星载AIS报文时间解析

李世友，陈利虎，陈小前

国防科学技术大学 航天科学与工程学院，长沙 410073

星载AIS报文时间解析

李世友，陈利虎*，陈小前

国防科学技术大学 航天科学与工程学院，长沙 410073

星载船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)接收到的报文中解析出发送报文的时间信息能够有效提高AIS报文在全球海上目标监控等方面的应用价值。着眼于动态显示某一特定船舶进行连续跟踪这一目的，结合天拓一号AIS和天拓三号AIS来研究报文中的时间信息。首先，利用天拓一号星载AIS在轨运行期间接收到的所有数据进行统计分析。通过统计分析发现仅仅依靠报文自身的自组织时分多址(Self-Organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)通信状态等信息不能有效解析报文时间。其次，研究了天拓三号AIS的报文组成格式。通过每间隔1 min往星上存储器中植入一个时间信标的方式，天拓三号AIS系统很好地解决了问题，实现了对每一条报文的精确时间显示，为今后实现海面船舶进行连续跟踪与监视提供了良好的技术基础。

天拓一号；天拓三号；星载船舶自动识别系统；自组织时分多址；星上时标

船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)1-2]主要用于对海上航行的船舶进行动态跟踪，实现船舶标识、位置、航向、航速等航行信息的自动交换，用于领航及避撞。AIS采用自组织时分多址(Self-Organizing Time Division Multiple Access，SOTDMA)通信协议3]，自动地播发出本船的静态、动态和航次信息，达到规避船舶碰撞、领航调度和航运管理等航行决策的目的。传统的岸站AIS 系统覆盖范围有限，传输距离仅约为40 nmil(约74 km)。在卫星上搭载高灵敏度AIS接收系统具有极其重要的战略意义4-9]。当卫星过海洋(或主要航线)的时候接收星下海面上的AIS信息，可实现民用船只的空间跟踪、监视和物流调控。另外，根据星载AIS收集的大范围的船舶信息，将其与卫星图像技术相结合可以大大提高对军用船只判读的准确性4-9]。

目前，世界各国都非常重视星载AIS的研究，挪威8]、美国10-11]、加拿大12]、欧洲13-14]、德国15]、中国16-18]等多个国家和地区都发射了自己的AIS卫星。国防科学技术大学在星载AIS研制方面做了很多工作。2012年5月10日，国内第一颗单板微纳卫星“天拓一号”发射成功，主要载荷为星载AIS系统16]。2015年9月20日中国首次发射的“长征六号”运载火箭以一箭20星的方式将国防科学技术大学自主研制的，以高性能AIS接收机为主载荷的“天拓三号”与国内其他高校研制的微纳卫星发射进入预定轨道18]。

精确得知AIS的报文发送时间是非常重要的。从星载船舶AIS接收到的报文中解析出发送报文的时间信息能够有效提高AIS报文在全球海上目标监控等方面的应用价值。例如，该时间信息有利于动态监视某一特定船舶并对其进行连续跟踪。单颗卫星对地覆盖范围比较有限，因此发射多颗AIS卫星实现星座组网从而形成对全球海面船舶进行连续监测将是未来星载AIS发展的一种趋势11，19]。此时更要求报文中能够精确解析出时间信息从而实现对船舶的连续跟踪与监测。

本文结合天拓一号AIS和天拓三号AIS来研究报文中的时间信息。首先利用天拓一号星载AIS(下文简称TT1-AIS)在轨运行期间接收到的所有数据进行统计分析。其次研究了天拓三号AIS的报文组成和数据格式。通过每间隔1 min往星上存储器中植入一个时间信标的方式，实现了对每一条报文的精确时间显示，为今后实现对海面船舶进行连续跟踪与监视提供了良好的技术基础。

1 天拓一号星载AIS和SOTDMA 通信状态

国防科学技术大学“天拓一号”卫星于2012年5月10日发射成功，运行在高度为512 km的太阳同步轨道上。其主载荷为中国第一代星载AIS接收系统16]。“天拓一号”星载AIS接收机是一种微型化星载AIS接收机，质量80 g，功率0.7 W。采用精确载频估计和跟踪等技术解决了多普勒频移和星地传输损耗问题，接收灵敏度≤-112 dBm，满足轨道高度1 000 km以下星载需求；采用双天线分集侦收等技术减缓了多信号冲突问题，实现了对地覆盖直径3 300 Mm的星载侦收(约850万平方公里)20]。

