AIS系統(tǒng) ITU—R M.1371協(xié)議研究

鞏海方

摘要：船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）是工作在VHF海上頻段的新興的船舶和岸基廣播系統(tǒng)。本文介紹了AIS相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)體系，著重分析了ITU 1371協(xié)議的分類、演進(jìn)、通信主題等，并進(jìn)一步闡述了AIS技術(shù)應(yīng)用及與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合的前景。

關(guān)鍵詞：協(xié)議 演進(jìn) 幀格式 解析 編碼

1 AIS系統(tǒng)基本建設(shè)情況

中國海事局自2000年開始就“中國沿海船舶自動識別岸基系統(tǒng)”進(jìn)行研究與開發(fā)，針對中國沿海的具體情況，經(jīng)過選點(diǎn)、測試，會商和研討與開發(fā)，自2000年開始，經(jīng)過渤海灣、珠江口、長江口、瓊州海峽AIS岸基系統(tǒng)工程和北方海區(qū)、東海海區(qū)、南海海區(qū)AIS一期、二期岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程和后期的補(bǔ)點(diǎn)建設(shè)，在全國沿海共建設(shè)完成121個AIS基站，一個國家AIS管理維護(hù)中心、3個海區(qū)AIS管理維護(hù)中心，19個轄區(qū)AIS管理維護(hù)中心，標(biāo)志著全國沿海海區(qū)AIS岸基系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建成，AIS信號基本覆蓋全國海區(qū)沿海水域，重點(diǎn)港口、航道已實(shí)現(xiàn)多重覆蓋。截至目前，AIS岸基系統(tǒng)沿海覆蓋率達(dá)到99.97%以上，系統(tǒng)可用性達(dá)到99.95%以上。

為服務(wù)內(nèi)河航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，支持內(nèi)河高等級航道建設(shè)，部海事局自2010年開始建設(shè)內(nèi)河AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括黑龍江和松花江水系、京杭運(yùn)河與淮河水系、長江三角洲高等級航道網(wǎng)、長江水系以及珠江水系。截至目前共建成4個水系管理中心、13個轄區(qū)中心和143座基站，并實(shí)現(xiàn)了內(nèi)河AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與現(xiàn)有沿海AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)互通。

2 國際組織對AIS協(xié)議的規(guī)定

2.1 與AIS相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)組織

與AIS相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)組織有國際海事組織（IMO）、國際電信聯(lián)盟（ITU）、世界無線電通信大會（WRC）、國際電工委員會（IEC）、國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）。對船舶使用AIS及AIS設(shè)備的要求做官方規(guī)定IMO是監(jiān)管者。對AIS的通信性能標(biāo)準(zhǔn)定義并修正的ITU是定義者。對AIS通信設(shè)備具體功能、性能制定標(biāo)準(zhǔn)的IEC是標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行者。

2.2國際電信聯(lián)盟綜合考慮以上建議

（1）國際海事組織（IMO）對通用船載 AIS 的要求；

（2）使用該AIS可以在船與船之間、船與岸上電臺之間，有效地交換導(dǎo)航數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)航行的安全性；

（3）這樣的系統(tǒng)主要用于導(dǎo)航安全、船與船之間的監(jiān)視、船舶的數(shù)據(jù)報(bào)告以及船舶交通服務(wù)（VTS）。也可用于其他海上通信安全，假定不削弱其主要功能的話；

（4）使用 SOTDMA 的系統(tǒng)可以容納所有的用戶，并滿足未來有效使用頻譜的可能需求；

（5）該系統(tǒng)是自主的、自動的、連續(xù)的，主要的操作是廣播，而且還可使用 TDMA技術(shù)，運(yùn)行在指配方式和詢問方式；

（6）該系統(tǒng)能夠擴(kuò)展，以便在將來增加用戶數(shù)量，并使應(yīng)用多樣化，包括沒有按照 IMO 的要求來裝備 AIS 的船只，輔助導(dǎo)航和搜救。

（7）IALA 正在為 AIS 制造商和其他感興趣的團(tuán)體，維護(hù)和出版一種關(guān)于國際應(yīng)用標(biāo)識碼分支和技術(shù)指南的記錄。

