AIS(船舶自動識別系統(tǒng))基礎(chǔ)知識介紹v.ppt

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AIS 船舶自動識別系統(tǒng) 基礎(chǔ)知識介紹 AIS技術(shù)的未來發(fā)展 AIS設(shè)備的分類 海上通信和AIS技術(shù)的產(chǎn)生 AIS技術(shù)的應(yīng)用 通信的概念 通信 顧名思義就是連通信息 通過某種中間物質(zhì)把某個(gè)地方的信息傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方 實(shí)現(xiàn)信息的交流 通信是人類社會乃至一切生命的組織形式 通信的概念 階段一 利用自然界的基本規(guī)律和人的基礎(chǔ)感官可達(dá)性建立通信系統(tǒng) 這是人類最原始的通信方式 通信的概念 階段二 隨著電報(bào) 電話的發(fā)明 電磁波的出現(xiàn) 人類通信領(lǐng)域產(chǎn)生了根本性的巨大變革 從此 人類的信息傳遞可以脫離常規(guī)的視聽覺方式 用電信號作為新的載體 同時(shí)帶來了一系列技術(shù)革新 開始了人類通信的新時(shí)代 通信的概念 階段三 移動通信和互聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代 全球范圍形成數(shù)字傳輸 程控電話交換通信為主 其他通信為輔的綜合電信通信系統(tǒng) 電話網(wǎng)向移動方向延伸 并日益與計(jì)算機(jī) 電視等技術(shù)融合 聲音通信喇叭 鳴笛 海上通信 船用霧航笛 海上信息交換 視覺通信旗語船上使用信號旗通信至今已有400多年的歷史 旗號通信的優(yōu)點(diǎn)是十分簡便 因此 即使當(dāng)今現(xiàn)代通信技術(shù)相當(dāng)發(fā)達(dá) 這種簡易的通信方式仍被保留下來 成為近程通信的一種重要方式 在進(jìn)行旗號通信時(shí) 可以把信號旗單獨(dú)或組合起來使用 表示不同的意義 通常懸掛單面旗表示最緊急 最重要或最常用的內(nèi)容 例如 懸掛 字母旗 表示 我船下面有潛水員 請慢速遠(yuǎn)離我船 懸掛 字母旗 表示 有人落水 懸掛 字母旗 表示 我船需要醫(yī)療援助 等等 海上信息交換 地面通信中高頻單邊帶電話 直接印字電報(bào) 甚高頻電話等 海上信息交換 衛(wèi)通通信通過INMARSATA B C MINI M F FB站的語音 電傳 傳真 E mail 海上信息交換 雷達(dá)掃描系統(tǒng) 1 航海雷達(dá)只能探測目標(biāo)船的位置 平均速度和航 跡 向 不能獲取目標(biāo)船的即時(shí)速度和船首向 2 存在近距盲區(qū) 近距目標(biāo)圖像和數(shù)據(jù)不能顯示 船用雷達(dá)一般為10 50m 3 障礙物和大船對其后的小目標(biāo)遮擋較嚴(yán)重 4 受海浪暴雨干擾 丟失小目標(biāo) 5 信息量有限 不能提供目標(biāo)船標(biāo)識和航行狀態(tài)等信息 6 與通信設(shè)備未能有機(jī)結(jié)合 不能與目標(biāo)船自動交換數(shù)據(jù) 人工操作延誤時(shí)間 語言交換信息易失誤 雷達(dá)的劣勢 AIS目標(biāo)與雷達(dá)探測目標(biāo)比較 VTS 無線電測向 DF 5度夾角 混淆船 AIS技術(shù)的產(chǎn)生 SOTDMA是 自組織時(shí)分多址 的英文首字母縮寫 這個(gè)名字最早由瑞典學(xué)者HakanLans提出并使用 用以描述自組織時(shí)分復(fù)用傳輸系統(tǒng) 可以舉一個(gè)最簡單的例子來描述SOTDMA 十個(gè)人各使用一個(gè)麥克風(fēng) 而且每個(gè)人都希望和其余每一個(gè)人通話 SOTDMA就是實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能的一種有效方法 可以使每個(gè)人彼此之間都能自由地同時(shí)交流 ITU1371協(xié)議歷史 