天拓一号星载AIS包括射频前端(天线、微波网络)、接收机、数据存储和数据下传设备等20]。在卫星经过海域时，遥控AIS接收机开机，实时侦收覆盖范围内的AIS报文并存储；星载AIS将侦收到的AIS数据包累加存储在星上存储器内并在卫星过境时采用延时传输的方式传送到位于长沙的地面数传站。长沙地面数传站下载AIS报文时，地测软件自动根据时间先后顺序命名，一天两次过境，凌晨1～3点左右一次，下午1～3点左右一次。

天拓一号星载AIS于2012年5月13日开始有效侦收全球AIS数据。截止到卫星失效前，于2014年10月27日最后1次接收数据，在卫星900多天的有效在轨时间段内地面站共接收到了672个有效数据包约80 Mbyte数据，有效报文约160多万条。对AIS的报文结构和具体解析过程本文不作详述，可参见文献21-22]。

根据AIS技术要求规定3]，SOTDMA通信状态具有以下功能：1)包含SOTDMA概念中时隙分配算法所使用的信息；2)表示同步状态。SOTDMA通信状态应只适用于信道中进行相应传输的时隙。SOTDMA通信状态的数据为AIS船位报告消息数据的最后19位，具体含义参见表1(SOTDMA的通信状态)及表2(通信状态子信息)。

AIS报文的发送时间在报文内容中得到体现。根据“船载自动识别系统(AIS)技术要求”(GB/T 20068—200623])和国际无线电通信联盟(ITU)推荐标准Rec.ITU-R M.1371-424]，时间同步状态一般有下面4种方式：1)协调世界时(UTC)直接同步；2)协调世界时(UTC)间接同步；3)与基地台同步(直接或间接)；4)与移动台同步。其中，UTC直接同步是指能以符合要求的精确度直接采用UTC计时的同步状态。对每一条AIS报文的接收和发送时间只能从报文本身获取。具体每条AIS报文的接收时间可以通过两条途径得知：

1)某些1、2、3、4、9、11、18类AIS报文的通信状态(最后19位)存在UTC时间的小时和分钟值，而此类报文的时间标记有UTC秒，两者结合，此条报文的UTC时分秒均可解析。

2)如果从通信状态不可得到UTC时间的小时和分钟(有可能是时隙号等参数)，可通过前后AIS报文的UTC小时和分钟来推导或者插值估计。

表1 SOTDMA通信状态

表2 SOTDMA通信状态子信息

2 报文UTC时间统计分析与讨论

如果通信状态的同步状态显示为0，即代表该船可以直接获取UTC，但这并不意味着该船只在播发AIS报文的时候报告其发送的时间。这应该算是SOTDMA通信状态的局限性所在。本节将对天拓一号AIS报文数据中UTC直接同步的数据接收几率及UTC同步状态下的通信状态进行统计分析。

2.1 UTC直接同步的数据统计

图1给出了天拓一号在两年多的运行时间内由AIS仪器接收到的所有有效数据文件得到的有效报文中的时间同步类型的统计分析结果。数据显示，绝大多数报文都能够采用世界时直接同步的方式发送报文。除了第475号和第669号文件因为数量少(分别只接收到12和6个有效的AIS数据包)而导致A0(代表UTC直接同步)的比值比较低(分别为1/3和2/3)，其余的都在80%以上。

图1 AIS数据的时间同步类别统计Fig.1 Statistics for the time synchronous types of AIS data

表3给出对天拓一号AIS报文中的UTC直接同步的进一步统计结果。可知，天拓一号AIS总接收到约680个数据包中，近90%的数据包的UTC直接同步的比值在90%～100%，其余少部分(71个，占比10%)数据包的UTC直接同步的比值在85%～90%之间。

表3 TT1-AIS报文中UTC直接同步的占比统计

2.2 通信状态子信息的数据统计

然而，在对天拓一号AIS数据进一步分析时发现，即使在UTC直接同步的情况下，报文也不一定给出发送的确切时间。对此也做统计分析，结果如图2所示。从图2可知，船舶在直接同步UTC的情况下，能够在报文中给出广播报文的时间(小时和分钟)的概率也仅有10%～20%。这显然是一个很低的比值。

图2 UTC直接同步下能否给出时间统计Fig.2 Statistics for the time information under UTC synchronous

2.3 小结与讨论

本节利用天拓一号(TT-1)卫星星载AIS在轨运行期间接收到的所有数据对星载AIS报文通信状态进行统计分析。结果表明，虽然90%以上的AIS数据包中的AIS报文在时间同步上都采取协调世界时直接同步的方式，然而由于SOTDMA通信状态的局限性，报文能够包含发送的时间信息的比值也很低，大约只有10%～20%的报文能够显示时间。

