文献综述-基于AIS的船舶避碰数据采集系统设计

前言

介绍了基于AIS的船舶避碰数据的设计。AIS数据是AIS系统的部分功能，AIS数据采集系统得到的信息进行处理，得出最佳避碰方案，然后发送到屏幕上显示，供驾驶员参考。作为AIS系统功能部分，介绍AIS系统就很有必要。AIS(AutomaticIdentificationSystem)是工作在VHF海上频段的船舶和岸基广播数据传输系统。它是一种可在船与船之间以及船与岸之间交换数字信息的工具。设置AIS有利于自动船舶识别、避免船舶碰撞、协助目标跟踪、减少话音报告、简化信息交换并提供附加信息以帮助了解船舶交通状况。目前，AIS已成为海船上必不可少的配置，作为雷达的补充，用作船舶之间避碰和自动交换信息的重要助航工具。AIS可使VTS(VesselTrafficService)改善和加强对船舶交通的服务管理功能，可使港航部门获取有关船舶的装载货物、航行计划、实际位置等信息。此外，AIS还可在航标和搜寻救助等方面有着重要的作用。

AIS发展过程中较早的一种方法是基于VHF数字选择呼叫(DSC-digitalselectivecalling)技术开发而成的，称为自动应答系统(TransponderSystem)。其基本方法是在70频道上以DSC方式自动发出询问信息，接收到询问信息的接收机(装在船舶或岸台上的AIS设备)根据询问方要求的频道，将本船的识别码、船名、船位、航向、航速、吃水等信息自动传给询问方，这样便实现了自动应答功能。AIS作为通信导航系统或设备，经历了一个从不完善到逐步完善的过程，IMO海安会及其它的国际组织，不断制定和补充相应的标准，同时对AIS的研究也在不断地向前推进。目前AIS设备在我国的应用也得到了广泛的实施。随着船舶识别网络系统在珠江口水域运行成功，海事部门实现了对船舶实施网络化、自动化监管。最近南通辖区通常、通沙、海太三条主力渡线21艘渡船也全部安装了船舶自动识别系统。随着AIS设备在我国得到越来越多的应用同时海上航行安全也得到更高的保证。基于AIS船舶避碰数据处理及发送系统实际上可看做AIS功能一部分，它只要求避碰数据处理及发送。本论文对基于AIS的船舶避碰数据系统进行了阐述，介绍了该系统的软硬件构成与实现方法。对于AIS功能的一部分该系统研究对AIS系统的实现有着非常重要的意义。



雷达与AIS获得DCPA与TCPA的过程分析:雷达ARPA协助船舶避碰求取DCPA与TCPA的过程分析雷达协助船舶避碰是船舶探测目标并加以分析与决策的重要手段，特别是在能见度不良的情况下，这种手段尤显重要，雷达利用电磁波的反射特性，通过测量电磁波往返时间来测算物标的距离，利用电机同步或电磁场—l，解算的方法或使用天线方位编码的方法使雷达扫描线与天线朝向一致，从而测

得目标相对我船的方位，即舷角，将我船的罗经航向考虑进去即得到目标的真方位，在某一时刻测得目标的方位和距离即得到目标第一时刻的位置A，随后进行目标的系统观测，经过△时间后，用同样方法得到目标第二位置B．













AIS协助船舶避碰求取DCPA与TCPA的过程分析:AIS协助船舶避碰是船舶相互发送与接收位置及运动参数信息并附加船舶的静态信息为船舶避让决策提供重要参考，并同时对船舶进行识别以利于有效的沟通．近年来，这一手段以其高效、直观、良好的数据兼容性、易于叠加与共享，得到了全面的重视及广泛的应用．AIS设备利用甚高频81、82频段，采用SOTD—MA自组织时分多址技术，在一定的电磁波覆盖范围内，一定的容量下，实现船舶间或与岸基台的有效的无拥塞通信，通信的内容包含目标的静态信息(例如船名、呼号、IMO编号、MMSI等等)和目标船传感器动态信息(例如GPS(GNSS)船位信息、航向信息、航速信息等等。

7.运用不同技术协助船舶避碰的优劣比较举要

7.1漏警与虚警方面

雷达电磁波具有直线传播的特性，因此雷达对目标的探测存在阴影区，另外雷达天线高度与垂直波束宽度的限制，以及雷达发射脉冲宽度与收发开关恢复时间的限制，存在盲区问题，这样近距离目标、遮挡物后的目标有可能探测不到，另外对于反射性能不好的目标在发现方面亦存在欠缺，ARPA对目标的跟踪还存在目标丢失与误跟踪现象；AIS对所有安装了AIS发射装置的物体，在有效范围内，探测能力大大增强，例如，从黄浦江驶出的船舶与从海人长江或由长江人海的船之间，往往由于岬角形成的阴影，雷达难以探测，而AIS可以有效探测甚至从AIS静态信息知道目标船上下水意图，但AIS也存在很大漏警问题，对未安装的目标船、地理目标(例如浮筒等)都不能探测，应考虑补充手段．

