自动识别系统消息的卫星检测.docx
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自动识别系统消息的卫星检测
ITU-RM.2084报告*
自动识别系统消息的卫星检测
（2006年）
1引言
为了保障海上安全和提高导航效率以及为了帮助保护海上的环境，1990年代初期，国际导航和灯塔当局海上设备联合会（IALA）首先提出了开发通用的船舶用系统的提案。
在那个提案以后，为了有助于达到这些目标，国际海事组织（IMO）、国际电信联盟（ITU）和国际电工委员会（IEC）采用了一种新的导航系统。
该系统现在称为自动识别系统（AIS）。
AIS的主要目的是便于在船舶之间和在船舶电台和海岸电台之间有效地交换导航数据，以便显著改善导航安全和促进改善海上事件的控制和监测。
现在的AIS系统采用时分多址技术（TDMA），ITU-RM.1371建议书详尽地描述了在VHF水上移动频带中工作的AIS系统的技术特性。
正如在该建议书中所描述的那样，设计AIS是为了自主地工作和为了在20到30海里（NM）（27-56km）的范围内，主要使用自己组织的TDMA形式，自动在船舶、海岸电台和导航设备之间自动交换短消息。
消息包含诸如船舶标识、位置、路线和速度这类数据。
根据海上生命安全国际公约（SOLAS）的要求，对于从事国际航行的300英吨或更大的所有船舶而言，安装和使用AIS是强制性的要求。
到2008年，从事国内航行的500英吨及更大的船舶也必须配备AIS。
为这一强制性的对运载器具的要求所设计的AIS设备称为A类单元。
一种称为B类单元的功率较低的用于自愿的对运载器具要求的设备目前正在进行研制。
自从引入AIS以后，AIS已经证明它很成功地满足了由IALA所设定的最初目标。
现在，对侦测和跟踪在离海岸线比通常的地面通信能够达到的更远距离上的船舶的能力的需求已经改变。
诸如更好地处理危险货物、改善安全性和对付非法行动这类长距离应用的要求提出了必须在离海岸200海里（370km）或更长的距离上，侦测正在开过来的船舶。
本报告提出AIS卫星侦测作为实现远距离船舶侦测的一个手段。
本报告讨论了它的技术可行性、考查了在各种各样的条件下的卫星容量和探讨了几种可以提高卫星容量的方法。
本文件的其余部分编辑成如下8个小节：
AIS的工作和技术特性，AIS卫星侦测概述，链路预算分析，系统内部干扰分析（只有A类、A类和B类混在一起和不均匀的船舶分布），与现有的移动通信系统的兼容性，改善性能和频率共用的技术和结束语。
2船用AIS的工作和技术特性
为了帮助功能上描述和理解卫星AIS侦测的特性，在下一节中按照ITU-RM.1371建议书中的描述，对普通的地面AIS的基本特性作了综述。
AIS功能是作为一个船舶到船舶、船舶到海岸的通信系统。
在该系统中，装备了AIS的船舶定期发射固定长度的TDMA短消息，包括诸如标识、位置、路线、速度和其它状态信息那类数据。
相关的船舶电台和海岸电台上的AIS接收机侦测来自所有附近的船舶的这一消息，从而，提供了本地环境的一个综合图像，以补充雷达和其它导航设备的信息。
TDMA信号的结构是以一个分成2250个时隙的一分钟的帧为基础的，通常每条消息占用一个时隙。
在正常模式下，这些识别消息在已经为这一用途所指定的两个VHF海事通信频道上定期轮流发射。
从船上的电子定位固定业务得到船舶的位置。
从装在AIS电台内的GNSS接收机得到TDMA定时信号。
在有两个通信频道的情况下，AIS总容量为每分钟4500条一个时隙的消息。
AIS是根据称为自组形式TDMA的多址方案进行设计的。
在这一技术中，该系统的功能和在固定指配的TDMA方案中的典型功能一样，没有中心TDMA控制器。
