江德亮+石峻峰

摘要：隨著三沙海域船舶密度的增加，國家海洋權(quán)益維護、海上安全監(jiān)管、海上救生等需求越來越多，船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）作為一種船舶監(jiān)視手段變得尤為重要。本文將探索研究一套利用北斗衛(wèi)星技術短報文通訊功能，實現(xiàn)三沙海域偏遠島嶼AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺遠距離通訊的技術，有效提高AIS數(shù)據(jù)傳輸距離，增大AIS覆蓋面積，服務國家海洋開發(fā)。

關鍵詞：北斗衛(wèi)星技術 三沙海域 AI S通訊技術 數(shù)據(jù)分包傳輸

1.引言

近年來國家對南海的開發(fā)越來越重視，隨著三沙市的成立，南海海域往來船舶密度逐漸增大。隨著我國“一帶一路”系統(tǒng)工程的提出，三沙市在建設“21世紀海上絲綢之路”中將發(fā)揮重要的支點作用，其將為海上貿(mào)易、交通運輸、聯(lián)合應急救援等提供廣闊的合作空間，因此三沙市對導助航設施的需求變得更加迫切。

目前三沙海域目視航標嚴重不足，僅有北礁燈塔、浪花礁燈塔等為數(shù)不多的幾座燈塔，而電子航標僅有三沙市永興島AIS（船舶自動識別系統(tǒng)，Automatic Identification System）基站一座。導助航設施的不足不利于三沙市島際交通建設，不利于來往船只航行安全，也不利于海上執(zhí)法工作、搜救活動的開展。

近年來三沙海域發(fā)生多次海上安全事故，例如2013年9月，受強臺風“蝴蝶”影響，五艘廣東臺山、香港籍漁船在西沙珊瑚島海域遇險，多人下落不明。對遇險船只開展營救，海事部門主要依靠AIS系統(tǒng)了解船舶地理位置，AIS系統(tǒng)的重要性凸顯。

此外，三沙市政府為了開展海上維權(quán)執(zhí)法工作，需要了解進入三沙海域船只的相關信息，AIS系統(tǒng)再次成為主要的獲取手段。2014年、2015年三沙市政府舉辦海上綜合行政執(zhí)法演練，演練過程中AIS系統(tǒng)作為重要的船舶監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛的應用，但受三沙海域僅有西沙一座AIS基站的限制，相關執(zhí)法部門只能監(jiān)控到永興島方圓50公里內(nèi)的船舶。

為了改善三沙海域?qū)е江h(huán)境，新建導助航設施、設備，以及增強現(xiàn)有導助航設施、設備的性能迫在眉睫。此外三沙海域偏遠島嶼多為無人居住的島礁，建設AIS系統(tǒng)首先要考慮的是通訊鏈路的問題。而海底光纜建設費用高昂，微波通訊傳輸距離又有限。為了解決上述問題，本研究將以AIS系統(tǒng)建設中存在的通訊鏈路問題為出發(fā)點，基于利用通訊費用低、傳輸距離遠的北斗系統(tǒng)短報文通訊，探索一套利用北斗衛(wèi)星技術實現(xiàn)三沙海域偏遠島嶼AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺遠距離通訊的技術，旨在為三沙海域AIS系統(tǒng)建設提供理論依據(jù)。

2.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介

我國自行研發(fā)，自行建設管理的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite Svstem，BDS），具有自主知識產(chǎn)權(quán)。北斗系統(tǒng)可為各領域客戶提供高精度、高可靠性的衛(wèi)星定位、雙向短報文通信和精密授時等服務。該系統(tǒng)分為空間衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端三部分。我國于2000年完成北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實驗階段建設，發(fā)射了衛(wèi)星，建設了地面站。民用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)2003年4月開放，現(xiàn)已在地理測繪、海洋漁業(yè)、道路海洋交通運輸、森林防火、搶險救災和公共安全保障等眾多領域應用并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)已具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。根據(jù)總體規(guī)劃2020年左右將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。目前我國使用的北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)即“北斗一代、北斗二代”，具有以下特點：

（1）使用安全。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)自主知識產(chǎn)權(quán)的特性決定他不會受到國外技術限制。

（2）適用于保密產(chǎn)品。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)自身的通訊和控制等基礎處理都是在我國通過衛(wèi)星地面站完成，因此它的使用完全能夠滿足軍事衛(wèi)星保密需求。

（3）數(shù)據(jù)通信實時性強。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報文通訊傳輸速度較快，發(fā)送端1s內(nèi)就可以完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送工作，接收端只需數(shù)秒便可接收完成發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)，因此具有較強的實用性。而國際海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸受到衛(wèi)星軌道限制，只能等衛(wèi)星每次經(jīng)過上空才能進行傳輸，因此通信的及時性大大受限。

