Применение на судовых станциях автоматических идентификационных систем

Скорость передачи цифровой информации в канале АИС выбрана 9600 бит/с, что обусловлено использованием как широкополосных международных каналов (с разносом частот между каналами 25 кГц), так и узкополосных каналов, выделяемых на региональной основе (с разносом частот 12,5 кГц). В принципе, если бы в АИС использовались только широкополосные каналы с разносом частот 25 кГц, скорость передачи информации и потенциальная пропускная способность системы могла быть вдвое выше. Тем не менее, выбранная скорость передачи заметно выше, чем при передаче информации по протоколу ЦИВ (1200 бит/с), и достаточна для обмена информацией, рассмотренной в п. 2.1

При скорости передачи 9600 бит/с в каждом слоте длительностью 26,67 мс теоретически можно передать 256 бит информации. Практически, пакет данных, передаваемых в слоте, имеет максимальную длину 168 бит и дополняется сигналом синхронизации, флагами начала и окончания данных, контрольной суммой битов.

Расчет реальной пропускной способности канала связи АИС выполняется с учетом особенностей данного района плавания и вероятного количества судов различного вида (стоящих на якоре, движущихся, высокоскоростных, маневрирующих и т.д.). Например, если в радиусе действия станции АИС находится 40 движущихся судов, передающих сообщение о местоположении размером в один слот и с интервалом 2 секунды, то в минутном кадре окажутся занятыми 1200 слотов из 4500 (для двух частотных каналов). Расчет, выполненный для районов с наибольшей интенсивностью судоходства (Дуврский и Сингапурский проливы), показал, что в теоретическом радиусе действия станции АИС, равном 40 миль, необходимо обеспечить возможность передачи 2400 - 3200 сообщений в минуту от различных судов. Тем не менее, некоторые морские администрации и специалисты выражают обеспокоенность, что пропускная способность АИС вскоре может оказаться недостаточной с учетом реальной и перспективной интенсивности судоходства, а также возможности установки АИС на СНО, прогулочных и маломерных судах.

Основополагающий принцип универсальной АИС состоит в том, что любая станция, включившись в работу или оказавшись в радиусе действия других работающих станций, должна найти для себя свободные слоты (не занятые другими станциями) и использовать их для их для своей передачи. Методом, позволяющим множеству станций АИС находить свободные слоты для передачи и избежать блокирования системы при перегрузках, является специальный метод доступа к каналу ОВЧ связи - TDMA (Time Division Multiple Access), в русскоязычной терминологии - множественный доступ с временным разделением (МДВР).

В АИС используется несколько разновидностей (протоколов или алгоритмов) TDMA:

RATDMA (Random - случайный) - используется для выбора первого слота после включения станции в работу, а также при начале передачи нерегулярных сообщений, например, связанных с безопасностью мореплавания;

1TDMA (Incremental - инкрементный) - используется для резервирования слотов в первом минутном кадре, например, после включения станции в работу, а также, когда судно должно увеличить частоту передачи при изменении курса;

SOTDMA (Self-Organized - самоорганизующийся) - используется как продолжение ITDMA для резервирования слотов для передачи в последующих 3-7 минутных кадрах;

FATDMA (Fixed - фиксированный) - используется базовыми станциями в целях обеспечения их работы с установленным периодом повторения и в фиксированных объявленных слотах, которые не могут занимать мобильные станции.

Станции АИС после включения в работу до начала передачи в течение минутного кадра принимают и анализируют сообщения в канале АИС для определения свободных слотов и выбора потенциальных слотов для своей передачи в следующем минутном кадре. Первый слот в начале передачи выбирается с использованием протокола RATDMA. Последующие слоты в данном минутном кадре выбираются посредством протокола ITDMA, о выбранных слотах объявляется в первом переданном станцией сообщении. Если судно не меняет свой режим движения и продолжает передавать регулярные сообщения с неизменным периодом повторения, то далее используется протокол SOTDMA, обеспечивающий резервирование слотов в предстоящих 3-7 кадрах. Если же период повторения сообщений должен измениться, например, когда судно меняет курс, то станция кратковременно переход ит на протокол ITDMA, а затем возвращается к SOTDMA с новым периодом повторения. Если судну необходимо передать нерегулярное сообщение, то станция использует протокола RATDMA для выбора первого слота под это сообщение. Последующие слоты для передачи этого сообщения выбираются посредством протокола ITDMA. Выбранный ранее порядок передачи регулярных сообщений, например, позиционных, при этом не нарушается.

