在VTS中AIS基站建設(shè)的分析

邵傳勇，劉人杰


大連海事大學(xué)　遼寧大連　116026


　　摘　要：通過分析我國現(xiàn)有的VTS,RBN-DGPS,VHF-DSC臺站、燈塔的布局和現(xiàn)狀，提出了在VTS水域中AIS基站站址選取的一般標(biāo)準(zhǔn)；并且分析了如何選取AIS基站的天線高度。


　　關(guān)鍵詞：自動識別系統(tǒng)；最大保護(hù)距離；船舶交通管理系統(tǒng)；基站建設(shè)
　　

　　通用船舶自動識別系統(tǒng)AIS是一個數(shù)字通信系統(tǒng)，用于船與船、船與岸之間進(jìn)行信息交流的系統(tǒng)。AIS岸上子系統(tǒng)作為船舶交通管理系統(tǒng)的補(bǔ)充，根據(jù)覆蓋范圍的大小，參加船舶數(shù)量和VHF頻段的特點，需要通過設(shè)立多個岸基站以無縫覆蓋整個VTS水域，并通過通信手段連接在一起。




　　1　AIS基站站址的選取


　　在我國的沿海及重要的海域已經(jīng)建成VTS，RBN-DGPS,VHF-DSC臺站和燈塔，通過分析他們的現(xiàn)狀和布局，為AIS岸站建設(shè)提供有益的參考。AIS岸上子系統(tǒng)與VTS中心結(jié)合，走有中國海域分布特點的道路，建設(shè)北京AIS監(jiān)視總中心，大連等AIS監(jiān)視中心和各VTS水域中的AIS基站若干。AIS基站以燈塔、雷達(dá)站、DGPS站等已有的臺站為參考站址，對于特殊VTS水域中的AIS基站的選取應(yīng)根據(jù)實際情況具體分析。


　　1．1　我國VTS建設(shè)現(xiàn)狀和對建設(shè)AIS基站的影響
　　

　　目前我國共建立了17個VTS系統(tǒng)，41座雷達(dá)站，這些VTS均勻分布在我過的主要港口、長江入口、渤海灣以及珠江口和瓊州海峽，因此，VTS都占據(jù)著重要的地理位置，對保障船舶交通安全、提高船舶運行 的交通效率、保護(hù)水域環(huán)境起到重要的作用；已建成的VTS是以保障船舶交通安全為主，但船舶的交通服務(wù)功能尤其是電子信息服務(wù)功能不足；當(dāng)前VTS的發(fā)展方向是向著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
我國已建成的VTS有幾個共同特征：
　　

　　（1）設(shè)備廠家多，計有英國DECCA、日本沖電器、德國ATLAS、挪威NORC、美國R．D．S、日本FURUN、荷蘭HITT、美國洛克希德馬丁等8家公司。
　　

　　（2）單站居多，存在著互不相關(guān)，不能聯(lián)網(wǎng)，不能為船舶的所有人、經(jīng)營人、代理人進(jìn)行船舶交通信息服務(wù)的要求。
　　

　�。�3）早期建設(shè)的VTS中新設(shè)備陳舊，功能缺乏，現(xiàn)已進(jìn)入更新改造，延伸擴(kuò)建階段。
　　

　　VTS建設(shè)在船舶交通管理中起了重大作用，明顯減少了海上交通事故，其布局在航運的重要位置是合理的。VTS的技術(shù)管理也日趨成熟，組織機(jī)構(gòu)也適應(yīng)海事管理順序，因此，AIS中心與VTS中心同址，在VTS基礎(chǔ)上增加VTS功能，在雷達(dá)站和雷達(dá)站覆蓋之外增加AIS基站，擴(kuò)大船舶交通管理的范圍。所以AIS中心臺站與VTS中心臺站結(jié)合建設(shè)新型船舶交通管理系統(tǒng)。