7.2避碰数据的可靠性方面

如前述，雷达对船舶避碰的核心数据DCPA、TCPA的计算是由目标前后相对我船的位置改变计算而得的，显然误差来源仅在雷达本身，本船与目标船的航向、航速数据的误差都不致对其构成影响，而AIS对目标的避碰核心数据的计算是由我船、它船地理位置反推相对位置，再以此位置关系为基础，依靠我船航向、航速及目标船航向、航速反算出来的，其中船舶定位传感器、航速传感器、航向传感器的误差均成为避碰核心数据的误差来源，因此比较后，雷达ARPA在避碰数据的可靠性方面明显优于AIS，同时，为了提高船位、航速、航向传感器的可靠性与精确度，使AIS给出的避碰数据更可信。

7.3避碰数据给出的快速性方面

雷达对船舶避碰的核心数据DCPA、TCPA的计算必须有足够的时间等待相对位置的改变，才能推算出后续的相对位置变化规律，当原有的相对位置变化规律被破坏后，又需要重新等待，一般，人工标绘得到目标的DCPA、TCPA需要6—12min．ARPA标绘也需要3min左右的延时，很显然是不及时的，而AIS从其计算机理可以看出，它可以实时给出该数据，这一点非常可贵，尤其在频繁操纵的通航环境中，可以随时知悉碰撞危险。

7.4协调与查核方面

由于AIS的首要功能是船舶识别，它在船舶沟通方面的优势表现非凡，这一点雷达ARPA是无法相比的，AIS还能提供更多的信息使双方更方便地了解对方的操纵意图，使得避让更为及时与协调，在避让行动实施后，AIS以其计算的实时性，还能更快地提供避让效果，极大程度地减少了不协调避让。

8.AIS的前景展望

由于目前不是所有的船舶都配备有此设备，例如游船、内陆水域船舶等，所以必须生产出满足较低航行标准的、经济的AIS设备。随着IMO关于AIS标准的出台和不断提高，各种研制厂商也不断地推出了具有最新功能的AIS设备。AIS将成为对现存导航系统(包括雷达)最重要的补充。总之，经AIS接收的数据将提高值班驾驶员获取信息的质量，增强通航意识。配备合适的图象装置，船载AIS通过计算到达最近点(CPA)和从目标船发送的数据，将能提供快速、自动和精确的碰撞危险信息，为自动避碰系统的发展提供了较好的数据源。A／S从单台仪器向网络方向发展，从单一的提供数据向智能专家系统发展，与V，rs结合向新型船舶交管系统方向发展，向互联网(INTERNET)发展。AIS已不是简单的船舶装备的单独航行仪器，它与海岸AIS网构成船岸之间航海保证系统，进人互联网，具有广阔的前景。船舶AIS与电子海图显示(ECDIS)技术集成为“新型船舶避碰专家系统”，AIS与过去基于雷达的V，I1S结合集成为“新型船舶交管系统”。AIS既是航海导航通信设备，又是船舶信息化的网络系统，利用传统的甚高频水上移动通信频率，采取了自主时分多通道访问协议的数字通信技术，以先进的GPS定位作为船位的基础数据，电子海图显示为显示终端，因此在海事管理方面有广阔的应用前景，对船舶交通管理具有监督能力，对运输船队有调度、营运的管理能力，对船舶进出港口具有领航能力，对船舶遇险有搜救能力，对海上航行的船舶有获得航行警告和气象信息的能力，还有船舶与公司之间信息通信的能力。随着航运技术的发展，AIS技术必将得到更大的发挥和完善，为航运的发展带来更大的便利。在航海科技高度发展的年代，应清醒认识到不同手段各自的利弊，应相互取长补短．在避碰中主要考虑AIS与雷达ARPA提供避碰数据的特点，利用雷达目标的位置来分析AIS目标位置的准确度，不致造成因GPS船位误差引起AIS目标相对我船的位置偏差．在我船与目标船稳定航行时，利用雷达ARPA给出的DCPA与TCPA以及相对矢量来分析AIS给出的DCPA与TCPA与相对矢量，若有误差，则应分析AIS产生误差的原因，并清醒认识到此时不能依赖AIS，在经核对AIS不存在这些误差的时候，充分利用AIS便于沟通与快速处理的优势，实现有效审核与协调避让．同时在此基础上，更应利用AIS与ECDIS良好兼容的特点，对照地理目标，实现避让与导航的完美结合[6]．

参考文献

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