（交通运输工程专业论文）ais应用于vts的性能研究.pdf

一 “各 上舟海事大学硕士论文a f s 应用于v t s 的性能研究 摘要 传统的雷达( 无线电测向测距) 曾是海上监控系统( v t s ) 的一个里程碑。随着 世界船舶数量的增加以及船舶向大型化和高速化方向发展，世界重要水道显得越来越 拥挤，海上交通事故频繁发生，给航行安全和海洋环境造成了巨大的威胁。为了加强 海上交通管制、海洋污染监视和保证船舶航行安全，船舶间以及船岸问的信息交换与 日俱增，船舶的识别也备受重视。但由于传统雷达工作原理上的局限性，决定了它所 能提供的只能是非常小量的甚至经常是不准的信息。显然，传统的雷达已难以适应当 代航海的需求。 于是，a i s 便依托当今的通信技术和计算机技术应运而生，并且自1 9 9 2 年开始 正式国际研讨至今，在短短的l o 余年里，得到了飞速的发展。a i s 的发展也必将给 v t s 的发展以至变革带来深远的影响。 本论文就在对a i s 及v t s 的国际发展动态进行了广泛而深入的调研的基础上，依 据i m o 、i e c 及丌u 等国际组织所建立的a i s 相关的国际标准，并基于a i s 及v t s 的技术原理，探讨了a i s 在v t s 中的应用，并就a i s 应用于v t s 的主要性能进行了深 入的研究。主要研究内容可以概括为以下两个方面： 1 ) a i s 应用于v t s 的吞吐性能研究 2 ) a i s 应用于v t s 的监测容量及监测半径 关键询：a i sv t s 吞吐性能监测容量监测半径 o 一 上海冉事大学硕士论文a i s 戍用于v t s 的性能研究 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ii r a d a r ( t oe x a m i n et h ed i r e c t i o na n dt h ed i s t a n c eu t i l i z i n gr a d i o ) w a so n c e am i l e s t o n ei nt h em a r i t i m em o n i t o r i n gs y s t e m a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fw o r l ds h i p p i n ga n d w i t hs h i p p i n gd e v e l o p e dt o w a r dl a r g e - s c a l ea n dh i g hs p e e d t h ei m p o r t a n tw a t e rc o u r s eo ft h e w o d ds e e m sm o r ea n dm o r ec r o w d e da n dt h em a d t i m et r a f f i ca c c i d e n tf r e q u e n t l yt a k e sp l a c e t h e s eh a v ec a u s e dt h ee n o r m o u st h r e a tf o rs e c u d t ya n dm a r i n ee n v i r o n m e n t f o r s t r e n g t h e n i n gm a r i t i m et r a f f i cc o n t r o l s m a r i n ep o l l u t i o nm o n i t o ra n df o rg u a r a n t e e i n gt h e s e c u d t yo fs h i p p i n g t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ea m o n gt h es h i p sa n ds h o r e si sg r o w i n gw i t h e a c hp a s s i n gd a y , a n dt h ei d e n t i f i c a t i o no fs h i p si st h e ng e t t i n gm u c hm o r ei m p o r t a n t b u td u e t ot h ei | m 阳t i o n so nt r a d i t i o n a ir a d a r so p e r a t i o np n n c i p l e s ot h a ti ti sd e t e r m i n e dt h a tt h e i n f o r m a t i o ni tc a no f f e rb eo n l yo fv e r ys m a l lq u a n t i t ya n de v e nb ew r o n g o b v i o u s l y , t h e k a d l t i o n a ir a d a rh a sa l r e a d yb