AIS系統(tǒng)ITU-R M.1371協(xié)議研究

◎ 韓孟強　北海航海保障中心煙臺航標處

AIS系統(tǒng)ITU-R M.1371協(xié)議研究

◎ 韓孟強北海航海保障中心煙臺航標處

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相關國際標準體系，著重分析了ITU 1371協(xié)議的分類、演進、通信主題等，并進一步闡述了AIS技術應用及與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)融合的前景。

協(xié)議 演進 幀格式 解析 編碼

1.AIS系統(tǒng)建設基本情況

中國海事局自2000年開始建設“中國沿海船舶自動識別岸基網絡系統(tǒng)”，針對中國沿海的具體情況，經過選點、勘察和測試，歷經先期的渤海灣、珠江口、長江口、瓊州海峽AIS岸基系統(tǒng)工程，北方海區(qū)、東海海區(qū)、南海海區(qū)AIS一期、二期岸基系統(tǒng)工程及后期的補點建設，在全國沿海共建設完成121座AIS基站，一個國家AIS管理維護中心、3個海區(qū)AIS管理維護中心，19個轄區(qū)AIS管理維護中心，標志著全國沿海AIS岸基網絡系統(tǒng)建成。AIS信號基本覆蓋全國沿海水域，重點港口、航道已實現(xiàn)多重覆蓋，系統(tǒng)可用性達到99.95%以上。

為服務內河航運經濟發(fā)展，支持內河高等級航道建設，自2010年開始建設內河AIS岸基網絡系統(tǒng)，包括黑龍江和松花江水系、京杭運河與淮河水系、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，并實現(xiàn)了內河AIS岸基網絡系統(tǒng)與沿海AIS岸基網絡系統(tǒng)互聯(lián)互通。

經過10余年來的研究開發(fā)與建設應用，我國AIS岸基網絡不僅成為船舶航行的助航系統(tǒng)，也成為船舶安全監(jiān)管、海上事故調查和海上演練等不可或缺的支持保障系統(tǒng)，更在保障海洋權益、保障航運安全和保護水域環(huán)境等方面發(fā)揮出積極作用，取得了顯著的經濟和社會效益。

2.國際組織對AIS協(xié)議的規(guī)定

①與AIS相關的國際標準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）、國際航標協(xié)會（IALA）。

對船舶使用AIS及AIS設備的要求做官方規(guī)定的IMO是監(jiān)管者，對AIS的通信性能標準定義并修正的ITU是定義者，對AIS設備具體功能、性能制定標準的IEC是標準執(zhí)行者。

②國際電信聯(lián)盟綜合考慮以上建議，提出：

（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，有效地交換導航數據，從而改進航行的安全性；

（3）這樣的系統(tǒng)主要用于導航安全、船與船之間的監(jiān)視、船舶的數據報告以及船舶交通服務（VTS）。也可用于其它海上通信安全，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，運行在指配方式和詢問方式；

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

（7）IALA正在為AIS制造商和其它感興趣的團體，維護和出版一種關于國際應用標識碼分支和技術指南的記錄。

圖1　國際海事組織（IMO）文件

圖2　國際電工委員會（IEC）文件

3.ITU-R M.1371協(xié)議演進

ITU-R M.1371-1發(fā)展至1371-5，變化主要有：

（1）在數據幀中加入包含同步狀態(tài)和時隙相關信息的通信狀態(tài)位。

（2）針對報文反復轉發(fā)造成的時隙利用效率低下，在報文中加入了轉發(fā)計數位，初始狀態(tài)位為1或2。當報文被轉發(fā)站轉發(fā)后，該位+1，當該位等于3時，報文將不再被轉發(fā)。

