船基系留氣球AIS數據采集系統設計與實現

武宏勛，黃宛寧，苗景剛，申 戈

(1.中國科學院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2.中國科學院大學 航空宇航學院，北京 100049)

0 引言

我國是個海洋大國，海洋在帶來豐富資源的同時，也給我們帶來了海洋監(jiān)控方面的巨大挑戰(zhàn)。高頻地波雷達(HFSWR，high frequency surface wave radar)是一種探測海面和低空目標的技術手段，既可以實現對靜止目標的持續(xù)監(jiān)測，又可以跟蹤運動的目標，通過分析回傳的信號，來得到距離、位置以及船只航行的方向和速度、甚至是其大小及形狀[1]。

船舶自動識別系統(AIS，auto identification system)是一種船舶通信導航系統。航向的船只通過配備的AIS設備，來主動向外界廣播帶有本船呼號、船名的航行信息(包括目前所在經緯度、航向方向及速度等)。以及航次相關信息和安全信息[2]。AIS具有受位置、天氣影響小，導航精度高的優(yōu)點[3-5]，利用AIS可以對船只等目標進行長時間的持續(xù)跟蹤監(jiān)測[6]。

AIS可以作為發(fā)展HFSWR技術的評估手段和驗證工具[7]，目前提供AIS數據的方式有兩種，一種是靠船載AIS設備接收AIS數據，雖然能夠為HFSWR提供實時的船舶信息，但由于其天線架設高度(約15 m)以及設備自身的限制，僅能接收到較近范圍內船只發(fā)來的AIS報文；另一種是利用星載AIS來獲取船舶信息，目前應用的多是低軌衛(wèi)星平臺，受限于過境時間，不能為HFSWR提供長時間的實時船舶信息[8]。

系留氣球是一種定點駐空觀測平臺，具有載重量大、駐空時間長、使用效費比高、保障要求低的特點，通過在船基系留氣球上搭載AIS接收設備，可以實現對附近較廣海域船只的持續(xù)監(jiān)測。

本文根據HFSWR的性能評估需求，設計了基于船載系留氣球平臺的AIS數據采集系統，通過海上試驗獲取了大量的AIS實測數據，經過對這些數據進行解碼和分析，該系統具有接收數據范圍廣，實時性高，漏報率低等優(yōu)點，達到了設計目標。

1 船基系留氣球平臺

系留氣球主要包括氣球本體、系纜、錨泊系統3部分。氣球通過將內部的軟式氣囊中充入氦氣或氫氣來產生浮力，從而實現在空中駐留。氣球上搭載電子通信設備來為預警雷達、各種相機提供數據通信服務，以實現對區(qū)域的監(jiān)視探測等目標。系纜可以承受高強度的拉力，以實現約束氣球駐留在目標高度，大多數系纜內部有電線與光纖，前者可以為氣球的艇載計算機以及搭載的雷達、相機等載荷設備供電，后者以實現艇載計算機與地面設備之間高速的信息傳輸，如相機拍攝到的實時畫面、各類傳感器采集的數據、雷達收到的實時信息以及地面的遙控指令等。系纜內部的電線保證了地面的電能能夠源源不斷地供給給正在高空駐留的系留氣球，因此使得其能夠擺脫能源的限制，實現長時間持續(xù)駐留[9]。錨泊系統配備有電機驅動的絞盤，可實現自動收放系纜。通過控制電機，便可實現對系留氣球駐空高度的調整以及發(fā)放與回收。此外，錨泊系統可以通過手動控制，以應對如通信中斷、設備失控等突發(fā)情況。系留氣球的優(yōu)點除了任務載荷可按需靈活搭載，其布設平臺的彈性也很大，在陸地、船舶上都可布放[10]。

船基系留氣球是一種裝載在艦船上，可集成光電/紅外傳感器、雷達等任務載荷的系留氣球。其留空時間長、探測范圍廣、部署方便、使用效費比高，能廣泛應用于360度全方位持續(xù)偵察監(jiān)視，是執(zhí)行來往船只跟蹤、重點海域巡查和環(huán)境監(jiān)測等任務的特種裝備[11]。

船基球載AIS系統的主要優(yōu)勢包括：

1)適合機動部署，便于運輸，700噸以上的船只即可裝載下整套系統。

2)操作簡單便捷，擁有電源、網絡、通信等標準化接口，設備完全實現了模塊化組裝，普通人員經過簡單培訓即可完成操作。

3)架設快速，部署靈活，系統充氣完成后，可在15 min 內升空至最高300 m高度，進入工作狀態(tài)，能夠滿足多種場景的應用需求。

4)系統擴展性極強，球載吊艙內為任務載荷預留了安裝空間，預留有任務載荷的供電接口和光纖接口，且可根據不同載荷的結構和電氣特點，進行整合設計，形成快速切換方案，滿足不同載荷設備的集成和適配需求。

