福建北部沿海岸基AIS信號 覆蓋問題探討

施劍群 柯幼登 陸回

摘? 要：沿海AIS基站經(jīng)四期完善性建設(shè)，信號覆蓋面基本實(shí)現(xiàn)鏈性連續(xù)覆蓋，但受沿海地形、建（構(gòu)）筑物、磁場等因素干擾，存在部分水域AIS信號受干擾嚴(yán)重，甚至無法覆蓋。本文以福建北部沿海為例，提出AIS基站信號盲區(qū)的技術(shù)測試方法，開展AIS信號覆蓋問題解決的探討，以期拋磚引玉為沿海岸基AIS信號的全覆蓋提供參考。

關(guān)鍵詞：沿海;AIS信號;覆蓋

0 引 言

沿海岸基AIS系統(tǒng)為保障船舶航行安全發(fā)揮著作用，隨著港口建設(shè)的大力發(fā)展，港區(qū)分布延伸，船舶大型化和交通流大幅上升，海洋資源開發(fā)迅速發(fā)展，致使AIS信號覆蓋的全面性問題愈發(fā)凸顯。福建北部沿海作為我國東部沿海的重要鏈環(huán)，分布著福州港及湄洲灣港的北部港區(qū)。該海域地處臺(tái)灣海峽北口，距離臺(tái)灣島最近僅68 n mile，通航環(huán)境復(fù)雜、船舶交通流量大。海域AIS系統(tǒng)運(yùn)行至今，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，船舶數(shù)量增加，無線電的影響，仍然存在部分水域有盲區(qū)，無法接收到AIS信號，影響著整個(gè)轄區(qū)水域AIS信號穩(wěn)定性。

1 福建北部沿海AIS岸基系統(tǒng)概述

海域內(nèi)的岸基AIS系統(tǒng)經(jīng)過2005年東海一期、2007年東海二期，2010年東海三期補(bǔ)點(diǎn)、2012年基站補(bǔ)點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)，目前共設(shè)置了17座AIS基站、1個(gè)轄區(qū)管理中心，各基站間信號連續(xù)覆蓋，保障整個(gè)海域的AIS信號覆蓋，為各港區(qū)及沿海船舶航行和海上活動(dòng)提供AIS信息服務(wù)支持。

AIS岸基系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成如圖1所示。硬件部分主要是基站控制器、VHF天饋系統(tǒng)、GPS天饋系統(tǒng)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)岸基和船舶的AIS數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。

軟件部分主要有基站服務(wù)、訪問服務(wù)、管理服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、日記服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)對基站的管理，所接收的AIS數(shù)據(jù)處理、AIS數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和備份及為AIS應(yīng)用系統(tǒng)提供AIS信息。

2 海域AIS信號覆蓋問題及原因分析

2.1? 海域AIS信號存在的問題

海域AIS信號的覆蓋情況用戶最有發(fā)言權(quán)，根據(jù)海事、港口、引航及船舶等用戶的反饋，綜合轄區(qū)AIS航標(biāo)維護(hù)管理情況，福建北部沿海AIS信號覆蓋性問題比較突出的主要集中在沙埕港區(qū)、松下港區(qū)及外海，以及平潭港區(qū)的東部和南部，如圖2所示。主要表現(xiàn)形式為部分港區(qū)內(nèi)水域存在信號覆蓋盲區(qū)，港區(qū)往外延伸稍遠(yuǎn)的外海存在信號較差、不穩(wěn)定等現(xiàn)場。根據(jù)統(tǒng)計(jì)三個(gè)水域內(nèi)的船舶AIS信號在目前岸基系統(tǒng)中無法被接收到或丟失率超過70%。

2.2 原因分析

2.2.1? 從基站本身來看，福建北部沿海共建設(shè)岸基AIS基站17座，基站的選點(diǎn)主要以船舶交通流為依據(jù)，集中在附近的港區(qū)及進(jìn)港航道或航路區(qū)域。AIS岸基系統(tǒng)的基站主要是架設(shè)在沿海燈塔、通信塔或島嶼上。它的主要功能與海上船舶進(jìn)行相互通信，因此若覆蓋范圍小且信號強(qiáng)度弱，就會(huì)產(chǎn)生信號通信盲區(qū)，對船舶的接收、管理、安全不利。

理論的覆蓋范圍計(jì)算公式如下：

· R：覆蓋范圍的半徑

· H（岸基）： 岸基天線的高度

· h（船臺(tái)）： 船臺(tái)天線的高度

故此會(huì)出現(xiàn)重點(diǎn)水域可能有多個(gè)基站的信號覆蓋，外海及非港口水域，可能僅單基站信號覆蓋，距離較遠(yuǎn)者，如外海的風(fēng)電場，甚至存在信號強(qiáng)度較弱或覆蓋不到的問題。