e e nd i 怖c u l tt om e e tt h ed e m a n df o rc o n t e m p o r a r yn a v i g a t i o n t h e n a i sa r i s e sa tt h eh i s t o r i cm o m e n tr e l y i n go nt h ec u r r e n tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dt e c h n o l o g yo fc o m p u t e r a n ds i n c e1 9 9 2 ，t h ef o r m a li n t e m a t i o n a ld i s c u s s i o no na i s d i s c u s s e s s of a rd u d n gt h es h o r tm o r et h a n1 0y e a r s ，a i sh a sg o t t e nt h ed e v e l o p m e n ta tf u l l s p e e da n da i s sd e v e l o p m e n tm u s tb r i n gf a r - r e a c h i n gi n f l u e n c e e v e nc h a n g e st ot h e d e v e l o p m e n to fv r s f i r s t l yi nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fa i sa n dv t sw i t ht h e i rb a s i co p e r a t i o n p d n c i p l e sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y , a n da l s ot h ec o m m u n i c a t i o np r i n c i p l eo fs t d m a i sa n a l y z e d t h e n 。b a s e do nt h e s ep r i n c i p l e s r e g a r d i n ga i sr e l a t e di n t e m a t i o n a ls t a n d a r d ss e tu pb yi m o ， l e ca n di t ua sb a s i s t h ea p p l i c a t i o no fa i st o 、厂r sw mt h ep e r f o r m a n c ew e r ep r o f o u n d l y s t u d i e d a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sc a nb ec o n c l u d e da sf o i l o w s ： 1 ) t h et h r o u g h p u to f a i su s e di nv t s ： a i s sm o n i t o r i n gc a p a c i t ya n dr a d i u sa su s e di nv t s 0 k e y w o r d s ：a i s ；v t s ；t h r o u g h p u t ；m o n i t o r i n gc a p a c i t y ；m o n i t o d n gr a d i u s 。 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均己在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：j 丘 论文使用授权声明 日期：烈丛 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 、， 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作一：且聊硌亟血 日期：归甲t o - 如 上冉海事大学硕士论文a i s 应用于v t s 的性能研究 1 1v t s 的发展背景 第1 章绪论 ， 几个世纪以来，海运己成为支持全球贸易的主要运输手段。船舶总是需要航行的 准确，安全和快捷，为有助于此，许多主管机关都对他们沿海水域的航运提供助航设 。施。 最早的助航设旌是随浮标的引入而来的标和灯。许多年过去，通过提高光照范围 和引入有声雾警设备，这些早期的助航设施的效果得到了提高。 二战后不久，这些手段的局限性开始明显。尤其是在周期性的浓雾天气条件下货 物进出港口的船舶交通延误。专家们的一致意见是岸基雷达应提供交通图像以保证在 港口水域和航道上航运的通畅。第一个这样的设施1 9 4 8 年建立在d o u g l a s i s l eo f m a n 。同年大约三个月后，利物浦的港口建立了雷达站。鹿特丹进行了试验。 