机载AIS监视性能仿真研究

陈芳淮，黄 炜，范 鹏

(1.电子科技大学，成都 610054;2.中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

船舶自动识别系统(AIS，automatic identification system，)是一种移动通信系统，产生于20世纪90年代初，通过使用SOTDMA(Self-organizing Time Division Multiple Access)协议来实现海面航行船只之间的信息交互［1］。机载AIS就是在升空平台上安装静默的AIS终端，接收各种AIS信息。由于AIS系统发送的位置信息由GPS提供，误差小于10 m，因此机载AIS可以弥补雷达在精确定位和目标识别方面的不足。同时，由于机载平台的灵活性，也可以实现对特定船只、区域的连续跟踪，从整体上提高了对海态势监测的完整性和连续性［2，3］。

但是，在飞机上加装AIS设备，需要解决的一个问题就是接收AIS信号的冲突问题。文献［4］对卫星接收AIS信号的冲突概率进行了分析，文献［5］对星载AIS检测概率问题进行了分析，但以上论文未考虑区别接收对检测概率的影响，且没有对时隙冲突提出有效的解决办法。

深入研究了全新结构下影响机载AIS系统监视性能的主要因素。提出了高负载情况下通过分区域接收来提高检测概率的方法，根据海域中船舶的分布模型，基于SOTDMA协议构建了AIS仿真系统，通过仿真数据分析得出负载和监视范围对机载AIS系统的监视性能的影响，有较强的工程参考价值。

1 机载AIS关键技术分析

1.1 机载AIS问题描述

传统船载AIS设备监视范围通常只有20～30海里，在这个范围内的船只通过SOTDMA协议动态选择发射时隙来避免时隙的冲突。机载AIS系统最大的特点是它只接收信息，不发送信息。新结构下的机载AIS系统其系统概念，如图1所示。

图1 机载AIS新结构

由于载机平台在空中运行，AIS监视设备作用距离一般为180海里，远远超出船载或岸基的AIS设备。如图1所示，当船A和船B选择相同时隙发送数据时，由于它们之间不能通信，所以互不影响，不会产生时隙冲突;但是机载AIS监视设备能够同时“看到”A和B，因此将在同一时刻接收到它们的AIS数据，这时时隙冲突就产生了。当其覆盖范围内船只越多，其产生冲突概率越大，在本文中，根据SOTDMA协议，对系统在不同负载情况下的时隙冲突和检测概率进行了仿真。

1.2 AIS系统接入技术分析

AIS通信系统工作于161.975 MHz和162.025 MHz的两个信道，规定以1 min作为一帧，每帧被划分为2 250个时隙。每个AIS终端都维护一个时隙占用表，通过监听得到当前信道的占用情况，在不同阶段利用不同的协议计算自身的发射时隙，其余时隙接收它船的信息，更新自身时隙表。

AIS接入过程分为如下几个阶段［6］，为了简化讨论，只列出了一个信道的模式，各阶段参数说明，见表1。

表1SOTDMA中的协议参数

(1)初始化阶段:通过监听信道来完成时隙占用情况的更新，为自身发射时隙的选择做准备，通常监听时间为一帧。

(2)登入阶段:完成发射时隙的选择。从当前时隙到向后的NI个时隙范围内随机选择一个时隙作为NSS。在SI范围内选择第一个发射时隙。等待NTS的到来时进入第一帧阶段。

(3)第一帧阶段:选择第一帧中后续的NS和NTS，如图2所示。并且随机选择TMO值写入该时隙，表示后续的多少帧还将一直占用这个时隙。

图2 AIS时隙选择示意图

(4)连续运行阶段:AIS主要工作于连续运行阶段，该阶段使用SOTDMA协议选择发射时隙［7］。

1.3 分区域接收观察模型建立

由于机载AIS监视设备升空后，在其接收端不可避免存在时隙冲突，冲突来源主要有两方面。

(1)不同的有组织区域内的船只在未知的情况下选择了同一时隙发射信号，如图1中A船和B船属于不同的组织区域，当它们选择同一时隙发送信息时，信息就会在载机处发生冲突。

