星載AIS檢測(cè)概率計(jì)算模型與算法分析?

王海硯，席在杰，楊文靜

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

星載AIS檢測(cè)概率計(jì)算模型與算法分析?

王海硯，席在杰，楊文靜

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對(duì)國(guó)外星載AIS（Automatic Identification System）系統(tǒng)由于時(shí)隙沖突導(dǎo)致檢測(cè)概率降低的問(wèn)題，提出了一個(gè)檢測(cè)概率計(jì)算模型。通過(guò)分析影響檢測(cè)概率的各種因素，得出概率計(jì)算的算法，并對(duì)算法進(jìn)行了理論分析。對(duì)于某個(gè)具體的星載AIS系統(tǒng)，將系統(tǒng)參數(shù)代入到該模型中，可以得到該系統(tǒng)的檢測(cè)性能，從而為實(shí)際工程提供理論參考。

星載AIS系統(tǒng)；檢測(cè)概率；時(shí)隙沖突

1 引言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是一種海上無(wú)線通信系統(tǒng)，主要用于對(duì)海上航行的船舶進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)船舶-船舶、船舶-船岸的通信，用于交互船舶標(biāo)識(shí)、位置、航向、航速等航行信息。星載AIS是通過(guò)衛(wèi)星接收各種AIS終端的消息，以達(dá)到在更大范圍的海域內(nèi)監(jiān)測(cè)AIS終端，并保證航行安全和國(guó)防安全，以及保護(hù)環(huán)境的目的。

星載AIS由挪威防御研究組織（Norwegian Defense Research Establishment，F(xiàn)FI）在2003年提出［1］。此后，F(xiàn)FI對(duì)星載AIS接收消息進(jìn)行了可行性研究，并發(fā)表了相關(guān)論文［1］。美國(guó)國(guó)家無(wú)線電信息部門、挪威科技大學(xué)也針對(duì)其檢測(cè)概率的問(wèn)題發(fā)表了相關(guān)的研究論文［2］。以上論文均簡(jiǎn)單介紹了檢測(cè)概率計(jì)算模型，并直接給出了最終的概率計(jì)算公式，但是針對(duì)時(shí)隙沖突對(duì)檢測(cè)概率的影響情況，只是進(jìn)行了近似的處理。

通過(guò)對(duì)國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)的分析，本文對(duì)星載AIS的檢測(cè)概率進(jìn)行了較深入的研究。首先通過(guò)研究影響星載AIS檢測(cè)概率的各種因素，建立一個(gè)檢測(cè)概率計(jì)算模型。接著，詳細(xì)討論不同的時(shí)隙沖突情況，將它對(duì)檢測(cè)概率的影響用劃分沖突區(qū)域的方法進(jìn)行準(zhǔn)確的量化處理，并分析了不同情況下的概率計(jì)算算法，最終得出相應(yīng)的概率計(jì)算公式。最后，對(duì)檢測(cè)概率算法進(jìn)行了理論分析。

2 星載AIS系統(tǒng)

AIS系統(tǒng)采用高斯最小頻移鍵控調(diào)制方式，傳輸速率為9 600 bit／s。它具有兩個(gè)發(fā)射信道，即由國(guó)際電信聯(lián)盟分配的CH87B（AIS l，161.975 MHz）和CH88B（AIS 2，162.025 MHz），通常，AIS消息通過(guò)這兩個(gè)信道交替發(fā)送。它主要使用自組織時(shí)分多址（Self-Organized TDMA，SOTDMA）協(xié)議工作。它將1min作為一個(gè)超幀［3］，包含2 250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含256 bit（占時(shí)約26.7ms）。

AIS消息結(jié)構(gòu)如表1所示，其中，緩沖段通常包含24 bit，其中的12 bit用于傳輸保護(hù)，傳輸保護(hù)時(shí)間為1.25ms，傳輸保護(hù)之外的其它數(shù)據(jù)段時(shí)間為25.4ms。

星載AIS系統(tǒng)［4］是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與AIS終端通信的無(wú)線通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)概念圖如圖1所示。圖中，大圓表示衛(wèi)星覆蓋的海域，虛線小圓表示多只船舶組成的視距通信區(qū)域，該區(qū)域通常為半徑為20 nmile［4］的圓形區(qū)域，視距之外的兩只船舶之間不能相互通信。衛(wèi)星接收海域內(nèi)每個(gè)船舶的AIS消息，同時(shí)與岸上的監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行通信。

