AIS系统ITU-R M.1371协议研究

摘 要：船舶自动识别系统（AIS）是工作在VHF海上频段的新兴的船舶和岸基广播系统。本文介绍了AIS相关国际标准体系，着重分析了ITU 1371协议的分类、演进、通信主题等，并进一步阐述了AIS技术应用及与北斗卫星导航系统融合的前景。

关键词：协议 演进 帧格式 解析 编码

1.AIS系统建设基本情况

中国海事局自2000年开始建设“中国沿海船舶自动识别岸基网络系统”，针对中国沿海的具体情况，经过选点、勘察和测试，历经先期的渤海湾、珠江口、长江口、琼州海峡AIS岸基系统工程，北方海区、东海海区、南海海区AIS一期、二期岸基系统工程及后期的补点建设，在全国沿海共建设完成121座AIS基站，一个国家AIS管理维护中心、3个海区AIS管理维护中心，19个辖区AIS管理维护中心，标志着全国沿海AIS岸基网络系统建成。AIS信号基本覆盖全国沿海水域，重点港口、航道已实现多重覆盖，系统可用性达到99.95%以上。

为服务内河航运经济发展，支持内河高等级航道建设，自2010年开始建设内河AIS岸基网络系统，包括黑龙江和松花江水系、京杭运河与淮河水系、长江水系以及珠江水系。截至目前共建成4个水系管理中心、13个辖区中心和143座基站，并实现了内河AIS岸基网络系统与沿海AIS岸基网络系统互联互通。

经过10余年来的研究开发与建设应用，我国AIS岸基网络不仅成为船舶航行的助航系统，也成为船舶安全监管、海上事故调查和海上演练等不可或缺的支持保障系统，更在保障海洋权益、保障航运安全和保护水域环境等方面发挥出积极作用，取得了显著的经济和社会效益。

2.国际组织对AIS协议的规定

①与AIS相关的国际标准组织有国际海事组织（IMO）、国际电信联盟（ITU）、世界无线电通信大会（WRC）、国际电工委员会（IEC）、国际航标协会（IALA）。

对船舶使用AIS及AIS设备的要求做官方规定的IMO是监管者，对AIS的通信性能标准定义并修正的ITU是定义者，对AIS设备具体功能、性能制定标准的IEC是标准执行者。