2.2.2? 從基站工作負(fù)載來看，近幾年的系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)顯示，隨著福州港口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水域的船舶交通流量逐年遞增，對基站信道負(fù)荷加大，但是AIS系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)至今，大批基站收發(fā)機(jī)也使用10余年，設(shè)備性能逐漸降低，接收機(jī)靈敏度減弱，天線增益小，導(dǎo)致基站覆蓋范圍縮小。

作為沿海捕魚業(yè)發(fā)達(dá)的省份，福建沿海有規(guī)模相比貨船更大的漁船，這些漁船絕大多數(shù)是配備Class B類型的船臺(tái)，因規(guī)定總噸300以下可安裝Class B類型船臺(tái)，設(shè)備功率為2 W，且天線架設(shè)偏低，覆蓋范圍小，可能造成通信不易被接收。

2.2.3? 從AIS信號的傳輸方式來看，AIS信號通過VHF傳輸，其天線高度和地形環(huán)境的影響較大。部分基站建設(shè)在港口核心水域附近，甚至城市內(nèi)河附近，用來覆蓋內(nèi)河水域船舶。隨著沿海港口城市發(fā)展，從寧德、福州、平潭直至莆田，臨海臨江附近大型橋梁、超高樓群鱗次櫛比，遠(yuǎn)高于基站VHF天線的高度，VHF信號傳輸因障礙物受到嚴(yán)重的遮擋及發(fā)射，使基站覆蓋范圍大大減小，視距傳輸不好，通信信號斷斷續(xù)續(xù)，形成覆蓋盲區(qū)。

2.2.4? 從通信場來看，岸基與船舶、船舶之間是通過無線電VHF通信，主要作用就是保障船舶海上航行安全和保證生命的安全，使得各項(xiàng)海上業(yè)務(wù)順利進(jìn)行，保持船岸及船舶之間的正常通信。但隨著城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)的需要，建造大量工業(yè)園區(qū)、高壓輸電線路、綜合大型醫(yī)院和其他設(shè)施，高背景噪聲和電磁環(huán)境的嚴(yán)重干擾，使得VHF收發(fā)信道通信受到影響，導(dǎo)致AIS通信盲區(qū)的產(chǎn)生，造成岸基與船舶，或者船舶之間的通信數(shù)據(jù)丟失。此外，福建沿海還存在部分地理因素的磁場異常區(qū)，導(dǎo)致AIS信號不穩(wěn)定或無法利用。

3 AIS信號的測試與數(shù)據(jù)分析方法

3.1 測試機(jī)分析方法

攜帶車載AIS基站（MMSI碼：004128888）設(shè)備至待測區(qū)域，選擇合適的測試位置并架設(shè)基站VHF和GPS天線，在配置基站正常情況下，10 s一次發(fā)射基站MSG4報(bào)文，發(fā)射功率設(shè)置為低功率2 W，用軟件保存30 min測試基站接收到的所有報(bào)文，準(zhǔn)確記錄測試時(shí)間。

3.2 后期數(shù)據(jù)分析方法

（1）用數(shù)據(jù)檢索工具，對保存的測試報(bào)文進(jìn)行檢索，檢索條件設(shè)置為測試站點(diǎn)附近船舶的MMSI碼，記錄對應(yīng)MMSI碼的位置報(bào)文數(shù)量;用數(shù)據(jù)檢索工具，對AIS岸基系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，分別檢索對應(yīng)測試時(shí)間段內(nèi)測試基站和周邊船舶MMSI的所有報(bào)文，記錄對應(yīng)MMSI碼的位置報(bào)文數(shù)量;對比分析相同MMSI碼的船舶報(bào)文在測試基站和岸基系統(tǒng)中分別被接收數(shù)量，判斷目前岸基系統(tǒng)在該區(qū)域覆蓋情況，兩者相差10%以內(nèi)良好，10%～30%為一般，30%以上差。

（2）用海圖軟件回放測試報(bào)文，觀察待測區(qū)域的AIS船舶數(shù)量;通過AIS岸基系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，檢索對應(yīng)測試時(shí)間段待測區(qū)域內(nèi)的所有AIS報(bào)文（系統(tǒng)報(bào)文），同樣用海圖軟件進(jìn)行回放，觀察待測區(qū)域的AIS船舶的數(shù)量;對比兩者的接收目標(biāo)數(shù)量。

