航海仪器备课

1、第一章 AIS第一节 绪 论AIS：Shipborne Atomatic Identification System（船载自动识别系统）VTS：Vessel Traffic Services System（港口）船舶交通管理系统。船舶交通管理系统VTS是主管机关为了增进船舶交通安全以及保护环境所建立的一种设施。其主要功能是收集水域内船舶交通有关信息，对收集到的信息进行处理，实现对水域内船舶进行监视、咨询服务及交通组织管理。增进船舶航行安全，提高航运效率。VTS作为岸基交通管理系统，离不开交通监视及船舶运动等大量信息的搜集，而雷达则是完成这一任务的技术手段之一，雷达是VTS的重要组成部分，传统的

2、VTS系统是以岸基雷达为基础建立的，有很多缺点，如无法进行目标识别、提供的信息量小、目标位置精度和更新率低及无法自动进行船岸信息交换等。AIS的出现，将给VTS系统带来重大的变革，AIS能提供船舶间和船岸间计算机数据链路的动态连接，为海上信息交换提供新的平台，一、AIS的产生随着世界船舶数量的不断增加以及船舶向大型化和高速化方向的不断发展，世界重要水道越来越拥挤，海损事故频繁发生，给航行安全和海洋环境造成了巨大的威胁。为了加强海上交通管制、海洋污染监视和保证船舶航行安全，船舶间以及船岸间的信息交换与日俱增，船舶识别也备受重视。在1995年IMO的NAV41会议上，瑞典和芬兰联合首次提出了“将自

3、组织时分多址技术应用于船舶间和船岸间的海上转发器系统的建议草案”的提案。该转发器曾被称为4S(Ship-Ship，Ship-Shore)转发器，它利用了由瑞典民航局提出的新概念GP&C(全球定位与通信)和新技术STDMA(自组织时分多址接入)。GP&C的特征是利用VHF无线数据链路和自组织时分多址接人技术实现航空、航海以及陆路运输领域的导航、识别、监视、状态报告和通信。以GP&C概念构成的监视系统与当今的雷达系统相比具有信息量大、可靠性高、功能多、经济性好、作用范围广和易于组网等优点，具有广泛的应用前景。在1996年IMO的NAV 42会议上，各成员国就确定未来AIS是利用新提出的STDMA技

4、术，还是利用过去GMDSS系统中提出的DSC技术这一问题进行了广泛的争论，最后达成的共识是：未来的船载自动识别系统必须能够满足船舶间以及船岸间不断增长的信息交换的需要，一个在不久的将来不能满足需要的国际标准将会成为技术发展的障碍。到了1997年NAV 43会议， IMO成员基本上取得了一致的意见，确定以STDMA技术为基础的“通用船载自动识别系统”作为未来的全球海上实施系统。该系统不仅考虑了最初提出的VTS对船舶识别的需要，同时也认为AIS应当满足海洋中船舶避碰的需要。从表面上看，强制装载AIS系统只是为了实现VTS中船舶自动识别的功能，但实质上它却给海上交通监视技术带来了一个全新的概念。以此

5、为基础，还能实现诸如导航、监视、通信、控制、状态报告等其他多项功能，并能进一步推广出更多的实际应用。它将给海上现代信息技术领域带来革命性的进步。当前世界上许多发达国家正在大力研究STDMA这一新技术，并且正朝着确定服务层次和实现区域联网的方向发展。对AIS系统中新技术的研究，不仅会给航海业带来益处，而且也会为船舶工业、航空工业，甚至整个交通工业的发展奠定新的技术基础和提供新的经济增长点。二、AIS符合船舶交管和避碰的实际需要 尽管今天的航海技术有了长足的进步，但海上船舶碰撞事故还是经常发生，给海上人命安全和海洋环境造成了极大的威胁。产生这种现象的主要原因之一是当前用于船舶交管和避碰的助航设备不

6、能满足海上监视和通信的需要。众所周知，当前海上主要监视系统是雷达，船舶在近距离时的通信系统是甚高频(VHF)无线电话。雷达目标回波形状一般不能反映目标的真实大小，它既不等于也不成比例于真实目标的大小，回波可能在远距离时比较小而在中等距离时比较大。在大多数情况下，只靠雷达观察不能可靠地估计出船舶的对地航向或船首向，尤其是后部有高结构的油轮，可视雷达回波受其后部结构的影响而不在船中心。当船舶改变航向时，雷达回波的指示会有一定的延时，甚至会出现短时间的错误。雷达自动标绘仪(ARPA)和雷达自动跟踪仪(ATA)也是如此。有研究表明：在有限能见度条件下，由于雷达提供不充足、不完整或不明确的信息而发生的“

7、雷达辅助碰撞”事故占据了很高的比例。另外，由于没有船舶标识信息，海上VHF通信难以进行，特别是在船舶密集区或是当船舶处于紧迫局面时，通过报告自己船位来呼叫对方船舶的方法很难实行。因此，当前的船舶避碰 还沿用传统的方法：用实际操船来显示自己船舶的航行意图；或者 用鸣笛来征询对方船舶的避让意图。这种方法受到诸如天气、环 境和狭水道等许多因素的制约，具有很大的潜在危险，也是与当今 信息时代不相称的。 当前大部分VTS机构要求船舶在接近或进入VTS区域时，向VTS中心报告。船舶识别的获取是基于这些船舶向VTS中心 报告的标识和位置，然后VTS操作员推测着将这些信息与无标识 的雷达目标相关联。识别过程繁