对TT-1星载AIS数据的研究表明，只有很少部分的AIS报文能够从报文本身得到时间信息，因此完全依靠从接收到的AIS报文中本身来获取时间信息是非常困难的。着眼于动态显示某一特定船舶进行连续跟踪这一目标，精确得知船舶报文的发送时间是非常必要的。

在今后的AIS系统中，可以采取间隔一定的时间打入一个时间信标的方式以获取报文的接收时间，如图3所示。例如，在后续设计的天拓三号星载AIS载荷中每一分钟往报文存储器中打入一次UTC时标(年月日时分秒)，则地面应用系统解析时可根据时标对报文增加时间戳，秒值可根据报文SOTDMA通信状态子信息解析或前后时标插值得到。

图3 星载AIS接收系统时标注入示意Fig.3 Illustration for the time flag inserting on the space-based AIS system

3 天拓三号AIS改进方案

2015年9月20日中国首次发射的“长征六号”运载火箭以一箭二十星的方式将国防科大“天拓三号”与国内其他高校研制的微纳卫星发射进入预定轨道18]。天拓三号由一颗23 kg的主星“吕梁一号”和、一颗1 kg的“智能号”手机卫星和4颗0.1 kg级的飞卫星“星尘1～4”组成。天拓三号主星上搭载有新型AIS信号接收机、星载航空目标信号广播式自动相关监视系统(ADS-B)及红外相机等载荷。其中，AIS载荷为中国新一代轻型星载AIS接收机，质量仅为0.2 kg。该AIS接收机在天拓一号卫星基础上，采用多信道技术、多普勒频移估计补偿技术，并优化天线设计，突破多信号冲突、赋形天线和小型化载荷自存储+数传等难点，解决了信号冲突问题带来的影响，并拥有更好的覆盖范围，极大地提高了信号侦收能力。目前在轨运行正常，该星载AIS系统每天接收到约2万到4万条有效AIS报文。

除此之外，天拓三号AIS接收机较之天拓一号AIS而言，其最重要的改进体现在两个方面：一是实现了4频点接收；二是增加了如图4所示的时间信标。本节通过对天拓三号AIS报文组成进行解析来阐述这两个方面，尤其是对时间信息的改进方案。

图4给出天拓三号星载AIS数据中某一帧有效报文的组成。表4则给出对应于图5的报文内容的格式说明。一条有效的AIS报文以“B87E”作为起始标志，结束于“7E7E”。紧接着起始标志的是一个8位的类型标志，代表信道或者接收功率或者时间。具体数值的含义参见表5。其中，00～03分别代表信道01、信道02、信道03和信道04。

图4 天拓三号星载AIS数据报文格式Fig.4 TT-3 AIS data packet composition and format

参数长度/bit说明SF2起始标志“B87E”TP3类型标志位“0X”MSGC21/12/16消息内容CRC2循环冗余校验码EF2结束标志“7E7E”

表5 TT3-AIS报文中不同类型的报文内容

表5给出了对天拓三号AIS报文中不同类型的报文内容的详细说明。天拓三号AIS采用了4频点接收方案。其中两个为现有AIS标准颁布已正式启用的频点(161.975 MHz，162.025 MHz)，另外两个为2012年国际海事组织已向国际电联(ITU)申请的专用星载AIS频点(156.775 MHz，156.825 MHz)，参见Rec.ITU-R M.1371-424]和Rec.ITU-R M.1371-525]。如果“类型”标志数值是00和01，则“message”字段共21个8位的二进制数，总共为168位，此即AIS标准中的168位信息。如果“类型”标志数值是02和03，则“message”字段为12个8位的二进制数，总共有96位。此即为第27类AIS报文，主要用于长距离通信的星载AIS，并且规定只能在A类船只上使用，详见ITU-RM.1371-525]。

如果“类型”标志数值是05，则代表该报文为系统注入的时标信息。前文基于天拓一号的数据对报文数据中UTC直接同步的数据接收几率及UTC同步状态下的通信状态进行统计分析的结果表明，虽然90%以上的AIS数据包中的AIS报文在时间同步上都采取UTC直接同步的方式，但是由于SOTDMA通信状态的局限性，大约只有10%～20%的报文能够显示时间。天拓三号星载AIS接收机在设计上一个重要方面就是在接收机上每间隔1 min注入一个时间信标。每一条报文根据时标对报文增加时间戳，秒值可根据报文SOTDMA通信状态子信息解析得到。如此，每一条报文解析之后就可以得到精确的时间。图5给出解析得到的最终的报文信息的某一个数据段。值得注意的是，前两列为日期和时间，即在解析每一条报文时候加入的接收到的报文时间信息，精确到分钟。第10列为报文的时间标记的UTC秒值。两者结合，即可得到每一条报文精确的发送时间。