(2)相同组织区域内的船只选择同一时隙发射信号;这类情况主要是当区域内负载较大时，AIS系统无法找到空闲的时隙，这时将根据Robinhood原则进行时隙复用，因此在载机处必将产生信息冲突［6］，并且可以知道冲突与监视范围内的船舶数量成正比，当冲突较大时，直接影响了系统的检测概率(检测概率定义为:载机在观测时间内被检测到的船只数与所有船只数之比，一艘船只，如果它发出的AIS消息中至少有一条消息被机载AIS接收解析，则认为该船只被检测到)。

因此必须考虑在高负载的情况下通过分区域接收减少冲突概率，从而提高对船只的检测概率。分区域接收就是通过减少机载AIS接收机的覆盖范围，按照时间段有选择性的接收某个方向的AIS信息。下面理论分析分区域接收对检测概率的影响。假设如下成立:

(1)机载AIS监视范围内自组织区域大小40 nm×40 nm，机载AIS监视范围内有M个自组织区域，总船只数量N;

(2)所有船只有相同的报告率Rr;

(3)船只在区域内分布为均匀分布，不考虑冲突信号的区别接收。

计划时隙增量NI

每个自组织区域占据N/M个时隙，那么另一个区域与它发生碰撞的概率为

因此该区域能正确接收的概率就为

P2=(1－P1)M－1，发生碰撞的概率为1－P2;在机载AIS的观测时间Tobs内，船只总共发送了Tobs/Δt个信号，且这些信号来自不同自组织区域，因此任务是相互独立的，那么任意船只被检测概率为

现分n个区域接收，则检测概率为

令 ΔP=Pn－P1( n＞1)为分区域接收检测概率差值，当ΔP大于0时分区域接收检测概率比未分区域检测概率高。

图3 分区域接收检测概率差值

通过理论计算得到ΔP与负载，观测时间的关系图，从图中可以看出，当负载为100%时，观测前200 s内，ΔP＜0分区域接收的检测概率低于未分区域。只有当负载超过200%时，分区域接收的检测概率得到提高，并且负载越高，效果越好，随着观测时间的推移，ΔP趋近于0，二者的检测概率基本相等。

因此在负载较高的情况下，由于分区域接收方法能有效减少机载AIS接收端的信息碰撞，进而在相同时间内提高对船舶的检测概率。

1.3 区别接收冲突信号

当发生时隙冲突时，并不是所有的冲突信息都将丢失，机载AIS系统能否从冲突信息中提取出有用的信息，主要取决于各信号到达载机的功率比。

根据电磁波传播理论分析可知

式中，PR1，PR2分别表示两信号到达接收端的功率;PT1，PT2分布表示两信号发射端功率;d1，d2分别表示两船舶到载机的距离(d2＞d1)。当两AIS发射端功率相同的时候，接收端两信号的功率之比PR，根据工程经验PR满足式(2)时，可以区别接收距离较近的AIS的信息。

因此考虑系统中有R艘船只发生信息冲突的时候有

2 仿真系统设计

为了进一步分析其监视性能，建立了如图1所示的全新架构机载AIS仿真系统。仿真基于MATLAB数值计算软件，对AIS系统在不同负载和监视范围下的时隙耗损率、船舶的检测概率，以及高负载下的分区域接收进行了仿真及分析。

2.1 仿真系统组成

仿真系统模拟了AIS系统登录阶段和连续工作阶段运行SOTDMA协议的时隙选择过程，并且实时的统计时隙耗损率和检测概率。其主要模块流程，如图4、图5所示。

船载AIS模块经过初始化登录以后，主要运行在连续操作阶段，根据发送报告率和当前时隙的占用情况，动态选择自身发送时隙。

数据分析模块:通过实时统计监视区域每个时隙的AIS信息总数，判断该时隙是否有AIS冲突，如果没有那么正确接收，否则根据区别接收条件判断能否区别接收，最后通过统计计算每一帧中时隙耗损的数量，和船只检测数量。