8、杂费时，且整个过程依赖船舶的 参与和协作。船舶经常忘记遵守向VTS中心报告的要求，因此就 产生了潜在的危险，并对VTS操作员产生后续的麻烦。就是在安 装了VHF测向设备时，VTS的交通图仍然依靠船舶通过VHF的 报告来识别，只不过可以利用测向仪将船舶识别与航迹识别关联 起来。AlS正如其名，有助于克服上述缺点。它及时自动地提供 船舶标识(MMSI、呼号等)，保证了在需要时可以迅速进行无线电 通信。毫不夸张地讲，这一功能的作用至少等同于VTS机构本身。三、装载要求 SOLAS公约第5章“航行安全及其相关导则”2000年修订本的第19条中详细说明了作为船舶航行设备的船载AIS的国际强制装载要求。公

9、约规定船舶装载分阶段实施。后来在2002年12月913日召开的1974海上人命安全国际公约成员国政府的IMO会议上决定“所有300总吨及以上从事国际航行船舶、不从事国际航行的500总吨及以上的货船和不论大小的客船，应按如下要求配备自动识别系统AIS： (1) 2002年7月1日或以后建造的船舶； (2) 对于2002年7月1日前建造的从事国际航行的船舶： 客船，不迟于2003年7月1日； 液货船，不迟于2003年7月1日后的第一次安全设备检验； 除客船和液货船外的50 000总吨及以上的船舶，不迟于2004年7月1日； 除客船和液货船外300总吨及以上不足50 000总吨的船舶，在2004年7

10、月1日后的第一次安全设备检验或不迟于2004年12月31日； (3) 2002年7月1日前建造的不从事国际航行的船舶，不迟于2008年7月1日。四、AIS的发展趋势 AIS是高精度无线电定位技术和高速无线数传技术发展的产物，是典型的信息时代助航设备。它给海上船舶监视领域带来了革命性进步，对航海技术发展的影响是广泛和深远的。 从近期发展来看，AIS的设备类型有待丰富。众所周知，尽管IMO规定了AIS的基本性能，ITU规定了AIS的内核技术，但当前要求船舶装载的只是A类船载设备。为、此，IEC（国际电工技术委员会）也制定了A类船载AIS设备的检验标准。随着AIS应用范围的扩展和装载面的扩大，人们需

11、要更多的设备类型来满足不同应用和用户的需求，如适合小型船舶安装的B类船载设备，适合航标安装的AtoN（Aids to Navigation）类型设备和适合搜救飞机安装的SAR（Search and Rescue Aircraft）类型设备。这些AIS设备类型都需要IEC制定相应的检验标准。此外，AIS的岸基设施和网络建设需要跟上。船舶普遍安装AIS设备提供了船岸数据交换的基础，而AIS岸基设施和网络的建设才是最终发挥其船岸信息交换功能的条件。沿岸航行的船舶需要从AIS岸基网络中获得诸如气象、海况、警告和DGNSS等信息；政府管理部门也需要通过AIS岸基网络来了解船舶装载货物的情况和监视船舶航行

12、安全与海洋环境污染。AIS岸基设施和网络的建设取决于各国政府的态度和政策。 AlS服务有待定义和深化。从岸基应用的角度出发，AIS可理解成为岸基业务提供信息服务。主管部门的AIS服务包括综合AIS和其他信源信息层次下的所有与AIS相关的功能。主管部门可以定义多种AIS服务，它们有着各自不同的属性。由此可见，AIS服务的确定是各地区主管部门规范AIS功能和操作的一种手段，它有利于船舶对当地AIS使用要求和应用水平的理解。AIS服务的不断深化标志着AlS船岸间应用的发展和功能的增强。当前AIS的使用刚刚开始，“基本AIS服务(BAS)”正在被定义。包括AIS船岸间信息交换在内的所有AIS应用都有待

13、进一步规范和发展，如船舶间的AIS避碰应用、AIS引航应用和AIS搜救应用等。没有统一规范的应用将会造成用户理解上的差异，从而给船舶航行带来安全隐患。 AIS信息显示和综合有待研究。IMO的性能标准没有说明AIS的显示要求，而IEC的测试标准中规定的“AIS最小显示设备”也只是用来满足测试的需要。要想充分发挥AIS的功能，使船舶驾驶员更好地理解他所处的交通态势必须使用图形显示方式。如何将AIS信息和其他有关信息（如雷达目标和电子海图）简便、清晰地标绘出来是一个困难的问题，牵涉到信息表述和信息综合等许多方面，需要进一步研究和实验。大量的、不统一的信息会造成船舶驾驶员的“信息过载”，从而使其产生精

14、神紧张和疲劳。这不仅无助于驾驶员的判断，而且会造成决策错误。 AIS传输的信息种类有待加强和推广。ITU规定的AIS报文种类有22种，它们可以支持AIS的链路管理、动态信息广播和安全通信。有研究表明：数字信息交换的效率远高于语音通信，因此，数据交换应逐步成为未来船舶间安全通信，特别是在紧迫局面下通信的主要方式。当前AIS能够支持的安全通信有“文本报文”和“二进制报文”两种方式。这其中更为有效并且能够突破语言障碍的是二进制报文。国际组织和政府管理部门应当在有关研究成果的基础上不断发布和推广新的二进制报文格式，以便提高AIS的安全通信能力。最后，AIS装载范围应进一步扩大。AIS属于被动式导航系统

