工作在VHF频段的船舶自动识别系统

科技   2024-12-10 22:33   江苏  

海上航行中,船舶之间常常需要掌握彼此之间的动、静态消息,避免船舶在航行过程中发生碰撞事故。因此实现船舶的自动识别是海上航行安全、海上交通管理和航海技术发展的重要问题。
一、AIS简介
船舶自动识别系统(AIS)作为一种新型的助航设备,安装了AIS的船舶能够在不需要船舶驾驶员介入的情况下,周期性的在海上通过VHF频道自动广播船舶的运动信息,如经纬度、航速、航向等和静态信息如海上移动业务标识MMSI码、船名、呼号等
其他船只要安装了AIS设备就可以自动接收这些船舶信息并显示,方便过往船只提前规划航道,避免发生碰撞。下面用一个图来描述AIS在航行中的作用。
AIS网络包括岸基AIS、船载AIS、星载AIS,根据AIS的不通应用,可将AIS分为移动站和固定站两大类。
其中,移动站包括:
  1. 完全符合规范的通用船载类AIS(A类AIS)

  2. 不完全符合规范的船载类AIS(B类AIS)

  3. 装备在搜救的飞机上,协助开展搜救的AIS;

  4. 装备在航标上,作为一个虚拟航标的AIS。

固定站包括:
  1. AIS基站,是组建AIS网络的关键部分

  2. AIS单工转发器

  3. AIS双工转发器


二、船载A类型AIS和B类AIS    

目前,船载AIS设备分为A类AIS和B类AIS两种类型,A类AIS采用SOTDMA(自组织时分多址)接入方式,根据IMO规定,所有300吨及以上的国际航行船舶和500吨及以上的非国际航行的货船应配备A类AIS。
B类AIS是安装在中小型船舶上的,主要釆用CSTDMA和SOTDMA两种协议接入方式,其优点是配置简单,价格低廉。A类与类的不同之处主要体现在以下几方面,如通信协议、报文格式、报文更新速率和静态电文等。
A类AIS
接收与发射AIS信息
安装在符合IMO AIS运输规定下的船只
超过300吨的国际航线商用船只强制安装A级AIS
B类AIS
接收与发射AIS信息
IMO未强制规范必须安装AIS的船只
适用于休闲用途的船只,用于提高海上航行安装


三、AIS通信过程   

AIS工作频段在航海VHF频段,国际电信联盟1997年无线电大会指定了161.975MHz(87B频道)和162.025MHz(88B频道)两个VHF频率作为AIS频道。
系统采用两个TDMA接收机分别在这两个信道上同时接受信息,并通过一个TDMA发射机在这两个信道上交替发射信息(此处可以理解为两收一发,收信道分别接受两个频点信息,发信道通过两个频点交替发送AIS信息)。
就完成通信而言,一个无线电通信频道已经足够了,但是为了防止干扰和转换频道时造成的通信损失,每个AIS站均同时在两个频道进行收发。
AIS采用VHF频段,其通信覆盖距离与其他VHF设备一样,都是电波直线传播,天线的高度决定通信传播距离,在海上通常为20海里左右。在地面障碍物不高的情况下,视距上能看到AIS站的情况下,可以借助中继站,扩大通信范围。
四、AIS信息内容    
ITU-RM.1371-4*标准中规定了AIS有27种不同类型的消息报文,分别发挥着不同作用从功能角度分,可以分为四种消息类型:静态信息、动态信息、航行信息、安全相关的短电文。
不同类型的信息广播频率都不一样。AIS动态信息由于需要及时更新,以避免发生事故,器更新率一般较高,而航行信息与静态信息在航行中一般变化较小,则其更新率较低;安全相关信息一般在需要时才会对外发布。
1.静态信息
  • IMO:识别编码

  • MMSI:海上移动业务识别码(船舶全球唯一识别码)

  • 呼号和船名

  • 船长、船宽及船舶类型

  • 定位仪天线在船上的位置

  • 船吃水深度

  • 装载货物信息


2.动态消息
  • 船的经纬度

  • UTC时间(GPS接收机设备产生)

  • 真航向

  • 对地航速

  • 航向状态(例如抛锚等,人工输入)

  • 转向速率

  • 船舶横倾角(基本电文中无该数据)

  • 纵、横摇  (基本电文中无该数据)


3.航行相关信息
  • 航行目的地

  • 预计到达时间

  • 船只位置

  • 世界标准时间


4. 与安全有关的短消息
  • 基于安全因素向周围发布的安全信息

五、AIS工作模式    

A类AIS的工作模式有三种:
  1. 自主模式:该模式为船舶默认的工作态,可以在所有海域使用

  2. 分配模式:由沿岸管理部门控制

  3. 轮询模式:当响应其他船舶或基站的呼叫时,使用轮询模式。


通常情况下,船载AIS工作在自主模式下,以下是自主模式工作时的消息发送标准:
静态信息:6min以内或则接收到发送消息时
动态消息:根据航速不同,发送的时间间隔也不同,具体报告间隔如下表
船舶航行状态(船速)
报告间隔
停泊(抛锚)
3min
船速0-14节
12s
船速0-14节且改变航向
4s
船速14-23节
6s
船速14-23节且改变航向
2s
船速>23节
3s
船速>23节且改变航向
2s


 六、AIS的通信协议    
AIS系统采用的TDMA通信协议,系统运行时不停的检测TDMA信道的活动状态,根据信道的占用情况预约本台的发射时隙。进入TDMA网络的AIS设备一般采用自组织的时分多址(SOTDMA)协议进行工作,采用这个方式传输的AIS设备可以自主解决发射冲突,自主接收其他台站的信息。
在AIS网络中,一帧60s被分为2250个时隙,每个时隙长度为26.67ms,每个时隙可以发送一条256bit的信息,当信息长度大于256bit时,将占用2个或多个时隙。理论上在同一区域能同时容纳200-300艘船舶信息,当船只数大于系统容量时,远距离的目标就会被忽略,以此保证AIS系统对近距离目标的优先权。
七、航海技术中AIS的应用    
如果将AIS显示的信息单独的显示在一个设备上,会造成显示设备过多,从而分散船员的注意力,最有效的方式是将AIS数据与雷达或ECDIS集成起来,从多个来源获得不通信息。
随着电子航海地图的发展,把AIS信息叠加显示到电子海图上,进行综合显示,对于AIS综合信息显示系统,首先要能在电子地图上以矢量方式标注本船信息和船周围20海里内的目标船,并且能以位子的形式准确的显示本船的静态和动态信息。

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