1 9 世纪5 0 年代，西北欧洲的其它主要港口建立了多个岸基雷达链，例如1 9 5 2 年在阿姆斯特丹港口的水道上的和1 9 5 6 年覆盖鹿特丹整个水域的雷达链。 这些早期的系统主要用于避免交通延误和在一定程度上提高交通流效率。不过， 事故发生的数量和减少事故发生的方法也引起了关注。这引起了一些关于在雷达监控 下的港口水域，岸基雷达对事故发生数量的影响的研究。这些研究表明，在增加操作 时间，提高港口能力的利用率的同时，事故发生的数量也明显减少。 在7 0 年代，重大的油轮事故( 例如，t o r r e y c a n y o n 、m e t u l a 、a m o c oc a d i z 等) 引起了公众对事故损害的关注，环境组织对保护海洋环境也施加了重大压力。出于对 。，类似灾难有可能发生在港口水道和港口水域的担心，使得政策的制定者们重新考虑港 口雷达链的概念以及引航员与雷达链操作员问的协作问题。同时还普遍感到需要某种 形式的国际协调。然而，雷达临控下进行变通管理的早期，其究竟应如何进步发展的 各种观点争论了相当长的时间。 渐渐地，走向了协调途径，形成了船舶交通服务( v t s ) 。v t s 被作了定义并在i m o ， 即当时的政府问海运协作组织，讨论其事务。通过了一个有关v t s 实施的大会决议， 从而提供了更为一致的框架。i a l a 开始考虑其要求，并进行了随后的研究。现代技 术的发展对v t s 的技术应用非常重要。9 0 年代中期，该决议被重审、修订并于1 9 9 7 上海舟事大学硕七论文 a l s 戍用于v l r s 的性能研究 年由i m 0 关于v t s 的大会决议( a8 5 7 ( 2 0 ) ) 所替代。 特别是在最近二十年，全球v t s 系统的数量迅速增加。在少数几个国家，与海上 v t s 系统总体目标相同的v t s 建立在了内陆水域。 总之，v t s 从以增强在能见度不良条件下航行能力为目标的岸基雷达系统发展至 ， 以增强安全性、提高海洋运输效率和保护海洋环境为目标的使用多传感器的现代化系 统。 t 当今的海运中有着更大且机动性较差的船舶、港口交通拥塞、危险品货物以及对 环境的潜在破坏等情况，这要求有更精密的手段来减少风险。建立船舶交通服务是对 这种需求的重要反应。当在国际法、公约和惯例的约束范围内建立、实施并运行v t s ， 并在船舶操纵人员的协作下，v t s 有助于海洋运输的安全、高效和环境的保护。 由于使用v t s 的主管机关体验到效率和安全性方面的提高以及环境污染的减少， 加上计算机技术的迅速发展，船舶交通服务的数量显著提高，现在大约有5 0 0 个这样 的系统在运行。 。 由于船舶交通服务的数量在世界各地迅速扩大，运行观念引来了两类v t s ，沿海 服务系统和港口或江河服务系统。沿海v t s 是为沿海水域的运输船舶提供安全、快速 航行的服务，尤其是为在高密集度的海洋运输、环境敏感水域或那些因地理因素限制 或海上勘探导致的航行困难的海运提供的服务。港口或江河v t s 是为船舶进出港口或 海港时，或是在河道中或类似的影响船舶机动性的水域航行时的安全航行和效率提供 帮助的服务。 和 1 2a i s 的产生背景及发展概况 传统的雷达( 无线电测向测距) 曾是海上监控系统的一个里程碑。但随着世界船 舶数量与水域交通密度及危险货物装载量的不断增加以及船舶向大型化和高速化方 向发展，世界重要水道显得越来越拥挤，海上交通事故频繁发生，给航行安全和海洋 环境造成了巨大的威胁。为了加强海上交通管制、海洋污染监视和保证船舶航行安全， 船舶问以及船岸问的信息交换与日俱增，船舶的识别也备受重视。但由于传统雷达工 作原理上的局限性，决定了它所能提供的只能是非常小量的甚至是会产生误导的信 息。比如，船用雷达不能识别船舶标识，不能告知操船意图，并且其工作受到气象、 2 上海癣事大学硕十论文 ap s 应用于y t $ 的性能研究 海况及地形的影响，特别是船舶密度大的水域如狭水道、弯水道等比较需要雷达，而 雷达却显出了较大的局限性 1 。因此，显然传统的雷达已难以适应当代航海的需求。 另外，船舶间通信依靠v h f 无线电话，这种人工通信方式不能自动获得船舶标识，且 彼此双方可能存在语言障碍，以至于难以沟通对方的操作意图，当采用不相协调的避 。 让动作时还很可能会酿成碰撞事故。于是，船舶自动识别系统( a i s ) 便应运而生了。 。船舶自动识别系统( a i s ) 是诞生在2 0 世纪9 0 年代，由发达国家率先发起，以 音 信息技术为先导，多门类高科技为支柱的新型航海设备和系统。国际海事组织( i m o ) 是这样定义该系统的： 是一种改善船舶安全性能的船载自备装置 是一种无需雷达而使交通管理中心获得交通信息的工具 是一种工作在v h f 频段的船舶报告系统 在a i s 的发展过程中有过两种技术核心：一种是d s c ( 数字选呼) a i s 应答器， 另一种是s o t d 姒a i s 广播式应答器，而目前i m o 选中的s t d m aa i s 广播式应答器并 不是一开始就为主要通信协议的，而是经历了一个比较和选择的过程。 