15、，它的船舶安装范围越大效果越好。SOLAS公约只规定了国际强制装载AIS设备的船舶范围，这是一个最小范围。各国政府应当在条件允许情况下，逐步扩大AIS的要求装载范围，直至达到理想的所有船舶安装。 AIS构筑的动态数据网络，为航海技术的发展提供了个崭新的平台。以此为基础，可以像互联网那样演变出更多的、难以预计的新系统和新应用，是人类航海史上的又一里程碑，是传统的“经验航海”向未来“信息航海”跨越的重要环节。从长远的角度看，AlS自身的通信性能还有待提高。当前AIS的通信能力仅能支持一定船舶装载范围的状态报告和较低水平的安全通信。随着船舶装载量和安全通信量的增加以及通信应用范围的扩大，AIS的通信

16、性能尚需较大幅度地提高。这可能导致增大AIS的带宽，改进调制方案和使用数据压缩与加密技术。其次，AIS提供的信息平台将逐步提高航海的智能化水平。就船舶避碰而言，以往船载自动化设备所能得到的信息是有限的和不够精确的，并且不具备船舶间的信息交互能力。这样就使船舶自动避碰技术的研究从孤立的“本船”出发，在“灰色”的周边环境下长期徘徊。AIS信息平台的产生将会使人们站在网络的基础上，透过接近“透明”的环境条件来重新考虑船舶自动避碰问题。这必将导致船舶智能避碰水平跃上一个新台阶。此外，AIS提供的精确信息和快速通信能力将逐步影响船舶驾驶员的实际操船方式和传统的航海观念，由过去的完全从本船利益出发逐步向考

17、虑船舶周围海区交通优化的方向迈进，使其更具有信息时代的特征。为此，相应的海上交通法规也会不断改善，以适应技术的进步和观念的更新。第二节 AIS的组成及基本原理一、AIS的组成及各部分作用1、AIS的主要功能是：将船舶的标识信息、位置信息、运动参数和航行状态等与船舶航行安全有关的重要数据，通过VHF数据链路，广播给周围的船舶，以实现对本海区船舶的识别和监视。2、为了支持上述功能的实现，AIS的基本构成包括：内置的卫星定位传感器、VHF数据通信机、通信控制器、船舶运动参数传感器接口、数据接口、内置完整性测试模块和最小键盘与显示单元，如图所示。它的外围设备主要有：提供船舶航向的陀螺罗经，提供船舶位置

18、以及对地运动参数的船舶主卫星导航定位仪，提供船舶速度的计程仪，提供船舶转向速率的转向计和能够进行图形显示的电子海图显示与信息系统或雷达等外部显示终端。3、AIS各部分作用（1）AIS内置的卫星定位传感器主要是用于提供通信链路同步定时和船舶对地运动参数的。它是系统外接卫星定位系统的补充。在正常情况下，AIS应当使用船舶主要卫星导航定位设备提供的数据。因为在当前船载电子设备众多、甲板上天线林立的情况下，船舶的主要卫星导航定位设备的天线一般都安装在较好的接收位置，因而能提供较可靠的定位信息。目前AIS所使用的卫星定位设备大多是GPS系统，它的定位精度一般在15 m。为了得到更精确的船舶位置信息，在有

19、条件的海区还可以使用差分GPS接收机，该方式的定位精度能够达到5m以内，可以满足狭水道和进出；港航行的需要。其实，只要能够全天候24h提供连续的较精确船位和定时信息的定位系统都可作为AIS的船舶定位信息传感器。 （2）船舶航行时，船首向是一个非常重要的信息，它通常是由船载陀螺罗经提供的。不仅如此，AIS还能连接转向计从而获得反映船舶转动方向和转向快慢的转向率。AIS的广播信息中包括船首向和转向率数据以及其他船舶运动信息。这些信息是通过船舶运动参数传感器接口输入的。该接口可以与船桥上安装的GPS接收机、陀螺罗经、计程仪和船舶转向计相连，收集它们提供的各种船舶运动信息，供系统广播和显示使用。该接口

20、必须符合IEC的有关标准，以便兼容不同厂商的设备。（3）按照国际标准的要求，AIS应当能够在两个VHF工作信道上发射信息，并能同时在这两个信道上接收信息。因此，通用船载自动识别系统必须包含两个VHFTDMA接收通道和一个VHFTDMA发射通道。 （4）在IMO的性能标准中没有为AIS直接指定显示单元，对于A类船载设备IEC规定了一个主要用于测试的最小键盘与显示单元。若想真正发挥出AIS的作用，应当将AIS通过数据接口与电子海图显示与信息系统或雷达相连。该接口不仅能够输出本船的运动参数和接收到周围船舶的信息，而且能接收来自显示终端的控制指令和发送报文。 （5）通信控制器是AIS的核心。它通常是一

21、个嵌入式微处理器系统。它根据AIS的网络协议控制VHF数据通信链路上的信息传输和各接口的数据交换。同时它还必须在不影响VHF链路运行的条件下，实现AIS的长距离通信功能。通常AIS选择的长距离通信设备是InmarsatC站。该功能可以支持遥远的岸基VTS中心或政府管理部门对船舶的远距离跟踪与监视。这种跟踪不是为了建立和维护一个大区域的实时交通图像，因此最高位置更新率是每小时24次，通常是每天更新2次。 此外，AIS应能根据当地权力机关的指令，通过通信控制器控制VHF收发信机的工作信道。这种指令有三种方式输入AIS：手工输入方式、AIS报文和DSC报文。因此，通用船载自动识别系统必须包含一个DS