瑞典的HakanLans先生以個(gè)人名義申請了這種系統(tǒng)的專利 但在專利中并沒有使用SOTDMA一詞 而在他之前 南非的MDS公司及美國ROSS工程公司也已開始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究并擁有了同樣功能的技術(shù)雛形 HakanLans把他的專利授權(quán)給了當(dāng)時(shí)屬于瑞典航天公司的GP C 全球定位和通信 公司 后來該公司被SAAB公司收購 然而不幸的是美國Motorola公司已經(jīng)開發(fā)了這種系統(tǒng) 并申請專利比Lans先生還要早 早在九十年代初 美國Motorola公司的一個(gè)雇員JamesRidiout曾就專利侵權(quán)向SAAB提出訴訟 該訴訟在美國專利法庭歷經(jīng)五年 在花了成千上萬的美元后 這個(gè)爭論才私下解決 Lans先生同意不再卷人衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 而Motorola公司同意不再涉足AIS領(lǐng)域 ITU1371協(xié)議歷史 到1997年 SAAB ROSS和MDS三家公司均開發(fā)出了各自的SOTDMA技術(shù) 并應(yīng)用在各自的AIS系統(tǒng)中 以上三家公司的SOTDMA技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn) 但是商業(yè)競爭阻礙了生產(chǎn)廠商之間的技術(shù)合作 直到1997年 Ross公司的總裁RossNorsworthy先生 將其SOTDMA專利 在瑞士進(jìn)行了國際專利注冊 免費(fèi)特許給了國際電信聯(lián)盟 隨后由RossNorsworthy先生倡議MDS SAAB和ROSS三家公司一起在佛羅里達(dá)離ROSS公司不遠(yuǎn)的假日酒店召開了一次會議 RossNorsworthy先生在會議上建議三家公司應(yīng)把彼此間的分歧放在一邊 共同合作起草一份能體現(xiàn)最好技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn) 該標(biāo)準(zhǔn)將融合三家技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn) 以利于提高國際海事安全 他的觀點(diǎn)被其他兩方接受 隨后共同工作的結(jié)果便是國際電信聯(lián)盟認(rèn)可的關(guān)于AIS的新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ITU RM 1371 AIS的產(chǎn)生過程 1990 1992 1994 1995 1996 VHF DSC應(yīng)答器 無線電AIS 通用AIS 通過VHF DSC將本船信息傳給詢問對方 用于VTS SOTDMA 應(yīng)答器式 SOTDMA廣播式 1998 通過AIS技術(shù)性能 通過SOLAS公約第五章修正案 2000 確定頻道 87B 88B 強(qiáng)制裝備AIS AIS船載設(shè)備的安裝時(shí)間表 AIS的主要物理參數(shù) AIS可以同時(shí)在兩個(gè)頻率上交替進(jìn)行 可以避免RF干擾和增加系統(tǒng)容量 此外 主管部門還可以指配AIS的區(qū)域性使用頻率 使AIS可工作于一組頻率 并具有頻道選擇和切換手段 既可以工作于近程 也可工作于遠(yuǎn)程 AIS專用兩個(gè)VHF頻道 CH87Bf 161 975MHz CH88Bf 162 025MHz RecommendationITU RM 1371 5 1371建議書的第5版2014年2月推出全稱為 在VHF海事通信頻段上基于TDMA的AIS系統(tǒng)技術(shù)特性 多址方式分類 在無線通信中 為保證許多用戶同時(shí)進(jìn)行通信 以不同的方式分隔無線信道 防止相互干擾的技術(shù)方式稱為多址方式 頻分多址 以頻率來區(qū)分信道 時(shí)分多址 在一個(gè)無線頻道上 