卫星移动通信系统的船舶AIS研究-精品文档.docx

卫星移动通信系统的船舶AIS研究摘要：船舶自动识别系统AIS属于海上交通安全体系的重要组成部分，它能自动对船舶信息和航行信息进行交互并上报交管部门。“天通一号是我国自主研制的卫星移动通信系统，具有成本低、保密性强、覆盖范围广等优点。通过卫星移动系统把AIS系统数据进行转发，能够有效增加AIS传输距离，减少覆盖盲区，服务海上安全监管。关键词：天通一号；AIS；卫星移动通信；自动识别系统随着经济的发展，世界船舶数量的增加，水道越来越拥挤，海损事故时有发生。各国主管部门建立了船舶交管系统VTS、船舶自动识别系统AIS、船舶远程识别与跟踪系统LRIT等海上交通安全系统。其中，船舶AIS由配合北斗/GPS定位系统，把舰船位置、航行速度、航向等船只动态信息以及船名、呼号、吃水等静态信息通过甚高频进行广播，使得岸站和周围船舶能够把握附近所有船只信息，在邻近时及时避让，进而保障船舶航行安全。根据国际海事组织要求，所有300t以上国际航向船舶、500t以上非国际航向船舶以及所有客船都要求配备一台AIS设备。“天通一号是我国自行研制的第一颗卫星移动通信系统，于2016年成功发射，估计2017年系统投入商业运营。系统具备短信、语音和数据通信功能，具有成本低、保密性强、覆盖范围广等优点。本文设计一款基于“天通一号对AIS数据进行转发的系统，能够监控区域覆盖AIS基站的盲区，为我国海上安全监管提供帮助。2AIS系统介绍船舶和航行管理部门需要及时了解船舶的航行状态、船舶类型等信息，以便于采取适当措施，保证海上航行安全，包含海洋环境。安装了AIS系统的船舶能够周期性广播船舶信息，实现船舶的自动识别。AIS广播4类信息：1船舶静态信息，包括海上移动业务识别MMSI、船名和呼号、船长和船宽、船舶总吨、船舶类型和天线安装位置。2船舶动态信息，包括船位、船舶航向和航速、船首向、航行状态机转向角度。3与航行有关的信息，包括船舶吃水、危险品、目的地、估计到达时间和航行计划。4与安全有关的信息，包括航行警告等。船舶在能见度低的情况下，雷达是主要避免碰撞的手段，但是岛屿遮挡等情况会使得雷达覆盖不完好而影响目的识别和跟踪。AIS系统能够通过无线信号广播来传输船舶信息和航行状态，包括船舶识别码、呼号、转向灯，这样能够防止船舶相遇时由于没有预先发现或者语音不通无法协调而引起误解，能够有效避免船舶碰撞。AIS作为一种自组织无线通信系统，具有较强的开放互联和兼容性，能够实现通过基站组网，可以以通过陆地公众网、卫星通信网互联，构成全国性网络，有效实现海上交管部门对船只的监视、识别、通信等需求。3“天通一号卫星移动通信系统介绍“天通一号是我国自主研发的首个卫星移动通信系统。“天通一号卫星是地球同步轨道卫星，在2016年8月成功发射。整个卫星通信系统估计将于2018年投入使用，能够为我国领土范围及周边海域提供短信、语音和数据通信手段，填补我国移动卫星通信空白。相对于国外移动卫星通信系统，具有下面特点：1自主系统，安全可靠天通系统是我国独立研制的卫星移动通信系统，国内厂家进行研制、把握全部知识产权并自主运营，合适涉及到国家安全和海洋监控管理部门使用。2成本低不同于国外盈利为目的的商业运营公司，天通系统服务于我国以及周边海域，资费估计只要国外同类卫星移动通信系统一半左右，极大降低了用户的使用成本，有利于船舶用户的大面积推广使用。3自主知识产权系统，可定制开发天通系统从芯片到终端都是国内厂商自主研发，国家科技重大专项也投入经费进行重点扶持。终端能够根据用户特殊需求进行不同类型的终端产品定制开发。可构建船舶卫星通信虚拟专网，合适海监、船舶报告中心等部门大范围内进行船舶数据采集和监控管理的数据传输需求。4通信定位一体化终端具备卫星移动通信和北斗定位功能，能够为用户提供通信和位置服务，可提供高精度授时等功能。4应用天通系统的船舶AIS设计4.1“天通一号卫星移动通信系统船舶AIS应用总体设计随着信息技术的发展，物联网技术正在快速发展。通过卫星通信技术，把分散在全球各地船舶的VTS、AIS、水文气象传感器等数据进行会聚、处理、分析和转发，能够构建智能海上交通管理系统，解决海上信息孤岛问题。例如，港口业务人员能够提早得到即将入港船舶信息，并进行提早科学、高效的规划。运输部门能够把握船舶货物类型、集装箱和旅客情况，合理组织船舶交通秩序，安排码头作业和货物综合物流运输。交管部门能够得到全国船舶实时信息，在台风到来前及时通知船舶进行躲避，在舰船遇难时能够通知周围船只进行营救。