3 AIS協(xié)議分類

ITU-R M.1371建議案中提出AIS技術(shù)特性標(biāo)準(zhǔn)，主要有：將比特流傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈的物理層；特性參數(shù)；帶寬參數(shù)、發(fā)射媒體；頻帶寬度；收發(fā)特性；調(diào)制方案；數(shù)據(jù)發(fā)射速率；同步序列；數(shù)據(jù)編碼；前向糾錯；交錯、比特倒頻；數(shù)據(jù)鏈讀出；發(fā)射機(jī)穩(wěn)定時間；發(fā)射功率；關(guān)機(jī)程序。ITU協(xié)議組規(guī)定了AIS系統(tǒng)的總體要求：ITU-R M 1371-1；ITU-R M 1371-2；

ITU-R M 1371-3；ITU-R M 1371-4；ITU-R M 1371-5。五個協(xié)議的改進(jìn)之處在于對協(xié)議報(bào)文種類的增加和一些細(xì)節(jié)上的完善，包含：（1）該系統(tǒng)應(yīng)向其他所有設(shè)備以自組織的方式自動廣播船舶的動態(tài)信息和其他信息。（2）該系統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)能接收和處理特殊的詢問呼叫。（3）該系統(tǒng)在接收到請求時，應(yīng)能發(fā)送另外的安全信息。（4）該系統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)能連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)船舶在航行時和在?？繒r。（5）該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使用同步到 UTC 的 TDMA 技術(shù)，如果 UTC不可用，可以使用其它同步源。（6）該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有3種操作方式：自主、指配和輪詢。時分多址即在一個無線頻道上，按時間分割為若干個時隙，每個信道占用一個時隙，在規(guī)定的時隙內(nèi)收發(fā)信號。原理如下圖：

4 ITU-R M 1371協(xié)議演進(jìn)

ITU-R M 1371-1發(fā)展至1371-5，變化主要有：

（1）在數(shù)據(jù)幀中加入包含同步狀態(tài)和時隙相關(guān)信息的通信狀態(tài)位。

（2）針對報(bào)文反復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)造成的時隙利用效率低下，在報(bào)文中加入了轉(zhuǎn)發(fā)計(jì)數(shù)位，初始狀態(tài)位為1或2。當(dāng)報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)站轉(zhuǎn)發(fā)后，該位+1，當(dāng)該位等于3時，報(bào)文將不再被轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）為提高資源利用率，詳細(xì)定義6號和8號報(bào)文的二進(jìn)制信息。

（4）增加報(bào)文7、報(bào)文13、報(bào)文17和報(bào)文22的描述。

（5）增加了23號組指派命令報(bào)文、24號靜態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)文、25號單時隙二進(jìn)制報(bào)文、26號含通信狀態(tài)的多時隙二進(jìn)制報(bào)文、27號大量程AIS報(bào)文。

（6）增加擴(kuò)展的航標(biāo)名稱位至21號報(bào)文，AIS航標(biāo)名稱字符數(shù)由20個增加到最多34個。

5 AIS通信技術(shù)特性

5.1 AIS通信模式

AIS通信主體包括基站、船臺、AIS航標(biāo)、AIS搜救相關(guān)、AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺站。采取三種模式如下：

（1）自主和連續(xù)模式：采用這種模式的臺站應(yīng)能自行確定其位置信息的發(fā)射時間安排，并自動解決與其他臺站在發(fā)射時間安排上的沖突。

（2）指定模式：采用管理部門的基地臺或轉(zhuǎn)發(fā)臺所指定的發(fā)射時間表。包括報(bào)告速率的指定和發(fā)射時隙的指定。endprint

（3）輪詢模式：自動回應(yīng)船臺或管理部門的詢問。輪詢模式的運(yùn)行不應(yīng)和其他兩種模式的運(yùn)行發(fā)生沖突，回應(yīng)信息的發(fā)射在接收到的詢問信息的頻道上進(jìn)行。

5.2 AIS臺站分類

按照是否移動可分為移動和固定兩類，移動臺站包括A類船載移動臺站、B類船載移動臺站、機(jī)載AIS臺站和助航臺站。固定臺站包括基站、單工轉(zhuǎn)發(fā)器和雙工轉(zhuǎn)發(fā)器。按照功能ITU定義可分為AIS船載臺、助航AIS臺、受限基站、搜救移動航空器設(shè)備及轉(zhuǎn)發(fā)臺。AIS種類有Class A（通用船載自動識別設(shè)備）；Class B （適合小型船舶安裝AIS設(shè)備）；Class C（基站）；Class S（搜救飛機(jī)及直升機(jī)用AIS設(shè)備）；Class N （Aids to Navigation）航標(biāo)AIS設(shè)備。A類B類AIS設(shè)備物理參數(shù)對比如下表：