Например, судно должно регулярно передавать позиционное сообщение, содержащее динамическую информацию, с периодом повторения 6 секунд. Частота передачи сообщения RR для данного примера равна 10, то есть, сообщение должно повторяться 10 раз в течение минутного кадра, состоящего из 2250 слотов. Номинальное приращение N1, равное 225, означает, что данное сообщение должно повторяться, в среднем, каждые 225 слотов. Слот для передачи сообщения должен случайным образом выбираться из 45 слотов, лежащих в интервале выбора SI, но не занятых другими станциями. Таким образом, фактический интервал передачи сообщений каждой судовой станции АИС изменяется случайным образом вокруг среднего значения, определяемого параметрами движения судов и установленного стандартами.

Алгоритмы TDMA также обеспечивают устойчивость канала АИС к перегрузкам, когда почти все слоты в минутном кадре заняты, и некоторая станция А не может выбрать свободный слот для передачи своего сообщения в интервале выбора. В этом случае, станция А выбирает для передачи слот, в котором уже ведет передачу наиболее удаленная от нее станция В. Тем самым, для других станций, находящихся вблизи станции А, передача станции В будет подавлена в данном слоте сигналом станции А. Однако, станция А может подавить сигнал станции В только один раз за минутный кадр. Для передачи следующего сообщения в данном кадре станция А должна выбрать слот, где ведет передачу другая удаленная станция С. Аналогично ведут себя и другие танции, окружающие станцию А.

В результате, при перегрузке канала связи АИС на 400-500% (когда для нормальной работы всех станций потребовалось бы в 4-5 раз увеличить число слотов в кадре) реальная дальность приема каждой судовой станцией сообщений от других станций уменьшается до 8-10 миль, то есть до дальности уверенного радиолокационного сопровождения судов-целей средних размеров. Следовательно, в районах с высокой интенсивностью судоходства реальная дальность действия АИС всегда меньше, чем дальность обычной радиосвязи на ОВЧ, определяемая высотами установки антенн.

Специфические особенности канала связи АИС накладывают существенные ограничения на технические характеристики передающих и приемных устройств. Мощность передатчика АИС стандартизована на уровне 12,5 Вт (в режиме полной мощности) и 2 Вт (в режиме пониженной мощности). Предусмотрено ступенчатое переключение мощности передатчика (пониженная/полная) по сигналу базовой станции. Пониженная мощность может использоваться, например, на акватории порта, чтобы уменьшить перегрузку канала связи на подходных фарватерах. Ввиду необходимости работы в коротких временных интервалах (слота) длительностью 26,67 мс, время нарастания излучаемой мощности до уровня 80% от максимальной, а также спада мощности не должно превышать 1 мс.

1.6 Судовая аппаратура

Мобильные станции АИС в зависимости от назначения и места установки подразделяется на следующие виды:

судовые станции класса А;

судовые станции класса В;

портативные (носимые) станции, используемые лоцманами на борту судна;

станции, устанавливаемые на средствах навигационного оборудования (СНО).

станции, устанавливаемые на воздушных судах, участвующих в поисково- спасательных операциях.

Судовые станции класса А полностью соответствуют международным требованиям и стандартам и устанавливаются на судах согласно требований Главы 5 Конвенции SOLAS.

В состав судовой станции (транспондера) АИС класса А входят:

два приемника каналов AIS-1 и AIS-2, обеспечивающие переключение на региональные каналы (частоты);

передатчик, переключаемый на каналы AIS-1 и AIS-2 и на региональные каналы;

приемник с цифровым избирательным вызовом (канал 70);

антенный переключатель (АП);

антенна ОВЧ (УКВ);

антенна ГНСС (ДГНСС);

встроенный приемник ГНСС (ДГНСС);

декодеры (декодирующие устройства) сигналов ЦИВ и TDMA;

кодеры (кодирующие устройства) сигналов ЦИВ и TDMA;

микропроцессорный контроллер, управляющий работой аппаратуры;

минимальный дисплей и клавиатура;

встроенное устройство интегрального контроля работоспособности (ВИТ - Built-in Integrity Test);

блок питания.