按時(shí)間分割為若干個(gè)時(shí)隙 每個(gè)信道占用一個(gè)時(shí)隙 在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)收發(fā)信號 碼分多址 采用擴(kuò)頻通信技術(shù) 每個(gè)用戶具有特定的地址碼 利用地址碼相互之間的正交性 或準(zhǔn)正交性 完成信道分離的任務(wù) AIS所處的電磁頻段 R 覆蓋半徑 H M 岸臺天線高度 h m 船臺天線高度 AIS覆蓋范圍經(jīng)驗(yàn)公式 AIS技術(shù)的未來發(fā)展 AIS設(shè)備的分類 海上通信和AIS技術(shù)的產(chǎn)生 AIS技術(shù)的應(yīng)用 AIS臺站的分類 按是否移動 AIS臺站的分類 按功能ITU定義 AIS的類型 ClassA通用船載自動識別設(shè)備ClassB適合小型船舶安裝AIS設(shè)備ClassC基站ClassS搜救飛機(jī)及直升機(jī)用AIS設(shè)備ClassNA to N AidstoNavigation 航標(biāo)AIS設(shè)備 AIS系統(tǒng)設(shè)備類型 SAR機(jī)載AIS 船載AIS 助航AIS 單工轉(zhuǎn)發(fā)站 AIS基站 雙工轉(zhuǎn)發(fā)站 移動設(shè)備 固定設(shè)備 A B類AIS設(shè)備物理參數(shù)對比 A B類AIS設(shè)備的區(qū)別 通信制式的區(qū)別靜態(tài)報(bào)告的區(qū)別報(bào)告更新率的區(qū)別報(bào)文通信的區(qū)別 A類船載AIS臺站 A類派生AIS設(shè)備 AIS導(dǎo)航儀 助航AIS臺 AIS航標(biāo) 功能 提供實(shí)時(shí)的天氣 潮汐 流速 水深等助航信息可監(jiān)測助航設(shè)備狀態(tài)并可跟蹤漂移的浮動助航設(shè)備識別與助航設(shè)備發(fā)生碰撞的船舶遠(yuǎn)程遙控改變助航設(shè)備參數(shù)提供虛擬助航設(shè)備 助航AIS臺 AIS航標(biāo) 分類 物理AIS航標(biāo)虛擬AIS航標(biāo)綜合AIS航標(biāo) 助航AIS臺站 無位置信息 無位置信息 AIS單元 虛擬AIS航標(biāo) AIS基站 AIS基站 AIS技術(shù)的未來發(fā)展 AIS設(shè)備的分類 海上通信和AIS技術(shù)的產(chǎn)生 AIS技術(shù)的應(yīng)用 優(yōu)化船舶調(diào)度與提升航運(yùn)效率 AIS信息有利于調(diào)度人員全面了解和分析海上船舶交通狀況與各航線的船舶流量 實(shí)現(xiàn)對船舶的科學(xué) 有效地調(diào)度 提高船舶進(jìn)出港效率 創(chuàng)建一個(gè)高效和諧的海上交通環(huán)境 AIS信息可與雷達(dá)信息相融合 提供精確 全面的船舶實(shí)時(shí)的信息 增強(qiáng)雷達(dá)的信息識別能力 AIS可以擴(kuò)展航海雷達(dá)系統(tǒng)的觀測范圍 彌補(bǔ)雷達(dá)的觀測盲區(qū) AIS還能夠克服雨雪對雷達(dá)產(chǎn)生的干攏 使船舶能夠在暴雨 大雪等惡劣天氣下安全的進(jìn)出港口 海上人命和財(cái)產(chǎn)救助 海上船舶發(fā)生事故后 通過AIS數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確定位查找遇險(xiǎn)船舶 掌握事發(fā)水域周圍水域環(huán)境及通航狀況 為及時(shí)開展海上搜救工作創(chuàng)造有利時(shí)機(jī) 縮短救助時(shí)間 提高搜救效率 最大限度的保護(hù)海上人命和財(cái)產(chǎn)安全 提供助航服務(wù) 維護(hù)航行安全 播發(fā)助航安全信息利用AIS岸基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以及時(shí)對安裝AIS船臺的船舶播發(fā)航標(biāo)動態(tài) 