基于信息熵的北斗转发AIS信息模型研究

龚永寿 钱廷发 张明睿

（1.云南省航务管理局 云南省昆明市 650051 2.上海普适导航有限公司 上海市 201112）

（3.交通运输部水运科学研究所 北京市 100088）

船舶安全是发展海洋经济的重要保障。北斗终端和AIS 终端是船舶安全生产的重要装备。2013年1月24日，农业部和财政部发布了《2013年农业机械购置补贴实施指导意见》（农办财〔2013〕8 号），将渔船用北斗船载终端和AIS 船载终端纳入全国农机购置补贴机具种类范围，大幅度提高北斗和AIS 船载终端在船舶上的覆盖率，有效预防和减少了船舶碰撞事故发生。

北斗船载终端能通过北斗卫星链路实现船和岸上的数据通讯，AIS 终端通过甚高频（VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播自己船位、速度、航向等信息，来避免船舶之间的碰撞[1]。由于AIS 通讯距离有限，实际效果一般在30～50 海里的范围内，岸基AIS 基站很难收到AIS 终端的信号。目前，北斗通信范围已经覆盖亚太地区，将来可能进一步覆盖全球。为此可以考虑利用北斗通信来向岸上北斗中心传输AIS 信息，再通过地面网络传输到AIS 中心。提高海洋作业安全生产管理的信息化、智能化水平，提升公共服务水平[2]。

由于北斗通信的频率及报文通信量有限制，一般每分钟通信一次，每次数据大小为628 Bit，如果收到多个船舶的AIS 数据，不能及时一次性的发送完毕。因此本文研究了一种高效、简约、公平的通信转发模型来构建北斗AIS 转发队列，该模型通过计算队列中每一条待发数据的优先级，按优先级从大到小的原则转发AIS 数据，提高AIS 数据传输效率，能够有效解决AIS 超长距离传输问题，实现移动小型AIS 基站功能。

1 系统简介

1.1 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为各类用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航、授时、短报文通信服务的国家重要空间基础设施。截至2019年5月，我国成功发射了44 颗北斗导航卫星，目前在轨卫星和地面工作稳定，经全球范围测试评估，系统性能满足预期。中国北斗系统已于2018年12月27日开始提供全球服务。

北斗卫星导航系统集定位、双向短报文通信和授时服务这三种功能为一身，具有24 小时全天候服务,无通讯盲区，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用等特点。因此，北斗卫星导航系统特别适用于需要定位导航与移动数据通信相互结合的远海海洋船舶安全保障服务领域[3]。

1.2 AIS系统

AIS 系统（Automatic Identification System,船舶自动识别系统）是指一种应用于船和岸、船和船之间的海事安全与通信的新型助航系统，由VHF 通信机、GPS 定位仪和与船载显示器及传感器等相连接的通信控制器组成，能自动交换船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息。装在船上的AIS 在向外发送这些信息的同时，同样接收VHF 覆盖范围内其他船舶的信息，从而实现了自动应答。

AIS 系统受外界自然因素干扰少，它在船舶导航、避碰、船舶通信、船岸通信、海上搜救、海事调查等方面发挥独特而重要的作用。航行于开阔水域的船舶不用VHF 无线电话的通话便可自动获得来往船舶的各类信息；航行于限制水域的船舶不仅可自动获得其他船舶的信息，而且通过VTS 的广播获得各类航行信息和港口信息。同时，作为一种开放式数据传输系统,它可与雷达、ARPA、ECDIS、VTS 等终端设备和INTERNET 实现连接，构成海上交管和监视网络，是不用雷达探测也能获得交通信息的有效手段，这样可在最大程度上人为防止船舶碰撞和各类海难事故的发生。

2 AIS数据优先级判定原则

香农提出信息熵的概念来研究信息的价值。指出变量的不确定性越大，熵也就越大，把它搞清楚所需要的信息量也就越大[4]。其中不确定定义为公式（1）：

其中p 表示事件发生的概率，信息熵的性质表示发生概率越高的事件，其携带的信息量越低。因此，在北斗转发AIS 数据的过程中，优先选择发生概率高的数据进行转发。衡量AIS 数据下一时刻被接收的概率的因素包括AIS 设备间距离、AIS 数据最后活跃时间和AIS 数据上次发送时间。通过综合评估三个因素的发生概率定义AIS 数据的优先级，优先转送发送级别较高的数据，提高北斗传输数据的效率。

2.1 AIS设备间距离

首先从距离方面考虑，由于AIS 传输距离的限制，当己方和对方距离较远的时候，很可能双方距离就超过接收范围；当双方距离相对近的时候，下一时刻接收其信号的可能性就比较大，因此距离是重要考虑的因素，优先发送远距离的信号。

