自动识别系统(AIS)天线设置如何影响AIS信号质量外文翻译资料

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自动识别系统(AIS)天线设置如何影响AIS信号质量

摘要:AIS系统主要用于船舶与AIS基站之间交换不同的船舶数据。对于海员来说，AIS系统数据已经成为雷达数据的有用补充，因为通过AIS系统提供额外的信息可以支持人工避碰。此外，AIS系统还允许实现课程预测算法。然而，AIS信息损失已经被一些研究证实，这些研究影响和限制了AIS的使用，特别是在船舶预测算法中。对自组织时分多址(SOTDMA)算法进行了仿真和评估，结果表明系统过载导致的AIS报文丢失是不可能的。然而，与SOTDMA评估相比，没有关于VHF介质和AIS天线设置对AIS接收速率影响的评估。因此，我们打算根据国际海事组织(IMO)的指南，使用高质量AIS硬件和AIS天线装置来识别VHF对接收速率的影响，以记录和评估一艘德国搜救船的AIS数据。通过使用两种不同的天线，我们评估了天线高度以及AIS信息接收速率的一般天线设置的意义，并展示了测量的接收速率对船舶预测算法的影响。

关键词:AIS 甚高频波段 海上安全 运动预测

1.介绍

自动识别系统(AIS)可在AIS设备之间传送数据，这些设备可安装在船舶、港口当局等基站、浮标等标志或搜救飞机上。交换的AIS数据分为三种不同类型(IMO, 2003):

静态数据(例如，船只名称和船只的尺寸)。

动态数据(如船舶位置、离地航向和航向)。

与航行有关的资料(例如:现时吃水、货物描述和目的地)。

这些数据用于手动避碰和避碰算法。手动避碰是船员利用现有的雷达数据来观察其他船只。在这种情况下，AIS数据被表示为雷达或ECDIS屏幕上的附加覆盖。Felski和Jaskolski(2013)和Min Mou等人(2010)已经评估了AIS数据在防撞操纵中的意义。另一方面，碰撞避免算法允许一个自动的检测两艘或多艘船是否在碰撞航线上。因此，船只未来的未知航向是根据AIS数据所代表的船只状态所提供的现有信息来估计的。因此AIS信息的接收率在这两种情况下都起着重要的作用，尤其是对于算法而言。已有研究表明，碰撞避免算法依赖于连续测量，动态数据的可靠性与AIS消息的报告间隔高度相关(Last et al.， 2014)。然而，一些现有的研究表明，这些报告间隔往往没有被保持(Last et al.， 2014;Felski and Jaskolski, 2012a, 2012b)。

目前，人们主要认为有两种假设是AIS报告间隔没有像ITU(2010)中描述的那样保持的原因。首先，AIS信息的丢失可能与用于传输AIS数据的介质是甚高频(VHF)技术有关。AIS数据的传输采用两个频率分别为161.975 MHz和162.025 MHz的VHF信道。然而，VHF很容易受到环境条件的影响，如下雨或大雾。其他条件，如由陆块或其他船只引起的阴影，可能会进一步限制接收速率。因此，人工智能信息丢失并非不可能。其次，AIS系统本身也可能因为网络超载而造成AIS信息丢失(Last et al.， 2014;Redoutey等，2008;国际海事组织,2006年)。AIS设备使用自组织时分多址(SOTDMA)方法，如ITU(2010)所述。没有更高的控制实例来组织AIS流量。所有AIS实体都在观察VHF介质，试图找到空闲时段传输数据。因此，启动的AIS设备将等待并侦听特定的时间，以识别其他AIS实体并找到传输其数据的时间段。每分钟的时段数量限制在4500个(IMO, 2006)。因此，我们认为在AIS实体密度较高的地区，由于一些AIS设备可能无法按照ITU(2010)中所述的报告间隔来预留时段，可能会出现网络过载，导致AIS数据丢失。

在我们的论文中，我们打算在几乎完美的天气条件下，如视野清晰、无雨、弱波条件下，将AIS天线的设置作为制约AIS信号质量的因素，分别确定VHF介质的意义。为了记录AIS数据，使用了德国搜救队(DGzRS)的搜救船。AIS数据记录来自船及其子船。因此，根据国际海事组织(IMO)《船载自动识别系统(AIS)安装指南》(IMO, 2003)设置的两根不同高度的AIS天线被用来记录AIS数据。为了识别AIS数据丢失的VHF影响，我们在工作中正在评估以下几个方面:

