对遇险船只开展营救，海事部门主要依靠AIS系统了解船舶地理位置，AIS系统的重要性凸显。

此外，三沙市政府为了开展海上维权执法工作，需要了解进入三沙海域船只的相关信息，AIS系统再次成为主要的获取手段。2014年、2015年三沙市政府举办海上综合行政执法演练，演练过程中AIS系统作为重要的船舶监控系统得到了广泛的应用，但受三沙海域仅有西沙一座AIS基站的限制，相关执法部门只能监控到永兴岛方圆50公里内的船舶。

为了改善三沙海域导助航环境，新建导助航设施、设备，以及增强现有导助航设施、设备的性能迫在眉睫。此外三沙海域偏远岛屿多为无人居住的岛礁，建设AIS系统首先要考虑的是通讯链路的问题。而海底光缆建设费用高昂，微波通讯传输距离又有限。为了解决上述问题，本研究将以AIS系统建设中存在的通讯链路问题为出发点，基于利用通讯费用低、传输距离远的北斗系统短报文通讯，探索一套利用北斗卫星技术实现三沙海域偏远岛屿AIS转发台远距离通讯的技术，旨在为三沙海域AIS系统建设提供理论依据。

2.北斗卫星导航系统简介

我国自行研发，自行建设管理的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite Svstem，BDS），具有自主知识产权。北斗系统可为各领域客户提供高精度、高可靠性的卫星定位、双向短报文通信和精密授时等服务。该系统分为空间卫星、地面中心站和用户终端三部分。我国于2000年完成北斗卫星系统实验阶段建设，发射了卫星，建设了地面站。民用北斗卫星系统2003年4月开放，现已在地理测绘、海洋渔业、道路海洋交通运输、森林防火、抢险救灾和公共安全保障等众多领域应用并产生了巨大的经济效益和社会效益。

北斗卫星系统现已具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。根据总体规划2020年左右将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。目前我国使用的北斗卫星导航试验系统即“北斗一代、北斗二代”，具有以下特点：

（1）使用安全。北斗卫星导航系统自主知识产权的特性决定他不会受到国外技术限制。

（2）适用于保密产品。北斗卫星导航系统自身的通讯和控制等基础处理都是在我国通过卫星地面站完成，因此它的使用完全能够满足军事卫星保密需求。

（3）数据通信实时性强。北斗卫星系统的短报文通讯传输速度较快，发送端1s内就可以完成一次数据发送工作，接收端只需数秒便可接收完成发送端发出的数据，因此具有较强的实用性。而国际海事卫星数据传输受到卫星轨道限制，只能等卫星每次经过上空才能进行传输，因此通信的及时性大大受限。

3.利用北斗系统建立AIS转发台具有的优势

（1）覆盖面大。目前北斗卫星已具备覆盖亚太地区的服务能力，范围是东经55度到180度，南北纬55度，系统正式提供区域服务近以来，运行情况良好，区域服务定位精度稳步提升。因此，使用北斗系统通讯技术进行AIS转发台的建设，能够提供更大的覆盖面积，为船舶提供更加全面的AIS系统服务。

（2）北斗卫星通讯效果更加有效，通讯覆盖能力强，信号稳定。CJPRS、微波等信号容易受到干扰，产生不稳定的因素，卫星通讯可以从根本上排除这些不稳定因素。

（3）在经济上更加实用，性价比高。与海底光缆、小卫星、Imarset（海事卫星系统）相比，利用北斗系统的AIS转发台建设在经济上更容易实现，特别是西沙南沙等远离大陆的地区。

（4）使用安全。我国自主研发的北斗卫星系统，具有的独立产权，安全、可靠、稳定，保密性强的特性使得他在军、农、交通、政府管理等领域应用更加有效、可靠。

4.利用北斗卫星技术实现三沙海域AIS转发台远程通讯技术的基本原理

目前民用北斗系统通讯功能受限，一次仅能发送或接收628bit长的电文，而且通讯时间间隔不能低于60s，如此一来通讯的容量便是AIS转发台利用北斗进行通讯的最大的难题。

如图1所示，为了使得AIS数据能够通过北斗卫星短报文数据正常传输，需对AIS接收机收到的各项数据进行分类筛选、压缩解压、分包重组等一系列处理，并建立相应的规则，使得数据量大为缩小并分包形成符合北斗卫星短报文通讯所要求的文本长度。

（1） AIS数据筛选子系统。为了有效减少AIS待转发数据，可按照IALA有关要求对AIS电文进行分类筛选，仅保留AIS管理当局指定的必要的数据，例如：AIS单元动态数据（位置、航速CoG等）；AIS单元静态数据（MMSI、IMO号码、船名、天线位置等）；AIS单元航次数据（航行状态、目的港、ETA等）。