水文 氣象 航行警告 等信息 豐富了助航信息發(fā)布手段 為航海用戶提供了更為優(yōu)質(zhì)的航海保障服務(wù) 安全信息播發(fā) 設(shè)置虛擬航標(biāo) 虛擬航標(biāo)是依據(jù)ITU1371 1標(biāo)準(zhǔn) 通過AIS基站播發(fā)的一種助航標(biāo)志 在遇到沉船等緊急情況及在某些水域需要設(shè)標(biāo)又不便于設(shè)標(biāo)時(shí) 可以設(shè)立虛擬航標(biāo)對船舶予以提示 航行在AIS覆蓋范圍內(nèi)并安裝有AIS設(shè)備的船舶 均可接收到該虛擬航標(biāo)的位置 種類等信息 在船臺顯示器上予以顯示 并且可以通過虛擬航標(biāo)進(jìn)行定位 導(dǎo)航或避開航行危險(xiǎn)物 船舶碰撞事故調(diào)查 5月2日5時(shí)23分 天津駛往智利的利比里亞貨輪 海盛 與香港貨輪 世紀(jì)之光 在霧航至成山頭以東海域時(shí)發(fā)生碰撞 海盛輪船頭嚴(yán)重受損并進(jìn)水 世紀(jì)之光 輪則很快沉沒 AIS中心通過AIS數(shù)據(jù)回放準(zhǔn)確再現(xiàn)了事故發(fā)生前兩船的航行狀態(tài) 為海事調(diào)查和雙方事故責(zé)任的明晰提供了寶貴的一手?jǐn)?shù)據(jù) 世紀(jì)之光輪 事故現(xiàn)場 事故歷史回放 港口 航道及海洋功能區(qū)規(guī)劃 合理利用海洋資源 通過分析AIS船舶航行軌跡 可以較為精確的統(tǒng)計(jì)港口 航道的船舶流量 了解海區(qū)船舶的習(xí)慣航法 檢驗(yàn)已經(jīng)規(guī)劃航路 航標(biāo) 錨地 海事監(jiān)管功能區(qū)的效能 并為計(jì)劃設(shè)置的航路 航標(biāo) 錨地和養(yǎng)殖區(qū)提供科學(xué)的技術(shù)參考依據(jù) 徹底解決了傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)的效率低 難度大 精度低的問題 可收到良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益 成山頭水域航道評估 航運(yùn)動態(tài)分析 提供決策依據(jù) 航運(yùn)業(yè)作為全球貿(mào)易的主要載體 已成為世界經(jīng)濟(jì)的晴雨表 AIS系統(tǒng)存儲了大量的船舶位置報(bào)告 形成了大量的航行軌跡信息 利用自主研發(fā)的船舶軌跡流量統(tǒng)計(jì)軟件 進(jìn)行船舶進(jìn)出港 航道船舶流量統(tǒng)計(jì)分析 通過分析區(qū)域 港口船舶航運(yùn)動態(tài)最大的第一手?jǐn)?shù)據(jù)庫 據(jù)此通過對全球或區(qū)域經(jīng)濟(jì)活躍度評價(jià) 貿(mào)易供求分析 危機(jī)預(yù)警等 可為決策提供有力依據(jù) 從而提高對經(jīng)濟(jì)走向的預(yù)判能力 這對于促進(jìn)航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展 加強(qiáng)宏觀經(jīng)濟(jì)監(jiān)測具有獨(dú)特優(yōu)勢 金融危機(jī)以來秦皇島港船舶進(jìn)出港流量分析 維護(hù)國家主權(quán) 通過在國家領(lǐng)?；c(diǎn) 國務(wù)院頒布的我國領(lǐng)海的起算點(diǎn) 設(shè)立AIS虛擬航標(biāo)維護(hù)了國家主權(quán) 東南礁AIS虛擬航標(biāo)領(lǐng)?；c(diǎn)位 東南礁 北緯30 43 5 東經(jīng)123 09 7 隸屬于舟山市嵊泗縣嵊山鎮(zhèn) 位于嵊泗縣城東76公里處 位于舟山群島東北側(cè) 中國領(lǐng)?