在使用最佳AIS天线设置和使用高质量AIS硬件时，对两种天线的AIS消息接收速率进行总体评估。

通过比较接收到的数据集，评估天线高度对接收速率的影响。

对两个天线接收的数据集进行详细的评估，以识别接收行为中的差异，例如通过评估AIS消息交集集。

最后一个方面对于动态消息尤其重要，例如AIS类型1、2和3的位置报告(参见第2节)，因为它对可能的船只运动预测有直接影响。为了消除网络过载可能造成的消息丢失，选择德国Cuxhaven附近的一个区域来记录AIS数据。本区域内的AIS实体计数远低于第2节所述的极限值。此外，在库克斯海文记录AIS数据可以连续观测进出汉堡的交通，从而记录典型的海上交通场景。

2.技术背景

总共有27种AIS消息类型。每一种AIS报文类型都有其特定的用途，如报文类型一、二、三表示a类系统的动态数据，包括转弯速度、航向、对地速度或航行状态。AIS数据被用作额外的覆盖，例如在雷达或ECDIS屏幕上。因此，AIS系统是这些系统的有益补充，因为它提供了额外的信息，否则这些信息是无法获得的。AIS报告时间间隔根据AIS消息类型不同而不同，也可能根据船舶的状态(如系泊状态)对特定的消息类型本身进行更改。表1显示了根据ITU(2010)，专业操作船舶使用的A类系统的指定报告间隔。

表1的报告间隔对船舶运动预测很重要。预测算法利用的是需要根据应用程序上下文定义的运动模型。目前使用运动模型来估计系统状态的滤波器有线性系统的卡尔曼滤波器和非线性系统的扩展卡尔曼滤波器和粒子滤波器(Ristic et al.， 2008)。这种过滤器依靠修复报告间隔和小间隔Delta;t两个收到了AIS信息属于一个AIS实体之间进行可靠预测船舶运动。这些报告间隔也经常被称为AIS数据的可用性(Felski和Jaskolski, 2012a, 2012b)。因为AIS数据经常用于人工碰撞

A类岗位报告间隔时间。

表1

避免和船舶运动预测，重要的是AIS报告间隔保持如ITU(2010)所述。然而,去年et al .(2014)进行了AIS的详细评估报告间隔和证实,大约42%的间隔Delta;t不符合的技术特点或报告间隔表1,分别。

如前所述，造成AIS信息丢失的主要原因有两个。首先，AIS信息的丢失可能是由网络过载引起的。一些研究评估了这种情况，主要是根据国际标准(ITU, 2010)重新实现和模拟自组织时分多址(SOTDMA)算法，该算法用于向打算传输数据的船只分配空闲消息槽。SOTDMA算法的关键思想是，每条船通过预留时间间隔来自主地、周期性地传输数据。不需要组织AIS交通的基站。总共每分钟有2250个时间间隔，VHF频段总共有4500个时间间隔。到目前为止，在我们的论文中，“碰撞”一词一直被用来指反碰撞操纵。从现在开始，术语碰撞描述基于时间的碰撞，如果超载发生在AIS网络中。在这种情况下，网络过载意味着存在一个高容器密度的区域或许多AIS发射机，如果不同的AIS设备试图保留相同的时隙，就会发生基于时间的碰撞。作为消息丢失原因的冲突的发生已经被评估了好几次。Lee等人通过实现AIS的SOTDMA算法开发了一个性能估计模拟器。他们测量了在计算机系统上使用共享内存分别模拟VHF介质交换模拟AIS数据时的吞吐量和碰撞次数(Lee et al.， 2007)。通过使用共享内存，可以实现理想的VHF连接。在他们的工作中，模拟船舶交换动态AIS数据。按照IEC(国际电工委员会)61993-2[hellip;]的内容，他们的性能估计结果“[hellip;]算法对项目的功能没有问题”。IEC 61993-2标准描述了AIS A类系统的操作和性能要求、测试方法和要求的测试结果(IEC, 2012)。此外，他们指出，“由于槽位占用、槽位保留、报告率、位置、根据各自船只的速度等因素的影响，SOTDMA算法中很少发生碰撞[hellip;]”(Lee et al.， 2007)。Liping和Shexiang也得到了类似的结果，他们分析了多用户冲突即冲突情况下AIS的接收性能。通过对SOTDMA算法吞吐量的计算机仿真，确定了失败接收比和槽浪费比(Liping和Shexiang, 2012)。在他们的工作中，他们指出，大多数AIS基站的甚高频覆盖半径为30-40海里，“在这个距离范围内，一般海洋条件下错误率的影响很小[hellip;]”(黎平、佘祥，2012)。出于这个原因，他们还假设在他们的模拟中没有限制的VHF连接。他们的结果表明，20%的信道负载导致5%以下的时间插槽丢失，60%的信道负载导致大约15%，而90%的信道负载会导致大约25%的时间间隔丢失。Chang进行了另一个模拟，他也模拟了SOTDMA算法的性能。他指出一个关键的问题是确定系统性能是否符合实际的管理条件(Chang, 2010)。在他的仿真中，对AIS设备的典型行为，如监听阶段、网络登录、连续操作阶段、变更报告阶段等都进行了仿真。由于报告率取决于船舶状态，Chang根据在船舶交通服务区(VTS)记录的真实数据分配模拟船舶状态。他的研究结果表明，多达1000条AIS信息的成功传输率最低为98.5%，最高为0.16%。即使在每分钟4500条消息模拟的繁重系统负载下(这是最大的时隙计数，意味着在理想情况下每个消息将被分配到一个空闲的时隙)，仍然可以获得74.1%的成功传送率和10.71%的冲突率。最后，Chang估计，在一个VTS区域，如果只传输AIS动态数据，最大容量将为673艘AIS船舶。国际海事组织(IMO)发布了一门模型课程，该课程根据SOTDMA方法对AIS设备的理论容量进行了示例计算。提到当两个VHF信道同时使用时，在一个区域发送数据的450台AIS设备代表AIS实体数的最大值。这个数字是基于理想的假设，这意味着每艘船都可以根据报告间隔在任何需要的时候预留时间(IMO, 2006)。