22、C接收机，用于自动接收DSC控制指令。第二节 AIS的工作原理 一、AIS的广播式卫星定位转发器原理AIS不仅能利用VHF无线数据链路和自组织时分多址接人技术在不需要船舶驾驶员介入的条件下，根据船舶的运动情况，周期性地在海上专用的VHF频道自动广播船舶的标识、位置等本船的信息，而且能够接收和处理周围其他船舶广播的同样信息，然后通过图形或文本方式显示给船舶驾驶员。AIS传输的信息主要分为静态信息、动态信息、与航次有关的信息和与安全有关的短信息四大类。按照国际标准的要求，AIS应当能够在两个VHF工作信道上发射信息，并能同时在这两个信道上接收信息。因此，通用船载自动识别系统必须包含两个VHFTDM

23、A接收通道和一个VHFTDMA发射通道。这些收发机在一般状态下应当工作在国际电信联盟规定的全球统一的AIS工作信道：海上VHF移动通信频段的87B信道（AIS信道1：161.975MHZ）和88B信道（AIS信道2：162.025MHZ）。通信机的带宽是125kHz或25 kHz，发射功率是2 W或125 W，数据调制采用GMSK（高斯滤波最小频移键控）方式，空中传输速率为9 600bits。大洋（公海）航行时，AIS的带宽是25 kHz，发射功率为125W。沿岸（临海）航行时，将要根据沿海国家的规定使用25 kHz或125 kHz的带宽和125W或2W的发射功率。在大洋（公海）以及所有其他海

24、域，AIS并行地在两个信道中同时接收，并且也在这两个信道中有规律地交替发送。此外，在特殊情况下AIS还能工作于由当地政府机关规定的VHF海上移动频段内的地区性信道中。除此之外，这些收发信机也能在当地管理部门的控制下，工作于指定的海上VHF移动通信频段 (156025162025MHz)上的任何一个信道。采用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。AIS频段无线电波的传播损耗较小，一般5W的发射功率可以作用到100nmile。但AlS的作用距离主要是受限于无线电波的直线传播特性，也就是受限于天线高度，一般认为它的作

25、用半径在20海里左右。二、AIS传输的信息及信息的更新率AIS传输的信息主要分为静态信息、动态信息、与航次有关的信息和与安全有关的短信息四大类。 1、船舶的静态信息包括： 1)海事移动服务标识(MMSl)；用于船舶识别的船舶标识码是海事移动服务标识(Maritime Mobile Service Identity)。 2)呼号和船名； 3)IMO编号； 4)船长和船宽；5)船舶类型； 6)GPS天线位置。 这些信息都与船舶自身特征有关，一般是采用人工输入的方式设置的。由于船载卫星定位接收机输出的定位点是指定位天线的位置，因此为了准确地表示船型，必须标明定位天线相对于船舶的位置，具体如图2-4所

26、示。参数A、B、C、D为确定天线位置的坐标。2、船舶的动态信息包括： 1) 船位； 2) 协调世界时； 3) 对地航向； 4) 对地速度； 5) 船首向； 6) 航行状态； 7) 转向率。 这些信息除第六项航行状态以外，都是通过连接于AIS的传感器自动获取的。航行状态信息一般是由船舶驾驶员手工输入的，具体内容有：在航、锚泊、失控、操纵性受限、吃水受限、系泊、搁浅、捕捞作业以及风帆动力等。其中所有船位都应以WGS84的基准进行传输。3、与航次有关的信息是指每个航次前必须要求船舶驾驶员手工输入的信息，具体包括： 1) 船舶吃水； 2) 危险品； 3) 目的港和预计到达时间； 4) 计划航线； 5)

27、 在船人数。 这些信息一般是通过船岸数据交换方式向航行途经国家报告的。4、与安全有关的短信息是指船舶为了航行安全向周围船舶和岸台发出的广播信息或是点对点的通信消息。5、信息的更新率AIS内部有一个安全机制，可以防止数据被错误地修改和发送。AIS最重要的功能是周期性地广播船舶的位置和标识信息以实现对船舶的自动跟踪识别和监视。不同信息类型需要不同的广播周期。因此，AIS提供了不同的信息更新率，具体如表1-1所示。对于动态信息的更新率，取决于船舶的速度和航向变化率，具体如表12所示。 表11 AIS信息更新率静态信息每6min广播一次或根据要求动态信息2s3min之内广播一次，取决船速和航向变化率与

28、航次有关的信息每6min广播一次或根据要求与安全有关的信息根据要求 表12 动态信息更新率船舶状态报告间隔锚泊3min船速014kn12s船速014kn并转向4s船速1423kn6s船速1423kn并转向2s船速大于23kn3s船速大于23kn并转向2s三、AIS能够运行的工作模式有以下3种：1)可在所有海域使用的自主的和连续的模式；2)在沿岸控制中心管理区域内使用的分配模式；3)响应其他船舶或基站呼叫的轮询模式。在通常情况下，AIS应当工作在自主和连续的模式下，这也是该系统的缺省工作状态。在这种模式下，系统可以自行确定其位置信息的发射时间表，自动解决与其他电台在发射时间上的冲突。当船舶航行于

29、沿岸的船舶密集区时，当地的政府主管部门可以根据通信链路的负载情况或其他特殊情况，通过岸台控制该海区的某些乃至全部船台运行于分配模式。分配模式有两个级别，岸台可以通过16号报文控制船台工作于指定报告速率的级别；或控制船台工作于指定发射时间表的级别。自主和连续的工作模式与分配的工作模式是不相容的，AIS在同一时刻只能居于二者其一的工作模式，但系统可以在这两个工作模式之间平稳转换。AIS工作于轮询模式时，能够自动地回应其他船台或政府管理部门的岸台发来的询问报文。轮询模式的运行不会和上述两种模式发生冲突。回应信息的发射也应在接收到询问信息的信道上进行。总之，AIS能够连续自动地提供信息给作用范围内的其

