基于AIS空间的全球海上交通监控.docx

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基于AIS空间的全球海上交通监控

基于AIS空间的全球海上交通监控

最近，海上交通监控和安全系统引入了船用自动识别系统（AIS）。

在本文中，我们调查了扩展为全球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，开发全球海上监视能力的需要越来越强烈，这源于提高危险货物运输水平，管理走私商品和偷渡人口，增强全球恐怖主义意识。

新型船舶报告系统已被应用到实际中，以此来满足船舶检测、识别和跟踪。

本文探讨最近推出的AIS系统，并使其成为全球海上交通监控系统可能性。

首先，我们给出了现有系统的简要概述；然后，讨论扩展系统覆盖全球空间的可能性。

在得出结论之前，我们将展示系统是如何基于LRIT建立优化空间的。

2AIS系统

在联合国的SOLAS公约里，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，预计到达时间，货物的性质等，每2-10s发送一次船舶报告。

其覆盖范围，通常是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中说明了这个概念。

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）首次提出了基于AIS接收信息的空间可能性。

从那时以后，挪威国防研究院（FFI）表现出基于AIS接收空间的可行性研究，相关的会议已被多次举办。

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）将这一概提交到国际海事组织（IMO）分会上。

3.1一般考虑

在海拔1000千米及以上，标准的AIS接收机可以接收来自空间的AIS的反射信号。

然而，AIS传感器经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海里以内，是采用时分多址（TDMA）算法来避免传输冲突的，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，互相干扰的问题，甚至有些船舶接收不到AIS信息。

图2左图显示了示例高架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系统可以处理不同船舶报告间隔的组织区域内的船舶最大数量。

3.2船舶密度估算

在分析欧洲水域船舶密度表明，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。

3.3船舶航向预测

分析基于空间AIS系统的船舶检测概率，其中包括计算机模拟系统观测模型的发展，以及船舶检测概率分析方程的推导。

假设这艘船探测概率为P，作为一个近似估算值，其值可以表示为

Ntot是观测区域内船舶总数，

是船舶报告间隔，Tobs是观察时间（系统开始监测观察区域的时刻），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间段内发送的信息受到船舶和AIS传感器之间传输路径长度的影响。

在高度1000千米AIS传感器水平覆盖范围内，重叠因子是s=0.6992。

表达式

（1）为所有高海拔AIS传感器重叠因子估计式。

图3显示了不同观测时间内船舶数量探测概率函数，报告间隔

，卫星高度Hsat=1000千米。

图3报告间隔T=6s，不同观测时间内船舶数量探测概率函数

3.4卫星平台

使用小型全向天线的标准AIS接收器可以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，这样的卫星星座可用于全球海上交通监控。

3.5系统参数

高度1000千米的卫星覆盖范围内（观测时间=15分钟）可以处理多达900艘船舶，比一般视野的船舶探测概率高99%，见图3。

连续覆盖观测全球的卫星（每天24小时观察时间）可以处理1300多艘船舶，其信息更新速度每小时一次（1h观察时间），如果数量增加到2100艘，信息更新速度每天一次（24小时观察时间）。

表1列出了系统性能。

表1基于AIS空间系统的系统性能

3.6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。

然而，据估计载有AIS的6200艘船在欧洲水域检测概率下降为零。

此问题的解决方案是使用一个定向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天线可以增加覆盖区域。

4远程监控的AIS优化

在国际上，对全球海上监视能力的需求日益增长，国际海事组织讨论了目前全球LRIT系统的新标准。

AIS系统可以为沿海地区以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。

然而，这种报告并不是强制性的。

FFI分析表明，AIS系统的存在可以优化评估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提出了这个概念，2005年的Eurisy为海事用户服务新空间研讨会也提出了这个概念。