Для сопряжения оборудования АИС с судовыми навигационными приборами (датчиками и дисплеями) предусмотрены следующие порты:

порт 1 - для подключения к судовому (внешнему) навигационному приемнику ГНСС или ДГНСС (или наземных радионавигационных систем);

порт 2 - для подключения к гирокомпасу;

порт 3 - для подключения к датчику угловой скорости;

порты 4 и 6 - для подключения к судовому навигационному дисплею (РЛС/САРП, ЭКС или интегрированная навигационная система);

порт 5 - для подключения вспомогательного оборудования или портативного лоцманского прибора;

порт 8 - для подключения к терминалу Инмарсат - С;

порт 9 - для ввода поправок ДГНСС во внутренний приемник от внешнего источника, а также для вывода поправок ДГНСС, принятых по каналу связи АИС, на внешний навигационный приемник;

порт 10 - для подключения к системе тревожной сигнализации на мостике.

Порты 6 и 9 являются необязательными и могут отсутствовать в отдельных видах судовой аппаратуры. Порты 1-8 должны соответствовать требованиям Стандарта МЭКЛЕС 61162 к интерфейсам обмена информацией.

Минимальный (текстовый) дисплей и клавиатура обеспечивают возможность ввода в аппаратуру АИС статической и рейсовой информации, а также ввода и отображения текстовых сообщений, связанных с безопасностью мореплавания. Конструктивно минимальный дисплей и клавиатура объединяются с основным прибором АИС, либо выполняются в виде отдельного малогабаритного прибора. Минимальный дисплей должен отображать данные не менее, чем по трем судам, включая пеленг, дальность и название судна-цели. Другие данные о судне могут быть отображены с помощью горизонтальной «прокрутки» текста. При этом данные о пеленге и дальности сохраняются на экране. Путем вертикальной «прокрутки» можно отобразить данные о других судах-целях. При сопряжении аппаратуры АИС с судовым навигационным дисплеем все функции ввода и отображения информации реализуются на сопрягаемом дисплее.

Устройство контроля работоспособности обеспечивает обнаружение ошибок в передаваемой информации и в принимаемых данных. Если данные какого-либо датчика (например, гирокомпаса) не поступают в аппаратуру АИС, то выдается сигнал «нет данных». При неисправности оборудования АИС выдается тревожный сигнал и прекращается передача данных.

Встроенный приемник ГНСС или ДГНСС обеспечивает временную синхронизацию аппаратуры АИС и является резервным источником информации о местоположении судна. Основным источником информации о местоположении судна в АИС является внешний судовой приемник ГНСС или ДГНСС, используемый в навигационных целях и сопрягаемый с АИС. Дифференциальные поправки, передаваемые береговыми опорными станциями ДГНСС в радиомаячном диапазоне, могут транслироваться от внешнего приемника ДГНСС во внутренний приемник ГНСС. Дифференциальные поправки могут также передаваться по каналу связи АИС, приниматься судовой аппаратурой АИС и транслироваться во внутренний и внешний приемники ГНСС.

Таблица 1.3

Из таблицы 2.3 следует, что станция АИС должна отдавать предпочтение приемникам ГНСС, работающим в дифференциальном режиме. В этих случаях станция АИС включает в сообщение о местоположении признак высокой точности. Если и внутренний и внешний приемники ГНСС работают в дифференциальном режиме, предпочтение отдается внешнему приемнику. При использовании внутреннего приемника ГНСС, работающего в дифференциальном режиме, предпочтение отдается использованию поправок, полученных от базовой станции АИС. Если и внутренний и внешний приемники ГНСС работают в обычном режиме, предпочтение отдается внешнему приемнику. Возможность использования совместно с АИС внешнего приемника наземной радионавигационной системы (РНС), например, Лоран-С, не представляет практического интереса. Хотя такой вариант оборудования судов допускается Главой 5 Конвенции SOLAS и конструкцией оборудования АИС.

Если состояние источников информации о местоположении (доступность, работоспособность) изменяется, АИС должна автоматически переключаться на источник, имеющий более высокий приоритет. При смене источников должно быть немедленно передано сообщение, содержащее статическую и рейсовую информацию, и выдана соответствующая информация на судовой дисплей АИС. Данные о путевом угле и скорости (относительно грунта) должны получаться от используемого источника информации о местоположении.