3 檢測(cè)概率影響因素

星載AIS系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)AIS船舶的過(guò)程中，檢測(cè)概率是一個(gè)很重要的指標(biāo)。在衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，處于觀察范圍的每只船舶可能發(fā)送多條AIS消息，如果它發(fā)出的消息中至少有一條消息被衛(wèi)星收到和解析，則認(rèn)為該船舶被檢測(cè)到，而被檢測(cè)到的船舶數(shù)目與所有船舶數(shù)之比即為檢測(cè)概率。

星載AIS的檢測(cè)概率與以下3因素有關(guān)。

（1）AIS船舶狀態(tài)。AIS船舶主要包括A類和B類船舶。船舶狀態(tài)指船舶在海域的分布情況和工作狀態(tài)。船舶分布情況是指整個(gè)觀察范圍內(nèi)船舶分布的疏密程度。船舶工作狀態(tài)是指它的航行狀態(tài)即航行速度和航向，不同的工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)于不同的消息發(fā)送周期。

（2）衛(wèi)星工作參數(shù)。指衛(wèi)星的高度、觀察范圍和觀測(cè)時(shí)間，由衛(wèi)星的軌道和安裝在其上的AIS天線的覆蓋范圍決定［2］。

（3）時(shí)隙沖突。指衛(wèi)星在同一個(gè)時(shí)隙接收到多條AIS消息，分為I類、II類、III類時(shí)隙沖突，下面進(jìn)行具體說(shuō)明。

考慮兩只船舶出現(xiàn)沖突的情況。如圖2所示，假定船舶1和船舶2均在第i個(gè)時(shí)隙發(fā)送一條消息，衛(wèi)星先接收到船舶1的消息，然后等待一個(gè)接收延時(shí)差Δt2-Δt1后開始接收船舶2的消息，此時(shí)發(fā)生了時(shí)隙沖突?，F(xiàn)假定船舶2之前在第i-1個(gè)時(shí)隙也發(fā)送了一條消息，則該消息也可能會(huì)與船舶1的第i個(gè)時(shí)隙的消息發(fā)生沖突。這取決于時(shí)隙的傳輸保護(hù)時(shí)間和接收延時(shí)差的大?。?/p>

（1）當(dāng)接收延時(shí)差小于等于傳輸保護(hù)時(shí)間時(shí)，不會(huì)沖突，這種情況稱為I類時(shí)隙沖突［2］；

（2）當(dāng)接收延時(shí)差大于傳輸保護(hù)時(shí)間，但小于時(shí)隙的數(shù)據(jù)段時(shí)間（25.4ms）時(shí)，船舶2的第i-1個(gè)時(shí)隙也會(huì)與船舶1的第i個(gè)時(shí)隙發(fā)生沖突，這種情況稱為II類時(shí)隙沖突［2］；

（3）當(dāng)接收延時(shí)差大于時(shí)隙的數(shù)據(jù)段時(shí)間時(shí)，船舶2的第i個(gè)時(shí)隙不會(huì)對(duì)船舶1的第i個(gè)時(shí)隙產(chǎn)生沖突，只有第i-1個(gè)時(shí)隙或者更前的某個(gè)時(shí)隙會(huì)對(duì)船舶1產(chǎn)生沖突，這種情況稱為III類時(shí)隙沖突，考慮到衛(wèi)星的觀察范圍，通常不考慮該類沖突。

4 檢測(cè)概率計(jì)算模型

4.1 模型介紹

根據(jù)第3節(jié)對(duì)檢測(cè)概率影響因素的分析，建立以下概率計(jì)算模型。該模型是假定衛(wèi)星觀察范圍為一個(gè)圓形區(qū)域，如圖3所示。

在概率計(jì)算模型中，半徑為R的圓形區(qū)域表示衛(wèi)星的整個(gè)觀察范圍，圓心O表示衛(wèi)星正對(duì)在地球表面的點(diǎn)。很小的黑色實(shí)心小圓表示一只船舶，它離圓心的距離為r。我們先以觀察范圍內(nèi)指定的一只船舶為分析對(duì)象，討論它發(fā)送的消息被其它船舶沖突之后被衛(wèi)星成功檢測(cè)到的概率，然后再討論衛(wèi)星在整個(gè)觀察范圍內(nèi)對(duì)所有船舶的檢測(cè)概率。

模型中涉及到以下參數(shù)：衛(wèi)星的觀察范圍（半徑為R nmile的圓形區(qū)域）、高度（h nmile）、觀測(cè)時(shí)間Tobs、A類船舶總數(shù)N、船舶在整個(gè)觀察范圍內(nèi)的分布情況（均勻分布）、船舶發(fā)送的每條消息占用的時(shí)間τ（26.7 ms）、發(fā)送消息的信道數(shù)nch，以及每只船舶的平均發(fā)送周期ΔT。

