基于北斗传输的AIS信息预处理及差分编码技术

蔡 君，王郁茗，张尚悦



基于北斗传输的AIS信息预处理及差分编码技术

蔡 君1，王郁茗2，张尚悦2

(1. 镇江船艇学院，江苏镇江 212003；2.海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连 116018)

基于北斗短报文转发AIS信息可以解决其远海域存在监控盲区的问题，然而船舶密集海域的AIS信息经过筛选过滤后数据量依然较大，转发需要大量的时间，不满足船舶动态监控的时效性要求。针对此局限性研究AIS信息的压缩编码技术，先对AIS信息作预处理去除无效冗余，再应用差分编码压缩AIS船位信息，将处理后的AIS参数按新规则重组后通过北斗转发。实验结果表明经过预处理和差分编码技术处理过的AIS信息量缩减一倍，误码率极低，船舶位置误差在2米以内。

AIS信息 北斗短报文 预处理 差分编码

0 引言

船舶自动识别系统，简称AIS，是一种通用高效的船舶动态监控系统，在船舶导航、船舶避碰、船船通信、船岸通信、航运信息化建设等方面发挥了重要作用。AIS能够识别目标船，对目标进行跟踪，接收并转发周边船舶的AIS信息，具有接近实时跟踪、对地稳定性强、简化信息交流、丢失目标可能性小等特点[1,2]。

本文研究基于北斗传输的AIS特征信息的压缩编码技术，通过分析AIS数据特征，对AIS信息作压缩前预处理和差分编码技术处理，在保证误码的前提下，压缩信息体积，增加AIS传输数据量。

1 AIS信息的压缩编码概述

1.1 AIS信息压缩编码的提出

当船舶航行到密集海域时会收到大量的AIS信息，但北斗通信能力有限、带宽窄，单次最大传输210字节的报文信息。AIS暗码电文共28个字节如“1P000Oh1IT1svTP2r:43grwb0Eq4”，设本船在密集海域航行时收到200条船舶，经过自适应筛选技术筛选出对本船安全航行产生影响的船舶50艘。这50条船舶包含1400字节的报文信息，如果全部通过北斗转发且采用5s的高服务频度，则共需要30s才能将这50条船的AIS信息发送完毕，大于在航船舶AIS动态信息报告的最大更新间隔t=12s[4]，削弱了基指对船舶的实时动态监控能力。则在对接收到的船舶采用筛选过滤技术后还需进行适当的压缩编码技术以缩减信息量。

1.2 AIS信息的压缩技术分析

数据压缩是指在不丢失信息的前提下，缩减数据量以减少存储空间，提高其传输、存储和处理效率的一种技术方法。或按照一定的算法对数据进行重新组织，减少数据的冗余和存储空间[6]。数据的冗余包括空间冗余、结构冗余、知识冗余、视觉和听觉冗余、统计冗余和信息熵冗余。数据压缩分为无损和有损压缩，对于AIS信息，要求减少或去除数据中的冗余并能够无失真地还原成原来的数据，因此只能采取无损压缩的方式。

通过分析AIS信息特征，减少冗余信息缩减存储空间，在应用北斗传输AIS数据时充分利用北斗通信带宽。AIS冗余信息可分为无效冗余和空间冗余信息，无效冗余是指对动态监控无关的部分，通过进行压缩前无效冗余预处理方法去除。空间冗余是指相邻信息之间存在关联性的部分，船舶AIS数据间存在关联性信息，通过差分编码技术进行处理。

2 AIS信息压缩编码技术

2.1 AIS无效冗余信息分析与预处理

AIS电文种类有很多，为保证远海域动态监控需求，北斗只需传输电文ID1,2,3的位置报告信息。其暗码电文总比特数168位，参数分别为电文ID（6位）、转发指示器（2位）、用户ID（30位）、航行状态（4位）、旋回速率（8位）、实际航速（10位）、位置精度（1位）、纬度（27位）、经度（28位）、实际航向（12位）、真艏向（9位）、时间标记（6位）、留待区域（4位）、备用（1位）、RAIM状态（1位）、通信状态（19位）[4]。

在不同时段采集200条船舶，由于数据较多，只显示部分船舶AIS信息和译码信息，如图2.1、图2.2所示。通过分析其暗码电文及对应译码信息可发现，AIVDM和AIVOM语句中部分参数非动态监控有效信息，如电文ID、转发指示器、位置精度、真艏向、留待区域使用、备用以及RAIM标志参数。远海域动态监控是为了实时监控保障本船航行安全，岸基指挥人员需要掌控本船周边船舶的动态信息变化，因此以上参数信息在通过北斗短报文传输时应当作监控无效冗余信息去除，共15位。

