基于AIS空间全世界海上交通监控

1、基于AIS空间的全世界海上交通监控最近，海上交通监控和平安系统引入了船用自动识别系统（AIS）。在本文中，咱们调查了扩展为全世界海上监视系统空间系统的可能性，并给予如何优化远程识别和跟踪（LRIT）系统的建议。1引言在国际上，开发全世界海上监视能力的需要愈来愈强烈，这源于提高危险货物运输水平，治理走私商品和偷渡人口，增强全世界恐怖主义意识。新型船舶报告系统已被应用到实际中，以此来知足船舶检测、识别和跟踪。本文探讨最近推出的AIS系统，并使其成为全世界海上交通监控系统可能性。第一，咱们给出了现有系统的简要概述；然后，讨论扩展系统覆盖全世界空间的可能性。在得出结论之前，咱们将展现系统是如何基于LR

2、IT成立优化空间的。2AIS系统在联合国的SOLA铃约里，AIS是一种新型系统，工作在两个海上甚高频（VHF）频道上。AIS是船舶自身发布广播信息的应答器系统，如船舶识别号，地理位置，航向，目的地，估量抵达时刻，货物的性质等，每2-10s发送一次船舶报告。其覆盖范围，一般是20海里以内船对船通信，基于沿海基站位置更大水域内的船对岸通信。在图1中说明了那个概念。图1AIS船对船和舰对岸通信模式3基于AIS的空间在2003年的“第4届国际宇宙航行学会（IAA）对地球观测小卫星研讨会”上，挪威国防研究院（FFI）第一次提出了基于AIS接收信息的空间可能性。从那时以后，挪威国防研究院（FFI）表现出基

3、于AIS接收空间的可行性研究，相关的会议已被多次举行。在2005年2月伦敦会议上，第九届无线电通信和搜救委员会（COMSAR）这一概提交到国际海事组织（IMO）分会上。3.1一样考虑在海拔1000千米及以上，标准的AIS接收机能够接收来自空间的AIS的反射信号。但是，AIS传感器通过空间反射覆盖区域比最初设计在地面AIS系统范围更大。船舶间的报告通信范围在20海里之内，是采纳时分多址（TDMA算法来幸免传输冲突的，但从太空AIS传感器反射过来信号将超过之前的组织区域，见图2。许多船舶在该范围内会发生通信冲突，相互干扰的问题，乃至有些船舶接收不到AIS信息。Ship reporting iatm

4、 al2snumbrr i)f shipt150450io_57曾图2左图显示了例如高架AIS传感器的视场（大红色圆圈）和几个组织区域（小蓝色的圈）。右表显示船舶AIS系统能够处置不同船舶报告距离的组织区域内的船舶最大数量。船舶密度估算在分析欧洲水域船舶密度说明，高度1000千米的AIS传感器覆盖范围为3630海里的圆域，可同时为6200艘船提供AIS信息。船舶航向预测分析基于空间AIS系统的船舶检测概率，其中包括运算机模拟系统观测模型的进展，和船舶检测概率分析方程的推导。假设这艘船探测概率为P,作为一个MAT近似估算值，其值能够表示为尸二 1 1（1+喜）*7V（ot37.5的,ATNot是

5、观测区域内船舶总数，？丁是船舶报告距离，册是观看时刻（系统开始监测观看区域的时刻），nch=2是用于传输信道的数量，s是重叠因素值取，取决于AIS传感器的高度和覆盖范围。重叠因子描述了信息的重叠度，不同观测区域的船舶在相邻时刻段内发送的信息受到船舶和AIS传感器之间传输途径长度的阻碍。在高度1000千米AIS传感器水平覆盖范围内，重叠因子是s=0表达式（1）为所有高海拔AIS传感器重叠因子估量式。图3显示了不同观测时刻内船舶数量探测概率函数，报告距离？T=6s,卫星高度也=1000千米。01U0goso706D50ao302 口H =1C0Dkm, AT=6s0500 100D 1500 20