Среди судовых станций класса А выделяется аппаратура ограниченного класса А, устанавливаемая по решению национальных или местных морских Администраций на судах, где установка АИС прямо не предусмотрена в требованиях Главы 5 SOLAS: рыболовные суда, суда вместимостью менее 300, оперирующие во внутренних морских водах, лоцманские, буксирные и другие. Для станций АИС ограниченного класса А допускаются некоторые отступления от международных требований и стандартов в отношении сопрягаемых судовых приборов, использования режимов ЦИВ, управления частотными каналами и дальней связи.

1.7 Береговой сегмент

Полная реализация всех функциональных возможностей АИС возможна только при развертывании в районах интенсивного судоходства берегового сегмента АИС, в состав которого входят:

- цепь береговых станций АИС, включающая базовые станции, симплексные и дуплексные репитеры;

- сеть передачи данных АИС (AIS Network), связывающая базовые станции и береговые службы;

- оборудование, установленное в береговых службах в целях отображения информации АИС, а также формирования сообщений, передаваемых через базовые станции и канал связи АИС.

В отдельных регионах береговой сегмент АИС может выполнять различные функции - от пассивного режима работы (только получение информации от судов) до выполнения в полном объеме всех следующих функций:

получение береговыми службами информации о судах, их местоположении и движении;

двусторонний обмен береговых служб с судами навигационной и иной информацией, связанной с безопасностью мореплавания;

передача на суда поправок ДГНСС по каналу связи АИС; передача на суда информации о местоположении и движении судов, не оборудованных АИС и сопровождаемых PJIC в составе СУДС;

контроль за местоположением и состоянием плавучих средств навигационного оборудования (СНО);

управление режимами работы мобильных судовых станций (назначение региональных частотных каналов АИС, интервала передачи сообщений и слотов для их передачи);

обеспечение резервной временной синхронизация судовых станций.

Цепь береговых станций проектируется таким образом, чтобы обеспечить максимальное покрытие прибрежных морских вод, акваторий портов и подходов к ним рабочими зонами. В частном случае, цепь береговых станций может состоять из одной базовой станции, устанавливаемой в небольшом порту, расположенном на малоосвоенном побережье с низкой интенсивностью судоходства. В большинстве случаев цепь береговых станций состоит из нескольких базовых станций и репитеров, перекрывающих рабочими зонами участок побережья протяженностью 60 - 300 и более миль.

Обычно, для каждой цепи береговых станций АИС организуется центр управления и обработки информации. При образовании непрерывных рабочих зон береговых станций АИС вдоль побережья морских государств также преобладает региональный принцип организации - подразделение станций АИС на несколько цепей с выделением для каждой из них своего центра.

Базовые станции АИС соединяются радиорелейными, проводными или волоконно-оптическими линиям связи с центром управления и обработки информации. Репитеры, входящие в цепь береговых станций, взаимодействуют с ближайшей базовой станцией по каналу связи АИС и предназначены для расширения рабочих зон АИС там, где затруднена прокладка линий связи. Симплексные репитеры принимают сообщения на частотных каналах АИС и ретранслируют их по этим же частотным каналам, резервируя для своей работы дополнительные слоты. Таким образом, применение симплексных репитеров существенно увеличивает загруженность канала связи АИС и должно быть обосновано расчетами. Дуплексные репитеры принимают сообщения на одних частотных каналах АИС и одновременно ретранслируют их по другим частотным каналам. Применение дуплексных репитеров предполагает выделение дополнительных региональных частот АИС на национальной или региональной основе. Конфигурация цепи береговых станций АИС (количество, расположение и тип станций, высоты установки и диаграммы направленности антенн, рабочие зоны) определяется географическим особенностями района и местными характеристиками судоходства (типы судов, интенсивность и пути движения).