船舶远洋航行时距离陆地较远，卫星通信是主要的数据传输方式。天通系统船载终端能够提供实时双向数据传输，对AIS数据进行传输。基于天通系统的AIS应用系统包括船载卫星AIS终端、天通卫星、岸上处理中心等组成。岸上处理中心对收到的船舶信息根据用户和监管部门需求，能够送给中国船舶报告中心、船舶调度信息系统、航运公司信息网、港口信息网等机构和部门。其中，岸上处理中心为用户提供语音、短信服务、数据传送、远程测控以及各类信息增值服务的机构。对于海洋船舶用户而言，能够通过天通运营服务中心进行语音、数据通信、短信通信服务，还能够基于天通数据功能开发专用服务软件。应用服务功能包括：1基本应用：电子海图显示及控制、船舶监控、船舶搜索、船舶定位、轨迹回放、短消息收发、调取船位等功能的服务。2高级应用：在线离线船舶统计、港内港外船舶统计、电子海图下载等功能的服务。3告警及安全应用：船舶预警、船舶报警、报警处理、搜救救助、指挥调度功能的服务。4灾祸应用：台风、海浪等气象和海况信息，并能提供预警信息播发等灾祸应用服务。5视频应用：可调用渔船渔港视频监控系统实现视频监控服务，进行视频通话。6增值服务：向船舶经营者提供机器运转情况、燃油消耗统计、渔汛信息等交易信息和物流运输信息服务。4.2船舶卫星AIS终端设计船舶卫星AIS终端包括船舶设备通用接口、AIS信息处理器、卫星移动通信模块、VHF收发机、信息显示器和按键等。其中，船舶设备通用接口单元采集其他船舶设备信息，包括陀螺罗经、自动雷达标绘仪ARPA、电子海图显示与信息系统ECDIS、船载航行数据记录仪VDR和计程仪等。AIS信息处理器对采集到的各种信息和AIS数据进行分类、过滤、压缩等处理，这样能够减少数据传输量、降低通信成本。操作显示单元采用安卓智能操作系统，实现对AIS信息进行查看、显示海图、拨打卫星电话、发短信等功能。航行记录仪类似于黑匣子，能够记录日期、时间、船位、船速、航行、驾驶台声音、通信声音、雷达数据、告警信号、舵命令和响应、轮机命令和响应、深度信号、船体开口情况、水密门和防火门状态等15个方面数据，用于事故发生后确定事故原因。卫星移动通信单元包括卫星射频处理单元、基带处理单元、USIM卡、存储单元、晶振、电源管理单元等，完成卫星移动通信功能，能够与岸上处理中心进行语音、短信和数据业务的传输。卫星移动通信单元对外接口包括UART、电源、USIM、PCM、SDMMC、JTAG、状态指示等。其中，UART完成与信息处理单元的通信和数据业务传输，PCM作为语音传输接口。模块采用四线睡眠唤醒机制，在没有业务时，功耗能够控制在20mW以内。当有业务需要通信时信息处理单元唤醒卫星模块，模块进入工作形式。电源管理负责卫星模块以及卫星天线的电压转换，采用低功耗措施，把不需要运行的功能模块电源关闭，同时智能调节处理器运行频率，降低设备功耗。卫星天线采用宽波束天线，实现S移动信号接收和发射。经过仿真，天线在±60°时增益大于0dBi。天线仿真如图4所示。卫星天线、DB/GPS天线和AIS天线集成在一起，应安装在舱外空旷位置，不要安装在工作甲板周围的护栏杆附近，最好高出船舶其他物体的顶部，十分是金属物体对与卫星天线仰角方向的遮挡角不宜大于10°。卫星通信天线安装位置也应避开船舶雷达天线的直接照射。AIS终端使用自组织时分多址SOTDMA技术，所有AIS台站在本次发射中指定下一次发射时隙，发射时隙随机选择作为候选时隙的空隙，工作在VHF频段。为了保证可靠性，使用161.975MHz和162.025MHz。终端两个接收机分别工作在这两个频率上，而发射机在两个频率上轮流发射，传输速率为9.6kbit/s，调制方式采用最小移频键控MSK。AIS与雷达目的信息进行时空校准、航迹关联和航迹融合处理，能够得到最接近真实航行数据的融合航迹。操作显示单元主要由输入菜单、输出系统和信息处理系统3部分组成。输入菜单主要包括船舶信息、航行信息、日志维护、港口信息等；输出系统包括数据备份、数据导入、打印等；信息处理作为处理软件运行后台。软件采用安卓操作系统，应用软件具有可扩展性，用户能够安装和使用基于互联网数据业务的微信、收发E-mail等应用软件。5结束语天通卫星移动通信系统是我国自主知识产权的卫星通信系统，船舶卫星AIS终端把AIS信息通过卫星信道进行传输，具有使用方便、保密性强、费用低等特点，为船舶管理部门提供了一个较好的解决方案。本文结合船舶AIS和天通卫星移动通信的特点，设计了一套船舶AIS监控系统，能够有效增加AIS传输距离，减少覆盖盲区，服务海上安全监管。