；c(diǎn)之一 軍用價(jià)值 海軍利用AIS數(shù)據(jù) 解決了軍事演習(xí)期間軍 民船舶的識別問題 確保了軍事演習(xí)的順利進(jìn)行 提高了部隊(duì)的訓(xùn)練質(zhì)量 保障了國防安全 AIS技術(shù)的未來發(fā)展 AIS設(shè)備的分類 海上通信和AIS技術(shù)的產(chǎn)生 AIS技術(shù)的應(yīng)用 系統(tǒng)容量受限 AIS信道每分鐘只能提供4500個(gè)時(shí)隙 當(dāng)多個(gè)船舶同時(shí)請求信息傳輸 時(shí)隙分配不能滿足需求時(shí) 信息沖突的幾率就會大大增加 在我國沿海港口船舶密集區(qū)域 特別是長江口海域 信道容量不足的問題已經(jīng)不容忽視 尤其是低優(yōu)先級的CSTDMA船臺經(jīng)常因爭搶不到時(shí)隙而無法被其他船舶所識別 AIS的技術(shù)發(fā)展背景 信息傳輸可靠性低 AIS船臺在周期性播發(fā)AIS動態(tài)報(bào)文時(shí)采用的是時(shí)隙預(yù)約機(jī)制 這種機(jī)制理論上就不能完全避免時(shí)隙沖突 再加上隱藏節(jié)點(diǎn)的影響 AIS數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^低 特別是在兩個(gè)臺站相隔距離比較遠(yuǎn) 傳輸?shù)膱?bào)文占用較多時(shí)隙的情況下 其報(bào)文的低到達(dá)率使之完全無法作為信息傳輸?shù)目煽客ㄐ琶浇?另外AIS本身缺乏數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_認(rèn)重傳機(jī)制 也沒有足夠的信道資源來實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸 在AIS二進(jìn)制信息應(yīng)用不斷被深度開發(fā)的今天 這無疑限制了AIS作為一種海上便捷通信手段的應(yīng)用價(jià)值 AIS的技術(shù)發(fā)展背景 AIS信道帶寬狹窄 AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用主要依靠其預(yù)設(shè)的限定格式的報(bào)文實(shí)現(xiàn) 為了滿足更加廣泛的應(yīng)用需要 AIS還允許傳輸二進(jìn)制信息 這些二進(jìn)制信息可以支持自定義的編碼和私有協(xié)議 受限于9 6kbps的帶寬 AIS協(xié)議對二進(jìn)制信息的長度有著嚴(yán)格的限制 眾多智能化的應(yīng)用因此無法實(shí)現(xiàn) 即便如此 在大量使用AIS二進(jìn)制報(bào)文傳輸氣象 水文 航警信息時(shí) 信道帶寬還是會顯得捉襟見肘 而要想傳輸船舶遠(yuǎn)程簽證 語音乃至圖形等多媒體信息更是天方夜譚 AIS的技術(shù)發(fā)展背景 通信距離有限 AIS工作頻段介于156 025MHZ至162 025MHZ之間 該頻段的電磁波主要靠空間波傳播 傳播范圍為視距 對于岸臺和船臺之間的AIS數(shù)據(jù)傳輸 理論最大傳輸距離為200nmile 由于受到AlS岸臺天線高度的限制 實(shí)際覆蓋距離不超過60nmile 船臺間實(shí)際可達(dá)到的最大傳輸距離一般僅在20nmile左右 低功率的B類臺站傳輸距離更低至7nmile 目前 AIS數(shù)據(jù)正在被越來越廣泛的應(yīng)用于信息分析和數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域 不完整的AIS數(shù)據(jù)讓其應(yīng)用價(jià)值大打折扣 AIS的技術(shù)發(fā)展背景 衛(wèi)星AIS技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)就是為了彌補(bǔ)岸基AIS系統(tǒng)的覆蓋限制 拓展數(shù)據(jù)接收范圍 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶全球監(jiān)控 衛(wèi)星AIS使用一顆或者多顆低軌道的衛(wèi)星 衛(wèi)星軌道高度在600km到1000km 