2.2 仿真场景设定

根据前面分析，可以做如下的假设。

(1)发生时隙冲突的船只A，B，若二者和机载AIS系统距离之比大于3，那么选择接收距离近的船舶的信息，否则A，B信号均丢失，该时隙耗损。

(2)船舶分别在区域内均匀分布，船舶AIS通信距离为20 nm，载机飞行高度8 000 m，监视范围R=180 nm。

在大洋中，各类船舶的比例，见表2，本仿真使用此船舶分布比例。

表2 大洋海域各类船舶分布比例

3 仿真结果及分析

在仿真中，模拟了在新环境下AIS系统的运行情况，并从时隙耗损率、船舶检测概率和分区域接收3个方面分析了现有AIS协议在新环境下的性能。

按照表2给定的各类船舶的比例，仿真了系统在13 min内的平均时隙耗损率、未利用时隙与负载的关系。其结果如图6所示。

图6 大洋型在不同负载下时隙耗损率

由图6可见，时隙耗损率随着负载的增加而增加，并且当负载大于150%的时候，监视范围20 nm的时隙耗损率比监视范围R=180 nm的大，分析其原因主要当系统已经处于严重超载时，R=20 nm时船只会根据SOTDMA算法自觉的尽可能将时隙复用程度平均到每一个时隙，其结果是多数时隙都被复用了但每个被复用的时隙被复用的次数可能很少(一般2～3艘船只复用同一时隙);R=180 nm时，由于此时有更多的船只处于不能通信的状态，他们在选择发射时隙时会更加随机的从时隙表中选择，这样会出现更多的船只(超过3艘)占用同一时隙，从而反而会出现些未被占用的空闲时隙，如图6所示。自然在计算整个时隙的冲突情况时其冲突概率反而更低些。

因此系统的监视性能并不总是随着监视范围增加而降低，还与负载有关。

在不同负载时的正确接收概率随时间的变化情况，如图7所示。可以看出:船只正确接收一个位置报告的概率均随时间的增加而逐渐增加。对于第2～8类船只来说，基本上在前10分钟内能保证正确接收的概率达到100%;当系统负载接近200%时，船只正确接收一个位置报告的概率迅速下降。

图7 大洋型不同负载下第2－8类船只检测概率

下面考察系统在以90%概率正确接收一个位置报告的容量随时间的变化情况。

大洋型场景系统以90%概率正确接收一个位置报告的容量曲线，如图8所示。从图8中可以看出随着时间的增加系统的容量呈现逐渐上升的趋势，由第一分钟的480艘逐渐增加至前10 min时的1 000艘。

图8 90%概率正确接收一个位置报告的容量

分区域接收的仿真效果和理论计算的比较，如图9所示。

图9 负载400%时分区域接收的检测概率

当负载为400%的时候，分2、3个区域接收时的检测概率明显高于未分区域的检测概率，从图中可以看出，仿真结果和理论计算吻合，因此，当负载严重超载时，可以适当的采用分区域接收来提高相同观测时间内对船只的检测概率。

4 结语

对机载AIS设备在新的体系结构下的问题进行了研究，针对时隙冲突导致的监视性能下降问题，提出通过分区域接收的方法来提高检测概率，并建立了机载AIS仿真系统，对在大洋海情的不同负载下的时隙耗损率和检测概率指标进行了仿真及分析，仿真结果表明，该方法可以有效解决负载过大导致发现概率降低的问题。

［1］王飞舟，范成.自动识别系统(AIS)性能综合评［J］.中国航海，2001(1):14-17.

［2］霍立平，陈必然.发展机载AIS的设想［J］.科技信息.2010，23.

［3］CHANG S J.Vessel Identification and Monitoring System for Maritime Security［C］//IEEE Security Technology，2003.Proc，IEEE 37th Annual 2003 International Carnaham Conference 2003:66-70.

［4］RINALDO R，TOBEHN C.Space-Based Detection of AIS Signals［C］.Advanced Satellite Multimedia Systems Conference，2010.

［5］ERIKSEN T，GUDRUN HYE，BJM NARHEIM，et al.Maritime Traffic Monitoring Using a Space-Based AIS Receiver［J］.Acta Astronautica，2006，58(10):537-549.

［6］刘鹏，谢永峰.AIS系统中SOTDMA协议仿真与分析书［J］.电讯技术，2010(3):37-40.

［7］Recommendation ITU-R M.1371-1.Technical characteristics for a Universal Automatic Identification System using Time Division Multiple Access in the VHF maritime mobile band［S］.