Радиус действия береговых станций (в режиме «судно-берег») при высоте установки антенн от 100 до 250 м составляет 30-45 миль и значительно превышает радиус действия судовых станций (в режиме «судно-судно»). Следовательно, в радиусе действия береговой станции могут оказаться суда (или группы судов), которые не имеют «радиоконтакта» друг с другом и выбирают для передачи своих сообщений те же самые слоты. Кроме того, в районах интенсивного судоходства при перегрузке канала связи АИС (см. п. 3.2) судовые станции часть своих сообщений передают в слотах, где также передают сообщения наиболее удаленные судовые станции. В этом случае береговая станция будет принимать наложенные друг на друга сообщения и часть информации от судов будет потеряна. Чем больше радиус действия базовой станции и выше интенсивность судоходства, тем больше вероятность такой ситуации.

Важной функцией базовой станции является передача дифференциальных поправок ГНСС через канал АИС. Необходимость данной функции объясняется сильным влиянием атмосферных и промышленных помех на длинноволновый диапазон, в котором работают радиомаяки ДГНСС (средняя длина волны 1000 м, частота 300 КГц). Особенно сильно это влияние на акваториях портов при крупных городах, где также возможны эффекты экранирования поля радиомаяка береговыми сооружениями или рядом находящимися судами. В результате, судовая станция может «терять» принимаемый сигнал радиомаяка ДГНСС, что приводит к мгновенному смещению на 15 - 30 метров символа АИС этого судна, наблюдаемого на экранах других судов или береговых служб. В подобных случаях базовые станции и канал связи АИС могут служить резервным средством обеспечения судов дифференциальными поправками ГНСС.

Данная функция может быть реализована за счет постоянного ввода в базовую станцию АИС поправок от опорной станции ДГНСС, расположенной в данном регионе, через выделенную линию связи и специальный порт модуля базовой станции. Альтернативным решением является установка аппаратуры опорной станции ДГНСС, выполненной в виде модуля 19 дюймового стандарта, непосредственно на базовых станциях АИС. Последнее решение имеет преимущество там, где еще не установлены опорные станции и радиомаяки ДГНСС, но требуется обеспечить высокую точность определения местоположения судов, уже оснащенных АИС, например танкеров или пассажирских судов.

Базовые станции АИС подключены к центру управления и обработки информации по выделенным линиям связи через контроллер базовых станций. Контроллер базовых станций обеспечивает исключение избыточности информации в случае, если сообщение судна принимается одновременно несколькими базовыми станциями, а также включает компьютерный терминал для контроля и управления режимами работы базовых станций.

Полученные данные АИС, также как и данные радиолокационного сопровождения, выработанные соответствующим процессором, связанным с PJIC, хранятся в сервере данных сопровождаемых целей. В результате совместной обработки двух видов информации выявляются данные, относящиеся к одной и той же цели, которые затем связываются между собой, что позволяет автоматически идентифицировать эхосигналы и символы радиолокационного сопровождения. Технология совместной обработки данных АИС и радиолокационного сопровождения получила наименование «Multi Sensor Fusion». Ее основу составляет корреляционная обработка координат и вектора скорости цели, получаемых от нескольких датчиков (РЛС и АИС) в заданном интервале времени.

При совместной обработке информации АИС и РЛС должно быть предусмотрено преобразование данных из международной геодезической системы WGS-84, используемой в АИС, в местную (национальную) систему координат, применяемую в СУДС.

Данные АИС и радиолокационного сопровождения связываются с базой данных СУДС или местной морской администрации, где хранятся дополнительная информация по идентифицированному судну (эксплуатационно-технические характеристики, освобождение от обязательной лоцманской проводки, сведения по предшествующим посещениям порта, результаты инспектирования портовым контролем и т.д.). Данные радиолокационного сопровождения, данные АИС, а также сведения из базы данных отображаются на дисплеях рабочих станций СУДС. Эта же информация предоставляется внешним потребителям (береговым службам) через сервер доступа.

Взаимодействие указанных выше информационно-вычислительных модулей осуществляется по локальной вычислительной сети (LAN). Сервер доступа обеспечивает распределение информации АИС по береговым службам через региональную сеть передачи данных (WAN), при построении которой обычно используются маршрутизируемые протоколы TCP/IP. Работа сервера доступа может быть организована в двух режимах: с «вещательной» (broadcast) передачей информации всем подключенным к сети береговым службам или с обработкой запросов береговых служб на определенный вид информации. В первом случае береговые службы получают только «мгновенную» картину судоходной обстановки и должны самостоятельно организовывать дальнейшее хранение и обработку информации для получения «истории» движения судов. Кроме того, сервер доступа совместно с контроллером базовых станций должен обеспечить передачу сообщений АИС, поступающих от уполномоченных береговых служб (например, предупреждений о неработающих СНО от местной гидрографической службы), через базовые станции.