1 9 9 2 年，国际航标协会( i a l a ) 根据对“数字选择性呼叫d s c 应答器”的调研， 与国际海事组织( i m 0 ) 和国际电信联盟( i t u ) 协调，决定使用数字选择性呼叫d s c 技术的应答器系统，并以国际无线电咨询委员会c c i r ( 现为i t u r ) m 8 2 5 建议案 内容作为国际标准。同年，i m 0n a v 3 8 次会议决定，同意使用d s c 技术的应答器系统 的提案。 1 9 9 4 1 9 9 5 年，瑞典和芬兰首次提出“无线电a i s ( 通用船载自动识别系统) ” 的概念。德国完成一项将d s c 或无线电应答器集成到v t s 中心的实验。 1 9 9 5 年7 月，i m 0 的n a v 4 1 会议上，瑞典和芬兰联合首次提出了一个名为“将自 组织时分多址( s t d m a ) 技术应用于船舶问和船岸间的海上转发器系统的建议草案” 的提案。同时，会议根据英国提案，确定利用v h fc h 7 0 的应答器性能标准。 1 9 9 6 年9 月，i m on a v 4 2 次会议上，各成员国代表对a i s 采用d s c 式还是 s t d m a 技术的广播式进行了广泛的争议，最后达到一个共识：未来船舶a i s 必须满 足船舶问和船岸间不断增长的信息交换需求，而一个在不久将来不能满足需求的国际 标准将成为技术发展的障碍。 1 9 9 7 年，在国际海事组织i m on a v 4 3 次会议上通过“通用船载a i s 性能标准建 上簿癣事大学颐士论文 a i s 府用于v t s 的性能研究 议草案”，确定以自组织通信网络为基础的“通用船载a i s ”作为未来全球海上实施 的系统。 1 9 9 8 年4 月，瑞典斯得哥尔摩大学的r i k a r dk j e l l b e r g 在g p & cs w e d e n a b 公司 的帮助下对使用s t d m a 技术的飞机航行通信系统作了容量及吞吐量方面的性能分 7 析。 1 9 9 8 年7 月，i m on a v 4 4 次会议，要求从2 0 0 2 年起，所有3 0 0 吨以上新造船 蕾 和客轮都必须安装a i s 设备。i t u - - r 第, t k q - 作组通过v h f 频道国际标准：全球a i s 专用两个v h f 频道，c h 8 7 b 和c h 8 8 b ，从而满足了a i s 的频率需求。 1 9 9 8 年1 1 月，国际电信联盟正式通过了a i s 的技术性能标准r r u rm 1 3 7 1 建 议一。在海上v h f 移动频段利用时分多址技术的通用船载自动识别系统的技术特 性”，迸一步明确了s t d m a 在a i s 系统中的核心地位。同年，国际海事组织的6 9 届海安会也批准了“关于通用船载自动识别系统( a i s ) 性能标准”的建议案。 1 9 9 9 年1 月，由n i t a 公司、g o s n i i a s 和g o s n i lr & d 组织，举行了名为“r u s s i a a d s - - b 一期实施步骤”的国际工作会议，该次会议得到了各方的大力支持，会议就 s o t d m a 数据链的进一步开发利用进行了讨论。同年2 月，在斯得哥尔摩进行了验 证国际民航组织c n s ，a 1 m 系统的首次飞行演示。 2 0 0 0 年，海安会最终批准了1 9 9 9 年n a v 4 5 会议上通过的对s o l a s 公约第五章 有关强制装载a i s 内容的修订，规定航行于国际航线的3 0 0 总吨及其以上的船舶和公 约国航行于国内航线的5 0 0 总吨及其以上船舶必须从2 0 0 2 年7 月1 日起到2 0 0 8 年7 月1 日止分阶段强制装载a i s 系统。 2 0 0 2 年6 月，来源于我国交通部科教司的课题一基于s t d m a 技术的船载自 t 动识别系统( a i s ) 的基础研究己在大连海事大学孙文力搏士的主持下完成，这标 志着我国有关a i s 的基础研究已达到国际先进水平。它为船舶强制装载a i s 设备的 履约工作方面提供了理论指导和实验依据，也为对a i s 的进一步研究奠定了理论和技 术基础。 从上述过程也可以看出，a i s 从d s c a i s 发展到s t d m a a i s 并非是一帆风顺的， 其推动力量便在于s t d m a a i s 较之d s ca i s 的优越性，并主要表现在其性能方面， 比如，s t d m a a i s 系统相比d s c a i s 系统具有信息可协调同步，信道利用率和频谱 利用率高、数据传输比特率高等诸多优点。当然，作为一种新技术，s t d m a 本身仍 4 上海惠事大学硕t 论文 a l s 应用于v t s 的性能研究 在进一步发展完善中。因此，对使用该技术的a i s 的性能研究也是十分有必要的a 1 3a i s 在v t s 中的应用及意义 v t s 是为了保障船舶交通安全，提高交通效率和保护航行水域环境，而对在规定 水域内的船舶实施交通管制、协调救助行动，回应船舶的请求提供服务的系统。目前 的v t s 系统都是基于港口雷达的系统，对船舶的跟踪完全依靠雷达对目标的跟踪处 。