通过连续地检测出本地环境中的AIS信号和“通报”它的下一个想要发射的时隙的方法，实现在本地环境中所有参与的船舶的协调，并将在使用一给定的时隙时发生冲突的可能性减至最小。
对某些类型的消息，也使用其它TDMA接入方案。
表1汇总了AIS的射频（RF）和数据的技术参数。
正如在该表中所描述的那样，基本的消息长度为256比特，其中最后24比特用作缓存器，以适应传播和中继的时延、定时抖动和由比特填充所产生的额外比特。
通常，最后20比特的位置是空闲的。
要安装在装备了AIS的船舶上的天线的特性和相关的传输线的参数在基本的ITU建议书中没有规定，但是这里为了更完整地规定AIS的特性，把它们加上了。
实际上，一般使用两种类型的天线，即1/2l的偶极子和5/8l的端馈单极天线，其增益范围从2dBi到4.5dBi。
在这一研究中，为了有裕量，假设1/2l偶极子的最大增益为2dBi，俯仰面内的增益图案呈简单的余弦平方形。
传输线的类型和长度随安装条件而变化。
本文中，假设电缆加上与AIS船舶发射机相关的其它各种损耗按3dB来计算。
表2表示出默认的数据包的比特结构。
表1
船舶AIS的技术参数纵览
AIS参数
数 值
频率
161.975和162.025MHz
信道带宽
25kHz
平台
A类船舶、B类船舶、海岸电台、导航设备
功率
12.5W（A类）；2W（B类）
天线类型
（1）
1/2l偶极子
天线增益
（1）
2dBi，俯仰面内方向图余弦平方形最小增益=−10dBi
电缆损耗
（1）
3dB（估计值）
表1（完）
AIS参数
数 值
接收机灵敏度
−107dBm（误包率（PER）20%）（最小）
−109dBm（误包率≤20%）（典型值）
调制
9600比特GMSK
多址模式
TDMA（自组型、随机、固定和递增的）
TDMA帧长度
1分钟；2250个时隙
TDMA时隙长度
26.7ms；256比特（见表2）
消息类型
22种类型
消息长度
1到5时隙，1时隙是主要类型
消息的定期间隔
2秒到6分钟发射间隔（见表3）
要求的D/U保护比
在PER=20%
（2）的条件下，10dB
（1）ITU-RM.1371建议书中未规定的典型参数。
（2）IEC61993-2中所规定的参数。
表2
默认的数据包比特结构
功率上升时间
8比特
训练序列
24比特
为同步所必需的
开始标志
8比特
数据
168比特
默认长度
循环冗余码
16比特
为误码检测所必需
结束标志
8比特
缓存
24比特（通常，最后20比特是空闲的）
为适应比特填充、传播和中继时延和抖动所必需
总数
256比特
为了适应由AIS所要实现的各种不同的功能，标准中规定了22种消息类型。
可以将它们分组为四类：
动态、静态和航行、安全和管理以及数据。
动态消息是定期发送的，它构成AIS环境中最大量的业务流量。
一个关键的变量是不同的平台发送这些定期消息的速率。
在标准中，对几种平台规定了报告的时间间隔的范围，它取决于船舶的动态情况，如速度和路线。
表3汇总了不同类型平台的消息报告时间间隔。
正如后面将要看到的那样，消息报告的时间间隔在AIS的卫星侦测性能中起重要的作用。
正如表3中所看到的那样，A类船舶的报告时间间隔变化范围相当大，从每2秒钟到每3分钟，取决于船舶的动态的情况。
为了确定A类船舶的长期平均发送间隔时间，对各种不同的动态情况下的船舶分布必须有一个估计。
表4列出了状态分类、它们相应的报告间隔时间和在任何给定时间上在每一类中船舶的百分数的估计值。
根据这一数据，确定有关报告时间间隔的总的估计值。
表3
AIS消息的报告时间间隔
AIS平台
报告时间间隔
动态信息：
海岸电台
3
到10秒钟（标称10秒）
A类船舶
2秒到3分钟间隔（平均约7秒钟）（见表4）
B类船舶
5秒到3分钟间隔（标称30秒）
搜索和营救飞机
10秒间隔
导航帮助
3分钟间隔
静态和航行信息
6分钟间隔
安全和管理消息
按需要
