基于北斗通信的AIS信息自適應篩選技術研究

張尚悅，王郁茗，于政國

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連116018)

0 引 言

隨著“經略海洋”、 “建設海洋強國”的提出，中國海軍走向深藍，遠洋航行的軍事與非軍事任務不斷增多，為保證艦船的遠洋航行保障能力，加強艦船的遠海域動態監控變得刻不容緩。船舶自動識別系統(AIS)是一種通用高效的船舶動態監控系統，能夠識別目標船，對目標進行跟蹤，具有接近實時跟蹤、對地穩定性強、簡化信息交流、丟失目標可能性小等特點［1］。AIS 工作在海上VHF 頻段，同時在這頻段接收周邊船舶發出的AIS信息，遠海域存在監控盲區，基于北斗衛星導航系統傳輸AIS信息可以解決這一問題［2］。然而艦船在通航情況下，尤其在船舶密集海域，接收到的AIS信息量往往較大，全部通過北斗信道轉發需要大量的時間，不滿足船舶動態監控需求。

本文研究基于北斗通信的AIS信息自適應篩選技術，通過采用距離篩選法、舷角篩選法及混合篩選法過濾處理本艦接收到的所有AIS信息，連續自主篩選影響艦船安全行駛的船舶，同時精簡船舶信息便于岸基指揮中心快速有針對性監控本艦所在海域的船舶動態情況。

1 北斗傳輸AIS信息工作流程

圖1 基于北斗傳輸AIS信息拓撲圖Fig.1 AIS information transmission based Beidou

2 AIS信息自適應篩選技術概述

2.1 篩選技術的提出

遠洋航行的艦船基于北斗通信，發送以本艦為中心的AIS信息區域內船舶信息到岸基指揮中心，有助于岸基指揮中心在任何時候都能全面迅速地掌握區域內船舶交通狀況，對保證艦船的遠洋航行保障能力，加強艦船的遠海域動態監控起到關鍵性作用。

然而在密集海域行駛的艦船會收到大量的AIS信息，但北斗帶寬窄、通信能力有限，一次最大可發送210 字節的信息。AIS 暗碼電文共28個字節如“1P000Oh1IT1svTP2r:43grwb0Eq4”，設本艦在一般通航條件下接收到200 條船舶，則需要發送5 600字節的信息，若全部通過北斗轉發且采用5 s 高服務頻度［3］，則共需要130 s 才能將200 條船的AIS信息發送完畢，遠遠超過行船AIS 動態信息報告的最大更新間隔t = 12 s，見表1［4］。不能滿足岸基指揮中心對船舶的實時動態監控。而且艦船接收到的船舶不都會對本艦安全航行造成影響，對遠海域動態監控不具有實際意義，這類船舶可間隔一段時間發送一次位置信息，無需實時更新船舶AIS信息。采用AIS信息自適應篩選技術可解決以上問題。

表1 AIS 動態信息更新間隔表Tab.1 AIS Dynamic Information Update Interval

2.2 自適應篩選技術工作流程

AIS信息自適應篩選技術包含距離篩選法、舷角篩選法及混合篩選法3 種，流程如圖2所示。采用3種篩選方法過濾處理AIS信息，減少信息量以滿足北斗通信能力，縮短通信時間使岸基指揮人員及時掌握遠海域船舶動態情況，對艦船安全行駛實時監控。

圖2 AIS信息自適應篩選流程圖Fig.2 AIS information self-adaption filtration

3 三種篩選法的研究及仿真

3.1 距離篩選法

1)距離篩選法論述

艦船通航情況下接收到的船舶數量很大，并不是每條船舶對艦船安全航行都有影響，一般距艦船越遠的船舶對艦船航行影響越小，岸基指揮中心實時監控此類船舶意義不大，對于距艦船較遠船舶無需北斗連續轉發。研究采取距離篩選法，在以本艦為中心的AIS信息區域基礎上，設定篩選半徑，建立圓形隨動篩選區，在艦船航行下連續自主過濾掉距本艦較遠船舶。

篩選半徑以最小安全會遇距離(DSPA)為基準，其值不得小于DSPA，而不同水域DSPA的設定也不相同，在航海上確定最小安全會遇距離通常做法是:船舶擁擠水域一般取DSPA為0.3～0.5 n mile，大洋航行1～2 n mile，惡劣天氣或能見度不良取2 n mile以上［5］。設立篩選半徑后，如果信息量未達到北斗通信能力上限可延長半徑作自適應調整。自適應更新周期以隨動篩選區域內船舶最小更新間隔t為準。

