详细介绍AIS的概况PPT学习课件.ppt

AIS基础知识及其国际标准的发展 AIS与网络基础培训 1 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 2 雷达扫描系统 3 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 4 雷达对航向的判定的局限 5 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 6 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 7 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 8 AIS船载设备的安装时间表 9 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 五年十月十四日 10 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 11 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 12 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 13 AIS组成原理框图 14 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 15 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 16 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 17 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 18 标准范围图例 19 AIS站台的分类 20 A B类AIS设备对比 21 AIS船台 22 AIS船台架构 23 AIS基站 24 AIS基站台系统架构 25 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 26 转发器 单工 27 转发器 双工 28 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 29 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 30 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 31 AIS消息类型 22种 32 AIS消息类型 22种 33 中国AIS网络结构示意图 34 中国AIS网络 35 AIS国家中心网络结构示意图 36 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 37 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 38 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 39 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 40 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 41 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 42 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相关信息 2 在报文中加入了转发计数位 初始状态位为1或2 当报文被转发站转发后 该位 1 当该位等于3时 报文将不再被转发 该机制可以避免报文反复转发造成的时隙利用效率的急剧下降 1371协议的演进 43 3 对6号和8号报文的二进制信息进行详细的定义 以提高数据利用效率 4 增加了对报文7 报文13 报文17和报文22的描述 5 增加了23号组指派命令报文 24号静态数据报文 25号单时隙二进制报文 26号含通信状态的多时隙二进制报文 1371协议的演进 44 IEC61993 2CLASSA船台标准IEC62287 1CSTDMA标准IEC61162 1数据界面标准IEC61163 2CLASSA船台的试验和检测标准IEC62320 1AIS基站标准 IEC协议组 45 IALA对于ITU 