衛星移動通信系統的船舶AIS研究范文

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摘要：船舶自動識別系統（AIS）屬于海上交通安全體系的重要組成部分，它能自動對船舶信息和航行信息進行交互并上報交管部門。“天通一號”是我國自主研制的衛星移動通信系統，具有成本低、保密性強、覆蓋范圍廣等優點。通過衛星移動系統把AIS系統數據進行轉發，可以有效增加AIS傳輸距離，減少覆蓋盲區，服務海上安全監管。

關鍵詞：天通一號；AIS；衛星移動通信；自動識別系統

1引言

隨著經濟的發展，世界船舶數量的增加，水道越來越擁擠，海損事故時有發生。各國主管部門建立了船舶交管系統（VTS）、船舶自動識別系統（ais）、船舶遠程識別與跟蹤系統（LRIT）等海上交通安全系統。其中，船舶AIS由配合北斗/GPS定位系統，把艦船位置、航行速度、航向等船只動態信息以及船名、呼號、吃水等靜態信息通過甚高頻進行廣播，使得岸站和周圍船舶可以掌握附近所有船只信息，在臨近時及時避讓，從而保障船舶航行安全。根據國際海事組織要求，所有300t以上國際航向船舶、500t以上非國際航向船舶以及所有客船都要求配備一臺AIS設備。“天通一號”是我國自行研制的第一顆衛星移動通信系統，于2016年成功發射，預計2017年系統投入商業運營。系統具備短信、語音和數據通信功能，具有成本低、保密性強、覆蓋范圍廣等優點。本文設計一款基于“天通一號”對AIS數據進行轉發的系統，可以監控區域覆蓋AIS基站的盲區，為我國海上安全監管提供幫助。

2AIS系統介紹

船舶和航行管理部門需要及時了解船舶的航行狀態、船舶類型等信息，以便于采取適當措施，保證海上航行安全，包含海洋環境。安裝了AIS系統的船舶可以周期性廣播船舶信息，實現船舶的自動識別。AIS廣播4類信息：（1）船舶靜態信息，包括海上移動業務識別（MMSI）、船名和呼號、船長和船寬、船舶總噸、船舶類型和天線安裝位置。（2）船舶動態信息，包括船位、船舶航向和航速、船首向、航行狀態機轉向角度。（3）與航行有關的信息，包括船舶吃水、危險品、目的地、預計到達時間和航行計劃。（4）與安全有關的信息，包括航行警告等。船舶在能見度低的情況下，雷達是主要避免碰撞的手段，但是島嶼遮擋等情況會使得雷達覆蓋不完整而影響目標識別和跟蹤。AIS系統可以通過無線信號廣播來傳輸船舶信息和航行狀態，包括船舶識別碼、呼號、轉向燈，這樣可以防止船舶相遇時由于沒有預先發現或者語音不通無法協調而引起誤解，可以有效避免船舶碰撞。AIS作為一種自組織無線通信系統，具有較強的開放互聯和兼容性，可以實現通過基站組網，也可以通過陸地公眾網、衛星通信網互聯，構成全國性網絡，有效實現海上交管部門對船只的監視、識別、通信等需求。

3“天通一號”衛星移動通信系統介紹

“天通一號”是我國自主研發的首個衛星移動通信系統。“天通一號”衛星是地球同步軌道衛星，在2016年8月成功發射。整個衛星通信系統預計將于2018年投入使用，可以為我國領土范圍及周邊海域提供短信、語音和數據通信手段，填補我國移動衛星通信空白。相對于國外移動衛星通信系統，具有以下特點：（1）自主系統，安全可靠天通系統是我國獨立研制的衛星移動通信系統，國內廠家進行研制、掌握全部知識產權并自主運營，適合涉及到國家安全和海洋監控管理部門使用。（2）成本低不同于國外盈利為目的的商業運營公司，天通系統服務于我國以及周邊海域，資費預計只有國外同類衛星移動通信系統一半左右，極大降低了用戶的使用成本，有利于船舶用戶的大面積推廣使用。（3）自主知識產權系統，可定制開發天通系統從芯片到終端都是國內廠商自主研發，國家科技重大專項也投入經費進行重點扶持。終端可以根據用戶特殊需求進行不同類型的終端產品定制開發。可構建船舶衛星通信虛擬專網，適合海監、船舶報告中心等部門大范圍內進行船舶數據采集和監控管理的數據傳輸需求。（4）通信定位一體化終端具備衛星移動通信和北斗定位功能，可以為用戶提供通信和位置服務，可提供高精度授時等功能。