6、00 2500 3000 3TO 400 口 J500 5100Number of ships 1-1图3报告距离T=6s,不同观测时刻内船舶数量探测概率函数3.4卫星平台利用小型全向天线的标准AIS接收器能够接收经太空反射过来的消息。要求卫星平台很低，基于空间AIS侦测到微米波或纳米卫星发送任务，并附加到载荷较大的卫星，如此的卫星星座可用于全世界海上交通监控。系统参数高度1000千米的卫星覆盖范围内（观测时刻二15分钟）能够处置多达900艘船舶，比一样视野的船舶探测概率高99%见图3。持续覆盖观测全世界的卫星（天天24小时观看时刻）能够处置1300多艘船舶，具信息更新速度每小时一次（1h观看

7、时刻），若是数量增加到2100艘，信息更新速度天天一次（24小时观看时刻）。表1列出了系统性能。表1基于AIS空间系统的系统性能ShipmformationNumberShipdetectionupdaterate（?fshipsprobabilitySinglesdteJlite1persatellitepass9。99%Ckbiilon1perhour130099%Globalconstellation1perday2100a99%讨论图3和表1表示了基于空间AIS系统提供良好船舶探测概率，该领域内船舶密度较低。但是，据估量载有AIS的6200艘船在欧洲水域检测概率下降为零。此问题的解决方

8、案是利用一个定向AIS天线，限制卫星覆盖范围，从而减少船舶监测数量，同时可见AIS传感器。在船舶密度很低的区域，定向AIS天线结合全向AIS天线能够增加覆盖区域。4远程监控的AIS优化在国际上，对全世界海上监视能力的需求日趋增加，国际海事组织讨论了目前全世界LRIT系统的新标准。AIS系统能够为沿海地域之外的船舶提供远程优化选项，通过海事卫星传播沿海当局的信息需求。但是，这种报告并非是强制性的。FFI分析说明，AIS系统的存在能够优化评估LRIT,基于分析LRIT的概念已经被提出。在2005年2月9日伦敦的会议上，COMSAR出了这个概念，2005年的Eurisy为海事用户效劳新空间研讨会也提

9、出了那个概念。远程监控框架符合79年国际海事组织海上平安委员会建议，以下建议是基于现有AIS系统尽可能符合有效LRIT效劳：关于远程监控(LRIT)的独立甚高频通道；LRIT短消息：识别码和位置(误差185m)；船舶按序报告分钟距离(3分钟)；(4)超出基站传输范围LRIT链通道的船舶。建议的修改都能够通过软件来实现，不需要在船只上安装任何额外的设备。利用具有LRIT短消息的独立LRIT通道，长时刻船舶报告距离的干扰问题。排除所有船只的基站链，同时减少空间可见AIS传感器的船舶数量。船舶密度预算瑞典、芬兰和挪威已经建设了基于基站的优化，在2007年7月1日，欧盟成员国建成了基于沿海AIS基站的

10、优化。在欧洲成立基站是分析船舶密度和确立打算，说明1000千米高度的AIS传感器可能会监测到2600多艘船只，如此就超出基站链的视野范围，现在AIS在相同地域监测船舶总数量达到6200多艘。船舶探测概率分析说明关于不同视野内最大数量的船只，船舶报告距离和观看时刻有了优化。表达式(1)是依照船舶检测概率的分析方程式，对LRIT短消息和标准AIS信息做了优化。注意LRIT短消息功能，在船舶探测概率方程中重叠因子s=0o尽管这种情形下，短消息是足够短，来自于观看区域不同部份船舶之间可不能在相邻时隙上发生消息重叠。优化的目的确实是一直维持观看时刻尽可能短，同时维持船舶检测概率为99%，在表2中给出了总