（3）為提高資源利用率，詳細定義6號和8號報文的二進制信息。

（4）增加報文7、報文13、報文17和報文22的描述。

（5）增加了23號組指派命令報文、24號靜態(tài)數據報文、25號單時隙二進制報文、26號含通信狀態(tài)的多時隙二進制報文、27號大量程AIS報文。

（6）增加擴展的航標名稱位至21號報文，AIS航標名稱字符數由20個增加到最多34個。

表1　A類B類AIS設備物理參數對比圖

4.AIS通信技術特性

①A IS通信主體包括基站、船臺、AIS航標、AIS搜救相關、AIS轉發(fā)臺站。

②AIS臺站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、機載AIS臺站和助航臺站。

固定臺站包括基站、單工轉發(fā)器和雙工轉發(fā)器。按照功能ITU定義可分為AIS船載臺、助航AIS臺、受限基站、搜救移動航空器設備及轉發(fā)臺。AIS種類有Class A（通用船載自動識別設備）；Class B（適合小型船舶安裝AIS設備）；Class C（基站）；Class S（搜救飛機及直升機用AIS設備）；Class N（Aids to Navigation）航標AIS設備。A類B類AIS設備物理參數對比如表1。

A類B類AIS設備在通信制式、靜態(tài)報告、報告更新率、報文通信方面也不相同。

③AIS通信模型包含開放式系統(tǒng)互連（OSI）模型的1～4層（物理層、鏈路層、網絡層和傳輸層）。

（1）物理層主要負責將來自源的比特流輸出到數據鏈，對裝配的發(fā)射用數據包進行NRZI編碼，把數字NRZI編碼的發(fā)射用數據包轉換成模擬GMSK信號，調制發(fā)射機。

（2）為了數據傳輸的檢測和糾錯，鏈路層規(guī)定了數據的打包方法。鏈路層分成介質訪問控制（MAC）、數據鏈服務（DLS）、鏈路管理實體（LME）3個子層。MAC子層使用公共時間基準的TDMA訪問數據傳輸介質，即VHF數據鏈。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，每一幀開始和結束都是以UTC分鐘一致的。

（3）網絡層負責建立和維護通道連接；管理報文的優(yōu)先級指定；兩個通道之間發(fā)射用數據包的分配；數據鏈擁塞的解決。作用：（a）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命令等情況下轉換到其他信道上工作。（b）確定報告速率；（c）解決信道阻塞問題。

（4）傳輸層負責將數據轉換到大小合適的發(fā)射用數據包；將數據包排隊;將協(xié)議與較高若干層接口。傳輸層應當將來自表示層接口的數據轉換成發(fā)射用數據包，如果發(fā)射用數據包的長度要求在5個以上的時隙中才能發(fā)射完，或者對AIS移動臺，如果報文6、8、12、14在這一幀中通過RATDMA協(xié)議發(fā)射的時隙總數超過20，則AIS不應當發(fā)射該數據，而應當響應以一個負證實給表示層接口。

5.AIS技術應用

5.1優(yōu)化船舶調度與提升航運效率

AIS信息有利于調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，實現(xiàn)對船舶的科學、有效地調度，提高船舶進出港效率，創(chuàng)建一個高效和諧的海上交通環(huán)境。AIS信息可與雷達信息相融合，提供精確、全面的船舶實時的信息，增強雷達的信息識別能力；AIS可以擴展航海雷達系統(tǒng)的觀測范圍，彌補雷達的觀測盲區(qū)；AIS還能夠克服雨雪對雷達產生的干攏，使船舶能夠在暴雨、大雪等惡劣天氣下安全的進出港口。

5.2海上人命和安全救助

海上船舶發(fā)生事故后，通過AIS數據可以準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，縮短救助時間，提高搜救效率，最大限度的保護海上人命和財產安全。

5.3提供助航服務，維護航行安全

利用AIS岸基網絡系統(tǒng)可以及時對安裝AIS船臺的船舶播發(fā)航標動態(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)質的航海保障服務。

5.4設置虛擬航標

虛擬航標是依據ITU 1371-1標準，通過AIS基站播發(fā)的一種助航標志。在遇到沉船等緊急情況及在某些水域需要設標又不便于設標時,可以設立虛擬航標對船舶予以提示。

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

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

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