数据消息
按需要
表4
A类船上移动设备报告时间间隔
船舶的动态条件
标称报告时间间隔
总百分数
抛锚或停泊和不快于3节移动速度的船舶
3分钟
28
抛锚或停泊和快于3节移动速度的船舶
10秒
船舶0-14节
10秒
30
船舶0-14节和正在改变路线
3
秒
12
船舶14-23节
6秒
30
船舶14-23节和正在改变路线
2秒
船舶-23节
2秒
船舶-23节和正在改变路线
2秒
所有船舶的平均值
～7秒间隔
3AIS的卫星侦测
为了接收和解码AIS消息并将所得到的信息通过卫星的馈送链路转发给适当位置的地球站，理论上，AIS的卫星侦测将要涉及使用一个或多个在低地球轨道（LEO）中的卫星。
低地球轨道卫星的典型高度范围为600-1000km。
现在能够工作的卫星AIS侦测系统现在还没有投入使用，并且还没有规定这样一个系统的工作和技术参数。
因而，对这里的用途，有必要假设各个合理的和技术上有可能达到的参数。
最初的一个示范系统将由一个在高度为950km的极地轨道中的单个（LEO）卫星组成。
对后来的工作系统，可以想象将使用一个相当小的LEO卫星的星座，因而，一个给定的船舶位置的卫星覆盖将不是连续的。
全球覆盖和使用数量适中的地球站迫使人们必须对接收到的AIS数据有必要使用存储和前转技术。
然而，为了侦测和监视离海岸达数千海里的船舶，地球上大的卫星覆盖区将使得在可以见到卫星的时间期间有可能实时下载数据。
有几个关键的技术因素将卫星AIS侦测与普通的船舶到船舶和船舶到海岸的AIS侦测区分开来，特别是接收机灵敏度、天线增益辐射图和可靠性要求等因素。
AIS船用接收机所报告的测出的数据表明，市场上销售的接收机灵敏度通常比在AIS规范中所要求的接收机灵敏度要更高。
使用低噪声放大器（LNA）和最佳检测方案，有可能进一步提高AIS卫星接收机的灵敏度。
但是，为了适应高达约±3.5kHz的多普勒频移，带宽必须大于最佳接收机带宽，这样就抵消了这些改善。
考虑了这些因素以后，对AIS卫星接收机，这里使用的接收机灵敏度的底线是误包率1%时−118dBm和误包率20%时−120dBm。
最初的卫星系统将使用宽射束卫星天线。
在LEO卫星上使用的宽射束天线通常可以分为两大类。
普遍使用的一个类型是峰值增益全方向朝地平线方向，而朝星下点方向有比较低的增益的天线。
用这种天线，天线增益随偏轴角的变化部分补偿了传播损耗的变化，从而导致当偏轴角改变时，信号电平的变化比较少。
另一类天线是更常规的类型，朝星下点方向增益最大。
为了进行这一研究，假设后面那种天线的峰值增益为6dBi，−3dB射束宽度为100°。
而主瓣增益图，这里使用在ITU-R研究中经常使用的如下模型：
G（q）=GMB−12（q/q3dB）2
其中：
G（q）：
在偏轴角q（度）方向上的卫星天线增益（dBi）
GMB：
卫星天线的主射束增益（dBi）
q3dB：
卫星天线的−3dB射束宽度（度）
AIS卫星侦测的性能要求与地面上的类似设备也有很大差别。
与大多数通信系统类似，普通的AIS目的在于以中等的直到高的可靠性，成功地接收和解码大多数相关的所发射的消息。
为了使用AIS卫星侦测来监视船舶，不需要高的通信可靠性。
对离海岸数百海里以内的船舶来说，每小时更新一次船舶的位置可能已满足要求了，而对于更远的海洋中的船舶而言，每四小时或者甚至每十二小时更新一次位置可能就足够了。
正如我们后面将要看到的那样，系统内部的干扰会导致所接收到的AIS船舶消息有很大的百分比被丢失掉。
例如，在单次卫星在上面通过的情况下，可能会丢失多达99%或更多的AIS船舶消息，但是仍然可以达到在定期的基础上更新船舶位置的目标。
为了达到每12小时更新一次船舶位置的目标，在这段时间内，只需要从一给定的船舶所接收到的360条消息中能成功地解码一条消息（约0.3%）就足够了。