5.3 AIS通信模型

包含開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型的 1～4 層（物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層）。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的功能要求，把通信過程分為七層，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層，每層都規(guī)定了完成的功能及相應(yīng)的協(xié)議，即OSI-RM ISO/OSI Reference Model 模型

（1）物理層主要負(fù)責(zé)將來自源的比特流輸出到數(shù)據(jù)鏈，對裝配的發(fā)射用數(shù)據(jù)包進(jìn)行NRZI編碼，把數(shù)字NRZI編碼的發(fā)射用數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換 成模擬GMSK信號，調(diào)制發(fā)射機(jī)。物理層參數(shù)如下：

AIS可以同時在兩個頻率上交替進(jìn)行，可以避免RF干擾和增加系統(tǒng)容量。此外，主管部門還可以指配AIS的區(qū)域性使用頻率，使AIS可工作于一組頻率，并具有頻道選擇和切換手段，既可以工作于近程，也可工作于遠(yuǎn)程。AIS專用兩個VHF頻道：CH 87B f=161.975MHz；

CH 88B f=162.025MHz。調(diào)制方案為最小移頻鍵控GMSK/FM，信道編碼采用不歸零翻轉(zhuǎn)、遇0電平變化方式，，數(shù)據(jù)速率為9.6kbitps +/- 50PPM，無前向糾錯和交織，無位擾。

GMSK 的編碼如下：① NRZI的編碼數(shù)據(jù)在對發(fā)射機(jī)調(diào)頻之前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行 GMSK 編碼；②用作為數(shù)據(jù)發(fā)射的GMSK調(diào)制器的BT積，運(yùn)行在25kHz通道上，應(yīng)當(dāng)為0.4運(yùn)行在12.5 kHz通道上為 0.3；③ 用作為數(shù)據(jù)接收的 GMSK 解調(diào)器的 BT 積，運(yùn)行在 25kHz通道上，應(yīng)當(dāng)為 0.5，運(yùn)行在 12.5 kHz 通道上，為 0.3 或 0.5。

（2）為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋z測和糾錯，鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)的打包方法。鏈路層分成介質(zhì)訪問控制（MAC）、數(shù)據(jù)鏈服務(wù)（DLS）、鏈路管理實(shí)體（LME）3個子層。MAC子層使用公共時間基準(zhǔn)的TDMA訪問數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，即VHF數(shù)據(jù)鏈。AIS系統(tǒng)采用幀的概念，一幀為1分鐘，分為2250個時隙，每個時隙為26.67ms，每一幀開始和結(jié)束都是以UTC分鐘一致的。分隙的概念最早起源于夏威夷大學(xué)的ALOHA網(wǎng)絡(luò)，使用時隙可以提高信道利用率，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣侍岣咭槐?。根?jù) MAC 子層，DLS 將偵聽、激活或釋放數(shù)據(jù)鏈。自由時隙或外部分配時隙表示，本臺應(yīng)當(dāng)處于接收方式并收聽其他數(shù)據(jù)鏈用戶。對標(biāo)記為可用和非由本臺用于發(fā)射的時隙，同樣采取這種模式。

（3）網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)通道連接；管理報(bào)文的優(yōu)先級指定；兩個通道之間發(fā)射用數(shù)據(jù)包的分配；數(shù)據(jù)鏈擁塞的解決。作用：① 信道管理，建立和保持信道連接。AIS工作信道為87B和88B，只能在人工輸入命令、基地臺發(fā)來的TDMA命令、基地臺發(fā)來的DSC命令等情況下轉(zhuǎn)換到其他信道上工作。② 確定報(bào)告速率；③ 解決信道阻塞問題。

（4）傳輸層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大小合適的發(fā)射用數(shù)據(jù)包；將數(shù)據(jù)包排隊(duì)；將協(xié)議與較高若干層接口。傳輸層應(yīng)當(dāng)將來自表示層接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成發(fā)射用數(shù)據(jù)包，如果發(fā)射用數(shù)據(jù)包的長度要求在5個以上的時隙中才能發(fā)射完，或者對AIS移動臺，如果報(bào)文 6、 8、12、14 在這一幀中通過RATDMA協(xié)議發(fā)射的時隙總數(shù)超過 20，則AIS不應(yīng)當(dāng)發(fā)射該數(shù)據(jù)，而應(yīng)當(dāng)響應(yīng)以一個負(fù)證實(shí)給表示層接口。