5)在設計過程中，系統充分考慮了高低溫、振動、防水、防塵、系留線纜抗拉力等因素影響，覆蓋范圍靈活可調，用戶能夠根據保障需求和應用場景自由改變升空高度，環(huán)境適應性強，能夠滿足各類海上預警監(jiān)視，應急通信，中繼通信等需求。

6)續(xù)航時間和滯空工作時間超長，通過系留線纜可以確保電源供應和數據傳輸不間斷；系統采用工業(yè)用電或發(fā)電機供電，在地面供電不中斷的情況下，系留氣球平臺能夠長時間在空中飛行，具備超長的續(xù)航能力，能夠 24 h 不間斷空中作業(yè)，滿足了長時間工作的場景需求。

7)與系留無人機相比，系留氣球系統因為不需要飛行動力系統，系統功耗低，噪音小，可靠性高，更適合長時間駐空飛行。

8)系統的最大升限為300 m，可在5～300 m 之間可任意調節(jié)高度。在不同高度工作時，收放纜等性能均能支持系統長時間高可靠運行，保證產品能夠靈活適應不同的工作高度場景。

9)載重量大，30 kg 的凈載重能力(不含系留線纜及備用電池)可確保系統能夠適配基站設備、通信中繼等多種任務載荷，形成不同行業(yè)的應用解決方案。

國外方面，美國最早開展了船載系留氣球領域的研究[12-13]，并一直處于國際領先地位，比較著名的是美國海軍空中中繼系統MARTS，它是一種系留氣球通信中繼系統，主要用于保持美國海軍陸戰(zhàn)隊與指揮中心之間的通信聯系。MARTS所采用的是TCOM的海用系留氣球，長32米，體積1 800 m3，有效載荷275 kg，升空高度900 m，正常工作抗風能力達到80 km/h。該系統還能夠有效的監(jiān)測海上目標，并形成空中和海面預警，同時也可攜帶相關專用載荷用以反潛。洛克希德馬丁公司的56 K系留平臺也在海上多次開展了探測和監(jiān)視任務，氣球長度33.4 m，體積1 600 m3，有效載荷225 kg，升空高度760 m。該系統可作為海上雷達站，對低空飛機、和用于突防的巡航導彈開展俯視偵察。

美國海岸警衛(wèi)隊(USCG)MIST(移動攔截與偵察)系統基于TCOM的船基系留氣球，從20世紀80年代開始用于進行東南沿海毒販和非法移民的監(jiān)控。在檢測到可能的威脅后，信息將傳至巡邏隊進行確認和攔截。使用該系統后，非法海事活動明顯下降。

美國海軍還曾使用雙體高速運輸艦“雨燕”號(HSV 2)，搭載TIF-25K型系留氣球開展了代號為“Martillo”的軍事行動，目的在于在海上打擊有組織的跨國犯罪。

國內方面，中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院近些年多次赴西沙、南沙、舟山、三亞、青島公海開展船載系留氣球作業(yè)，主要用途為科學考察，海上應急通信試驗，非法越界船只監(jiān)控試驗等，填補了我國船基系留氣球應用空白，見圖 1。

圖1 中科院空天院的船載系留氣球系統

本次試驗的AIS數據采集系統系留氣球平臺采用了體積為150 m3的KX15小型系留氣球作為升空載體，其船載型主要特點為主要的錨泊裝置，包括側臂、側絞盤、鼻塔、鼻栓、鼻絞盤、液壓系統、電滑環(huán)、電氣控制系統、操作系統、纜繩防護裝置、導線輪裝置及其他輔助裝置全部集成在在一個20 GP的標準集裝箱內，便于在船上安裝部署及轉運。

其主要性能指標如表 1所示。KX15型系留氣球已經在陸地車載、海島和艦船上完成過十幾次飛行任務，技術狀態(tài)成熟可靠。

表1 船載系留氣球性能指標

2 AIS數據采集系統設計

AIS采集系統由接收AIS信號的球載吊艙(包括AIS接收機、測控計算機、球載光端機)，用于處理和轉發(fā)AIS報文的地面光端機、地面任務處理計算機、交換機及用于和HFSR共享AIS信息的數據融合處理計算機組成[14-16]，如圖2所示。