②国际电信联盟综合考虑以上建议，提出：

（1）国际海事组织（IMO）对通用船载AIS的要求；

（2）使用该AIS可以在船与船之间、船与岸上电台之间，有效地交换导航数据，从而改进航行的安全性；

（3）这样的系统主要用于导航安全、船与船之间的监视、船舶的数据报告以及船舶交通服务（VTS）。也可用于其它海上通信安全，假定不削弱其主要功能的话；

（4）使用SOTDMA的系统可以容纳所有的用户，并满足未来有效使用频谱的可能需求；

（5）该系统是自主的、自动的、连续的，主要的操作是广播，而且还可使用TDMA技术，运行在指配方式和询问方式；

（6）该系统能够扩展，以便在将来增加用户数量，并使应用多样化，包括没有按照IMO的要求来装备AIS的船只，辅助导航和搜救。

（7）IALA正在为AIS制造商和其它感兴趣的团体，维护和出版一种关于国际应用标识码分支和技术指南的记录。

3.ITU-R M.1371协议演进

ITU-R M.1371-1发展至1371-5，变化主要有：

（1）在数据帧中加入包含同步状态和时隙相关信息的通信状态位。

（2）针对报文反复转发造成的时隙利用效率低下，在报文中加入了转发计数位，初始状态位为1或2。当报文被转发站转发后，该位+1，当该位等于3时，报文将不再被转发。

（3）为提高资源利用率，详细定义6号和8号报文的二进制信息。

（4）增加报文7、报文13、报文17和报文22的描述。

（5）增加了23号组指派命令报文、24号静态数据报文、25号单时隙二进制报文、26号含通信状态的多时隙二进制报文、27号大量程AIS报文。

（6）增加扩展的航标名称位至21号报文，AIS航标名称字符数由20个增加到最多34个。

4.AIS通信技术特性

①A IS通信主体包括基站、船台、AIS航标、AIS搜救相关、AIS转发台站。

②AIS台站按照是否移动可分为移动和固定两类，移动台站包括A类船载移动台站、B类船载移动台站、机载AIS台站和助航台站。

固定台站包括基站、单工转发器和双工转发器。按照功能ITU定义可分为AIS船载台、助航AIS台、受限基站、搜救移动航空器设备及转发台。AIS种类有Class A（通用船载自动识别设备）；Class B（适合小型船舶安装AIS设备）；Class C（基站）；Class S（搜救飞机及直升机用AIS设备）；Class N（Aids to Navigation）航标AIS设备。A类B类AIS设备物理参数对比如表1。

A类B类AIS设备在通信制式、静态报告、报告更新率、报文通信方面也不相同。

③AIS通信模型包含开放式系统互连（OSI）模型的1～4层（物理层、链路层、网络层和传输层）。

（1）物理层主要负责将来自源的比特流输出到数据链，对装配的发射用数据包进行NRZI编码，把数字NRZI编码的发射用数据包转换成模拟GMSK信号，调制发射机。

（2）为了数据传输的检测和纠错，链路层规定了数据的打包方法。链路层分成介质访问控制（MAC）、数据链服务（DLS）、链路管理实体（LME）3个子层。MAC子层使用公共时间基准的TDMA访问数据传输介质，即VHF数据链。AIS系统采用帧的概念，一帧为1分钟，分为2250个时隙，每个时隙为26.67ms，每一帧开始和结束都是以UTC分钟一致的。

（3）网络层负责建立和维护通道连接；管理报文的优先级指定；两个通道之间发射用数据包的分配；数据链拥塞的解决。作用：（a）信道管理，建立和保持信道连接。AIS工作信道为87B和88B，只能在人工输入命令、基地台发来的TDMA命令、基地台发来的DSC命令等情况下转换到其他信道上工作。（b）确定报告速率；（c）解决信道阻塞问题。

（4）传输层负责将数据转换到大小合适的发射用数据包；将数据包排队；将协议与较高若干层接口。传输层应当将来自表示层接口的数据转换成发射用数据包，如果发射用数据包的长度要求在5个以上的时隙中才能发射完，或者对AIS移动台，如果报文6、8、12、14在这一帧中通过RATDMA协议发射的时隙总数超过20，则AIS不应当发射该数据，而应当响应以一个负证实给表示层接口。

5.AIS技术应用

5.1优化船舶调度与提升航运效率

AIS信息有利于调度人员全面了解和分析海上船舶交通状况与各航线的船舶流量，实现对船舶的科学、有效地调度，提高船舶进出港效率，创建一个高效和谐的海上交通环境。AIS信息可与雷达信息相融合，提供精确、全面的船舶实时的信息，增强雷达的信息识别能力；AIS可以扩展航海雷达系统的观测范围，弥补雷达的观测盲区；AIS还能够克服雨雪对雷达产生的干拢，使船舶能够在暴雨、大雪等恶劣天气下安全的进出港口。

5.2海上人命和安全救助

海上船舶发生事故后，通过AIS数据可以准确定位查找遇险船舶，掌握事发水域周围水域环境及通航状况，为及时开展海上搜救工作创造有利时机，缩短救助时间，提高搜救效率，最大限度的保护海上人命和财产安全。

5.3提供助航服务，维护航行安全

利用AIS岸基网络系统可以及时对安装AIS船台的船舶播发航标动态、水文、气象、航行警告、等信息，丰富了助航信息手段，为航海用户提供了更为优质的航海保障服务。

5.4设置虚拟航标

虚拟航标是依据ITU 1371-1标准，通过AIS基站播发的一种助航标志。在遇到沉船等紧急情况及在某些水域需要设标又不便于设标时，可以设立虚拟航标对船舶予以提示。

参考文献：

[1]ITU，Recommendation ITU-R M.1371-4，2010.

[2]IMO，NAV 58/14 report to the maritime safety committee，2012.

[3]船载自动识别系统（AIS）技术要求 GB/T 20068-2006.