6 AIS技術(shù)應(yīng)用

6.1優(yōu)化船舶調(diào)度與提升航運(yùn)效率

AIS信息有利于調(diào)度人員全面了解和分析海上船舶交通狀況與各航線的船舶流量，實(shí)現(xiàn)對船舶的科學(xué)、有效地調(diào)度，提高船舶進(jìn)出港效率，創(chuàng)建一個高效和諧的海上交通環(huán)境。AIS信息可與雷達(dá)信息相融合，提供精確、全面的船舶實(shí)時的信息，增強(qiáng)雷達(dá)的信息識別能力；AIS可以擴(kuò)展航海雷達(dá)系統(tǒng)的觀測范圍，彌補(bǔ)雷達(dá)的觀測盲區(qū)；AIS還能夠克服雨雪對雷達(dá)產(chǎn)生的干擾，使船舶能夠在暴雨、大雪等惡劣天氣下安全的進(jìn)出港口。

6.2海上人命和安全救助

海上船舶發(fā)生事故后，通過AIS數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確定位查找遇險船舶，掌握事發(fā)水域周圍水域環(huán)境及通航狀況，為及時開展海上搜救工作創(chuàng)造有利時機(jī)，縮短救助時間，提高搜救效率，最大限度的保護(hù)海上人命和財(cái)產(chǎn)安全。

6.3提供助航服務(wù)，維護(hù)航行安全

利用AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以及時對安裝AIS船臺的船舶播發(fā)航標(biāo)動態(tài)、水文、氣象、航行警告等信息，豐富了助航信息發(fā)布手段，為航海用戶提供了更為優(yōu)質(zhì)的航海保障服務(wù)。

6.4設(shè)置虛擬航標(biāo)

虛擬航標(biāo)是依據(jù)ITU 1371-1標(biāo)準(zhǔn)，通過AIS基站播發(fā)的一種助航標(biāo)志。在遇到沉船等緊急情況及在某些水域需要設(shè)標(biāo)又不便于設(shè)標(biāo)時，可以設(shè)立虛擬航標(biāo)對船舶予以提示。航行在AIS覆蓋范圍內(nèi)并安裝有AIS設(shè)備的船舶，均可接收到該虛擬航標(biāo)的位置、種類等信息，在船臺顯示器上予以顯示，并且可以通過虛擬航標(biāo)進(jìn)行定位、導(dǎo)航或避開航行危險物。

7 AIS與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合及應(yīng)用前景

中國正在實(shí)施建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，可滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導(dǎo)航的需求，而且可以擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其覆蓋范圍大，沒有通信盲區(qū)的特點(diǎn)，為船舶在遠(yuǎn)洋航行中的監(jiān)控提供了思路。北斗與AIS系統(tǒng)融合能夠很好地解決傳統(tǒng)AIS系統(tǒng)可靠性不足且岸基系統(tǒng)維護(hù)成本過高、覆蓋范圍受限的缺點(diǎn)，兩者整合的效益顯著。

預(yù)計(jì)VDES可能分兩部分實(shí)施，地面VDES和衛(wèi)星VDES。一些無線電設(shè)備制造商已經(jīng)開始研發(fā)VDE收發(fā)機(jī)的樣機(jī)，這種收發(fā)機(jī)具有ITU-R M. 1842-1規(guī)定的甚高頻電子數(shù)據(jù)交換功能，樣機(jī)于2014年進(jìn)行測試。2015年世界無線電通信大會（WR-15）同意分配新的頻率給VDES，由于現(xiàn)有的技術(shù)條件的限制和AIS數(shù)字信道面臨的壓力，地面VDES可能被首先實(shí)施，甚至早于衛(wèi)星設(shè)備資源獲取之前。衛(wèi)星業(yè)務(wù)與地面VHF業(yè)務(wù)之間的共享研究正在ITU無線電通信委員會進(jìn)行。如果ITU VDES建議案能在WRC-15形成最終決定，將大大促進(jìn)形成包括衛(wèi)星元素在內(nèi)的全功能的VDES。

參考文獻(xiàn)：

[1] ITU， Recommendation ITU-R M.1371-4，2010.

[2] IMO， NAV 58/14 report to the maritime safety committee， 2012.

[3]IMO， MSC Resolution 191（79） performance standards for the presentation of navigation-relatedinformation on shipborne navigational displays， 2004.

[4] 船載自動識別系統(tǒng)（AIS）技術(shù)要求 GB/T 20068-2006.endprint