圖2 AIS數據采集系統硬件連接圖

AIS接收機安裝在系留氣球吊艙內部，天 線裝在吊艙下部無遮擋的位置。接收到的AIS信號經解調轉換為數字信號后，通過網口發(fā)送給球載光端機。球載光端機將數字信號轉換為光信號，經過主系纜中的光纖下傳給地面光端機，后者還原為數字信號，經RJ45網口傳輸給地面任務處理計算機。地面AIS數據采集軟件接收到數據后，進行解碼，顯示，存儲等操作。球載的AIS數據信息同時也發(fā)送了一份給數據融合處理計算機，用于船載HFSWR探測信息的融合和比對。

球載AIS接收機用于接收海上船舶發(fā)出的AIS信息并解調為數字報文，而AIS數據采集軟件則是對所收的AIS報文進行解碼，顯示，存儲等，以下對這兩部分內容進行詳細介紹。

2.1 AIS接收機

AIS接收機模塊的設計，依照ITU-R M.1371-4建議書標準[17]，射頻接收頻率覆蓋156.025～162.025 MHz，信道間隔25 kHz，編碼方式采用NRZI，調制方式為半雙工GMSK/FM。整個接收過程的原理如圖3所示，采用標準的雙信道接收工作模式：AIS 1(信道87B，161.975 MHz)，AIS 2(信道88B，162.025 MHz)。因此AIS接收機模塊內部包含兩套TDMA接收通道，信道接入在兩個并列信道上是各自獨立進行的。兩條接收鏈路，在IF之前共用天線、低通濾波、I級聲表帶通濾波、低噪放、II級聲表帶通濾波等射頻單元，IF之后則單獨使用各自的頻率綜合單元、混頻器，轉換為基帶信號后各自解調解碼，獲得兩路接收的報文。

基帶處理后的AIS報文，將通過網絡接口以TCP協議發(fā)送到上位機中。

AIS接收機的性能參數如下所示：

1)最大功耗<5 W；

2)接收靈敏度：優(yōu)于-112 dBm；

3)天線典型駐波比：1.2：1@ 156.8 MHz；

4)天線極化方式：垂直極化；

5)天線方向性：全向；

6)天線增益：3 dBi。

圖3 AIS接收機模塊原理框圖

2.2 AIS數據采集軟件

數據采集軟件的主要功能是解碼收到的AIS報文，并將主要的信息顯示在前面板上并存儲。

AIS語句由語句起始符(“$”或"！")起始，用“，”將語句各部分分隔開，以語句結束符()結束，語句的長度不是固定的，最大長度為82個字符，超過此長度則將該語句分割成幾個語句進行傳輸。

AIS電文分為明碼和暗碼兩類。明碼以“$”開頭，明碼報文內容可以直接讀取。暗碼以”！“開頭，報文內容需要通過字符轉換和格式定義才能讀出。AIS暗碼是經過封裝的語句，以壓縮封裝的方式傳輸信息，主要用于高速傳輸大量信息的場景。海上船舶發(fā)送的AIS報文為暗碼。故本文主要針對AIS暗碼進行解碼工作。

AIS報文的暗碼數據格式為：！XXYYY，A，B，C，N，Data，V*HH，。

各字段的含義如表2所示。

表2 AIS報文的暗碼中各字段含義

AIS 報文從整體上采用了IEC61162-1規(guī)范標準，而在其Data部分，則使用了壓縮6 bit的方式。之所以采用內外兩層協議是因為既保證了報文協議的兼容性，又實現了比8 bit的ASCII字符更簡練的編碼方式，從而保證了數據的傳輸速度。對于有效字符至二進制碼地轉換可以參看圖4，通過對讀進來的Data字符串長度的判斷來執(zhí)行加40或加32的操作，最后取其低六位即是所得的二進制碼，再按順序保存到8 bit 字節(jié)串中，最后按照 AIS 標準協議從8 bit 字節(jié)串中提取相應的信息[15]。

圖4 有效字符至二進制碼轉換流程

系統整體如圖5所示，整個系統分為TCP數據讀取模塊、報文拼接模塊、數據存儲模塊、參數解碼模塊、解碼數據存儲模塊、參數顯示模塊以及地圖繪制模塊七大模塊。當TCP數據讀取模塊讀取到數據之后，對數據進行拼接操作，然后進入系統的核心模塊—參數解碼模塊，得到船只的各類信息，最后把解碼出來的信息進行顯示和繪制在地圖上。