定义船舶的距离因子：考虑到一般AIS 最大通信距离为50 海里左右，因此定义如下：

D 表示己方和对方的距离。

2.2 最后活跃时间

由于海上气候变化剧烈，船上通航设备较多，也存在电磁信号干扰现象。己方AIS 设备可能断断续续收到对方的AIS 数据，下次就很可能收不到该信号。因此考虑同一信号的活跃时间，活跃时间越短（频繁在线），说明下次还会收到AIS 数据的概率大。活跃时间越长（频繁断线），说明下次收到活跃时间的概率越小。根据信息熵原理，对不活跃的AIS 位置要重点倾斜。

表1：0 时刻队列情况

表2：60 秒后队列情况

表3：90 秒后队列情况

AIS 编号 当前距离（海里）旧级别 上次发送时间（秒）最后活跃时间（秒）接收时间（秒）当前时间（秒）级别1 10.34.9815084637901508464390150846439015084644804.98 2 3.84.25无1508464480150846448015084644804.06 4 6.24.58无1508464390150846439015084644804.65 6 15.74.1615084640901508464390150846439015084644804.29 7 20.05.58无1508464390150846439015084644805.65 8 31.36.25无1508464390150846439015084644806.31 9 27.45.92无1508464390150846439015084644805.98 1149.5无无1508464480150846448015084644807

定义最后活跃时间因子：

TlastActive表示最后收到AIS 数据的时间，为UTC 秒数。

2.3 AIS数据上次发送时间

当接收多个船舶上的AIS 数据的时候，北斗这时候未来得及发送完都会积压在发送队列中，因此需要考虑同一AIS 设备数据的上次发送的时间。上次发送时间距离当前时间短，说明该同一AIS 设备信号被发送的次数相对会较多；反之，说明该同一AIS 设备信号被发送的次数相对会较少。本着公平的原则，对于发送队列的信息，在更新计算其级别的时候需要，需要考虑该因素。

定义上次发送时间因子：

TlastSend表示上次发送时间，为UTC 秒数。Tcurrent表示当前时间，UTC 秒数。

2.4 发送级别评估

结合上述三个因素以及级别的惯性作用，制定一个优先发送级别计算及更新函数[5]，来合理调度安排AIS 数据转发策略。

约定AIS 数据最后活跃时间超过当前时间600 秒未完成发送，该AIS 数据从北斗队列中删除，不进行数据转发。同时定义级别L∈[1,10]。

Lold生命期为600 秒，600 内Lold不存在，则级别计算公式如下：

600 内Lold存在，则级别计算公式如下：

Lold表示上一轮计算时的对应优先级别，公式（5）、公式（6）采用加权平均计算模型[3]，Wi表示对应的权重，[ ]表示取整运算。

接收到AIS 数据后，如在系统600 秒首次收到的该AIS 信息，根据公式（5）计算其发送级别放入发送队列；如非首次，根据公式（6）、（7）计算其对应的级别放入发送队列，相应的因子计算参考公式（2）、公式（3）、公式（4）。同时系统定期跟据公式（6）、（7）更新发送队列中待发数据级别；当北斗满足发送频度要求的时候从发送队列中按级别由大到小顺序取出AIS 数据发送。

3 仿真试验

上海普适导航科技股份有限公司拥有北斗导航民用服务资质，建立了北斗运营服务平台，为入网注册用户提供导航定位、通信和增值服务。本文通过北斗运营服务平台与北斗终端进行通信，创建多条AIS 数据信息，每30 秒计算一次发送队列中AIS 级别权重，检验北斗终端系统的运转情况。设定北斗终端每分钟可以传输3 个AIS 信息内容，取W=[0.25 0.25 0.25 0.25]T。

设定初始0 时刻卫星终端发送频度刚被使用，等待下一个发送周期才可以发送。同时在0 时刻收到10 个AIS 数据信息，并计算其对应级别，如表1 和表2所示。

由于AIS 编号5、AIS 编号10、AIS 编号3 的级别最高，同时将被从缓存移出转发。

30 秒后，又收到2 条信息AIS 2、AIS 11 位置信息，其中AIS 2 的数据还在队列中未发送完成，需要把最新的经纬度等信息替换旧的信息。此时队列缓存情况如表3所示。

通过以上仿真，可以看出级别的动态变化，级别的增长、下降符合系统规律，整个北斗终端良好运行。本模型具有较高的科研和实用价值。

4 结论

由于北斗通信的频率及报文通信量有限制，如果收到多个船舶的AIS 数据，不能及时一次性的发送完毕。本文通过研究一种高效、简约、公平的通信转发模型来构建北斗AIS 转发队列，该模型通过综合评估AIS 设备间距离、AIS 数据最后活跃时间和AIS 数据上次发送时间这三个因素的发生概率定义AIS 数据的优先级计算队列中每一条待发数据的优先级，按优先级从大到小的原则转发AIS 数据，提高北斗传输数据的效率。