后面更详尽地解释这一问题。
已经指定作为水上移动业务内供地面AIS侦测功能用的频道的两个频率不是按专用来划分的。
更确切地说，在全世界各个不同的地区，将这些频道和相邻的频道划分给其它移动业务的应用使用，包括水上移动业务中的VHF公共通信电台（VPCS）和陆地移动无线电系统。
与一般的地面AIS系统不一样，地面AIS系统可以通过地理上分隔开的方法与其它同频的发射机共存，而卫星天线射束覆盖相当大的地理区域，因而同时接收到由多个AIS船舶发射机以及在内陆上运行的移动系统的发射信号。
卫星AIS必须能够在有来自现有业务产生的干扰环境中正常地工作。
在§9中，研究分析了卫星AIS在有现有业务工作时的性能。
表5考虑了上面的讨论，综合了这一研究中所使用的AIS卫星的特性。
表5
假设的AIS卫星链路的特性
AIS卫星参数
数值
卫星
星座
1到6颗卫星
高度（km）
950
倾角（度）
82.5
周期（分钟）
104
地球覆盖区
半径3281km（在水平面上）
天线
增益（GMB）（dBi）
6
射束宽度（q3dB）（度）
100
辐射图
GMB−12（q/q3dB）2
极化
接近圆极化
圆极化到线极化的变换损耗（dB）
3
接收机
在LNA输入端上的噪声系数（dB）
3
BER=10−5时要求的Eb/N0（dB）
13（包括实现损耗）
在LNA前的线路/滤波器损耗（dB）
2.5
在LNA上的灵敏度（dBm）
误包率（PER）1%时，−118
误包率20%时，−120
保护比（对同频道、同时发生的信号）（dB）
PER1%时15
PER20%时10
所希望的船舶位置更新周期
单个卫星通过，4小时和12小时
4链路预算分析
任何卫星通信系统的最基本的性能量度标准之一是链路预算。
对于正在研究的情况，它由计算在卫星上所接收到的来自一艘船舶的信号功率和与卫星的灵敏度进行比较两部分组成。
若接收到的功率超过灵敏度，即有正的余量，则能够实现成功的通信。
使用这里前面规定的AIS船舶发射机和AIS卫星接收机的参数，为AIS船舶到卫星的路径拟定链路预算。
表6描述了可用于侦测从A类船舶来的AIS消息的几何参数和功率计算。
表6
在最远距离上的船舶到卫星的链路预算
参数
数值
几何参数
卫星高度（km）
950
最小发射仰角（度）
0
卫星天线偏轴角（度）
60.5
最大倾斜距离（km）
3606
最大表面距离（km）
3281
功率
发射功率（dBm）
41.0
发射增益（dBi）
2.0
发射电缆和各种各样的损耗（dB）
3.0
在最大距离上的自由空间传播损耗（dB）
147.8
极化失配损耗（dB）
3.0
在地平线上的卫星天线增益（dBi）
1.6
卫星射频线路或滤波器的损耗（dB）
2.5
卫星上接收到的功率（dBm）
−111.7
PER20%时卫星的灵敏度（dBm）
−120.0
净余量（dB）
8.3
曾经更详尽地研究过的一个因素是船舶天线在很低发射角上的传播损耗。
对大多数卫星通信系统而言，在考虑技术因素如衰落和/或规章限制的条件下，通常对地球终端处的地平线以上的某些最小仰角，如3°或5°来设计该系统。
对现在的研究而言，发现这些因素不可能应用于VHF地球到卫星的在海水上面的传播。
使用为地球到卫星传播损耗预测所设计的无线传播模型，得到了图1所示的曲线，它表示了对在高度950km上的卫星所估计的中值传播曲线1。
该曲线是根据平均海上温带气象条件和海洋状态条件求得的。
所得到的数据的正弦形结构是由于从水面来的反射路径的同相和反相相加引起的信号周期性地增强和衰落所产生的。
正如从该数据中所看到的那样，名义上的自由空间传播条件应用于直到光学地平线的所有路线，传播损耗在2dB以内，超过光学地平线的距离以外，传播损耗快速增加。
为了描述净余量与从地球上的星下点到地平线的距离之间的关系，图2根据在表5中所导出的结果作了推广。