30、他船舶，而不需要船舶驾驶员的干预，同时还能接收和处理来自其他电台的信息、响应其他电台的询问。该系统所提供的信息内容和数据更新率可以满足对船舶进行精确跟踪的要求。四、AIS的时分多址(TDMA)通信原理 AIS采用时分多址通信方式，它把每个信道的时间分成固定的时间缝隙，称为时隙。一组时隙构成一帧。“帧”是TDMA信道管理中非常重要的一个术语。1AIS的时分多址(TDMA)帧结构 在AIS中，1帧持续1min，包含2 250个时隙，每个时隙是由02 249之间的数字表示的。所有这些时隙都可以由工作在数据链路上的电台使用。一个船位报告占用数据链路上的一个时隙，其他类型的报文也可以使用多于一个的时隙，

31、这要视具体需要而定，但一份报文连续使用的时隙最多不能超过5个。2AIS的数据链路定时技术 TDMA技术需要所有电台保持时间上的同步。在AIS中，共同的时间参考基准是协调世界时，主要的时间源是GPS时间。当然，其他与UTC相关的时间也可以作为AIS的时间源。因此， AIS的定时过程被称作混合定时技术。AIS的TDMA数据链路上的每一帧与协调世界时的每分钟同步。 AIS采用以下4种方法来产生对UTC时间的估计，它们的排序也是混合定时技术中所采用的定时方法的优先次序。这4种方法是： 1) 直接与UTC同步 装备了GPS接收机的用户能够自己估计UTC时间(GPS时间)。这是使AIS独立于岸站的主要时间

32、参考。 2) 间接与UTC同步 当一个电台不能从GPS接收机中得到UTC时间，但能接收到与UTC同步的其他电台的信号时，这个电台将与它们中的一个同步。 3)与岸台同步(直接或间接) 若船台不能用以上方法同步，但能接收到岸台的信号，这个台将同步于接收的岸台中能接收到的台站数量最多的那个岸台。当船台能接收到几个接收台数量相同的岸台发送的信息时，应选用MMSI最小的岸台。4)与一个移动台同步 当某个海区的移动台都丢失了UTC时间基准，并且接收不到岸台的信号时，这些台将同步于它们之中能接收到的台站数量最多的那个移动台。当船台能接收到几个其他船台发送的信息，而其中每个台所能接收的台站的数量又相同时，移动

33、台应选用MMSI最小的船台。该船台将成为同步调整的信号台。 当一个船台能获得直接UTC同步或间接UTC同步时，应当首先采用这些方式。但当无法获得UTC而采用后序两种定时方式时，则应采用以下步骤： 1) 时间相位同步 时间相位同步是指船台利用从其他船台或岸台接收的信息对自身时钟进行同步调整的方法。船台通过时间相位同步可以保证台站间具有较高的同步稳定性，并能保证不会产生消息边界的重叠。是否采用时间相位同步必须等到接收到结束标志和有效的帧校验序列之后再决定。 2) 帧同步 帧同步是指船台将接收到的其他船台或岸台的当前时隙号作为自己的当前时隙号，以保证自身的帧与周围台站的同步。3、AlS数据链路的接入

34、方式 在AIS中有4种时隙接人协议：自组织时分多址接人协议 (SOTDMA)、增量式时分多址接入协议(ITDMA)、随机式时分多址接人协议(RATDMA)和固定式时分多址接人协议(FATDMA)。这些协议共同存在和同时运行于TDMA信道中，以支持AlS的3种工作模式和各项功能。这4种时隙接人协议的具体说明如下： 1) 自组织时分多址接入协议 SOTDMA接入方式应用于以自主、连续模式运行的移动台。移动台使用SOTDMA协议广播位置和标识信息给附近的所有其他电台。这个协议的目的是提供一种接人算法以便在没有控制台干预的条件下迅速解决通信碰撞问题。由SOTDMA协议传输的报文具有周期性，用于支持数据

35、链路上的其他用户进行不断更新的监视。 2) 增量式时分多址接人协议ITDMA支持电台在数据链路的网络人口时、临时改变报告率时和传送与安全有关的报文时，预定传输时隙。第一个ITDMA时隙总是由SOTDMA或RATDMA分配。在第一个ITDMA时隙传输前，电台必须先随机地选择下一个跟随的ITDMA时隙并计算相对偏差。这个偏差值要随报文一起传输以指示该电台预定的时隙。3) 随机式时分多址接入协议 在没有先前预定时，要使用RATDMA接人数据链路。这通常在数据链路的网络人口处或非周期性报文传输时发生。RATDMA使用概率持续算法在可选时隙中确定传输时隙。 RATDMA使用的概率持续算法是：当发现一个候

36、选时隙时，系统在0100间随机选取一个概率值(LMERTPl)，将该值与当前的传输概率(LMERTP2)相比较，若LMERTPlLMERTP2，则传输应在该候选时隙内进行，否则，将LMERTP2加上一个概率增量(LMERTPl)，并且等待下一个候选时隙的到来。RATDMA的选择间隔应为150个时隙，相当于4 s。所有候选时隙应在该选择时段之中，因此一次传输可在4S内完成。 4)固定式时分多址接人协议 只有岸台或控制台才能使用FATDMA。通过FATDMA协议，岸台能在预定的时间进行编程发射，而不管信道中的其他预定情况。这个协议可以避免在某些情况下移动台占用岸台预定的时隙。FATDMA协议支持周