另外考虑到三沙海域船舶航行密度小的现状，可考虑对AIS船台报告间隔按照IALA有关要求进行延长报告间隔。此外为了做好海区船舶实时监控，还可引入轮询船舶资料的功能，提供实时更新功能。

（2）数据压缩子系统。由于AIS数据的传输关系着船舶识别、避碰、海事管理等一系列特殊、重要的应用场合，因此压缩前与压缩后的数据必须保持信息完全一致，所以选择并构建一种高效、可靠的无损压缩方式方法十分重要。鉴于无损压缩算法的成熟性，具体算法本文暂不展开讨论。

（3）数据分包、校验子系统。数据分包传输方式，是为了解决北斗系统通讯短报文长度限制，使待传输数据包大小符合民用北斗系统通讯功能短报文长度要求，将经过压缩后的AIS转发数据进行分包传输，并引入重传和选择确认机制，对各数据包进行序号标记发送，形成数据传输协议保障数据的完整性。

首先对各待发送数据包进行增加帧头和帧尾标志，并在帧尾增加校验字节。数据接收终端接收到各数据包后通过对校验字节的计算与比较，确认数据包接收正确与否，并给发送终端发送指令，确认重新发送与否。如本数据包发送正常，则无需发送补发要求，发送终端默认数据接收正常，并进行下一数据包的发送。如发送端接收到重新发送要求，则对该数据包进行数据重新发送。通过以上校验重发机制，系统将能够排除错误的数据包，保障数据正常率。

数据分包并添加效验码：我们将经过数据压缩之后的有效数据添加校验码等，形成符合北斗系统短报文要求的数据包。该数据包由包头部分及数据部分组成：包头由标志帧、地址帧、包号帧、包数帧和校验帧组成。数据部分为有效的数据内容。

数据校验重发：为了保证各分包数据正确接收，需要研究数据通讯正确性保障方式，并制定一个规则，建立数据包传输确认、校验机制，保障数据传输完整性、正确性，既“反馈重传技术（ARQ）”。

早期，反馈重传技术只是简单的重传，如有错误则继续重传，直到次数超过系统设定最大重传次数，接收端才会放弃这个数据包，而选择下一个数据包。常用的数据重传技术有停止等待反馈重传、退回N步反馈重传、选择重传反馈重传。

（4）北斗短报文并行收发处理子系统。各标记分包后的数据通过北斗系统经过统一的短报文格式进行数据的传输。为了进一步扩大北斗短报文系统的数据传输速度，可采用北斗短报文并行收发的方式进行。既将1～N个北斗发送系统进行有序整合，分别对其编号并进行信息的传输。假如AIS数据经过压缩分包后有10个数据包待发送，数据收发系统首先各系统进行筛选，选择出空闲的或即将空闲的10个，排序后进行数据的发送。如此将有N个北斗发送系统进行同时的数据传输，那么作为一个系统他们的数据传输带宽理论上将接近为单个北斗发送系统传输带宽的N倍。

5.结语

随着南海海洋渔业、油气等资源的开发，三沙海域船舶航行安全监管需求逐渐提高，AIS服务需求也越来越大。为了适应三沙海域偏远岛屿通讯链路覆盖区域有限、自然环境恶劣等环境，开发一种通讯覆盖面广、适应恶劣自然环境的AIS转发系统变得尤为重要。

本文通过研究利用北斗系统短报文通讯功能，通过数据筛选、压缩、分包、校验、多系统并行处理等技术，实现三沙海域AIS转发台远程通讯，将我国自行研制的北斗系统有效应用在三沙海域这一没有有效通讯网络覆盖的地区，为解决AIS系统服务覆盖三沙偏远岛礁提供了具有一定借鉴意义的思路。

使用自主开发、独立产权的北斗卫星技术实现三沙海域AIS转发台远程通讯技术，是积极落实国家战略部署具体实践国家数字海洋目标，加快发展海洋经济，推动三沙市新丝路“海上驿站”建设，国家“一带一路”战略的有力支撑。它的研发能够为实现偏远岛屿“灯塔桩-AIS”一体化建设提供技术支撑，能够为形成祖国广阔的南海海域综合导助航体系提供参考；是航标导助航信息技术自主创新的具体体现；在国防安全、海洋经济建设和海洋科学研究及信息收集等方面提供安全可靠的信息传输支持；是利用信息化的卫星技术、手段及设备为航海保障事业提供支持，为海上交通、经济可持续发展奠定基础；符合航海保障事业自动化、高新化、智能化、国产化的发展要求。