自动识别系统消息的卫星检测

ITU-R M.2084报告 1

ITU-R M.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-R M.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）（27-56 km）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（370 km）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。

* 应提请国际海事组织（IMO）、国际航标协会（IALA）和国际海事无线电委员会（CIRM）注意本报告。

2 ITU-R M.2084报告

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-R M.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2 250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4 500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1/2 ?的偶极子和5/8 ?的端馈单极天线，其增益范围从2 dBi到4.5 dBi。在这一研究中，为了有裕量，假设1/2 ?偶极子的最大增益为2 dBi，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3 dB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 频率 信道带宽 平台 功率 天线类型(1) 天线增益(1) 电缆损耗(1)

161.975和162.025 MHz 25 kHz A类船舶、B类船舶、海岸电台、导航设备 12.5 W（A类）；2 W（B类） 1/2 ?偶极子 2 dBi，俯仰面内方向图余弦平方形最小增益= ?10 dBi 3 dB（估计值） 数 值 ITU-R M.2084报告

表1（完）

AIS参数 接收机灵敏度 数 值 ?107 dBm（误包率（PER）20%）（最小） ?109 dBm（误包率≤20%）（典型值） 调制 多址模式 TDMA帧长度 TDMA时隙长度 消息类型 消息长度 消息的定期间隔 要求的D/U保护比 (1) (2)

3

9 600比特GMSK TDMA（自组型、随机、固定和递增的） 1分钟；2 250个时隙 26.7 ms；256比特（见表2） 22种类型 1到5时隙，1时隙是主要类型 2秒到6分钟发射间隔（见表3） 在PER=20%(2)的条件下，10 dB ITU-R M.1371建议书中未规定的典型参数。 IEC 61993-2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 训练序列 开始标志 数据 循环冗余码 结束标志 缓存 8比特 24比特 8比特 168比特 16比特 8比特 为同步所必需的 默认长度 为误码检测所必需 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。

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表3

AIS消息的报告时间间隔

AIS平台 动态信息： 海岸电台 31到10秒钟（标称10秒） 32秒到3分钟间隔（平均约7秒钟）（见表4） 5秒到3分钟间隔（标称30秒） 10秒间隔 3分钟间隔 6分钟间隔 按需要 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 3分钟 10秒 10秒 31秒 36秒 2秒 2秒 2秒 ～7秒间隔 总百分数 28 30 12 报告时间间隔 A类船舶 B类船舶 搜索和营救飞机 导航帮助 静态和航行信息 安全和管理消息 数据消息 抛锚或停泊和不快于3节移动速度的船舶 抛锚或停泊和快于3节移动速度的船舶 船舶0-14节 船舶0-14节和正在改变路线 船舶14-23节 船舶14-23节和正在改变路线 船舶-23节 船舶-23节和正在改变路线 所有船舶的平均值 30

3 AIS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600-1 000 km。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950 km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。

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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?3.5 kHz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?118 dBm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6 dBi，?3 dB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： 其中：

G(?)： 在偏轴角?（度）方向上的卫星天线增益（dBi） GMB： 卫星天线的主射束增益（dBi） ?3dB： 卫星天线的?3dB射束宽度（度）

G(?) = GMB ? 12(?/?3dB)2

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。