船舶自动识别系统及其在VTS中应用的关键技术研究
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摘要
目前，国际上为船舶自动识别系统的实现提出了两种工作方式：甚高频(VHF)／数字选择呼叫(DSC)方式和广播方式。本文主要研究应用前景更为广泛的采用基于自组织时分多址(SOTDMA)技术的广播式船舶自动识别系统。采用广播方式的船舶自动识别系统的实施最关键的问题就是自组织时分多址(SOTDMA)技术的实现。自组织时分多址技术(SOTDMA)是90年代在时分多址技术(TDMA)基础之上发展起来的一种新型网络通信技术，能够自动解决船舶自动识别系统的通信冲突问题。
本文首先简要介绍了船载自动识别系统的发展概况及其系统结构和功能；对AIS传输的航行信息进行了讨论，分析了系统最大传播距离和岸台天线最大高度的计算方法；在此基础之上，分析了自组织时分多址(SOTDMA)原理，建立基于SOTDMA技术的通信网络模型，并定义了相关参数，进行理论分析和仿真试验测试，得出船舶自动识别系统(AIS)采用SOTDMA技术进行通信的信道特性；对船载自动识别系统信息传输的格式及内容进行了初步探讨分析；最后对船舶自动识别系统(AIS)在航海领域的应用前景进行展望。
本文通过理论分析与实验仿真，得出以下结论：
(1) 基于SOTDMA技术的广播式AIS具有抗干扰性强、传输速率高、系统容量大、信息更新时间短等优点，适合于海上移动通信环境对船舶通信性能的要求，为将来的海上航行安全以及VTS对水域内船舶交通的管理带来方便；
(2) 对AIS传输的航行信息格式及其内容、系统的同步、传播时延和保护时间等问题进行研究讨论，并分析由传播时延保护时间限定的系统最大传播距离和岸台天线最大高度的计算方法，这些方法可在构建AIS船——岸系统的方案确定和工程设计中应用。
(3) 通过仿真实验对SOTDMA协议中“自组织”进行时隙分配的演示，
以及仿真系统后台运行的结果表明，AIS中采用SOTDMA通信协议进行通信，
在船舶容量没有过载的情况下，信道阻塞率较低，发信成功率较高，具有
良好的通信系统性能；即使在船舶容量过载的情况，系统仍然能够满足通
信系统的最低要求。
（4）根据仿真实验的结果，本文提出了在船舶交通密度较大的 VTS
水域，VTS中心对管辖区域的AIS船舶进行管理应采取的措施，对将来的
海上航行管理以及船舶之间的避碰起到重要作用。
AIS can work by either of the two modes that are VHF/DSC and broadcasting. This paper primarily researches the broadcasting AIS, which will be better applied in the future. And the key technique of broadcasting AIS is SOTDMA (Self-Organized Time Division Multiple Access). SOTDMA technique, which was put forward in 1990s, is a new communication technique based on TDMA technique. It can automatically resolve the collision of communication in AIS.
This paper first introduces the development of AIS and its configuration and function in brief, discussing the information and the calculation of the maximize range of transmission and the maximize height of the antenna, on the basis of which it analysis the theory of SOTDMA and establish the communication network model based on SOTDMA. It defines the relational parameters and analyses in theory and makes simulation to verify the theory. In this way it obtains the channel characteristic of AIS adopted SOTDMA. It continues with the analysis of the transmission format of AIS information, and finally it expects the future applications in navigational field.
By the analysis of theory and the simulation with computer this paper summarizes several conclusions as followed:
(1) The broadcasting AIS based on SOTDMA has such virtues as strong ability of anti-jamming, high speed of transmission, large capability and short time of information updating. It fits the requirement of the marine mobile communication environment for the communication characteristic of ship. And AIS will bring the convenience for the safety on the sea and the traffic management of VTS in the future.