对这一计算，将自由空间传播应用于地球上的地平线，但不包含前面所表示的同相/反相的衰落结构。
正好在卫星下面的局部零点是由于在AIS船舶天线所使用的偶极子天线的天线增益中的零点造成的。
因为B类船舶的链路预算技术参数除了功率降低以外，基本上与A类船舶相同，所以，也显示了一条平行曲线，代表卫星上接收B类船舶信号的余量。
图1
在162MHz上海水上面的地球到卫星的传播损耗
（卫星在高度950km）
图2
船舶到卫星的链路余量与离星下点的地球表面距离的关系
从这些结果可以得出结论，在卫星覆盖区以内的大多数船舶位置上，卫星侦测和解码A类和B类船舶的AIS信号都有足够的链路余量。
5系统内部干扰分析（仅A类）
虽然链路预算表明了在卫星覆盖区内的任何地方，侦测A类船舶的AIS消息有足够的链路余量，但是由于系统内部的干扰，对系统的侦测性能产生了相当大的限制。
在随后的讨论中，描述了三种定量确定由系统内部干扰引起的对系统性能的限制方法。
5.1分析法
正如前面所描述的那样，用于AIS自己组织的TDMA（SOTDMA）方案保证了时隙使用的协调性，所以，在一给定的局部地理区域内，在船上单元和岸上单元之间，发生时隙冲突的可能性减至最小。
对AIS卫星侦测来说，就不是这样的情况。
在天线射束以内，卫星看到许多这样的局部区域。
既然一般在各局部之间没有进行协调，在卫星所接收到的许多信号之间，将出现时隙碰撞。
当发生一次时隙碰撞时，取决于它们的相对功率电平，两条消息都可能被丢失。
随着这些时隙碰撞出现概率的增加，成功地侦测和解码一给定船舶的AIS消息的概率将下降。
用单个有用的AIS消息（D）和一个或多个无用的AIS消息（U）可以对这些时隙碰撞进行研究。
只要出现时隙碰撞和综合的D/U功率比小于10dB，将导致那些消息丢失。
开始我们只考虑A类船舶，图2表明了接收到的最大AIS信号与接收到的最小AIS信号之比将为9dB左右。
因而，对发生的任何时隙碰撞而言，D/U将不能够达到所要求的10dB的值，从而导致大多数数据包丢失。
后面将描述一些有可能减少包丢失的潜在的接收机处理技术。
在某些条件下，在时隙碰撞期间，将发生丢失两个数据包。
图3对这一情况作了说明。
在该图中，外圆代表地球表面上的覆盖区，而圆心是正好在卫星下面的点。
小得多的黑色区域代表局部的AIS协调区。
我们考虑一下来自位于该局部地区内的一艘船舶的消息的接收情况。
由于SOTDMA的结构，来自位于同一局部地区的其它船舶的AIS消息将同时进行协调，所以，无论是当地还是在AIS卫星接收机上，将都不会发生时隙碰撞。
但是，在比较大的阴影区内的位于该局部地区以外的船舶的消息将没有进行协调，因而将导致随机出现时隙碰撞和丢失一定百分比的有用消息。
在这一区域内，只要从不同的船舶位置到卫星的传播时延的差值小于2ms左右，GPS定时同步保证了时隙将有效地对齐和只有一个时隙受影响。
2ms的时延相当于在AIS消息的末尾的20个空闲比特位置。
在阴影区以外的区域中，该区域由有界白色区域所代表，到卫星的传播时延差比较大将导致时隙的重叠和造成丢失两个时隙。
若我们只研究A类船舶，并假设在卫星的可见域内船舶的地理分布是均匀的这一理想化的状况，则可以用简单的分析法来计算与这种形式的系统内部干扰相联系的统计数据。
图3
时隙碰撞区的说明
首先，我们考虑一下最明显的情况，即卫星上正在接收来自一给定的船舶的单条消息并且在该环境中只有一艘其它的船舶。
数据包碰撞的概率和成功侦测的概率由下式求出：
Q1,1=k*DC/2
P1,1=1−（k*DC）/2
P1,1=1−（k*（t/DT）/2）
其中：
Q1,1：
时隙碰撞的概率（从船舶1来的有用消息；从另一艘船舶来的周期性的无用消息）
P1,1：
至少有一次不发生碰撞成功侦测的概率（1条有用消息；从另一艘船舶来的周期性的无用消息）