4? 信號的測試及數(shù)據(jù)比對分析

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況問題反饋，結(jié)合AIS應(yīng)用軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)分析，AIS岸基系統(tǒng)實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)檢索回放分析，我們確定組織針對以下三個(gè)水域開展AIS信號的現(xiàn)場測試。

4.1 沙埕內(nèi)港水域

4.1.1 測試點(diǎn)的選擇

針對沙埕港區(qū)縱深較深，進(jìn)港航道彎曲，兩側(cè)山體沿江蔓延等特點(diǎn)，結(jié)合用戶反饋的港內(nèi)無法收到AIS信號的問題，我們從距離和山體遮擋的要素考量，選擇花眉巖和八尺門兩個(gè)位置進(jìn)行測試，如圖3所示。測試位置點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

4.1.2 測試數(shù)據(jù)分析

通過采集的表2數(shù)據(jù)及測試前后的電子海圖上AIS信號覆蓋對比圖（見圖4）比對，原AIS岸臺(tái)基站系統(tǒng)覆蓋在八尺門附近水域存在明顯盲區(qū)，花眉巖附近水域的信號接收存在明顯丟失，增加基站能明顯改善水域AIS信號的傳輸和覆蓋面。同時(shí)，對比花眉巖位置，八尺門附近增加必要性和利用價(jià)值性更高。

4.2 松下港區(qū)至閩江口水域

4.2.1 測試點(diǎn)的選擇

針對松下港區(qū)進(jìn)港航道口門以外AIS信號不穩(wěn)定，其更外側(cè)的外海風(fēng)電場無AIS信號覆蓋的問題，水域覆蓋沿海內(nèi)、中、外全部的航路，考慮信號覆蓋的多重覆蓋性和盡量外延性需求，我們選擇在壺井附近進(jìn)行測試（見圖5），測試位置點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

4.2.2 測試數(shù)據(jù)分析

通過采集的表4數(shù)據(jù)及測試前后的電子海圖上AIS信號覆蓋對比圖（見圖6）比對，數(shù)據(jù)及海圖回放顯示該待測區(qū)域內(nèi)，原AIS岸臺(tái)基站系統(tǒng)在壺井右側(cè)、平潭北面信號覆蓋存在較明顯盲點(diǎn)和信號不穩(wěn)定現(xiàn)象，在有壺井測試點(diǎn)信號覆蓋后，該區(qū)域的信號接收能力明顯增強(qiáng)。

4.3 平潭港區(qū)外側(cè)水域

4.3.1 測試點(diǎn)的選擇

針對平潭港區(qū)東部和南部AIS信號不穩(wěn)定，兼顧沿海內(nèi)、中、外全部的航路，AIS信號覆蓋的需求，我們選擇在北嵐嶺和貓石山附近進(jìn)行測試（見圖7），測試位置點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

4.3.2 測試數(shù)據(jù)分析

通過采集的表6數(shù)據(jù)分析，相比于北嵐嶺，貓石山附近的AIS信號覆蓋相對較好，北嵐嶺附近的信號較差，存在明顯盲區(qū)。結(jié)合北嵐嶺測試點(diǎn)測試前后的電子海圖上AIS信號覆蓋對比圖（見圖8）比對，數(shù)據(jù)及海圖回放顯示該待測區(qū)域內(nèi)，在平潭北嵐嶺附近增設(shè)基站，能有效增加該水域的AIS信號覆蓋能力。

5 測試結(jié)論及應(yīng)用建議

隨著港口經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，特別如福建這般具有得天獨(dú)厚地理區(qū)域優(yōu)勢的沿海地區(qū)，在國家實(shí)施海洋戰(zhàn)略、推進(jìn)“海西”建設(shè)和做好對臺(tái)關(guān)系的整體背景下，提升航海保障服務(wù)勢在必行。AIS信號覆蓋問題是需要優(yōu)先解決的基礎(chǔ)性問題。經(jīng)過現(xiàn)場測試和后期數(shù)據(jù)的分析比對，能對用戶反饋和管理發(fā)現(xiàn)問題予以充分的印證。測試過程中，同時(shí)為基站補(bǔ)點(diǎn)位置明確了方向，建議在3處地點(diǎn)附近開展AIS基站補(bǔ)點(diǎn)建設(shè)前期工作，以實(shí)現(xiàn)轄區(qū)AIS基站信號全覆蓋的目標(biāo)。并不斷加強(qiáng)和優(yōu)化海域內(nèi)的AIS通訊支持服務(wù)。

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