(2) By Discussing the information format and its contents, the synchronization of system, the transmission delay, and the protect time, it is concluded the calculation of the maximize range of transmission and the maximize height of the antenna limited by the protect time of transmission delay, which can be applied in the construction of AIS ship梥hore system.
(3) By the demo of the allocation of the slots with "self-organized" in SOTDMA protocol and the result of the execution of the simulation program, the conclusion is produced as: the communication of AIS adopted SOTDMA protocol has a lower block rate and a higher success rate of sending. It has good performance of communication system if the system is not over-loading. Even over-loading, the
in
system will still meet with the lowest request of communication system. (4) According to the result of the simulation this paper brings forward several ways to manage the AIS ships in order to resolve the problem in the port of high traffic density, which plays an important role in marine traffic management and collision avoiding in the future.
本文首先简要介绍了船载自动识别系统的发展概况及其系统结构和功能；对AIS传输的航行信息进行了讨论，分析了系统最大传播距离和岸台天线最大高度的计算方法；在此基础之上，分析了自组织时分多址(SOTDMA)原理，建立基于SOTDMA技术的通信网络模型，并定义了相关参数，进行理论分析和仿真试验测试，得出船舶自动识别系统(AIS)采用SOTDMA技术进行通信的信道特性；对船载自动识别系统信息传输的格式及内容进行了初步探讨分析；最后对船舶自动识别系统(AIS)在航海领域的应用前景进行展望。
本文通过理论分析与实验仿真，得出以下结论：
(1) 基于SOTDMA技术的广播式AIS具有抗干扰性强、传输速率高、系统容量大、信息更新时间短等优点，适合于海上移动通信环境对船舶通信性能的要求，为将来的海上航行安全以及VTS对水域内船舶交通的管理带来方便；
(2) 对AIS传输的航行信息格式及其内容、系统的同步、传播时延和保护时间等问题进行研究讨论，并分析由传播时延保护时间限定的系统最大传播距离和岸台天线最大高度的计算方法，这些方法可在构建AIS船——岸系统的方案确定和工程设计中应用。
(3) 通过仿真实验对SOTDMA协议中“自组织”进行时隙分配的演示，
以及仿真系统后台运行的结果表明，AIS中采用SOTDMA通信协议进行通信，
在船舶容量没有过载的情况下，信道阻塞率较低，发信成功率较高，具有
良好的通信系统性能；即使在船舶容量过载的情况，系统仍然能够满足通
信系统的最低要求。
（4）根据仿真实验的结果，本文提出了在船舶交通密度较大的 VTS
水域，VTS中心对管辖区域的AIS船舶进行管理应采取的措施，对将来的
海上航行管理以及船舶之间的避碰起到重要作用。
AIS can work by either of the two modes that are VHF/DSC and broadcasting. This paper primarily researches the broadcasting AIS, which will be better applied in the future. And the key technique of broadcasting AIS is SOTDMA (Self-Organized Time Division Multiple Access). SOTDMA technique, which was put forward in 1990s, is a new communication technique based on TDMA technique. It can automatically resolve the collision of communication in AIS.
This paper first introduces the development of AIS and its configuration and function in brief, discussing the information and the calculation of the maximize range of transmission and the maximize height of the antenna, on the basis of which it analysis the theory of SOTDMA and establish the communication network model based on SOTDMA. It defines the relational parameters and analyses in theory and makes simulation to verify the theory. In this way it obtains the channel characteristic of AIS adopted SOTDMA. It continues with the analysis of the transmission format of AIS information, and finally it expects the future applications in navigational field.
By the analysis of theory and the simulation with computer this paper summarizes several conclusions as followed:
(1) The broadcasting AIS based on SOTDMA has such virtues as strong ability of anti-jamming, high speed of transmission, large capability and short time of information updating. It fits the requirement of the marine mobile communication environment for the communication characteristic of ship. And AIS will bring the convenience for the safety on the sea and the traffic management of VTS in the future.