37、期性播发的报文。五、AIS的自组织通信原理 AlS的核心技术是海上自组织无线数据链路。这是一个新概念。该链路工作于VHF海上移动频段，利用自组织时分多址算法，具有自组织通信能力。所谓“自组织通信”的含义是指加入到该数据链路上的每个移动台能在没有基地台控制的条件下，自主地选择自己的发射方案，并能自动地避免和解决通信冲突问题。 海上自组织无线数据链路的原理如图27所示。它的主要特征是在它每一个传输报文中都包含下一次传输的时间信息(传输时隙)，以便通知数据链路上的其他台站不要占用这个时隙，因而为自己预留了下一次广播的时隙；同时，海上自组织无线数据链路要求在38min的时间范围内重新选择一次时隙，以解

38、决链路上 因为移动台运动而可能产生的通信碰撞。此外，海上自组织无线数据链路还能通过时隙复用来主动处理因通信链路容量过载而带来的通信碰撞。第三节 AIS的应用一、AIS在船舶避碰中的应用 1、AIS在探测目标中的应用 目前，船舶在航行避让过程中，较为有效的助航设备是雷达，尤其是在能见度受限时。但雷达在使用上受自然环境的影响较大，而AIS的使用在某些方面可以解决或改善这些问题，是雷达系统的有益补充。例如： 1)当遇到雨雪、大风浪等恶劣天气时，雷达的回波信号可能会受到干扰，而出现杂波或丢失目标等问题。AIS尽管在强雷暴天气中也可能会受到干扰，但由于其工作原理的不同，受恶劣天气的影响较雷达来说还是小得

39、多，并且只要在AIS覆盖区，目标不会由于距离的远近、尺寸大小和形状不同而产生信号差异，加之AIS传输的信息量较大，因而有助于船舶在实施避让行动前对目标的识别和对避碰局面的判断。 2)当目标船航行于多岛礁、航道的弯头或大船的背后等遮蔽水域时，雷达将无法观测到这些目标，而AIS在这些居间障碍物的高度不影响无线电波传输的情况下，仍可发现目标。这可使航行于遮蔽水域的船舶及早发现目标，避免目标的突然出现使船舶一下子陷入十分窘迫的局面中，进而提高在该水域中船舶航行安全。3)对于进入雷达盲区的极近距离的小船(如拖轮)雷达上不能发现该目标，而AIS的探测能力依然如故。这将有利于对近距离4）定位精度高 2、AI

40、S在船舶避碰信息交换中的应用 目前，船舶所配有的用于船舶避碰的助航设备所提供的目标船信息过于简单，不能完全满足船舶的需要，尤其在狭窄水域、通航密度较大的水域，这类由于目标船提供的信息不足而造成避碰决策困难或采取避碰行动不当等问题尤为突出。AIS的强制装载和使用给船舶间避碰信息交换提供了新的手段，它能够自动、快捷、全面地提供有助于避碰的信息。通过AIS可获得诸如识别码：MMSI；船舶静态信息：船名、呼号、船长、船宽、总吨、船舶类型、吃水等；船舶动态信息：带有精度指示的船位、对地船速和航向、船首向、转向角速度等航行状况信息；甚至可以获得目标船的转向点信息和目标船将要采，取的避碰措施信息等，这将从根

41、本上解决避碰信息不足的问题。同时，由于这些信息能自动更新，因而系统本身可对附近海区船舶实施监视并能自动计算目标船舶的DCPA和TCPA，能对碰撞危险给予警告。 3、AIS在自动避让系统中的应用 为了提高海上航行安全，避免船舶碰撞，长期以来人们对船舶自动避碰系统进行了大量的研究，但两大问题一直困扰着研究者，致使到目前为止仍无实质性进展，那就是： 1) 目标信息的采集； 2) 避让信息的交换。 如果不能从技术上真正解决这两个问题，那么实现船舶自动避碰将永远是人们美好的愿望，而无法付诸实施。从理论上讲AIS自动、连续地提供船舶静态的和动态的信息可以解决采集目标信息问题，同时，AIS快速、准确地建立数

42、据通信链路，又可将避让意图发送给具有碰撞危险的船舶及周围其他船只，以了解避让 意图，提高避让新动向的有效性，进而提高船舶的海上航行安全。4、AIS的信息显示 AIS的信息显示设备有两类：一是专用的最小显示；二是图形显示。专用的最小显示终端仅被要求显示所选船舶的方位、距离和船名等三行数据。船舶的其他数据可通过水平滚动方式显示，但方位和距离不能滚动。其他船舶的数据可以通过垂直滚动方式 显示。专用最小显示终端主要是为AIS测试设计的。当然该终 端在实际使用中也是有一定作用的，特别是通过它可以识别船舶和自动进行避碰参数的计算与报警。但是要想充分发挥AIS的潜能，显示船舶周围的交通态势，应当使用图形显示

43、终端。AIS的图形显示终端主要包括ECDIS（电子海图）、雷达、带有图形显示器的组合导航系统和AIS专用图形显示器。如果用图形方式表示AIS信息，至少以下内容应被显示： 1)位置； 2)对地航向； 3)对地航速； 4)船首向； 5)转向率或转向，如可用。 如果AIS信息使用图形显示，则目标类型划分如下： 1)休眠目标 一个表示在特定位置的装配有AIS的船舶存在和方位的目标符号。为避免信息过载，在激活前不显示附加信息。 2)激活目标 一个表示自动或手动激活休眠目标的符号，以显示附加的图形表示信息，包括：船舶矢量(对地航速和航向)；船首向；转向率或显示发生航向变化的转向标识的方向。 3)选择目标