图5 天拓三号星载AIS报文信息Fig.5 TT-3 AIS message composition

4 结束语

本文首先利用天拓一号星载AIS在两年多的在轨运行中接收到的数据对报文中UTC直接同步的数据出现概率及UTC同步状态下的通信状态进行统计分析。其次，对天拓三号星载AIS的报文组成与数据格式进行了详细分析。主要结果如下：

1)天拓一号卫星90%以上的报文在通信状态中采用了UTC直接同步的方式，但仅仅只有10%～20%能够在报文中给出发报的时间，因此完全依靠从接收到的AIS报文中本身来获取时间信息是非常困难的。这对具体的AIS报文解析中显示正确的时间信息有很大的局限性，限制了星载AIS的实际应用能力。

2)天拓三号AIS接收机较之天拓一号AIS而言有很大改进，其中最重要的一个方面是增加了时间信标。通过每间隔一分钟往星上存储器中植入一个时间信标的方式，天拓三号AIS系统实现了对每一条报文的精确时间显示，为今后实现对海面船舶进行连续跟踪与监视提供了良好的技术基础。

天拓一号卫星作为中国第一颗AIS试验卫星，虽然在技术验证方面取得了巨大的成功，但由于无法精确得知报文的时间信息，以及报文的信号侦收概率不高等问题，导致天拓一号AIS还不能实现对海上目标进行动态监测的目标。在随后研制并成功应用于天拓三号微纳卫星上的新一代星载AIS系统中，采用每间隔1 min向存储器中植入一次UTC时标(年月日时分秒)的方式有效解决了时间解析问题，并结合报文中包含的秒值精确获取AIS报文的接收时间，从而实现了对每一条报文的精确时间显示，为今后实现对海面船舶进行连续跟踪与监视提供了良好的技术基础。

由于AIS信号从发送到接收的延迟时间非常短(例如对600 km高度的卫星，其接收到的信号较发射延迟小于2 ms)，如此可生成每一条报文的发送时间，能够实现对船只的实时、动态地连续跟踪和进行航迹优化分析等。然而，这有可能带来数据冗余的问题，特别是当数据量特别大的时候，对星上存储容量、通信带宽等要求较高，加大星载AIS的负荷。这是在未来研制的星载AIS需要解决的核心问题之一。

致谢 感谢天拓一号和天拓三号团队提供AIS数据。

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(编辑：车晓玲)

Decoding analysis of time information from space-based AIS message

LI Shiyou，CHEN Lihu*，CHEN Xiaoqian

CollegeofAerospaceScienceandEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China

The time information evaluated from the message of the automatic identifying system (AIS) is of most importance in monitoring and controlling of the global vessels. Aiming at continuously monitoring some particular vessels，the time information in the AIS messages of the AIS systems onboard both the TianTuo-1 (TT1) and TianTuo-3 (TT3) micro-nano satellites was studied. Firstly，a statistical analysis was performed by employing the AIS data received by the TianTuo-1 nano-satellite during its on-orbit operation. The results suggest that it is impossible to obtain the time information merely by the AIS message itself. Secondly，the composition and format of the AIS message received by the TT3-AIS was studied. In the TT3-AIS system，a time-flag was generated every minute to be inserted into the received AIS data package. Thus the TT3-AIS has a good function on adding the time information to the AIS messages，which will be helpful for monitoring and controlling of the global vessels.

TianTuo-1 nano-satellite；TianTuo-3 micro-nano-satellite；space-based AIS；SOTDMA；time-flag

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0014

2016-06-07；

2016-07-12；录用日期：2017-01-24；

时间：2016-12-01 17:11:20

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161201.1711.001.html

国家自然科学基金(41304132，61302092)；民用航天预先研究(2013-34)；国防科学技术大学预研(ZDYYJCYJ20140701)

李世友(1980-)，男，讲师，toneylab@163.com，研究方向为空间物理与空间环境、空间信息技术及应用

*通讯作者：陈利虎(1980-)，男，副研究员，clh2055@163.com，研究方向为空间信息技术

李世友,陈利虎,陈小前.星载AIS报文时间解析J].中国空间科学技术, 2017,37(1)：75-81.LISY,CHENLH,CHENXQ.Decodinganalysisoftimeinformationfromspace-basedAISmessageJ].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2017, 37(1)：75-81(inChinese).

TN971

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http:∥zgkj.cast.cn