圖5 AIS采集軟件系統框圖

Labview的TCP協議中對于TCP消息的讀取動作有4種模式分別為：“standard”、“buffered”、“CRLF”以及“Immediate”。其中“CRLF”模式下，模塊等待直到讀取字節(jié)中指定的所有字節(jié)到達，或直至函數在讀取字節(jié)指定的字節(jié)數內接收到CR(回車)加上LF(換行)或超時毫秒用完。該函數可返回所有的字節(jié)，包括CR和LF。符合AIS報文的數據格式，故采用“CRLF”模式進行TCP數據的讀取。

成功讀取TCP報文后，則進入報文的拼接流程見圖6，收到報文之后，首先提取報文中的“消息分解總數”，來判斷收到的報文是否為連續(xù)報文，如果是，提取“連續(xù)消息標識符”來判斷當前報文是否與前面的報文為同一連續(xù)語句，提取報文中的“語句序號”，判斷其是否為當前進行的連續(xù)報文的最后一條，如果是，則把內存中前面拼接的報文與當前的拼接，并取出，否則只進行與內存中未完成拼接的報文進行拼接。提供此模塊，最終將得到拼接完整的報文。

圖6 報文拼接流程

拼接好的報文送到參數解碼模塊，參數解碼模塊根據消息類型，依據ITU-R M.1371-5 建議書(02/2014)中消息的規(guī)定，將報文中指定的起止位置的二進制碼提取出來，轉換為十進制的ascii碼，然后再將其轉換為對應的含義。提供此模塊將從報文中解碼出船舶報告的不同的參數，得到船舶的航速、航向、目的地、經緯度等信息。接下來，將解碼好的參數加上制表符(方便后續(xù)數據處理)一并存儲到本地。與此同時，如圖7所示，將解碼出船舶報告的自身經緯度數據送入地圖繪制模塊，首先通過判斷船舶的MMSI編號，來判斷數據庫中是否已經建立該船的信息條目，如果有，則對此船對于的條目進行更新操作，否則創(chuàng)建該船的條目，并將當前的信息寫入其中。最后顯示模塊根據當前數據庫中的信息，將收到的所有船舶的簡要信息，如MMSI編號、船舶呼號、船舶經緯度、航向、航速、航向目的地等信息以表格的形式簡要地顯示在前端的面板上，以方便工作人員對目前海域地船只實時信息進行快速地瀏覽。

圖7 地圖繪制流程

3 實驗結果與分析

3.1 理論預期值

根據史長珍[5]、劉媛美[20]、鄧祝森[21]提出的海上信道模型，可以得到關于傳輸路徑損耗的兩個公式，根據這兩個公式可以求得發(fā)射機與接收機之間的最大距離。公式(1)是由系統的船載AIS發(fā)射功率、球載AIS接收機接收靈敏度、天線增益和饋線損耗等決定的鏈路損耗，其中：

Lpath=PT-LB+GT+GR-LR-PR

(1)

式中，Lpath為鏈路損耗，PT為船載AIS設備的發(fā)射功率；LB為船載AIS饋線損耗；GT為船載AIS天線增益；GR為球載AIS接收機天線增益；LR為球載AIS接收機饋線損耗；PR為球載AIS接收機接收靈敏度。

對于A類船載AIS設備來說，功率為12.5 W，相當于有40.98 dBm的輸出，天線增益為6 dBi，線損和接頭插損大約為2 dBm；對于球載AIS來說，天線增益取3 dBi，線損和接頭插損取2 dBm，接收靈敏度取-112 dBm來進行計算。

(2)

式中，d為目標船只距離母艦距離(km)；ht為船載AIS天線的高度(m)；hr為球載AIS天線的高度(m)；f為載波頻率(MHz)。

根據實驗的情況，假設被測船載AIS天線高度為15～20 m，發(fā)射信號的頻率為162 MHz左右。將上述數據代入式(2)計算可得表3。

表3 AIS接收機升空高度與對應的接收距離

3.2 實驗實測數據與分析

本文中，選取2022年二月下旬在青島大公島附近海域的試驗數據進行分析。本次出海試驗為期三天，KX15系留氣球系統搭載向陽紅9號科考船開展海上試驗，試驗示意圖見圖8。在試驗中，AIS采集系統收到了海量的實時數據，同時船載HFSWR也開機對周邊海域船只進行多次航跡跟蹤試驗。

圖8 船基球載AIS數據采集系統海上試驗示意圖

系統的主要工作流程主要分為部署和準備階段和升空作業(yè)兩個階段。

在部署和準備階段首先要將錨泊集裝箱吊裝到甲板上，固定好箱角。氦氣儲裝置放在船上，確定好安放位置后，進行兩級固定。然后進行系留氣球，氦氣存儲裝置，錨泊設施、載荷設備的狀態(tài)檢查和單機功能測試。確認無誤后可進行設備聯合測試，確認供電和光路通信均正常。