44、一个表示人工选择的任何AIS目标以显示在指定数据显示区域内详细信息的符号。在此区域，显示接收的目标数据和计算的CPA和TCPA值。 4)危险目标 一个表示数据超出预设的CPA或TCPA界限的AIS目标的符号，同时发出报警。 5)丢失目标 如果未能接收到在预先设定的距离范围内的AIS目标信号，在数据丢失前最后位置将出现一个目标丢失符号并同时发出报警。 5、AIS的局限性 AIS所给出的信息未必能完全反映周围船舶的情况。船舶驾驶员应时时意识到其他船舶尤其是游艇、渔船和军舰，以及一些岸基台站(包括VTS中心)可能没有配备AIS。而且，船舶驾驶员还应时时意识到在某些情况下装配在其他船舶上的AIS可能依

45、据船长的专业判断而被关闭。此外，船舶驾驶员不应假定从其他船舶接收的信息与本船提供的同样信息的质量和准确性是一样的。二、AIS在VTS中的应用 AIS是VTS的重要工具，是现有VTS装备的补充。它的作用体现在：能够提高所有船舶交通状况的知晓能力和在不给船舶增加额外负担的前提下实现交通流管理的最优化。AIS在VTS中应用的具体目标是船舶识别、辅助目标定位、简单信息交换和提供附加信息以便协助避碰。 一）船舶自动识别 大多数VTS机构要求船舶在进入或接近其辖区时进行船舶报告。当前成功的船舶识别依赖于船舶报告。船舶报告包括相对于VTS中心的位置和识别信息，VTS将此信息和动态的雷达航迹相关联。该过程耗用

46、大量时间并且需要船舶的积极配合。对于没有按要求报告的船舶，将会造成潜在的危险局面，并且会增加VTS操作员的负担。即便是装配了VHF测向设备的VTS台站，也要依靠通过VHF的船舶报告来获得交通图像。AIS最主要的功能是及时自动地提供船舶识别(MMSI、船名和呼号)。它的使用将改变船舶识别安全性差和时间耗用多的弱点，使得极为重要的快速无线电通信变得方便快捷，这种贡献如果说不比VTS本身意义大也至少与其相当。 二）改善船舶跟踪 1扩大了地理覆盖范围 AIS数据能被其他AIS台站或基地台、转发台接收。这样在VTS机构配置了AIS设备的地方，就能在VHF无线通信频率的最大接收范围内接收船舶的标识和精确位

47、置。这将允许在常规雷达范围外很好地监视目标。甚至在保护基地台不受附近VHF干扰的设计中，可通过安装附加基地台或转发台来进一步扩展VTS监视范围，用比雷达低得多的成本组成监视网络。 2提高位置精确度 AIS的另一主要功能是结合DGNSS（差分全球导航卫星系统）修正信号获得优于10m精度的船位。当前雷达系统由于其频率、回旋率、带宽的限制，只能获得3050 m的位置精度。由此可见，AIS与之相比优势很大。 3不再有雷达遮挡区 在沿海或海湾水域中船舶的雷达航迹能被标记，但在受附近陆地或建筑物影响的遮挡水域，将引起基于雷达的VTS丢失船舶航迹。在VTS中心不能精确监视船舶移动状况是很危险的。航迹丢失必会

48、导致重新获取和识别丢失的航迹，从而增加VTS中心的工作量，而AlS航迹会避免大多数这种情况的发生。但在十分靠近建筑物和桥梁时，有时也存在“城市峡谷”影响，将使AIS收发机在高楼密集区传输困难，这是由于AIS收发器接收差分GNSS（全球导航卫星系统）信号的抑制和后续AIS信息发射的抑制共同造成的。 4精确的交通图像 VTS中心的雷达跟踪同样也存在两船较近通过时所产生的 “航迹交换”问题。一艘船的雷达跟踪航迹被近处通过的另一艘船干扰，以致两艘船的雷达跟踪航迹发生交换。重要的是这会引起一船的航迹传递或“交换”给另一船的识别，从而导致在船舶交通显示图像上存在不准确的潜在危险。除非这种情况被VTS操作员

49、注意到并被快速矫正，否则该现象又使VTS中心增加工作量。借助AIS信息的辅助，更准确的航迹会被显示出来以避免“航迹交换”的影响。 5实时操纵数据 基于雷达的VTS系统一般都会提供船舶的对地航向和航速，但这些信息是从船舶优化的历史航迹中计算出来的，具有一定的延时。与此相对，AIS将提供实时操纵数据的特定参数的所有信息，如船首向和转向率。这些数据是直接从船舶导航系统中取得的并被自动地填入到AIS的动态信息进行广播。人们还没有完全意识到在AlS中传输船舶实时操纵数据所带来的巨大潜在好处。这些实时操纵数据使得VTS中心和其他船舶能够提前3060s的时间推算出该船运行的精确轨迹，这样就能够检测出可能发生

50、的碰撞，从而给出警告。这就给周围水域内的其他船舶提供了时间和信息来决定自己的运动方向。 6天气对跟踪性能的影响 导航雷达的性能常受雨雪天气的干扰。在大的雨雪天气里，雷达跟踪功能有时是不可用的，甚至使用现代抗干扰技术也不行，而VHF无线传输的抗天气干扰能力不会这么弱。由此推论， VTS中心将更可能维持一个在基于AIS数据跟踪的精确的交通图像以避免天气影响。 7提供更精确的导航信息或建议 VTS中心能够接收到来自所在区域内以及邻近水域船舶的AIS信息，从而使船舶航迹的质量、精确度和可靠性明显提高。因此，提供助航服务或交通管理的VTS中心将能提供更准确的建议。同时，在VTS中心内某些实时操纵数据的可