采用距離篩選法在精簡AIS信息量的同時，提升距本艦較近船舶優先權，將圓內船舶AIS信息傳輸到岸基指揮中心，使岸基指揮人員在對本艦遠海域動態監控時更具有針對性與及時性。

為了考察各因素交互作用對纖維素酶活力的影響，對模型進行降維分析[11]，研究接種量、固液比、冬凌草與麩皮比兩兩因素之間的交互作用，其對應的響應面及等高線圖如圖2所示。

2)程序步驟

步驟1:從AIS 終端數據采集器中提取每條船舶的位置信息λmmsi與φmmsi(本艦位置信息為λo與φo)。根據兩點距離公式算出每條船與本艦的距離Dmmsi(單位為n mile)并存儲。

步驟2:依據所在海域實際狀況確定AIS 圓形隨動篩選區篩選半徑R 大小。R 單位為n mile。

步驟3:將每艘船舶的Dmmsi與R 作比較，采集Dmmsi＜R的船舶，過濾掉掃描區域外的船舶。

步驟4:計算篩選船舶AIS信息量，與北斗通信能力比較(短報文最多240 字節)，若AIS信息量低于240 字節，則以0.1 n mile為步長延長篩選半徑長度，直到篩選船舶信息量接近北斗通信能力為止(AIS信息量≤240 字節)。

3)仿真操作

艦船在渤海海峽航行，所在海域較為擁擠，以0.5 n mile為篩選半徑。適當延長半徑以接近北斗通信能力，計算得篩選半徑為4.5 n mile。如圖3所示。以本艦為中心的隨動圓形掃描區內的7 條船舶被AIS信息篩選采集器采集。通過限制隨動圓半徑4.5 n mile，使艦船在上報AIS信息時只發送圓內的7 條船舶。這7 條船舶距艦船較近，當優先監控，通過北斗轉發到岸基指揮中心，使指揮人員掌握艦船所在海域航行動態情況更加快捷、清晰明了。

圖3 距離篩選法示意圖Fig.3 Distance-filtered method

3.2 舷角篩選法

1)舷角篩選法論述

艦船的相對舷角是船舶遠程動態監控的重要指標，目標船的相對舷角也是影響艦船安全行駛的重要因素。舷角篩選法是根據《規則》［6］中按舷角劃分的互見兩船間3 種會遇態勢，將本艦周圍劃分為6個相對舷角區域，如圖4所示，并在相應的局面下區分出影響艦船安全航行的船舶。由于AIS 能在電子海圖上顯示所有船舶可視化的航向、航線、船名等信息，解決了能見度不良無法觀察周邊船舶的情況，可將AIS 收到的周圍船舶作為艦船可見船舶。

在圖4 中，對遇態勢為F 區;交叉相遇態勢為A，B，E 區;追越態勢為C，D 區。各區域內的來船都有可能對艦船的安全航行帶來影響，通常情況下都需要對這些區域進行遠程實時監控，但由于北斗通信能力有限，在發送信息時應根據具體船舶分布情況，對某個或幾個區域優先監控。對于相對舷角A，B 區域的來船，本艦為讓路船;對于相對舷角C，D，E 區域的來船，本艦可保速保向直航行駛，但需要時刻關注該區域內來船動態;對于F 區域兩船互為讓路船。

北斗AIS 終端根據相對舷角A，B，C，D，E，F區域內船舶動態情況，自適應得選取船舶分布密集、與我艦存在會遇態勢的相對舷角區域，以便有針對性監控遠程船舶動態情況。自適應更新周期以舷角篩選區域內船舶最小更新間隔t為準。

圖4 互見中的兩船會遇態勢劃分Fig.4 Situation division of the two ships encounter when seeing each other

2)程序步驟

步驟1:將會遇態勢框架中心設在本艦所在位置(λo，φo)，艦首向與框架圖中000°方向重合，同時建立以本艦為極點的極坐標系，其中極軸與艦首向重合。

步驟2:從AIS 終端數據采集器中提取每條船舶的位置信息(λmmsi，φmmsi)與航向信息(Cmmsi)，計算每條船舶在極坐標系中坐標(ρmmsi，θmmsi)并存儲在A，B，C，D，E，F 六個集中。