4.2 時(shí)隙沖突區(qū)域劃分

根據(jù)上述模型，先討論h、R與時(shí)隙沖突區(qū)域之間的關(guān)系，然后分為幾種不同的情況討論概率計(jì)算算法。

圖4為衛(wèi)星與觀察范圍內(nèi)的船舶的剖面圖。其中，原點(diǎn)O與衛(wèi)星的距離為h，在觀察區(qū)域內(nèi)任選一點(diǎn)Q，與原點(diǎn)距離為r。

假設(shè)存在一點(diǎn)A，與原點(diǎn)距離為I1（h，r），且A點(diǎn)比Q點(diǎn)到衛(wèi)星的距離小202.703 nmile（發(fā)生I類和II類沖突的臨界距離），則可以計(jì)算得到：

假設(shè)存在一點(diǎn)C，與原點(diǎn)距離為I2（h，r），C點(diǎn)比Q點(diǎn)到衛(wèi)星的距離大202.703 nmile，則可以計(jì)算得到：

現(xiàn)考慮兩種特殊情況：

（1）當(dāng)A點(diǎn)處于原點(diǎn)O時(shí)（I1（h，r）=0），則Q點(diǎn)離O點(diǎn)的距離為

（2）當(dāng)C點(diǎn)處于D時(shí)（I2（h，r）=R），則Q點(diǎn)離O點(diǎn)的距離為

時(shí)隙沖突的情況由衛(wèi)星觀察范圍半徑R、I1和I2的關(guān)系確定。先令I(lǐng)1=I2，得到：

此為R的一個(gè)臨界值，區(qū)分不同的時(shí)隙沖突情況：

（1）當(dāng)R≤I1，即時(shí)，所有船舶都只受到I類時(shí)隙沖突的影響；

4.3 算法分析

對(duì)于衛(wèi)星觀察范圍內(nèi)的一只指定船舶，發(fā)送的消息被沖突的概率為

由此得到，該船舶發(fā)送一條消息被成功檢測(cè)的概率為

其中，nch為發(fā)送消息時(shí)使用信道數(shù)（取值為2，即分配兩個(gè)信道CH87B和CH88B）；k表示另一只船舶對(duì)指定船舶的時(shí)隙沖突類型，如果另一只船舶對(duì)指定船舶產(chǎn)生了I類沖突，則k=1；如果產(chǎn)生了II類沖突，則k=2。

下面針對(duì)上述3種不同的時(shí)隙沖突區(qū)域情況進(jìn)行分析。

對(duì)于指定的船舶，它被成功檢測(cè)到的概率計(jì)算過(guò)程如下：先假定在整個(gè)觀察范圍內(nèi)，除了指定的船舶外，如果只有一只船舶，計(jì)算指定船舶發(fā)送一條消息被成功檢測(cè)的概率。然后假定在觀察范圍內(nèi)總共有N只船舶，計(jì)算指定船舶發(fā)送一條消息被成功檢測(cè)的概率。最后，計(jì)算指定船舶在衛(wèi)星檢測(cè)時(shí)間內(nèi)發(fā)送M條消息至少有一條消息被成功檢測(cè)的概率，從而得到在Tobs內(nèi)衛(wèi)星的檢測(cè)概率為

此種情況下，I1＞I2。根據(jù)I1、I2將衛(wèi)星觀察范圍分為3個(gè)區(qū)域，如圖5所示。

檢測(cè)概率計(jì)算過(guò)程如下：先計(jì)算區(qū)域1中的任一船舶受到I類和II類時(shí)隙沖突后成功檢測(cè)的概率，然后利用積分計(jì)算得到該區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到的船舶平均數(shù)目為

式中，S11=π［I2（h，r）］2表示產(chǎn)生I類沖突的區(qū)域面積，S21=πR2-π［I2（h，r）］2表示產(chǎn)生第II類沖突的區(qū)域面積。該船舶受到的時(shí)隙沖突情況如圖6所示。

同理，可計(jì)算區(qū)域2和區(qū)域3中檢測(cè)到的船舶平均數(shù)目。然后，將上述3個(gè)區(qū)域的成功檢測(cè)的船舶平均數(shù)目相加，得到整個(gè)衛(wèi)星觀察范圍內(nèi)檢測(cè)到的船舶數(shù)目Ndet。當(dāng)每只船舶發(fā)送一條消息時(shí)，衛(wèi)星的檢測(cè)概率為P1.N=Ndet／N。最后得到在觀測(cè)時(shí)間T內(nèi)，每只船發(fā)送消息數(shù)，檢測(cè)概率為