o 理，由于雷达对目标的探测受到天气、海浪和探测距离等因素的影响，在恶劣气候条 件下，在河道弯曲处、受他船或其他物体遮挡时就无法探测到目标，船舶越是需要 v t s 服务的场合，v t s 也显得无能为力。 美国9 5 、9 6 年分别在阿拉斯加的v a l d e z ，佛罗里达的t a m p a ，加拿大以及沙特 的a r a m c o 都配置了基于雷达和d s c v h f 的a d s s 系统，解决了原来的v t s 系统 中对来港船舶识别和跟踪这一难题。把广播方式的a i s 技术应用到v t s 中去，不仅 可以解决对来港船舶的自动跟踪，还可以将管制水域里的所有船舶的信息，港口的水 文信息，航行通告、船舶的进出口预报等一系列信息通过广播方式播发，管制水域内 所有安装有a i s 设备的船舶都可自动接收并显示相应的信息。 将a i s 技术应用于s 系统与传统的v t s 相比具有明显的优势，其主要意义表 现在以下几个方面： 首先，提高了v t s 的识别精度。 a i s 的数据采集源主要有三个：g p s d g p s 、陀螺罗经和计程仪。本船船位、本船 航向、本船对地航速等录取数据的精度要高于雷达精度，如a i s 中船艏向是瞬时数据， 而雷达所获取的是船的航迹向，是历史航迹的平均值。雷达只能获得船舶的动态信息， 当两船交叉会遇或船舶密度较大的区域经常出现标号交换或跟踪丢失现象。而a i s 。 传输的信息不仅包括船舶的动态信息，而且还有如船名、船籍、m m s i 码等静态信息， ， 这样几乎不会出现标号丢失现象；另一方面，a i s 的定位精度不受传输距离的影响， 这样大大提高了v t s 的定位和跟踪精度。 第二，加大v t s 的覆盖范围。 a i s 的作用范围即v h f 的有效作用距离，远大于雷达设备的监测范围，况且，主 管当局还可适当设置a i s 中继站，经中继站转发后，v t s 的监控范围就更大了。 第三，提高v t s 对船舶的监控能力。 一般雷达均在近区一定范围内形成盲区，在高大物体、岛屿后及弯曲河道易形成 遮蔽区，受到恶劣气象( 如雨、雪) 及不良海况( 如大浪、涌等) 对雷达信号的干扰 海海事大学硕七论文n s 应用于v t s 的性能研究 等限制，而a i s 采用无线电波传输，具有受障碍物的阻挡小，不受海杂波干扰等优点， ，只要在v h f 的作用范围内它就发挥作用，大大提高了v t s 对船舶的监控能力。 在v t s 水域，如果所有船舶都安装了a i s ，那么本船可以被其它装有a i s 的船舶 “看得见”。船舶之间“看得见”，意味着不需人为介入便能够连续交换重要的航行信 息。船舶会遇时就可把本船的航行信息发送出去，并可接收到周围其它船舶发送来的 航行信息。这会给海岸和港湾的船舶管理及海上船舶航行的避碰带来方便。 j 1 4a i s 应用于v t s 的性能研究现状 1 9 9 7 年，i m 0 的航行安全分委会举行了4 3 次会议( n a v 4 3 ) ，会上通过了关于 全球船载自动识别系统( a i s ) 性能标准的建议案( 简称a i s 性能标准) ，列为i m o 决议m s c 7 4 ( 6 9 ) 的附件3 。 该标准规定了通用a i s 应当满足的性能要求：用于船舶避碰；获取船舶及其货物 信息的工具；作为v t si 具：自动地向船舶和主管当局提供来自船舶的信息。该标 准还要求，a i s 应能具有以多种模式运行的功能：自主连续模式、指派模式和轮训模 式。 此外，本标准规定了a i s 应当具有的能力：能够在海上频率工作的通信处理器， 有频道选择与切换方法，支持近程和远程应用；电子定位系统数据的接口，使用w g s - - 8 4 坐标系：自动传感器输入数据的接口；能够自动连续地向主管当局和其它船舶 发射信息；接收来自主管当局和其它船舶的信息即其它信息源的信息。 。1 9 9 8 年，瑞典斯得哥尔摩大学的p d k a r dk j e l l b e r g 在g p & cs w e d e na b 公司的帮 助下对使用s t d m a 技术的飞机航行通信系统作了容量及吞吐量方面的性能分析。并 ， 。 发表了题为在监视系统中应用s t d m a 接入技术的v h f 容量及吞吐量的硕士论 文。该论文研究了这样一个环境：所有的按区域划分的移动台站( 比如象飞机或船舶) 都安装了s t d m a 台站。每个台都在自己的受视线特性约束的v h f 网络内操作。由 于v h f 网络只有部分重叠，所以，s t d m a 算法只能提供通信链路的部分组织。其 中一些通信将会发生冲突，这就有可能降低总吞吐量。该论文仅对这样的一个环境下 的s t d m a v h f 数据链路容量及吞吐量进行分析。 6 上癣i 每事大学硕十论文 a t s 应用于v t s 的性能研究 1 5 研究内容 本论文通过进行广泛调研，分析、研究、收集资料，掌握国际、国内a i s 的发展 动态和动向，依据国际海事组织( i m o ) 和国际电信联盟( i t u ) 有关a i s 的国际标准， 集中地对a i s 应用于v t s 的网络吞吐性能、监测半径以及监测容量等重要性能进行了 深入的分析研究。