步驟3:提取每個相對舷角區域內與本艦存在會遇情形的船舶，自適應篩選出會遇情形集中、船舶密集的區域進行監控。與本艦存在會遇情形的船舶航向需滿足所在區域的航向區見表2。

表2 不同相對舷角區域航向區間Tab.2 Heading range of different relative angle area

3)仿真操作

如圖5所示，艦船在渤海海峽航行，在相對舷角A，C 區域均有來船，A 區域1艘來船與艦船產生會遇態勢，且距離較近;C 區域船舶密集，有多艘來船，需要重點監控。采用舷角限制法監控結果如圖6所示，其中A，C 區域航向不符合表2的船舶被過濾掉，此類船舶不會對我艦航行狀態產生影響，無需轉發至岸基指揮中心進行實時監控。此時監控5條船舶亦滿足北斗通信能力要求。

圖5 艦船渤海航行AIS 船舶顯示圖Fig.5 AIS of Bohai sea shown on figure

圖6 舷角篩選法示意圖Fig.6 Angle-filtered method

2.3 混合篩選法

距離篩選法與舷角篩選法可以單獨使用，也可互為補充使用，艦船通航中，混合使用2 種限制法更為有效。混合篩選法是在距離篩選法的基礎上加以舷角篩選船舶。其中，自適應更新周期以篩選區域內船舶最小更新間隔t為準。仿真試驗如下。

艦船在渤海海峽航行，接收到182 條船舶。核心處理器采用混合篩選法自適應選取周圍8 n mile距離進行篩選監控。由于此時位于艦船艦首和艦尾方向有多艘來船，對艦船航行安全造成影響，以艦船為中心建立會遇態勢框架，選擇F和C 區域重點監控。結果如圖7所示。

圖7 混合篩選法示意圖Fig.7 Mix-filtered method

綜上所述，AIS信息經過篩選處理，其數據量已經大大減小，然而在一片海域大量船只的情況下，仍然不能滿足北斗信道容量，這樣就要對AIS信息重新進行壓縮編碼再通過北斗打包發送。首先，由于AIS 暗碼電文報頭較長，將AIS信息通過北斗轉發，可舍去長報頭，重新設置。其次，更新AIS信息時，短時間內船舶航行信息不會發生較大變化，對于位置等信息只重復發送變化量即可，這樣也大大減少AIS 數據量，節省北斗帶寬，增加每次發送的船舶數量。

4 結 語

基于北斗衛星導航系統傳輸AIS信息，有助于岸基指揮中心增強對遠海域航行船舶的動態監控，解決了AIS 廣播距離有限的問題。但北斗信道容量有限，若將接收到的船舶AIS信息全部通過北斗傳輸，需要很長時間，使動態監控效用降低，因此本文提出采用自適應的距離篩選法、舷角篩選法及混合篩選法過濾篩選影響艦船安全行駛的船舶，減小AIS信息量，也使岸基指揮人員快速有針對性監控本艦所在海域的船舶動態情況，保障艦船的遠洋航行安保能力。該項技術貼近海軍及海警部隊實際，為保證海軍艦艇遂行遠洋作戰訓練及非軍事行動提供對艦船遠海域態勢的動態監控，為海警各支隊的海上維權、維護航洋權益提供方法手段。

［1］鮑君忠，周尊山，徐東華，等.船載自動識別系統應用［M］.大連:大連海事大學出版社，2006:17 -18.

［2］王郁茗，張尚悅.一種遠程船舶動態監控系統的研究與展望［J］.船電技術，2015，35(2):16 -20.WANG Yu-ming，ZHANG Shang-yue.Research ＆ prospect for ship long-rang dynamically monitoring system［J］.Marine Electric ＆ Electronic Engineering，2015，35(2):16-20.

［3］張尚悅，郝立杰，劉曉光，等.基于北斗信道的氣象傳真圖傳送研究［J］.航海技術，2012(1):42 -43.ZHANG Shang-yue，HAO Li-jie，LIU Xiao-guang.Research for transmission of weather fax imagine through Beidou system［J］.Marine Tecnology，2012(1):42 -43.

［4］袁安存，張淑芳.通用船載自動識別系統國際標準匯編［M］.大連:大連海事大學出版社.

［5］吳兆麟.船舶避碰與值班［M］.大連:大連海事大學出版社，2008.

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