此種情況下，I1≤I2。用上述類似的方法可以得到在觀測(cè)時(shí)間Tobs內(nèi)，衛(wèi)星的檢測(cè)概率為

其中，P1，N的計(jì)算公式與第二種情況類似。

5 理論分析

5.1 函數(shù)曲線圖

本節(jié)針對(duì)第4節(jié)中3種不同的時(shí)隙沖突區(qū)域情況，分別給出了船舶的總數(shù)量與檢測(cè)概率的函數(shù)曲線圖。

對(duì)于第一種情況，假定以下參數(shù)條件：h= 378 nmile；R=400 nmile；ΔT=6 s；nch=2；Tobs= 214 s。圖7中顯示了船舶的總數(shù)量（1～5 000艘）與檢測(cè)概率（即衛(wèi)星檢測(cè)到的船舶數(shù)量與船舶總數(shù)之比）的函數(shù)關(guān)系。

對(duì)于第二種情況，假定以下參數(shù)條件：h= 540 nmile；R=700 nmile；ΔT=6 s；nch=2；Tobs= 214 s。其函數(shù)曲線圖如圖8所示。

對(duì)于第三種情況，假定以下仿真條件：h= 540 nmile；R=1 815 nmile；ΔT=6 s；nch=2；Tobs1= 900 s、Tobs2=1 h、Tobs3=24 h。圖9中顯示了船舶的總數(shù)量與檢測(cè)概率的函數(shù)關(guān)系，其中，P1（N）、P2（N）、P3（N）分別對(duì)應(yīng)于不同觀測(cè)時(shí)間900 s、1 h、24 h下的檢測(cè)概率。

5.2 結(jié)果分析

根據(jù)上面的仿真分析圖可以得到，檢測(cè)概率與觀察范圍內(nèi)的船舶數(shù)量、觀察范圍半徑、衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間以及船舶消息發(fā)送周期有關(guān)。在其它參數(shù)不變的情況下，隨著船舶總數(shù)增大即分布密度變大，檢測(cè)概率將會(huì)降低；隨著觀察范圍半徑增大，時(shí)隙沖突的機(jī)會(huì)增多，即由只存在I類沖突變?yōu)橥瑫r(shí)存在I類和II類沖突時(shí)，檢測(cè)概率將會(huì)降低；隨著衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間增大，檢測(cè)概率將會(huì)較明顯的提高；隨著消息發(fā)送周期增大，檢測(cè)概率將會(huì)顯著提高。

［1］Gudrun K H，Torkild Eriksen，Bente JMeland，etal.Space -based AIS for globalmaritime traffic monitoring［J］.Acta Astronautica，2007，62（2／3）：240-245.

［2］Ole Fredrik Haakonsen Dahl.Space-Based AISReceiver for Maritime Traffic Monitoring Using Interference Cancellation［D］.Norwegian：Norwegian University of Science and Technology，2006：1-123.

［3］胡越黎，孫斌.AIS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路容量分析及擁塞解決方法［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007，15（11）：1631-1634.

HU Yue-li，SUN Bin.Data Link Capacitance and Congestion and Resolution for AIS［J］.Computer Measurement＆Control，2007，15（11）：1631-1634.

［4］Recommendation ITU-RM.1371-1，Technical Characteristics for a Universal Shipborne Identification System using Time Division Multiple Access in the VHF Maritime Mobile Band［S］.

WANG Hai-yan was born in Chongqing，in 1978.She received theM.S.degree in 2003.Her research direction is communication network protocol.

Email：17713796＠qq.com

席在杰（1982—），男，湖北石首人，2006年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)協(xié)議；

XIZai-jie was born in Shishou，Hubei Province，in 1982.He received the M.S.degree in 2006.He is now an engineer.His research direction is communication network protocol.

楊文靜（1982—），女，湖北天門人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為助理工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

YANGWen-jingwasborn in Tianmen，HubeiProvince，in 1982. She received the M.S.degree in 2008.She is now an assistant engineer.Her research direction is communication network protocol.

Calculation Model and Algorithm Analysis of Detection Probability of Spaced-based AIS

WANGHai-yan，XIZai-jie，YANGWen-jing
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

For the problem that the detection probability of foreign space-based AISs（Automatic Identification Systems）is reduced due to time slot collision，a calculationmodel of detection probability is presented.A calculation algorithm is given by analysing all factors influencing the probability and the algorithm is analysed in theory.For a specific space-based AIS，detection performance can be obtained according to themodel using the system parameters，which provides theoretical reference for practical projects.

space-based AIS；detection probability；time slot collision

TN973.1

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.009

王海硯（1978—），女，重慶人，2003年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究；

1001-893X（2011）11-0042-05

2011-05-12；

2011-06-22