　　1.2 我國RBN-DGPS建設(shè)現(xiàn)狀和對建設(shè)AIS基站的影響


　　RBN-DGPS播發(fā)臺站在沿海地區(qū)共建設(shè)20座,其播發(fā)臺站是在定向無線電信標(biāo)發(fā)信臺上增加播發(fā)DGPS偽距和距離變化率的校正值，用來提高GPS的定位精度。發(fā)信臺使用海上無線電信標(biāo)頻率（283．5～325 kHz），主載波頻率上播發(fā)指向信號，副載波上播發(fā)校正信號，因此同時播發(fā)指向信號和DGPS校正信號。依照國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）分配給我國的基準(zhǔn)臺和發(fā)信臺識別碼的范圍600～659和600～629。播發(fā)DGPS校正值的電文內(nèi)容與信號格式按照海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會(RTCM-104)推薦的數(shù)據(jù)格式，播發(fā)的技術(shù)要求符合國際電信聯(lián)盟ITU-R823建議。RBH-DGPS播發(fā)臺的技術(shù)要求完全與國際接軌，在我國使用的RBH-DGPS接受機(jī)與世界DGPS通用。經(jīng)嚴(yán)格測定，單個播發(fā)臺站在300 km范圍內(nèi)，95％可信度的定位精度優(yōu)于5 m（2 drms），可以實現(xiàn)精密導(dǎo)航。他在船舶進(jìn)出港、船舶交通管理、航道測量、海洋捕魚、海上救助等領(lǐng)域可以應(yīng)用，此外，在播發(fā)臺附近幾十公里范圍內(nèi)的陸上用戶，提供航道交通監(jiān)控、車 輛導(dǎo)航和跟蹤，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了一定的作用。


　　RBN-DGPS對提高GPS定位精度有明顯作用，在SA取消之后，GPS為民用信號開放了全部精度，也滿足了航標(biāo)工程測量，水道測量以及港口船舶導(dǎo)航的要求，包括精度、完善性等。因此，差分基準(zhǔn)臺使用差分技術(shù)增強(qiáng)本地GPS系統(tǒng)將繼續(xù)推廣下去，今后差分基準(zhǔn)臺適當(dāng)減少播發(fā)的偽距改正數(shù)據(jù)，而增加更多有價值的導(dǎo)航信息。AIS建設(shè)也充分注意到DGPS的變化，適當(dāng)使用DGPS。我國的RBN-DGPS臺站布局合理，充分利用指向標(biāo)站址，在建設(shè)AIS基站也應(yīng)充分利用。


　　1．3　我國VHF-DSC建設(shè)現(xiàn)狀和對建設(shè)AIS基站的影響　　
　　

　　國際海事組織（IMO）發(fā)展GMDSS系統(tǒng)的目的是建立一個有助于海上航行安全的全球性通信網(wǎng)，以最大限度地保障海上人命與財產(chǎn)的安全。GMDSS系統(tǒng)　　包括用于報警的“COSPAS-SRSAT”系統(tǒng)；用于報警和呼叫的“IINMARSAT”、“DSC”系統(tǒng)；用于尋位的“搜救雷達(dá)應(yīng)答器”；用于播發(fā)海上安全信息的“NAVTEX”系統(tǒng)。
　　

　　根據(jù)“1979年國際海上搜尋救助公約”的規(guī)定，為保證發(fā)生在中國沿海的海難事故能夠得到及時有效的救助，我國政府在大連、天津、上海、海口等十幾個港口建立了無線電數(shù)選值班臺（DSC），同時將上海的DSC臺建成了國際值班臺，形成了100～400 nmile沿海的鏈狀覆蓋區(qū)域，提供話音及窄帶直接印字電報等緊急和安全通信及遇險報警功能。
　　

　　雖然GMDSS改變了原始的莫爾斯報通信方式，但由于其使用不方便，日常維護(hù)及通信費用較高，誤報警率較多，其發(fā)展受到很大的制約。雖然公約已明確國際航行船舶必須按要求配備與所航航區(qū)相適應(yīng)的設(shè)備，但因設(shè)備昂貴給船東帶來了極大的負(fù)擔(dān)，如不在技術(shù)上做重大改進(jìn)，其發(fā)展前景不容樂觀。
　　

　　GMDSS的建設(shè)的布局是以海岸電臺為基礎(chǔ)，有些臺站離海邊較遠(yuǎn)，又由于陸上電磁環(huán)境變化，VHF干擾強(qiáng)烈，有效作用距離受影響，現(xiàn)有些臺站遷往海邊。由于技術(shù)條件未建設(shè)遠(yuǎn)程遙控臺站，覆蓋范圍有限；VHF無線電環(huán)境變壞，影響DSC的工作，DSC誤報警嚴(yán)重，這些對AIS臺站和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有益指導(dǎo)。AIS與DSC兼容的必要性更大了，AIS也工作在VHF頻段，對電磁干擾要充分考慮。