4.1远程监控框架

符合79年国际海事组织海上安全委员会建议，以下建议是基于现有AIS系统尽可能符合有效LRIT服务：

（1）对于远程监控（LRIT）的独立甚高频通道；

（2）LRIT短消息：

识别码和位置（误差±185m）；

（3）船舶顺次报告分钟间隔（3分钟）；

（4）超出基站传输范围LRIT链通道的船舶。

建议的修改都可以通过软件来实现，不需要在船只上安装任何额外的设备。

使用具有LRIT短消息的独立LRIT通道，长时间船舶报告间隔的干扰问题。

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。

4.2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基站的优化。

在欧洲建立基站是分析船舶密度和确立计划，表明1000千米高度的AIS传感器可能会监测到2600多艘船只，这样就超出基站链的视野范围，此时AIS在相同地区监测船舶总数量达到6200多艘。

4.3船舶探测概率

分析表明对于不同视野内最大数量的船只，船舶报告间隔和观察时间有了优化。

表达式

（1）是根据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=0。

虽然这种情况下，短消息是足够短，来自于观察区域不同部分船舶之间不会在相邻时隙上发生消息重叠。

优化的目的就是一直保持观察时间尽可能短，同时保持船舶检测概率为99%，在表2中给出了总结结果。

表2卫星覆盖范围内船舶探测概率99%的不同数量船舶报告间隔和观测时间

由表2可知，如果我们在系统规模内同时处理3000多艘船只，使用LRIT短消息报告间隔设置为

分钟，使用标准AIS信息

分钟，相应的观测时间分别设置为15分钟和30分钟。

同样地，如果我们在系统规模内同时处理7000多艘船只，使用LRIT短消息报告间隔设置为

分钟，使用标准AIS信息

分钟，相应的观测时间分别设置为40分钟和60分钟。

如果有需要，系统可以优化处理更高数量的船只，但这将需要更长的船舶报告时间间隔和更长的观测时间。

图4显示了4种情况下船舶的检测概率曲线。

图4船舶检测概率曲线优化，数量3000艘（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

4.4卫星星座

处在1000千米高度的卫星每天能够为船舶提供4—14次信息，并取决于轨道倾角和纬度。

分析表明，一个星座的四颗卫星分布在四个轨道上，轨道平面的倾角为58◦，相位因子是2。

如果使用LRIT短消息功能，船舶的信息更新速度可以达到每小时一次，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。

如果用八颗卫星代替现用的四颗卫星，则传输信息更新速度每小时会增加两倍。

此时，全球连续覆盖的卫星给出的船舶信息更新速度高达每小时四次。

图5高度1000千米的沃克星座轨道覆盖范围

4.5系统性能

针对四种不同的情况，分别评价了四个沃克卫星星座的系统性能，其结果列在表3中。

在4.1的远程监控（LRIT）系统中，建议船舶信息更新速度每小时一次。

如果使用标准的AIS信息，那么每隔四个小时更新速率将会减少，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%的船舶

4.6探讨

使用单独的甚高频频道和LRIT系统，大船基于卫星收到间隔报告信息数量在减少，而该船的检测概率增加。

基站链范围之外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，如果全球网络分享来自此基站的信息链，对于LRIT系统是可接受的解决方案。

通过发送只包含识别码和船位的LRIT短消息来代替标准AIS信息，卫星接收部分信息的重叠概率会减少，从而增加了船舶检测概率。

对于LRIT系统而言，共享来自船舶登记部门和全球网络基站链的信息，在细节能够被获取的情况下，船舶识别码和位置信息应该要足够地详细。

4.7总结

基于前面的分析，我们提出了远程监控（LRIT）概念，它使用了独立的甚高频通道传输船舶报告间隔位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

5结论

我们可以看出，最近推出的AIS系统可以扩展到全球海上监视空间。

在船舶低密度地区，AIS卫星的星座可以每小时提供一次信息，但是，在密集地区性能将显著下降。

基于现有AIS系统可以提出LRIT的新标准，以此来解决这个问题。

这样，系统会给全球覆盖的船舶提供每小时1-4次信息更新。

图6显示了现有AIS系统和LRIT系统基于船只数量与探测概率曲线到关系。

图6LRIT系统船舶探测概率曲线与AIS系统相应的曲线