归纳起来本论文的主要研究内容有以下几个方面： 跟踪s t d m a 技术、a i s 通信技术及v t s 的发展现状，着重跟踪a i s 应用于v t s 的 性能分析的研究现状； 深入研究了a i s 应用于v t s 的网络吞吐性能； 深入研究了a i s 应用于v t s 的网络监测容量及网络半径。 7 上海舟事大学硕t 论文a l s 应用于v t s 的社能研究 第2 章a ls 系统及原理概述 2 1a i s 系统概述 通用船载自动识别系统( a i s ) 是工作在v h f 海上频段的新兴的船舶和岸基广播系 统，其主要功能是将船舶的标识信息、位置信息、运动参数和航行状态等与船舶航行 安全有关的重要数据，通过v h f 数据链路，广播给周围的船舶，以实现对本海区船 舶的识别和监视。a i s 系统的核心思想是将船舶的全球定位系统( g p s ) 信息用甚高 频( v h f ) 数字通信广播给周围的其它船舶，使船舶间共享此信息，以实现船舶的自 动识别和监视。a i s 系统以自组织时分多址( s n ) m a ) 为核心技术，使用2 2 种通信 报文其中包括船舶识别( m m s i ) 、船舶运动参数( 主要由g p s 提供) 、船舶静态及与 航行相关信息、与安全相关信息，支持优于当前雷达性能的船舶监视和船船及船岸间 短信息通信。a i s 系统通过船舶间相互交换信息增进了相互情况的了解，通过船舶与 岸台问相互交换信息提高了拥挤水域的交通管理，通过在船与船间和船舶与岸台间交 换与安全相关的信息提高了航行的安全性。 。 整个a i s 系统由各类a i s 台站，如船载a i s 台站、岸上a i s 台站、助航设备台 站等，及v h f 通信网络构成。根据i e c 检验标准( 6 1 9 9 3 ) ，标准船载a i s 台站至少 由以下设备组成： 1 个中央处理单元( c p u ) 即通信处理器。 1 台v h f 发射机。 2 台多频道v h f ( t d m a ) 接收机。 l 台用于频道管理的7 0 频道v h f ( d s c ) 接收机。 1 个电子定位系统( e p e s ) 、全球卫星导航系统( g n s s ) 接收机，a i s 应具 备1 个输入船位信息的6 1 1 6 2 接口，即处理来自e p e s 数据的措施。 1 个与航向、航速设备和其它船载传感器的接口，即自动从其它传感器输入 数据的措施。 最小显示器和键盘，及与雷达f l 动雷达标绘仪( 创良p a ) 、电子海图系统电 子海图显示和信息系统( e c s e c d i s ) 及综合导航系统( 眦s ) 的接口，即 用于人工输入和改正数据的措旌。 上海海事大学硕士论文a i s 戍用于v t s 的性能研究 用于b i i t ( 内置完整性测试) 的内置测试设备和对发射、接收数据进行错误 检查的措旋。 结构示意图如下： i 竹罐醒盛蕾w h 地面i e c d i s 吒田最互 2 冉管畦盘，罐亍盯班琏l i 傩耐- 图2 1a i s 设备结构示意图 在a i s 广播的信息中位置和时间信息一般由内部或外部全球导航卫星系统 ( g p s ) 提供，其它的由船上标准数字设备提供。正常情况，所有装载a i s 的船舶都 提供船艏向、对地航向、对地航速，也提供其它信息，如转向率、目的地、预计到达 时间等信息。a i s 收发机不论在大洋、沿海或内陆运行，一般都工作在自动和连续模 式。采用9 6 k b 高斯最小频移键控调频( g m s kf m ) 调制，高级数据链路控制( h d l c ) 打包协议，在a i s l ( 1 6 1 9 7 5 m h z ) 或a i s 2 ( 1 6 2 0 2 5 m h z ) 信道上进行发射。虽然只 需一个天线信道，但为避免干扰，每个台站部在两个信道上进行收发，并可以不丢失 他船信息的进行信道切换。a i s 系统可以自动解决本船与他船的通信冲突，在过载情 况下仍可以维持通信。 2 2a i s 系统的层次结构 i t u 建议案i t u rm 1 3 7 1 中陈述了在v h f 海上移动频段采用自组织时分多址 ( s o i m a ) 技术的通用船载自动识别系统( a i s ) 的技术特性，将系统划分为物理 9 上海霹事大学硕e 论文 a i s 应用于v t s 的性能研究 层、链路层、网络层和传输层四个层次。 2 2 1 物理层 物理层负责网络中信息位流从始发者到数据链路的传输。数据传输在v h f 海上 移动频段内进行，在2 个平行的信道上运行。采用2 个t d m a 接收机分别在2 个独 立的频道上同时接收信息，同时，使用1 个t d m a 发射机在2 个独立的频道上交替 进行t d m a 发射。a i s 的运行带宽应为2 5 k h z 或1 2 5 k h z 。在公海应采用2 5 k h z 的 带宽，而在领海应根据当地权力机关的要求采用2 5 k h z 或1 2 5 k h z 的带宽。调制方式 为根据带宽进行调整的调频高斯滤波最小移频键控法- o m s 肼m 。