11、结结果。表2卫星覆盖范围内船舶探测概率99%勺不同数量船舶报告距离和观测时刻if虫心物MLRLTOHB网研S.JILJ；l；dAJS.?%；生的Kepnnn*irenaLAfmin曲hne,lining用:呼一晦tM.ATm.:iiimo51l：flJOOO15JR65000制b4；S7UW4：JsHl一由表2可知，若是咱们在系统规模内同时处置3000多艘船只，利用LRIT短消息报告距离设置为？T=3分钟，利用标准AIS信息？T=6分钟，相应的观测时刻别离设置为15分钟和30分钟。一样地，若是咱们在系统规模内同时处置7000多艘船只，利用LRIT短消息报告距离设置为？T=8分钟，利用标准AIS

12、信息？T=12分钟，相应的观测时刻别离设置为40分钟和60分钟。若是有需要，系统能够优化处置更高数量的船只，但这将需要更长的船舶报告时刻距离和更长的观测时刻。图4显示了 4种情形下船舶的检测概率曲线。0H5t000kmp 嚅=3000 100 goNjinborclship9 H100【邑 4=胃金：口胃一岩 且标图4船舶检测概率曲线优化，数量300011（上图）和7000艘（下图）实线为船舶LRIT短消息探测概率，虚线为船舶AIS信息探测概率卫星星座处在1000千米高度的卫星天天能够为船舶提供414次信息，并取决于轨道倾角和纬度。分析说明，一个星座的四颗卫星散布在四个轨道上，轨道平面的倾角为

13、58?,相位因子是2。若是利用LRIT短消息功能，船舶的信息更新速度能够达到每小时一次，当船舶处在基站传输链LRIT通道范围之外。图5显示了沃克星座轨道覆盖范围0若是用八颗卫星代替现用的四颗卫星，那么传输信息更新速度每小时会增加两倍。现在，全世界持续覆盖的卫星给出的船舶信息更新速度高达每小时四次。系统性能针对四种不同的情形，别离评判了四个沃克卫星星座的系统性能，其结果列在表3中。在的远程监控（LRIT）系统中，建议船舶信息更新速度每小时一次。若是利用标准的AIS信息，那么每隔四个小时更新速度将会减少，包括所有的AIS船舶。表3基于四颗沃克卫星系统性能好于探测概率99%勺船舶AIS加ptbeyo

14、ndtheran供M1氏尿由tin口吐MIL=奴UAllAISstipX,i=7,0JAh*LklTShncudAli口柢，1偎lLi&!=?r：jn,I.j=15hueI-pditeranEiwyhourA口/k50minUp-iljterateEwryrujhoursSt=占皿口m=4DnipUpjjterate:EwryihrtthoursAr=12min,T山160ianLp一色m：甘Ev&ry/.irrbClMMnumberfortheupdiuritean室就密vifats.探讨利用单独的甚高频频道和LRIT系统，大船基于卫星收到距离报告信息数量在减少，而该船的检测概率增加。基站链

15、范围之外AIS船舶，卫星范围内的可见船舶数量减少，同时提高了船舶检测概率。基站链范围之外的AIS船舶，若是全世界网络分享来自此基站的信息链，关于LRIT系统是可同意的解决方案。通过发送只包括识别码和船位的LRIT短消息来代替标准AIS信息，卫星接收部份信息的重叠概率会减少，从而增加了船舶检测概率。关于LRIT系统而言，共享来自船舶记录部门和全世界网络基站链的信息，在细节能够被获取的情形下,船舶识别码和位置信息应该要足够地详细。总结基于前面的分析，咱们提出了远程监控（LRIT）概念，它利用了独立的甚高频通道传输船舶报告距离位3分钟LRIT短信息，但只包括超出AIS基站链的船舶。表4列出了这一概念的系统性能。表4LRIT系统性能指标ShipinformationNumberShipdetectionupdaterateofshipsprobabilitySingleSxdellik1persaleHipass30009%4satellites1perhour300099%8satellites2perh仆u99%GlobalcunstelhLion4perhML300099%5结论咱们能够看出，最近推出的AIS系统能够扩展到全世界海上监视空间。在船舶低密度地域，AIS卫星的星座能够