综上所述，仿真结果表明，SOTDMA算法符合(ITU, 2010)的技术规范，只有一小部分AIS消息由于碰撞或缺少可用的时隙而丢失。上述研究均实现并模拟了SOTDMA算法，但VHF介质应该是无误差的。然而，在几乎没有船舶交通的情况下，不存在理想的甚高频条件。这就导致了AIS信息丢失的第二个假设原因，即VHF介质本身。由于其物理背景，VHF易受恶劣天气等环境条件的影响。此外，由于最佳的甚高频接收需要有一个直接的视野，因此，地面或其他船只等造成阴影的障碍物可能会进一步降低接收速率。与SOTDMA评价相比，没有关于VHF介质对AIS接收速率影响的评价。因此，在我们的工作中，我们打算按照IMO的指导方针，使用高质量的AIS硬件和AIS天线装置来识别VHF对接收速率的影响。

除了SOTDMA算法和VHF介质之外，AIS消息丢失还有两个可能的额外原因。然而，这些原因实际上是可以忽略的，只是为了完整起见，简单解释一下。不遵守上述报告间隔的一种可能解释是AIS基站能够控制移动AIS站的报告时间。这是通过发送消息类型23组分配命令的AIS消息来完成的。当船舶等移动AIS站接收到该信息时，操作模式从自主模式切换到指定模式。在指定模式下，移动台可以被迫保持安静长达15分钟(ITU, 2010)。然而，在Last et. al的研究中，在超过8500万条记录的AIS消息中，只接收到一条23型的消息，这表明将移动AIS站切换到指定模式不太可能造成变化(Last et al.， 2014)。AIS消息丢失的另一个原因是使用单通道AIS设备。所有的AIS设备都应该使用真正的双通道技术，允许并行监控用于AIS传输的VHF通道161.975 MHz和162.025 MHz (IMO, 2006)。使用单通道系统将导致数据丢失，因为只监视一个通道。为那我们的研究中使用了高质量的双通道AIS发射机来记录AIS数据。使用的实验装置和实验性能将在下一节中描述。

3.实验装置与性能

实验是使用德国搜救服务DGzRS的搜救船在德国库克斯海文进行的。试验船舶的准确地理位置为53152038.2”N 8141057.4”E。两个AIS天线用于记录数据，因为SAR巡洋舰与一艘可在需要时下水的子船一起操作。AIS系统天线的设置需要考虑几个方面。一般来说，“AIS系统能够探测到在VHF/FM范围内的船只，在拐弯处和岛屿后面，如果陆地块不是太高的话。”在海上，根据天线高度，一个典型的期望值是20-30海里。”(国际海事

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