3.利用北斗系統(tǒng)建立AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺具有的優(yōu)勢

（1）覆蓋面大。目前北斗衛(wèi)星已具備覆蓋亞太地區(qū)的服務能力，范圍是東經(jīng)55度到180度，南北緯55度，系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務近以來，運行情況良好，區(qū)域服務定位精度穩(wěn)步提升。因此，使用北斗系統(tǒng)通訊技術進行AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺的建設，能夠提供更大的覆蓋面積，為船舶提供更加全面的AIS系統(tǒng)服務。

（2）北斗衛(wèi)星通訊效果更加有效，通訊覆蓋能力強，信號穩(wěn)定。CJPRS、微波等信號容易受到干擾，產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素，衛(wèi)星通訊可以從根本上排除這些不穩(wěn)定因素。

（3）在經(jīng)濟上更加實用，性價比高。與海底光纜、小衛(wèi)星、Imarset（海事衛(wèi)星系統(tǒng)）相比，利用北斗系統(tǒng)的AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺建設在經(jīng)濟上更容易實現(xiàn)，特別是西沙南沙等遠離大陸的地區(qū)。

（4）使用安全。我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，具有的獨立產(chǎn)權(quán)，安全、可靠、穩(wěn)定，保密性強的特性使得他在軍、農(nóng)、交通、政府管理等領域應用更加有效、可靠。

4.利用北斗衛(wèi)星技術實現(xiàn)三沙海域AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺遠程通訊技術的基本原理

目前民用北斗系統(tǒng)通訊功能受限，一次僅能發(fā)送或接收628bit長的電文，而且通訊時間間隔不能低于60s，如此一來通訊的容量便是AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺利用北斗進行通訊的最大的難題。

如圖1所示，為了使得AIS數(shù)據(jù)能夠通過北斗衛(wèi)星短報文數(shù)據(jù)正常傳輸，需對AIS接收機收到的各項數(shù)據(jù)進行分類篩選、壓縮解壓、分包重組等一系列處理，并建立相應的規(guī)則，使得數(shù)據(jù)量大為縮小并分包形成符合北斗衛(wèi)星短報文通訊所要求的文本長度。

（1） AIS數(shù)據(jù)篩選子系統(tǒng)。為了有效減少AIS待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，可按照IALA有關要求對AIS電文進行分類篩選，僅保留AIS管理當局指定的必要的數(shù)據(jù)，例如：AIS單元動態(tài)數(shù)據(jù)（位置、航速CoG等）；AIS單元靜態(tài)數(shù)據(jù)（MMSI、IMO號碼、船名、天線位置等）；AIS單元航次數(shù)據(jù)（航行狀態(tài)、目的港、ETA等）。

另外考慮到三沙海域船舶航行密度小的現(xiàn)狀，可考慮對AIS船臺報告間隔按照IALA有關要求進行延長報告間隔。此外為了做好海區(qū)船舶實時監(jiān)控，還可引入輪詢船舶資料的功能，提供實時更新功能。

（2）數(shù)據(jù)壓縮子系統(tǒng)。由于AIS數(shù)據(jù)的傳輸關系著船舶識別、避碰、海事管理等一系列特殊、重要的應用場合，因此壓縮前與壓縮后的數(shù)據(jù)必須保持信息完全一致，所以選擇并構(gòu)建一種高效、可靠的無損壓縮方式方法十分重要。鑒于無損壓縮算法的成熟性，具體算法本文暫不展開討論。

（3）數(shù)據(jù)分包、校驗子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分包傳輸方式，是為了解決北斗系統(tǒng)通訊短報文長度限制，使待傳輸數(shù)據(jù)包大小符合民用北斗系統(tǒng)通訊功能短報文長度要求，將經(jīng)過壓縮后的AIS轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)進行分包傳輸，并引入重傳和選擇確認機制，對各數(shù)據(jù)包進行序號標記發(fā)送，形成數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議保障數(shù)據(jù)的完整性。

首先對各待發(fā)送數(shù)據(jù)包進行增加幀頭和幀尾標志，并在幀尾增加校驗字節(jié)。數(shù)據(jù)接收終端接收到各數(shù)據(jù)包后通過對校驗字節(jié)的計算與比較，確認數(shù)據(jù)包接收正確與否，并給發(fā)送終端發(fā)送指令，確認重新發(fā)送與否。如本數(shù)據(jù)包發(fā)送正常，則無需發(fā)送補發(fā)要求，發(fā)送終端默認數(shù)據(jù)接收正常，并進行下一數(shù)據(jù)包的發(fā)送。如發(fā)送端接收到重新發(fā)送要求，則對該數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)重新發(fā)送。通過以上校驗重發(fā)機制，系統(tǒng)將能夠排除錯誤的數(shù)據(jù)包，保障數(shù)據(jù)正常率。