　　1．4　我國燈塔、大型航標(biāo)的建設(shè)現(xiàn)狀和對建設(shè)AIS基站的影響　　
　　

　　我國沿海建設(shè)有燈塔和大型航標(biāo)上百座，這些航標(biāo)設(shè)施和燈塔都建在對航行有危險的地方，一般是AIS基站的理想位置，綜合利用設(shè)施的功能。
　　

　　航標(biāo)和燈塔是經(jīng)過歷史考驗的，他們普遍盤踞航道重要位置，多數(shù)在海島或海岸高處臨海的山上，又有良好的站址和基礎(chǔ)設(shè)施，基本沒有人管理，生活條件基本具備，供電也能滿足AIS基站的要求，沒有有線PSTN的地方，移動無線電話（GSM）可能覆蓋。從海上長江口AIS的基站選址看，佘山、大戢山都是理想的基站所在地，所以燈塔為AIS基站站址應(yīng)充分考慮。
　　

　　綜合以上的分析，可以初步提出我國的AIS基站的布局原則：
　　

　�。�1）VTS技術(shù)管理比較成熟，因此，AIS中心和VTS中心同址；
　　

　　（2）一個AIS中心應(yīng)布置多座AIS基站力求覆蓋全海域；
　　

　�。�3）AIS基站設(shè)在濱海臨島的海岸邊沿，力求VHF無線電有效覆蓋在海面；
　　

　�。�4）AIS基站與中心站的網(wǎng)絡(luò)通信，宜采用公用通信手段，順序次為有限通信PSTN；移動無線電話通信（GSM或CDMA）；甚小口徑衛(wèi)星通信、移動衛(wèi)星通信、專用數(shù)字微波通信。
　　

　�。�5）AIS基站應(yīng)為遙控?zé)o人管站，有人值班即可。


　�。�6）AIS基站與現(xiàn)有VTS雷達(dá)站，RBN-DGPS臺站、燈塔或大型航標(biāo)同址。
　　

　　（7）AIS基站因地而異，一般在30～40 km間隔為宜。在江河和港口因電磁兼容等，宜多站設(shè)立，多01重覆蓋。
　　

　�。�8）對我國沿海海岸是否連續(xù)覆蓋、無縫問題，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)航行的要求，我國有些海域或沿岸因水深淺等自然因素影響主要航區(qū)。
　　

　　加強(qiáng)福建、廣東沿海AIS基站建設(shè)，這些地區(qū)由于歷史原因助航設(shè)施欠完善，而是今天經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的區(qū)域，從福建—廈門、廈門—汕頭、汕頭—深圳應(yīng)連續(xù)覆蓋。


　　2　AIS基站天線的選取


　　2．1　AIS的數(shù)據(jù)包格式
　　

　　根據(jù)AIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，AIS中的數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)包傳輸?shù)�，每個幀為1 min，分為2 250個時隙，每個時隙的時間長度為26．7 ms。AIS的數(shù)據(jù)分組格式如下所示：






　　數(shù)據(jù)分組應(yīng)該自左向右，預(yù)設(shè)的分組總長度為256 b，除訓(xùn)練序列以外，這一結(jié)構(gòu)應(yīng)該同普通的HDLC結(jié)構(gòu)完全一樣。采用訓(xùn)練序列是為了對VHF接收機(jī)進(jìn)行同步調(diào)整。訓(xùn)練序列為交替的0、1組成的位組合（0101010101…）。在發(fā)出標(biāo)記之前，應(yīng)先發(fā)射24b的前置碼（除非是32 b的分配需連續(xù)列），但由于通信電路采用NRZI模式，這一組合應(yīng)加以修正。
　　

　　開始標(biāo)記的長度應(yīng)為8 b，由一個標(biāo)識HDLC標(biāo)記組成，其作用為監(jiān)測傳輸分組的開端。HDLC標(biāo)記有一個位組合組成，長度為8 b：01111110（7EH）。該標(biāo)記盡管包含6個連續(xù)位，但不受位填充影響。
　　