系統狀態(tài)檢查完畢可以進行出海作業(yè)。在到達制定海域后，可進行系留氣球充氣和升空操作，根據需要駐空在一定高度持續(xù)接收附近的AIS信息。

本系統的目的是通過系留氣球搭載AIS天線，使得能夠收到更遠范圍船只信息，為HFSWR提供豐富的實時數據進行性能評估。在此，定義了一個能夠表示接收范圍的統計學參數std：

dboati=2arcsin

*REarth

(3)

(4)

式中，lonmy、latmy是本船的經緯度，lonboati、latboati是收到的第i艘船的經緯度，REarth是地球半徑，取6 371 km，dboati為船只i距離母艦的距離，μ為dboati的平均值，numboat為該統計時段內所收到的船只數量。

首先根據AIS報文解碼出來的他船的經緯度，由公式(3)得出距離母艦的距離，再對本時間段內所有的船只距離母艦的距離做均方差如式(4)所示，得到的std能夠表征球載AIS天線的接收范圍。

在此對今年二月下旬在青島大公島附近海域的試驗數據進行分析，以下選取了系留氣球錨泊在h1(24 m)、h2(68.6 m)、h3(84 m)、h4(120 m)時的數據進行簡要分析。

通過AIS采集軟件提取出報文中包含的船只經緯度信息，然后將其位置標注在地圖上，并實時進行更新，圖9是系留球錨泊在h1(24 m)、h2(68.6 m)、h3(84 m)、h4(120 m)時在某時刻截取的船只分布圖。

圖9 四階段接收船只位置分布圖

根據公式(6)可以計算上圖中各船只距離母艦的距離，如圖10中所示，每個點表示一艘船，點的橫坐標是船的序號(按照程序中其加入位置統計時的先后排序)，縱坐標即為當前該船距離母艦的距離。

圖10 四階段接收距離散點圖

圖11中，為對應4個階段收到船只的數量條形圖，可以看到隨著系留球錨泊高度不斷升高，能夠檢測到的船只數量也在不斷增加；圖12為對四階段接收距離散點圖中數據進一步分析所得的各階段std值的條形圖，std值的大小反映了船只在接受區(qū)域中分散的程度，通過圖中可以進一步分析出，隨著系留球錨泊高度的增加，接收區(qū)域明顯擴大。

圖11 4個階段對應接收船只數量

圖12 4個階段對應的std值

由上述分析可得，當球升高時，接收的船只數量變多、接收船只范圍變廣。其中球高120 m時可以接收210 km附近海域的船只發(fā)來的AIS信息。

同時，將實驗所得數據與上述海上無線電信道模型進行對比可知，當球錨泊高度較低時，受海面復雜情況的影響(如遮擋、折射等)，AIS信號接收距離低于信道模型計算所得的理論值；而當球錨泊高度較高時(大于100 m)，實驗所得結果較為接近理論值，具體結果如圖13所示，藍色和橙色分別對應被測船只的AIS發(fā)射天線高度為15 m和20 m的情況，圖中的5個點的數據來源于出海試驗中系留球在5個不同高度錨泊時對船只的監(jiān)測情況，可以看到當船只在120 m，150 m錨泊時，接收距離幾乎接近于理論計算值。

圖13 AIS接收距離理論值與實際實驗數據對比

4 結束語

在本次試驗中，共計處理AIS報文270 580條，收到345條船只的信息。通過實驗所得的大量數據，得到了球高與最遠接收距離的曲線，對鄧祝森[13]等人提出的海上信道模型進行了充分驗證，結果表明，當球高大于100 m時，該模型在船載系留氣球AIS采集系統上是較為適用的。

當系留球錨定在150 m的高空時，能夠穩(wěn)定地接收到最遠244 km處的船只所發(fā)來的AIS報文，遠遠超過船載AIS天線的接收范圍(約20～40 km)，這樣獲得的數據能夠相對接近HFSWR作用的范圍，有利于對HFSWR性能進行全面評估。

船基球載AIS數據采集系統利用系留氣球作為升空平臺，可在較高高度長期穩(wěn)定駐留，所獲取的周邊海域船只AIS信息數據范圍廣，實時性高，漏報率低，把AIS數據作為探測真值，通過航跡關聯的方式，獲取同一目標的信息，這樣就可以更準確地對探測性能進行評估。因航次和空域限制，本次海上試驗中，系留氣球最高升空高度為150 m，并未發(fā)揮出系統最佳性能，在后續(xù)試驗中將申請開展更高高度的飛行。