4應用天通系統的船舶AIS設計

4.1“天通一號”衛星移動通信系統船舶AIS應用總體設計

隨著信息技術的發展，物聯網技術正在快速發展。通過衛星通信技術，把分散在全球各地船舶的VTS、AIS、水文氣象傳感器等數據進行匯聚、處理、分析和轉發，可以構建智能海上交通管理系統，解決海上信息孤島問題。例如，港口業務人員可以提前得到即將入港船舶信息，并進行提前科學、高效的規劃。運輸部門可以掌握船舶貨物類型、集裝箱和旅客情況，合理組織船舶交通秩序，安排碼頭作業和貨物綜合物流運輸。交管部門可以得到全國船舶實時信息，在臺風到來前及時通知船舶進行躲避，在艦船遇難時可以通知周圍船只進行營救。船舶遠洋航行時距離陸地較遠，衛星通信是主要的數據傳輸方式。天通系統船載終端可以提供實時雙向數據傳輸，對AIS數據進行傳輸。基于天通系統的AIS應用系統包括船載衛星AIS終端、天通衛星、岸上處理中心等組成。岸上處理中心對收到的船舶信息根據用戶和監管部門需求，可以送給中國船舶報告中心、船舶調度信息系統、航運公司信息網、港口信息網等機構和部門。其中，岸上處理中心為用戶提供語音、短信服務、數據傳送、遠程測控以及各類信息增值服務的機構。對于海洋船舶用戶而言，可以通過天通運營服務中心進行語音、數據通信、短信通信服務，還可以基于天通數據功能開發專用服務軟件。應用服務功能包括：（1）基本應用：電子海圖顯示及控制、船舶監控、船舶搜索、船舶定位、軌跡回放、短消息收發、調取船位等功能的服務。（2）高級應用：在線離線船舶統計、港內港外船舶統計、電子海圖下載等功能的服務。（3）告警及安全應用：船舶預警、船舶報警、報警處理、搜救救助、指揮調度功能的服務。（4）災害應用：臺風、海浪等氣象和海況信息，并能提供預警信息播發等災害應用服務。（5）視頻應用：可調用漁船漁港視頻監控系統實現視頻監控服務，進行視頻通話。（6）增值服務：向船舶經營者提供機器運轉情況、燃油消耗統計、漁汛信息等交易信息和物流運輸信息服務。

4.2船舶衛星AIS終端設計

船舶衛星AIS終端包括船舶設備通用接口、AIS信息處理器、衛星移動通信模塊、VHF收發機、信息顯示器和按鍵等。其中，船舶設備通用接口單元采集其他船舶設備信息，包括陀螺羅經、自動雷達標繪儀（ARPA）、電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）、船載航行數據記錄儀（VDR）和計程儀等。AIS信息處理器對采集到的各種信息和AIS數據進行分類、過濾、壓縮等處理，這樣可以減少數據傳輸量、降低通信成本。操作顯示單元采用安卓智能操作系統，實現對AIS信息進行查看、顯示海圖、撥打衛星電話、發短信等功能。航行記錄儀類似于黑匣子，可以記錄日期、時間、船位、船速、航行、駕駛臺聲音、通信聲音、雷達數據、告警信號、舵命令和響應、輪機命令和響應、深度信號、船體開口情況、水密門和防火門狀態等15個方面數據，用于事故發生后確定事故原因。衛星移動通信單元包括衛星射頻處理單元、基帶處理單元、USIM卡、存儲單元、晶振、電源管理單元等，完成衛星移動通信功能，可以與岸上處理中心進行語音、短信和數據業務的傳輸。衛星移動通信單元對外接口包括UART、電源、USIM、PCM、SDMMC、JTAG、狀態指示等。其中，UART完成與信息處理單元的通信和數據業務傳輸，PCM作為語音傳輸接口。模塊采用四線睡眠喚醒機制，在沒有業務時，功耗可以控制在20mW以內。當有業務需要通信時信息處理單元喚醒衛星模塊，模塊進入工作模式。電源管理負責衛星模塊以及衛星天線的電壓轉換，采用低功耗措施，把不需要運行的功能模塊電源關閉，同時智能調節處理器運行頻率，降低設備功耗。

衛星天線采用寬波束天線，實現S移動信號接收和發射。經過仿真，天線在±60°時增益大于0dBi。天線仿真如圖4所示。衛星天線、DB/GPS天線和AIS天線集成在一起，應安裝在艙外空曠位置，不要安裝在工作甲板周圍的護欄桿附近，最好高出船舶其他物體的頂部，特別是金屬物體對與衛星天線仰角方向的遮擋角不宜大于10°。衛星通信天線安裝位置也應避開船舶雷達天線的直接照射。AIS終端使用自組織時分多址SOTDMA技術，所有AIS臺站在本次發射中指定下一次發射時隙，發射時隙隨機選擇作為候選時隙的空隙，工作在VHF頻段。為了保證可靠性，使用161.975MHz和162.025MHz。終端兩個接收機分別工作在這兩個頻率上，而發射機在兩個頻率上輪流發射，傳輸速率為9.6kbit/s，調制方式采用最小移頻鍵控（MSK）。AIS與雷達目標信息進行時空校準、航跡關聯和航跡融合處理，可以得到最接近真實航行數據的融合航跡。操作顯示單元主要由輸入菜單、輸出系統和信息處理系統3部分組成。輸入菜單主要包括船舶信息、航行信息、日志維護、港口信息等；輸出系統包括數據備份、數據導入、打印等；信息處理作為處理軟件運行后臺。軟件采用安卓操作系統，應用軟件具有可擴展性，用戶可以安裝和使用基于互聯網數據業務的微信、收發E-mail等應用軟件。

5結束語

天通衛星移動通信系統是我國自主知識產權的衛星通信系統，船舶衛星AIS終端把AIS信息通過衛星信道進行傳輸，具有使用方便、保密性強、費用低等特點，為船舶管理部門提供了一個較好的解決方案。本文結合船舶AIS和天通衛星移動通信的特點，設計了一套船舶AIS監控系統，可以有效增加AIS傳輸距離，減少覆蓋盲區，服務海上安全監管。

參考文獻

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作者：李明光 單位：中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師