数据传输比特率 为9 6 0 0 比特秒+ 5 0 p p m 。数据传输由一个构成数据段同步的2 4 比特解调器训练序列 ( 前置码) 开始。该数据段由交替排列的0 和1 组成( 0 1 0 1 一) 。数据编码采用不 归零倒置波形，由于使用不归零编码，该序列可由l 或0 开始。该波形的特征为在位 流中每遇到0 就发生电平的变化。 2 。2 2 链路层 。 链路层负责将数据分组；并完成数据传送过程中的错误检测和纠正。链路层包含 介质接入控制( m a c ) 、数据链路服务( d l s ) 、链路管理实体( l m e ) 3 个子层。 m a c 子层负责数据传输介质( 即v h f 数据链路) 的接入。所采用的方法是利用 共同时间基准的时分多址接入方案。本系统采用帧的概念。一帧等于1 分钟，并可分 为2 2 5 0 个时隙。数据链的入口应预设为一个时隙的开始。每个时隙都应以其索引号 ( 0 - 2 2 4 9 ) 来加以标识。时隙零( o ) 应定义为帧的开始。发射机应在时隙开始端开 启射频电源开始数据传输。每个时隙处于自由、内部分配、外部分配和可用四种状态 之一。 d l s 子层负责数据链激活和复原、数据传输、错误检测和控制。在m a c 予层的 基础上，d l s 应起到监听、激活、释放数据链的作用。数据传输采用面向比特的协 议即高级数据链路控制规程( h d l c ) 。除控制字段忽略外，其它信息采用信息分组 的办法，并进行位填充，即如果发现输出位流中连续出现五个l 时，应插入一个0 。分 组总长度应为2 5 6 比特，数据部分长度应为1 6 8 比特，相当于一个时隙。帧校验序列 f c s 采用循环冗余校验( c r c ) 1 6 比特多项式来计算( i s o i e c 3 3 0 9 ：1 9 9 3 1 q b 所定义 的校验和) 。一次连续的传输最多只能占用5 个连续时隙。 i o 上海海事大学硕七论文a t s 惠用于v t s 的性能研究 l m e 子层控制d l s ，m a c 和物理层的运行。对数据传输介质的接入控制有自组 织时分多址接入( s o t d m a ) 、增量时分多址接入( r r d m a ) 、随机时分多址接入 ( r a t d m a ) 和固定时分多址接入( f a l d m a ) 4 种不同的接入方式。接入方式的选 择取决于应用和运行的模式。s o t d m a 应作为自主台站定时重复发射的基本方式。 在必须改变更新率或在传输一个不重复的信息等情况下，则可能采用其它的接入方 式。各个接入方式在同一个物理数据链上连续、并行地运行。它们都符合t d m a 规 则。 2 2 3 网络层 网络层负责建立并维护信道连接、报文优先分配的管理，信道之间传输分组的分 配、解决数据链阻塞问题。除了在某些区域指定其它的a i s 频道的情况外，无线电 规则附录s 1 8 中指定了2 个a i s 专用频道供全球范围内大洋及其他海区使用。这2 个专用频道为：a i s l ( 信道8 7 b ，1 6 1 9 7 5m h z ) ，( 2 0 8 7 ) ，以及a i s 2 ( 信道8 8 b ，1 6 2 0 2 5 m h z ) ，( 2 0 8 8 ) 。这两个频道应作为a i s 的默认工作频道。正常工作模式应为双信道 工作模式，在这种状态下，a i s 同时在2 个平行的频道上接收信息。为达到这一性能， a i s 收发器需要包含2 个t d m a 接收机。在2 个平行的信道上的信道接入都是彼此 独立完成的。 2 2 4 运输层 运输层负责将数据转换成大小正确的传输分组、数据分组排序、与上层的接口协 议。 2 3a i s 系统的通信原理 2 3 1a i s 系统的时分多址( t d m a ) 通信原理 2 3 1 1a l s 系统的时分多址( t d m a ) 帧结构 通用船载自动识别系统采用时分多址( t d 姒) 通信方式，它把信道时间分成固定 的时间缝隙，称为时隙。一组时隙构成一帧。帧是t d m a 信道管理中非常重要的一个 术语。在通用船载自动识别系统中，一帧持续一分钟，包含2 2 5 0 个时隙，如图2 2 所示。每一个时隙是由o 一2 2 4 9 之间的数字表示。所有这些时隙都可以由工作在数据 上海牟事大学硕士论文a i s 应用于v t s 的性能研究 士芏工丁三兰二 世丁二工二 二 = 工二 二感 当前帧 牛斗1 1 厂芦 舛下一帧 工二【 二 二 二 丁二王互二 下枷 射频功 8 0 i 祭 用户 消息通信状杏j m l f er t s s dat acbu f 数据t u f s f i r 厂 ，| 1234 八1 2 72 ：2 j2 2 姆 2 6 ， 1 。 。 v 5。 t 。j ￥4 t j 图2 - 3a i s 数据链路消息结构 1 2 时阐 血s ) 上海海事大学硕士论文a t $ 府用于v r $ 的性能研究 和1 组成的同步序列，缺省设置为2 4 比特，也可以由分配指令控制为3 2 比特。同步 序列是用来训练接收机实现接收数据位同步的。接下来的是起始标记( 0 1 l i i l l 0 ) ， 用于表明数据包的开始。数据包的检错方法是1 6 位的循环冗余校验。