(2) By Discussing the information format and its contents, the synchronization of system, the transmission delay, and the protect time, it is concluded the calculation of the maximize range of transmission and the maximize height of the antenna limited by the protect time of transmission delay, which can be applied in the construction of AIS ship梥hore system.
(3) By the demo of the allocation of the slots with "self-organized" in SOTDMA protocol and the result of the execution of the simulation program, the conclusion is produced as: the communication of AIS adopted SOTDMA protocol has a lower block rate and a higher success rate of sending. It has good performance of communication system if the system is not over-loading. Even over-loading, the
in
system will still meet with the lowest request of communication system. (4) According to the result of the simulation this paper brings forward several ways to manage the AIS ships in order to resolve the problem in the port of high traffic density, which plays an important role in marine traffic management and collision avoiding in the future.
引文
[1]海上自组织VHF无线数据链路技术，孙文力，全国飞机与船舶通信导航学术研讨会论文集(2000年10月，昆明)下，导航编辑部
[2]AIS及其应用前景预测，王世远，许开宇，全国飞机与船舶通信导航学术研讨会论文集(2000年10月，昆明)下，导航编辑部
[3]通用AIS在VTS中的应用分析，李国成，史光平，航海科技动态2001年第二期
[4]VTS当前发展未来展望与AIS技术的应用，方祥麟，中国航海2000年第一期
[5]GPS在一个新领域的发展——GPS／VTS组合应用，吴越，航海技术2000年第一期
[6]自动识别系统(AIS)的发展，柯新，远航资料2000年第四期
[7]AIS技术的应用及其展望，孙虎山，中国水运2001年第二期
[8]新加坡港口AIS应答器技术的应用，2000年新加坡VTS大会论文选集，2000年12月
[9]通用自动识别系统(AIS)的开发，2000年新加坡VTS大会论文选集，2000年12月
[10]通用自动识别系统国际情况，2000年新加坡VTS大会论文选集，2000年12月
[11]传统的VTS系统进入DGPS和AIS系统时代的问题，2000年新加坡VTS大会论文选集，2000年12月
[12]关于VTS未来模式的探讨，江波，99’VTS论文集
[13]AIS研究概述，上海海事局航标导航处，2001海区航测工作会议交流材料汇编
[14]AIS的发展与VTS管理，南通海事局，2001海区航测工作会议交流材料汇编
[15]SUB-COMMITTEE ON SAFETY OF NAVIGATION 46th session Agenda item 10.2, NAV46/10, 20 March 2000
[16]AIS data in ECDIS as a safety enhancement, B.Pillich, Ortung und Navigation, Zeitschrifi/Journal, 2/2000
[17]AIS Adding New Quality to VTS Systems, Ingo Harre, The Journal of Navigation, vol.53 No.3, Sep 2000
[18]陈鑫林，现代通信中的排队论，电子工业出版社，1999年11月
[19]何希才．卢孟夏，现代蜂窝移动通信系统，科学出版社，1999年5月
[20][美]Theodore S. Rappaport, WIRELESS Communications, PUBLISHING HOUSE of ELECTRONIC INDUSTRY
[21]史雄，自动识别系统，航海科技动态，2000(2)
[22]郑佳春，船舶航行信息自动收发系统，中国航海学会通信导航专业委员会等编，大连海事大学校庆暨中国高等航海教育90周年论文集(船舶导航分册)，大连海事大学出版社，1999
[23]刘长年，石昭生 数字通信，中国广播电视出版社，1995
[24]Automatic Identification System (AIS), AISM IALA 1998.2:16～17