DC：
无用船舶消息的发射占空因数
k：
0，1或2代表来自位于区0，1或2的船舶的干扰信息
DT：
消息发射平均间隔时间（s）
t：
消息长度（0.0267s）。
上面方程中包含因子2是考虑了AIS船舶消息在两个AIS频率之间交替发送这一事实。
作为一个例子，使用DT为7s和从区域2来的竞争的船舶消息，就得到：
P1,1=99.6%
将这一例子推广到卫星上正在接收来自一给定船舶的单个消息，而且在该环境中有N艘船舶的情况，成功侦测到信号不发生碰撞的概率由下式求出：
P1,N=（P1,1）N−1
一般情况下，在卫星可视周期期间，一给定的船舶发射M条消息，则在卫星可视周期期间至少成功侦测到一条所发射的消息的概率由下式求出：
PM,N=1−[1−（P1,1）N−1]M
其中：
M：
Tvis/DT
Tvis：
卫星可能见到的时间周期
在卫星天线的覆盖区（脚印）以内，船舶是均匀分布的这一假设条件下，显然，某些船舶可能位于区域0、1和2这三个区域中的每一区域中。
这些区域的相对位置和大小是随每一条所接收的消息而变化的。
在规定区域0的范围很小的情况下，从这一区域来的无用消息对总的卫星侦测性能的影响最小，可以将它忽略不计。
因而，k的平均值将是在1和2之间。
对于在卫星覆盖区以内船舶均匀分布的状况下，已经发现，k的平均值为1.6精确地描述了系统内部干扰的特性。
使用k=1.6继续上面的例子就得到下面两个结果：
P1,1000=4.8%
P100,1000=99.3%
上面所描述的分析方法是与有关这一题目所完成的其它研究工作2的分析方法相一致的。
图4给出了一个简单情况下的典型曲线，即只有一颗卫星和卫星一次在空中经过的情况下的典型曲线。
图4
卫星侦测统计
上面所介绍的计算代表了在一规定的卫星可见周期期间侦测到一给定船舶的概率。
另一个和可能更有用的统计数据将是被侦测到的船舶的百分比。
既然假设逐个船舶的侦测概率是独立的，被侦测到的船舶的平均数（Save）由下式求出：
Save=N·PM,N
若用侦测的总船舶数的百分比来表示这一平均数，就可以得到与图4中所表示的结果相同的一条曲线，只不过坐标的标度标上被侦测船舶的百分数。
关注的第三个统计数据是在给定的卫星可见周期期间，将侦测到卫星覆盖区中所有船舶的概率。
这一重要得多的标准由下式来确定：
PAll=（PM,N）N
因为指数值极高，这一曲线实际上是全部都有或什么都没有。
这就是说，在侦测单个船舶的概率非常接近于1的条件下，则100%的船舶将被侦测出来。
但是，当侦测单个船舶的概率下降到小于1时，则100%的船舶被侦测到的概率很快下降到接近于零。
考虑了上面的讨论以后，显然，由于时隙碰撞可能造成所发射的许多消息被破坏和丢失，但是在一给定的卫星可见周期期间，仍然达到了所要求的更新船舶位置的目标。
要确定的最后一个因素是可见到卫星的时间周期。
对于这里正在考虑的有代表性的卫星高度950km的情况，一个卫星一次正好越过头顶的可见周期约为16.8分钟。
然而，大多数卫星通过不是正好在头顶出现，而是以某个较低的仰角通过，该仰角取决于卫星轨道的倾角和船舶位置的纬度。
通过使用一个商业上可以取得的卫星分析模型，推导出平均卫星可以看见的时间周期与船舶的纬度和观察时间的关系，如图5所示3。
给出了一次越过头顶的值以及在更长的延长的观察时间周期内，如4h和12h内的平均值。
还考虑了六个卫星的星座情况下多个卫星的覆盖，星座中卫星有足够的间距，以避免地球上覆盖区的重叠。
图5
卫星可见性统计
（在极轨中在950km高度上的卫星）
为了简化，这里所说到的大多数例子中，船舶的纬度都是北纬40°。
表7给出了一艘位于40°N的船舶的具
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