1371标准的技术澄清A 126建议自动识别系统在航标助航上的应用A 124建议AIS岸台网络建议A 123建议AIS岸台建议 IALA建议 46 SN Circ 227AIS船台安装建议SN Circ 245AIS船台安装修正建议A22 Res 917AIS船台的操作建议 IMO建议 47 ITU1371 3协议解析 ITU RM 1371建议案中提出了AIS技术特性标准 包括 将比特流传输到数据链的物理层 特性参数 带宽参数 发射媒体 频带宽度 收发特性 调制方案 数据发射速率 同步序列 数据编码 前向纠错 交错 比特倒频 数据链读出 发射机稳定时间 发射功率 关机程序 48 AIS协议OSI模型 应用层 表示层 对话层 传输层 信道1网络层信道2 49 发送比特流 同步 定时 功率控制 数据调制解调 数据编码 发射机管理 物理层主要功能 50 物理层的参数 51 传输介质 AIS1和AIS2 双信道运行 2个TDMA接收机分别在2个独立的频道上同时接收信息 同时 使用1个TDMA发射机在2个独立的频道上交替进行TDMA发射 带宽 25kHz或12 5kHz 公海应采用25kHz的带宽 而在领海应根据当地权力机关的要求采用25kHz或12 5kHz带宽 52 几个参数 调制方案 最小移频键控 GMSK FM 信道编码 不归零倒置 遇0电平变化 数据速率 9 6kbitps 50PPM 对准序列 24比特的0和1交替组成 无前向纠错和交织 无位扰 53 调制方式 采用GMSK FM MSK是移频键控 FSK 的一种改进 在移频键控中 每一码元的频率不变或跳变一个固定值 而两个相邻的频率跳变码元信号 其相位通常是不连续的 而MSK是FSK信号的相位始终保持连续变化的一种特殊方式 它由于移频小而且相位连续 因此频带利用率优于一般的FSK方式 GMSK是将数字基带信号先经过一个高斯滤波器整形后进行调频 从而使功率谱高频分量滚降更快 降低带外辐射 54 发射机功率 2种标称功率 2W和12 5W 缺省高功率 55 发射机稳定时间 56 发射机RF启动时间 为TX ON信号后 RF功率达到正常电平的80 时 稳定状态 时间 故在TX ON信号后 发射机RF启动时间将不能超过1ms 发射机RF释放时间 从TX OFF信号起1ms内 关闭发射机RF功率 57 链路层 作用 如何打包数据 适应错误检测和正确的数据传输 2 3 1媒介存取控制 MAC 1 TDMA同步 1 直接同步UTC 2 间接同步UTC如果设备不能直接获取UTC 但能接收到其他采用UTC直接计时的台站 则应调到与这些台站同步 3 同步于基地台若移动台既无法直接同步UTC 也无法间接同步UTC 但能接收到从基地台发射的信息 则应将其同步于能接收的台站数量最多的基地台 58 AIS帧格式 AIS系统采用帧的概念 一帧为1分钟 分为2250个时隙 每个时隙为26 67ms 每一帧开始和结束都是以UTC分钟一致的 59 AIS帧格式 60 数据链服务 DLS 1 数据链的激活和释放 2 数据发送 3 错误检测与控制 61 RATDMA 随机访问TDMA 动态网络登陆 暂时传输 没有预先声明的传输 避免预先声明或者已经分配的链路 传输计划突发性 SOTDMA 自组织TDMA 稳定 周期 广播位置报告 预先声明使用时隙并定义时隙使用时长 避免已经分配的链路 时隙在一个预定义的范围内随机选择 自主性 连续性传输 可支持过载 四种数据链路访问协议 62 ITDMA 增量TDMA 用于预先声明临时传输 网络登陆 第一个帧 发送由特殊原因 例如船转向 临时增加的报告只支持自主 连续和分配模式 不支持询问模式 一个ITDMA分配时隙可以保持到下一个帧时隙在待选时隙中随机选定 FATDMA 固定访问TDMA 静态分配 仅用于岸台报告预先声明并且固定的传送计划不会避免使用已分配时隙 四种数据链路访问协议 63 工作模式 l自主和连续模式 采用这种模式的台站应能自行确定其位置信息的发射时间安排 并自动解决与其他台站在发射时间安排上的冲突 l指定模式 采用管理部门的基地台或转发台所指定的发射时间表 包括报告速率的指定和发射时隙的指定 l轮询模式 自动回应船台或管理部门的询问 轮询模式的运行不应和其他两种模式的运行发生冲突 回应信息的发射在接收到的询问信息的频道上进行 64 网络层 作用 1 信道管理 建立和保持信道连接AIS工作信道为87B和88B 只能在下列情况下转换到其他信道上工作 人工输入命令 人工转换 基地台发来的TDMA命令 通过TDMA命令自动转换 基地台发来的DSC命令 通过DSC命令自动转换 缺省模式下 AIS同时在两个信道上接收信息 因此包括两个TDMA接收机 