數(shù)據(jù)分包并添加效驗碼：我們將經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮之后的有效數(shù)據(jù)添加校驗碼等，形成符合北斗系統(tǒng)短報文要求的數(shù)據(jù)包。該數(shù)據(jù)包由包頭部分及數(shù)據(jù)部分組成：包頭由標志幀、地址幀、包號幀、包數(shù)幀和校驗幀組成。數(shù)據(jù)部分為有效的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

數(shù)據(jù)校驗重發(fā)：為了保證各分包數(shù)據(jù)正確接收，需要研究數(shù)據(jù)通訊正確性保障方式，并制定一個規(guī)則，建立數(shù)據(jù)包傳輸確認、校驗機制，保障數(shù)據(jù)傳輸完整性、正確性，既“反饋重傳技術（ARQ）”。

早期，反饋重傳技術只是簡單的重傳，如有錯誤則繼續(xù)重傳，直到次數(shù)超過系統(tǒng)設定最大重傳次數(shù)，接收端才會放棄這個數(shù)據(jù)包，而選擇下一個數(shù)據(jù)包。常用的數(shù)據(jù)重傳技術有停止等待反饋重傳、退回N步反饋重傳、選擇重傳反饋重傳。

（4）北斗短報文并行收發(fā)處理子系統(tǒng)。各標記分包后的數(shù)據(jù)通過北斗系統(tǒng)經(jīng)過統(tǒng)一的短報文格式進行數(shù)據(jù)的傳輸。為了進一步擴大北斗短報文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度，可采用北斗短報文并行收發(fā)的方式進行。既將1～N個北斗發(fā)送系統(tǒng)進行有序整合，分別對其編號并進行信息的傳輸。假如AIS數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮分包后有10個數(shù)據(jù)包待發(fā)送，數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)首先各系統(tǒng)進行篩選，選擇出空閑的或即將空閑的10個，排序后進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。如此將有N個北斗發(fā)送系統(tǒng)進行同時的數(shù)據(jù)傳輸，那么作為一個系統(tǒng)他們的數(shù)據(jù)傳輸帶寬理論上將接近為單個北斗發(fā)送系統(tǒng)傳輸帶寬的N倍。

5.結(jié)語

隨著南海海洋漁業(yè)、油氣等資源的開發(fā)，三沙海域船舶航行安全監(jiān)管需求逐漸提高，AIS服務需求也越來越大。為了適應三沙海域偏遠島嶼通訊鏈路覆蓋區(qū)域有限、自然環(huán)境惡劣等環(huán)境，開發(fā)一種通訊覆蓋面廣、適應惡劣自然環(huán)境的AIS轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)變得尤為重要。

本文通過研究利用北斗系統(tǒng)短報文通訊功能，通過數(shù)據(jù)篩選、壓縮、分包、校驗、多系統(tǒng)并行處理等技術，實現(xiàn)三沙海域AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺遠程通訊，將我國自行研制的北斗系統(tǒng)有效應用在三沙海域這一沒有有效通訊網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)，為解決AIS系統(tǒng)服務覆蓋三沙偏遠島礁提供了具有一定借鑒意義的思路。

使用自主開發(fā)、獨立產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星技術實現(xiàn)三沙海域AIS轉(zhuǎn)發(fā)臺遠程通訊技術，是積極落實國家戰(zhàn)略部署具體實踐國家數(shù)字海洋目標，加快發(fā)展海洋經(jīng)濟，推動三沙市新絲路“海上驛站”建設，國家“一帶一路”戰(zhàn)略的有力支撐。它的研發(fā)能夠為實現(xiàn)偏遠島嶼“燈塔樁-AIS”一體化建設提供技術支撐，能夠為形成祖國廣闊的南海海域綜合導助航體系提供參考；是航標導助航信息技術自主創(chuàng)新的具體體現(xiàn)；在國防安全、海洋經(jīng)濟建設和海洋科學研究及信息收集等方面提供安全可靠的信息傳輸支持；是利用信息化的衛(wèi)星技術、手段及設備為航海保障事業(yè)提供支持，為海上交通、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展奠定基礎；符合航海保障事業(yè)自動化、高新化、智能化、國產(chǎn)化的發(fā)展要求。