[25]江帆，AIS的发展及其前景，航海技术2000(4)：32～33
[26]庄铭杰，一种快速获取目标船运动态势的方法，航海技术2000(5)：34～38
[27]孙广，孙文强 船载自动识别系统的讨论，大连海事大学学报，1999(3)：68～70
[28]丁仁杰等，基于GPS的全网同步时钟的建立和误差校正，清华大学学报，1997 37(7)：74～77
[29]Sang-Ku Hwang etc. A Study on a Shipborne Automatic Identification System, Journal of the Korean Institute of Navigation, 1998 22(2): 13～22
[30]宋国珍，船舶交通管理系统和船舶自动识别系统，航海科技动态，1999(3)：19～26
[31]周懿宗，AIS研究概述(1)，航海科技动态，2001年第五期：1～5
[32]AIS/transponders, Benny Petterson, FNI, Seaways, July 1997
[33]陶安顺，通信网原理及其实现技术，人民邮电出版社，2000年1月
[34]樊昌信等，通信原理，国防工业出版社，1995年
[35]王立宁等，MATLAB与通信仿真，人民邮电出版社，2000年1月
[36]刘人杰等，船舶交通管理电子系统，大连海运学院出版社，1992年11月
[37]RECOMMENDATION ITU-R M. 1371* TECHNICAL CHARACTERISTICS FOR A UNIVERSAL SHIPBORNE AUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEM USING TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS IN THE VHF MARITIME MOBILE BAND (Question ITU-r 28/8),1998
[38]High-Performance Communication Networks, [美] Jean Walrand Pravin Varaiya, Publishing House of Electronics Industry
[39]王秉钧等，现代通信系统原理(修订版)，天津大学出版社，1999年8月
[40]郭梯云等，数字移动通信，人民邮电出版社
[41]席庆等，Visual C++6.0使用编程技术，中国水利电力出版社，1999年10月
[42]C程序设计，清华大学出版社，
[43]UYLESS.BLACK(美)，现代通信技术(第2版)，清华大学出版社，2000年4月
[44]罗茂才，刘人杰，一种无线模拟话音／时分多址数据同信道传输系统的性能分析，船舶通信与导航(1997)，P144-151
[45]李乐民等，数字通信传输系统，人民邮电出版社，1990
[46]杨会明，AIS技术在VTS技术中的应用展望，第六届导航及海上通信学术年会论文集(下)，导航编辑部，2001年9月
[47]索继东等，AIS的信息融合与目标跟踪，第六届导航及海上通信学术年会论文集(下)，导航编辑部，2001年9月
[48]李瑞洋等，AIS的现状及其关键技术的分析，第六届导航及海上通信学术年会论文集(下)，导航编辑部，2001年9月
[49]刘畅等，通用船载自动识别系统(AIS)的研究，第六届导航及海上通信学术年会论文集(下)，导航编辑部，2001年9月
[50]Michael Leonard—Williams FNI, AIS transponders Colregs and the human element—areas of concern, Seaways, November 1998:9～11
[51]陈建春，Visual C++ 高级编程技术，电子工业出版社，1999年
[2]AIS及其应用前景预测，王世远，许开宇，全国飞机与船舶通信导航学术研讨会论文集(2000年10月，昆明)下，导航编辑部
[3]通用AIS在VTS中的应用分析，李国成，史光平，航海科技动态2001年第二期
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[42]C程序设计，清华大学出版社，
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[44]罗茂才，刘人杰，一种无线模拟话音／时分多址数据同信道传输系统的性能分析，船舶通信与导航(1997)，P144-151
[45]李乐民等，数字通信传输系统，人民邮电出版社，1990
[46]杨会明，AIS技术在VTS技术中的应用展望，第六届导航及海上通信学术年会论文集(下)，导航编辑部，2001年9月
[47]索继东等，AIS的信息融合与目标跟踪，第六届导航及海上通信学术年会论文集(下)，导航编辑部，2001年9月
[48]李瑞洋等，AIS的现状及其关键技术的分析，第六届导航及海上通信学术年会论文集(下)，导航编辑部，2001年9月
[49]刘畅等，通用船载自动识别系统(AIS)的研究，第六届导航及海上通信学术年会论文集(下)，导航编辑部，2001年9月
[50]Michael Leonard—Williams FNI, AIS transponders Colregs and the human element—areas of concern, Seaways, November 1998:9～11
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