信息的传输应该在两个信道上交替进行 2 确定报告速率 3 解决信道阻塞问题 65 传输层 1 将数据转换成适当大小的发射信息包 2 数据包排序 3 为上一层提供连接协议 66 AIS信息数据包格式 67 对准序列 对准序列称为位同步码 或比特同步码 其作用是把收发两端时钟对准 使码位对齐 以给出每个码元的判决时刻 对准序列是由0 1交替的数码组成的一段信号 用NRZI 反向不归零 编码 并以0作为对准序列的结束码 68 开始标志和结束标志 开始标志称字同步 又称帧同步码 它表示信息的开始位 为了能在接收端实现正确区分码字 码句或码帧 需要在信息传输中设置帧同步 AIS帧同步码为8比特长 由标准的HDLC标志01111110组成 用于检测一个发射数据包的开始 作为信息起始的时间标准 帧同步一般是在位同步的基础上实现的 结束标志表示信息传输结束 与开始标志相同 也是由标准的HDLC标志组成 69 数据 信息数据是真正所需传输的信息内容 它分为两个部分 信息标志和信息内容 信息标志是用来表示信息类型 信息数量 优先级和路径的 信息内容是通信双方所需求的数据 对于船舶自动识别系统而言 主要是指航行信息 70 帧校验序列 由于脉冲噪音 白噪声和衰落等原因的影响 会使通信网络每次传送数据可能出现某种类型的错误 误码检测是任何数据通信网络的一个很重要的部分 误码检测技术是为了判断传送的数据是否有错误 AIS中数据传输运用的误码检测技术是循环冗余校验 循环冗余校验CRC CyclicRedundancyCheck 码是网络通信中用得最广泛的错误检测码 是一种漏检率低得多也便于实现的检错码 71 缓冲区 缓冲区共有24比特长 它包括4比特的比特填充 12比特距离延迟 2比特转发器延迟以及6比特同步抖动 l比特填充 比特填充就是在输出比特流中有超过5个连续的1 则要插入一个0 l距离延迟 为不同距离的电台发送的子帧提供保护时间 l转发器延迟 为双工转发器提供转换时间 l同步抖动 72 静态IMO号码 呼号 船名 船长 型宽 船舶类型 船上定位天线的位置 动态船位 UTC时间 对地航向 航速 航首向 航行状态 转向率 倾角 纵摇和横倾 与航次有关的信息船舶吃水 危险货物 目的港和预计到达时间 ETA 由船长决定 航线计划 转向点 与安全有关的短消息 AIS信息种类 73 报告速率 74 报告速率 75 报告速率 76 数据长度168比特数据帧解析 以一号报文为例 AIS数据区信息解析 77 78 79 对于从Dotalog服务器中提取的一条AIS数据 ABVDM 1 1 3 A 169DvlgP1R8KPtvFBfOCt3 h0 RT 0 03AB指的是SAAB的AIS数据 VDM表示本台站收到的船舶的信息 SAAB公司以 ABVDM开头的数据报文和以 AIVDM开头的国际标准的报文编码是完全一致的 80 1 1 3 第一位表示传递本消息需要的报文总条数 第二位数字表示该报文是整个消息的第几条 最后一位是报文的序列标识 当同时存在多条需要分段的消息时 该字段用来区分隶属于不同消息的报文 其下的A表示该报文是通过A信道接收的 数据区段共168bit 具体含义如下 81 82 83 84 0 03中 0表示填充的比特数 03为数据区段CRC校验结果 85 AIS岸基网络系统的作用 1 对监管水域内装备了AIS的船舶进行自动识别 并简化其船舶报告程序 2 对监管水域内装备了AIS的船舶的静态信息 动态信息 航次相关信息 安全相关信息等进行收集和管理 86 3 对监管水域内装备了AIS的船舶进行信息服务和数据链路管理 包括用默认更新率发射基站报告 对非直接同步的移动站提供同步信息 船舶指配和轮询工作模式的控制 指配发射时隙和移动站报告率 解决移动站拥塞问题 发射数据链管理电文等 4 应用于船舶交通管理 VTS 航标 A to N 搜救 SAR 等岸基系统中 可提高和改善这些系统对船舶的安全 有效航行和搜救等方面的服务功能 5 向海事部门提供监管水域内装备了AIS的船舶的信息 AIS岸基网络系统的作用 87 AIS在VTS中的作用 1 自动船舶识别与提高船舶数据质量对管理水域的船舶进行识别 对船舶交通及其他相关数据进行实时采集 是VTS对船舶交通实态进行评估和做出正确反应的基础 由于船载AIS具有自动播发船舶静态数据 动态数据 航次相关数据等功能 使VTS自动识别船舶成为可能 VTS收集的船舶数据更丰富 质量更高 88 AIS在VTS中的作用 2 扩展跟踪范围和改善跟踪性能在目前基于雷达技术的VTS目标跟踪中 由于目标数据精度还不够高 海浪雨雪干扰存在 跟踪方法和技术还不够完善等 使跟踪存在 误 漏 丢 混 等质量问题 采用AIS进行目标跟踪 可使VTS的目标跟踪