时间标记与通信状态参数可以通过整合信息进行去冗余处理。时间标记显示UTC时间的秒位，通信状态包括同步状态、时隙时限和子电文，子电文中包括接收台站、时隙数、UTC时与分位和时隙偏置，因此只需保留UTC时分秒即可，则去除7位冗余信息。由于船舶同一次收到周围船舶的AIS信息的UTC时间一致，因此只发送一次本船接收时刻的UTC时间即可。经去除监控无效冗余信息后，周边一艘船舶信息体积为137位，较源码减少29位的信息体积。

2.2 差分编码技术

差分编码是根据信源相邻信息之间存在一定关联性的特点，用过去的样本预测当前的样本，然后对差值进行编码。如果预测比较准确，误差就会很小。设系统发送端先发送一个起始值，接着就只发送预测差值，收端把接收到的量化后的预测差值与前一个算出的预测值相加，即得恢复信号。

2.3 AIS船位信息的差分编码

AIS属于VHF通信设备，其电波作用距离受到天线高度、发射功率、大气状况等条件的影响都由AIS的广播和接收距离公式可知，一般而言，AIS作用距离由公式（2）[2]得出：

式中12为两船AIS天线高度，根据IEC建议船对船时采用=3.0。本船可接收它船AIS信息的距离一般在20～30海里以内，由此可知，它船与本船船距较近，船位经纬度差值在角分级。

为方便编码与收端解码，对于船位差值的编码采用均匀量化，编码长度由位置精度确定。设两船间距离为，见公式（3）[7]。式中为以经度1′的图上长度为单位度量时的渐长纬差，根据两船的纬度、查《航海用表选集》中表（17）“纬度渐长率表”，得出、对应的渐长纬度、，二者之差即，为中分纬度，、为纬差和经差，为东西距。由公式可知它船距本船的纬差最大为30′，通常海图显示分辨率为0.001′，地球表面对于纬差和东西距1′的长度约等于1海里等于1852米，此时理论上精度在2米以内满足位置精确度需求，则纬差最大确定为30.000′。30000的二进制位111010100110000，为15位，则可发送纬差有效信息位数为16位（首位为符号位），相对原始数据，每艘船舶AIS纬度信息减少11位空间冗余。

经差取值最大的情况为两船位于同一纬度，由纬度渐长率公式可得同纬度上两船距离与经差关系：

3 差分编码误差分析

某船于渤海海峡航行时采集100条船舶AIS数据，船位信息为纬度38°50′.796，经度121°55′.890，对周围100条船舶进行AIS船位信息差分编码，实验结果如图3所示。

由图3可知，纬度误差在5.5e-4分以内，平均误差为1.53e-4分，由1纬度等于1852米可得，纬度误差在1米以内，平均值为0.28米；经度误差在5.6e-4分以内，平均误差为1.33e-4；位置误差在1米以内，平均位置误差为0.27米。纬度编码误码率在2.5e-7以内，平均值为6.5e-8；经度编码误码率在9e-8以内，平均值为4.2e-8。由实验结果分析可知，经纬度误差很小，在米级，符合理论值2米以内。误码率极低，基本无误码。

4 AIS数据压缩后信息重组

由于AIS信息压缩编码为均匀量化编码，将待发送的船舶按照首先发送本船AIS信息然后依次发送其它船舶AIS信息的顺序打包成码元序列，这样发送的码元长度能够固定在一个数值，见表1。本船与它船的船舶AIS信息重整格式见表3。

笔者通过分析AIS特征信息，提出采用压缩前预处理方法与差分编码技术对AIS数据进行压缩，减少数据体积，使更多的船舶AIS信息可以通过北斗信道转发。实验结果表明，采用差分编码压缩技术处理AIS船位信息，船位压缩率为58.2%，系统压缩率为57.1%，压缩前最多只能发送9艘船舶信息，压缩后能发送17艘船舶AIS信息，信息量扩大将近一倍。且误差小，误码率低。

参考文献:

[1] 刘志磊.船舶自动识别系统信息安全问题及对策[J].数字通信世界，2014.

[2] 鲍君忠, 周尊山,等. 船载自动识别系统应用[M].大连: 大连海事大学出版社，2006.

[3] 王郁茗，张尚悦. 基于北斗通信的AIS信息筛选过滤技术研究[J].船电技术，2015.

[4] 袁安存，张淑芳. 通用船载自动识别系统国际标准汇编[M]. 大连：大连海事大学出版社，2005.

[5] 王育民等. 信息论与编码理论[M].北京：高等教育出版社，2010.

[6] 吴乐南. 数据压缩[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[7] 赵仁余. 航海学[M]. 北京：人民交通出版社，2008.

AIS Information Preprocessing & Differential Encoding Technologies Based on Beidou Transmission

Cai Jun1, Wang Yuming2, Zhang Shangyue2

（1.Zhenjiang watercraft Academy，Zhenjiang 212000,Jiangsu,China；2.Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning, China）

U666

A

1003-4862（2016）09-0040-04

2016-04-15

蔡君（1988-），男，助教。研究方向：航海学