在這些衛(wèi)星上面搭載AIS收發(fā)機(jī)來接收和解碼AIS報(bào)文并將信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的地面站 從而讓陸地管理機(jī)構(gòu)掌握船舶的相關(guān)動態(tài)信息 衛(wèi)星探測AIS技術(shù)的成熟 美國 加拿大 挪威 德國 日本等一些國家早已加入到對該技術(shù)的研究中去并開始逐步發(fā)展其AIS衛(wèi)星系統(tǒng) 美國的ORBCOMM公司目前在軌運(yùn)行中的AIS衛(wèi)星系統(tǒng)包括VesselSat 1和VesselSat 2 同時(shí)ORBCOMM的新一代Orbcomm OG2低軌通信衛(wèi)星將配備AIS載荷 首批六顆衛(wèi)星即將于2014年7月使用SpaceX的獵鷹 9火箭發(fā)射 在此前的2012年底 Orbcomm OG2系列的兩顆衛(wèi)星也曾通過此型火箭發(fā)射升空 但因未達(dá)到預(yù)定軌道而焚毀 除ORMCOMM公司外美國的SpaceQuest自2009年開始部署了AprizeSat3 AprizeSat4兩顆極軌衛(wèi)星和AprizeSat5 AprizeSat6 AprizeSat7 AprizeSat8四顆低軌衛(wèi)星 這些衛(wèi)星均載有AIS接收機(jī) 上述衛(wèi)星的數(shù)據(jù)被提供給加拿大COMDEV的exactEarth公司用于全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù) 衛(wèi)星探測AIS技術(shù)的成熟 2012年我國發(fā)射了天拓一號遙感衛(wèi)星 其載有的AIS接收機(jī)繪制出我國首張全球船舶AIS數(shù)據(jù)海圖 雖然該衛(wèi)星的性能指標(biāo)離商業(yè)應(yīng)用尚有距離 但也為AIS星載系統(tǒng)設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn) 衛(wèi)星探測AIS技術(shù)的成熟 中國正在實(shí)施建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星 可滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導(dǎo)航的需求 而且可以擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 其覆蓋范圍大 沒有通信盲區(qū)的特點(diǎn) 為船舶在遠(yuǎn)洋航行中的監(jiān)控提供了思路 北斗與AIS系統(tǒng)融合能夠很好的解決傳統(tǒng)AIS系統(tǒng)可靠性不足且岸基系統(tǒng)維護(hù)成本過高 覆蓋范圍受限的缺點(diǎn) 兩者整合的助益顯著 AIS與北斗的融合 AIS與北斗的融合 AIS未來的發(fā)展方向 基于數(shù)字甚高頻技術(shù)的VDES 預(yù)計(jì)VDES可能分兩部分實(shí)施 地面VDES和衛(wèi)星VDES 一些無線電設(shè)備制造商已經(jīng)開始研發(fā)VDE收發(fā)機(jī)的樣機(jī) 這種收發(fā)機(jī)具有ITU RM 1842 1規(guī)定的甚高頻電子數(shù)據(jù)交換功能 樣機(jī)將于2014年進(jìn)行測試 如果2015年世界無線電通信大會 WR 15 同意分配新的頻率給VDES 由于現(xiàn)有的技術(shù)條件的限制和AIS數(shù)字信道面臨的壓力 地面VDES可能被首先實(shí)施 甚至早于衛(wèi)星設(shè)備資源獲取之前 衛(wèi)星業(yè)務(wù)與地面VHF業(yè)務(wù)之間的共享研究正在ITU無線電通信委員會進(jìn)行 如果ITUVDES建議案能在WRC 15形成最終決定 將大大促進(jìn)形成包括衛(wèi)星元素在內(nèi)的全功能的VDES 現(xiàn)有AIS的工作模式 AIS未來的發(fā)展方向 基于數(shù)字甚高頻技術(shù)的VDES 謝謝各位