51、用性将使VTS操作员能更快地估计船舶运动的大量细节。但是，应当注意AlS设备本身并不能使VTS中心自动地提供船舶操纵的建议或指导。 三）船岸信息交换 1航行计划信息的电子传递 一个VTS区域内的航线(包括两点之间可选择的多条航线)通常是预先制定好的，并且根据这些航线的起始点和终到点进行了索引编号。在某些情况下需要由VTS中心事先计划好船舶的航线，然后通知有关船舶。当AlS集成到VTS系统并且有适当的软件时，VTS中心可以通过AIS将这个计划好的航线广播出去。这样船舶就可以按照指定航线行驶，并且其他监控部门也可以根据广播航线来比较船舶的实际航线与计划航线之间的偏差。 2安全信息的电子传递 AIS

52、传输安全短信息的功能使VTS中心发布本地航行警告、交通管理信息和港口管理信息的电子广播成为可能。对于所有用户都在同一个信道上传输的无线电系统一个最大的限制就是容量问题。声音和数字通信都存在这个问题。在AlS中可通过采用一个预先设计好的交通信息索引表的二进制短消息通信方法来解决这个问题。实际传输的消息是由索引号和用户属性组成的。如果能在国际上建立和维护一个公用的消息列表，则这种短消息通信就可以在使用多种语言的船员之间进行，从而避免了由于语言不通而引起的误解。 3航行相关信息的电子传递 船舶一般都要求向VTS机构报告运载的危险货物。AIS的与航行相关信息包括这些内容并能自动地传输给岸台。 4差分G

53、NSS修正信息的广播 VTS中心可以通过AlS发送差分GNSS修正信息。实现VTS管辖区的高精度卫星定位覆盖。 5AlS伪目标信息的广播 当装载AlS设备后就可以在AlS显示设备上看到所有其他装载了AlS设备的船舶。此时，船上人员很可能忘记打开雷达去搜索那些没有装载AlS设备的小渔船，这样很容易给航行带来危险。解决这个问题的一种方法就是通过VTS中心的雷达搜寻并跟踪那些没有装载AlS设备的船舶，并将得到的有关数据再通过VTS中心的AIS广播出去，形成AIS伪目标。这样装载了AlS设备的船舶就可以在AIS的显示设备上看到那些没有装载AIS设备的船舶。但要注意这些伪目标的准确性不如直接接收的目标信

54、息，信息的内容也不如直接接收的完整。 四）岸对船的AIS服务 1AIS助航设备 开发助航设备的远程控制和监视可以使航道部门了解并确保助航设备及其支持系统工作正常且处于规定位置，并能及时组织维护。至今，还没有这些信息的简便、有效、低成本的通用通信方式。AIS的引入提供了一个用国际标准认可的设备、信息协议和频率将这些信息传输给服务提供者或船舶的机会。航道部门可以把AIS安装在固定或漂浮的助航设备上，利用AIS播发的信息监视或控制助航设备的运行和性能。助航设备可以向附近船舶或航道部门发射它的标识、运行状态以及实时浪高、潮汐流和当地天气的其他信息。浮标还能发射基于DGNSS的精确位置，以便监视和确保它

55、们处于指定位置。性能监视、远程改变运行参数、激活备用设备等功能也可通过AIS实现。 2AIS应用于大气及水文信息的实时发布 AIS在传输大气或水文数据方面有着广泛的应用。只要传输此类信息的格式预先在IALA登记，就能实现国际性的应用。这使不同制造商生产的系统都能有正确的信息表示功能。这类应用的实施方法很多，具体包括：将传感器直接连接到本地AIS单元以广播相关信息；几个传感器通过一个数据通信系统连接到一个共享网络的AIS台站，信息按要求广播；传感器与装配有AIS的助航设备协同工作，AIS单元既可广播助航信息又可广播大气或水文信息。 具体大气和水文信息的广播取决于AIS的运行条件和测量设备的功能。

56、一般包括风速的平均值和峰值、风向、水位、水温、气温、不同深度的流速与流向、潮汐信息等，这样能使VHF覆盖范围内的航行船舶获得实时信息。 3无人操作的VTS AIS可以无人操作地自动与其他船舶或VTS中心交换信息，并保留为港口安全需要和紧急情况下操作VHF信道的能力。因此，AIS减少了船舶驾驶台和VTS中心的工作量。在交通密度低的港口，装在船舶上的AIS可在没有岸台情况下自身形成“无人操作VTS”。在繁忙的港口，AIS将减少VTS操作员的工作量并使他们在交通管理、信息服务和其他任务方面提高效率。 4存档数据 在VTS中心对每条船舶自动广播的AIS数据可以快速全面地记录、重放和存档。这样就实现了与飞机上的“黑匣子”相似的功能。同时，利用记录数据中的船舶标识、位置和装载的货物信息可以加强对那些可能造成污染的船舶的监控，并且当污染事故发生时也有可能迅速展开评估和调查，实现对海洋污染的控制。 5强制的船舶报告制 AIS将在船舶报告制中起重要作用。在船舶报告制中沿岸主管机关要求船舶报告的内容主要都包含在AIS的静态和动态信息中。AlS长距离通信和报告模式能够满足船舶报告制的要求，可以辅助主管机关履行对大区域船舶交通进行监视的职责。大区