　　在預(yù)設(shè)傳輸分組中，數(shù)據(jù)部分長度應(yīng)為168 b。在數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)中對數(shù)據(jù)內(nèi)容未加定義。幀校驗序列（FCS）采用循環(huán)冗余校驗16 b多項式來計算［ISONEC3309∶1993］中所定義的檢查和。在CRC計算開始適應(yīng)將CRC碼元預(yù)設(shè)為1，CRC計算中應(yīng)只包括位填充的數(shù)據(jù)部分。


　　結(jié)束標(biāo)志和開始標(biāo)志的描述一致。
　　

　　緩沖碼的長度為24 b，其用途如表1所示。






　　2．2　AIS系統(tǒng)的最大保護(hù)距離對天線高度的限制
　　

　　12 b的距離延遲是為了提供最大的距離延遲而設(shè)置。AIS信息的傳輸速率為9 600 b／s，可知AIS系統(tǒng)提供的保護(hù)時間Tr為：



　　

　　在AIS的最大保護(hù)距離Rmax范圍內(nèi)，各AIS站臺不會因為傳播時延而造成的交疊干擾，Rmax為我們提供了天線選取的參考數(shù)值，限定了天線的最大高度。2．3　VHF電波傳播特性對天線高度的限制　�。�1）當(dāng)傳播路徑為水面時，可將地面作為光滑球面處理，則按傳播距離將地面劃分為3個區(qū)域：干涉區(qū)、繞射區(qū)、散射區(qū)。當(dāng)視距為r0時，干涉區(qū)一般距離發(fā)射點為（0．6～0．8）r0的范圍內(nèi)，在干涉區(qū)內(nèi)，水面上無障礙物時，船舶在航行的時候場強(qiáng)的瞬時值變化不大。繞射區(qū)一般為視距所對應(yīng)的接收區(qū)的天線所在點左右的（0．2～0．4）r0的范圍以內(nèi)。繞射區(qū)以外的部分為散射區(qū)為發(fā)射臺與接收臺天線（m））。由于電波的繞射作用，
在視距以外的一定范圍，可得到較好的通信效果。這一范圍的大小，與發(fā)射功率、接受機(jī)靈敏度、天線增益，特別是天線高度有關(guān)。


　�。�2）選取天線的時候應(yīng)該考慮系統(tǒng)余量　　VHF調(diào)撥傳輸時，接受機(jī)除接收來自發(fā)射機(jī)的直射波外，還會接收到經(jīng)地球表面不同反射過來的幅度與相位各不相同的反射波。此外建筑物、森林等還會產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，運動中的通信設(shè)備還會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。這些因素使接收機(jī)信號發(fā)生隨機(jī)起伏，即多徑衰落。因此，在選定天線的時候要給系統(tǒng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?br />　　

　　系統(tǒng)總增益SG為：





　　其中：PT為發(fā)射功率；G1為基地臺天線增益；G2為船臺天線增益；Gmin為接收機(jī)靈敏度；Lp為路徑損耗；Ln為噪聲環(huán)境損耗；Lt為發(fā)射設(shè)備損耗；Lr為接收設(shè)備損耗。
　　

　　選取天線的時候，要保證系統(tǒng)余量滿足：


　　SM＞0　　
　　

　　建造基站合理選擇天線很是關(guān)鍵。天線高度不能夠過高，過高有可能收集到VTS水域之外的船舶數(shù)據(jù)，這樣會給VTS水域內(nèi)的容量帶來問題；天線過高會產(chǎn)生時隙重疊問題；天線過高，天線的成本增加；天線也不能過低，過低不能有效覆蓋全部水域。我們力求從多方面考慮來選定天線的高度。


　　3　結(jié)　語
　　

　　本文分析了我國VTS,RBN-DGPS,VHF-DSC臺站和燈塔的現(xiàn)狀和布局，初步討論了我國AIS基站的布局原則；本文還從幾個方面闡述了如何合理的選取基站天線。這些結(jié)果可在構(gòu)建AIS岸—船系統(tǒng)的方案確定和工程設(shè)計中應(yīng)用。



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摘自《現(xiàn)代電子技術(shù)》