1.8 АИС и Глава 5 Конвенции SOLAS

3.2 Достоинства АИС

К преимуществам АИС по сравнению с обычным радиолокационным наблюдением и использованием средств автоматической радиолокационной прокладки (САРП) следует отнести:

- Увеличение расстояния, на котором возможны обнаружение встречных судов и оценка опасности столкновения. Радиусом действия АИС в открытом море можно считать дальность ОВЧ радиосвязи. С учетом высоты установки антенн АИС над уровнем моря радиус действия АИС лежит в пределах 20 - 30 миль. В то же время дальность уверенного обнаружения и автоматического сопровождения встречного судна с помощью РЛС/САРП зависит от размеров судна-цели, погодных условий и других факторов и лежит в пределах 6-15 миль. Как следствие малое судно-цель, оборудованное АИС, будет обнаруживаться примерно на тех же расстояниях, что и крупные суда с помощью РЛС;

- При визуальном наблюдении существуют теневые секторы, которые либо превращают непрерывное наблюдение в периодическое, или вовсе не позволяют обнаруживать цели:

теневые секторы впереди траверза вследствие конструкции судна и ходового мостика просматриваются только периодически после изменения позиции наблюдателя на мостике;

теневой сектор позади траверза просматривается только периодически при выходе на крылья мостика;

теневые секторы, возникающие за близко идущими судами, островами, мысами, не позволяют обнаруживать в них цели даже при самой благоприятной видимости.

- В районах с изрезанной береговой линией, в архипелагах, в узких проливах, фиордах и на реках АИС позволяет получать информацию по судам, находящимся в «теневых» секторах PJIC, обусловленных береговым рельефом. Этот эффект объясняется тем, что радиоволны ОВЧ диапазона (метровые), излученные ненаправленной антенной АИС, за счет огибания береговых препятствий или за счет отражений от них могут распространяться не только в пределах прямой видимости, как радиоволны СВЧ диапазона (сантиметровые), применяемые в морской радиолокации.

- На работу судовых РЛС и САРП могут оказывать отрицательное влияние отражения от морской поверхности, помехи от осадков и от соседних РЛС, ложные эхо- сигналы и другие внешние факторы. Существенно ухудшается работа радиолокационного оборудования на сильном волнении вследствие качки и попадания собственного судна и судна-цели между гребнями волн. В то же время, на работу АИС указанные факторы практически не оказывают никакого влияния.

- Погрешности РЛС и радиолокационной прокладки, как правило, возрастают с увеличением расстояния до цели. Погрешности информации АИС остаются неизменными в пределах дальности действия и, как правило, существенно меньше соответствующих погрешностей радиолокационной прокладки, особенно в районах, где установлены дифференциальные станции ГНСС. В АИС отсутствуют понятие минимальная дальность действия («мертвая зона»), свойственное РЛС, благодаря чему возможно получение информации от рядом расположенных судов, например, ошвартованных лагом.

- Эффективность АИС не снижается при использовании на акваториях портов и в стесненных водах, где очень трудно обеспечить своевременный захват и сопровождение целей с помощью САРП. Ограниченная разрешающая способность РЛС и отражения от береговых объектов не позволяют, как правило, вести наблюдение за судами, стоящими у причала. Как следствие, затруднено своевременное обнаружение с помощью РЛС и САРП начала движения парома местного сообщения по акватории порта или пересекающего речной фарватер, что может быть обеспечено АИС.

- При радиолокационной прокладке первичными данными о движении цели являются пеленг и дальность, а также определяемые на основе их изменения относительные курс и скорость. Истинные курс и скорость цели рассчитываются в САРП с учетом гирокомпасного курса и скорости по лагу собственного судна, что вносит в расчеты существенные погрешности, особенно при наличии течения и ветрового дрейфа. В АИС исходными данными являются вектор скорости цели относительно грунта (COG/SOG). Относительные курс и скорость цели рассчитываются с минимальными погрешностями с учетом известного вектора скорости собственного судна относительно грунта.