接在校验数据 后面的是数据包结束标记，它与起始标记相同。数据传输中的位流受位填充控制。这 表明一旦发现输出的位流中连续出现5 个以上l 时，应插入一个0 。这种方法适用于 除h d l c 标记的数据码元之外的任何位。 数据包的最后是缓冲时段，相当于2 4 比特。其用途如下： 位填充，4 比特 距离延迟，1 2 比特 转发器延时，2 比特 同步晃动，6 比特 对数据区所有可能的位组合的数据分析表明，其中7 6 的组合将3 比特用于位填充。 再加上逻辑上可能的位组合，则对几乎所有的信息来说，4 比特的缓冲足够了。为距 离延迟保留的缓冲是1 2 比特，相当于2 0 2 1 6 海里，这一距离延迟可以对1 0 0 海里的 传播距离提供保护。同步晃动码元允许每个时隙有一次晃动时问，相当于3 比特，从 而保证t d m a 数据链路的完整性。 表2 一i 符号含义 符号比特位数 说明 r u8加载时间 t s2 4同步序列 s f8起始标志 d a t a1 6 8报文标识和报文 f c s 1 6 帧检错序列 e f8结束标志 b u f f e r2 4位填充和距离延时 总计： 2 5 6 上海；每事大学硕士论文a i s 应用干v t $ 的性能研究 表2 - 2 时间参数取值 符号时间( m s )说明 t o0 0 0 0时隙开始 t x0 8 3 2同步序列开始 t 11 0 0 0射频功率和频率稳定 t 23 3 2 8传输报开始 t s4 1 6 0时隙相位同步标记 t 32 4 - 1 2 8传输结束 t 4t 3 + i 0 0 0射频功率回零 如图2 3 所示，最上层表示的数据包中的1 6 8 位是用于传输电文的，前6 位是消 息识别码，后面是3 0 位的电台标识码，最后是用于数据链路管理的通信状态项信息。 电文分为2 2 种类型，能支持船位报告、二进制广播和轮询等多种服务。一些特殊数 据的传输可以使用长数据包，最长的数据包可以占用5 个连续的时隙。使用长数据包 传输可以省去一些额外开销，如加载时间、同步位和标志位等。t d m a 可伸缩的报文 结构允许电台在传输报文的同时预定未来要使用的时隙。这是实现自组织通信的重要 环节。 2 3 1 4 i s 系统数据链路的接入方式 在通用船载自动识别系统中有4 种时隙接入协议：自组织时分多址接入协议 ( s o t d 姒) 、增量式时分多址接入协议( i t d m a ) 、随机式时分多址接入协议( r a t d 姒) 和固定式时分多址接入协议( f a t d 姒) 。这些协议共同存在和同时运行于t d 姒信道中， 以支持通用船载自动识别系统的三种工作模式和各项功能。现就s o t d m a 接入协议作 一下说明，因为它是a i s 系统中最主要也是最常用到的接入协议。也是本文后面将主 要涉及到的。 移动台使用s o t d m a 协议广播位置和标识信息给附近的所有其它电台。这个协议 的目的是提供一种接入算法以便在没有控制台干预的条件下迅速解决传输碰撞问题。 1 4 上海寿事大学硕上论文 a i $ 应用于v r s 的性能研究 由s o t d m a 协议传输的报文具有周期性，以便支持数据链路上的其它用户进行不断更 新的监视。 2 3 2a i s 系统的自组织通信原理 2 3 2 1 概述 通用船载自动识别系统的核心技术是海上自组织无线数据链路，这是一个新概 念。该链路工作于海上v h f 频道，利用自组织时分多址( s t d m a ) 算法，具有自组织 通信能力。所谓“自组织通信”的含义是指加入到该数据链路上的每个移动台能在没 有基地台控制的条件下，自主地选择自己的发射方案，并能自动地避免和解决通信碰 撞问题。 海上自组织无线数据链路的原理如图2 4 所示。它的主要特征是在它的每一个传 输报文中都包含下一次传输的时间信息( 传输时隙) ，以便通知数据链路上的其它台 不要占用这个时隙，因而为自己预留了下一次广播的时隙；同时，海上自组织无线数 据链路又在3 到7 分钟的时间范围内重新选择一次时隙，以解决链路上因为移动台运 动而可能产生的通信碰撞。此外，海上自组织无线数据链路还能通过时隙复用来主动 图2 4 海上自组织无线数据链路原理图 处理因通信链路容量过载而带来的通信碰撞。 2 3 2 2 时隙选择方法 酱醢 藩、，一等螽多厶 一 罗 k沁吊lij缸 上海戽事大学硕士论文 a i s 啦用于”s 的件能研究 海上自组织无线数据链路的一个重要特征是它为一个新传输或为将来传输而进 行预定时隙的选择方法。当信道不忙时，时隙的选择是直接的，因为很容易就能找到 没有被其它台预定的时隙。当信道变忙而不容易找到未预定的时隙时，s t d m a 技术允 许一个台根据r o b i nh o o d 准则使用由另一个远距离台预定的时踪。这种时隙选择方 法的益处是时隙的选择可以由所有台进行而不需要由岸台进行信道资源管理。时隙选 择步骤如下： 1 ) 当一个应用要发射数据或为将来发射数据而进行时隙预定时，首先确定将要选择 时隙的范围( s i ) 。在网络入口阶段，该值一般取1 5 0 个时隙，大约相当于4 秒 钟；在周期运行时，该值与报告率有关，一般取值范围为报告间隔的五分之一。