CN105844968A - 基于北斗卫星的ais移动基站及船舶监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗卫星的AIS移动基站及船舶监控方法，包括如下步骤：a)利用AIS收发模块获取来自船舶自动识别系统的船舶信息，包括本船舶信息和周围船舶信息；b)以本船舶所在位置为坐标原点，以AIS收发模块的最大作用距离为坐标量程的最大值计算周围船舶位置与本船舶位置的差值坐标；c)采用原始的本船舶信息和周围船舶的差值坐标构建短消息并通过北斗卫星通信阵列传送至AIS数据中心。本发明通过组合AIS收发模块和北斗卫星通信阵列形成AIS移动基站，利用坐标替换压缩转换位置信息，在保留必要信息的基础上大大减少AIS数据量，提高传送效率，更好地满足对AIS岸基站系统覆盖范围外的船舶航运信息的监管。

Description

基于北斗卫星的AIS移动基站及船舶监控方法

技术领域

本发明涉及一种船载基站及船舶监控方法，尤其涉及一种基于北斗卫星的AIS移动基站及船舶监控方法。

背景技术

船舶自动识别系统(Automatic Identification System,简称AIS系统)由岸基(基站)设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。

系统工作在VHF海上移动频段，通过VHF无线电收发信机，将诸如船舶识别信息(例如MMSI)、船位经纬度、航向、航速等船舶信息(简称AIS信息)同其它船舶和基站的AIS互相收发，组成一个无线网络。

AIS系统一方面可使船与船之间相互可见，有利于减少碰撞事故，提高船舶航行安全；另一方面，可使管理部门适时监控船舶航行动态，有利于航运管理。

AIS系统在船舶动态监控、船舶交通管理、航海保障、海上搜救、船舶流量统计及航运经济宏观决策等方面发挥了重要的作用。

AIS系统工作在VHF频段，其覆盖范围主要是A1海区(从海岸延伸30-50海里)。对于更远区域航行的船舶无法监控。

北斗卫星导航系统是我国自行研制、独立运营的全球卫星定位与通信系统(BDS)，是继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。2012年12月27日，覆盖亚太地区的北斗区域导航系统已正式运营，向区域用户提供定位、导航、授时和短报文通信服务。

北斗卫星导航系统在分阶段建设的过程中，已逐步推进产业化应用。因其特有的短报文通信功能，特别适合集团用户大范围的监控与管理，并已经在海洋渔业安全生产管理领域得到应用。目前，全国沿海已有约3万多艘船舶装备了北斗接收机，主要应用于船舶位置监控。

北斗卫星导航系统在中国周边地区无覆盖盲区，但通信容量有限，通信频度受限制。与AIS岸基系统相比，通过北斗卫星导航系统获取船舶动态信息较慢，且不 具备船舶避碰功能。不利于在沿岸的狭窄水道和船舶密度较大的区域使用。

因此有必要将AIS系统与北斗卫星导航系统相结合。在装备了北斗和AIS终端的船舶上，利用北斗短消息将AIS终端接收到的AIS船舶信息通过北斗短消息发送给管理部门，有利于管理部门对AIS岸基站系统覆盖范围外的船舶航运信息的监管。

但是，北斗短消息数据量和通信频度都很有限，而AIS船舶信息数据量相对较大。比如在AIS消息1中，采用55bit(经度28bit，纬度27bit)表示船舶位置。因北斗短消息每次传输的字节数有限，民用北斗终端每条短消息最多可传输628bit，若直接利用北斗卫星的短消息传送AIS船舶位置信息，去除本船舶信息的开销后，每次最多只能传输5条船舶的MMSI号和位置信息、时间信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于北斗卫星的AIS移动基站及船舶监控方法，能够在保留必要信息的基础上大大减少AIS数据量，从而提高传送效率，更好地满足对AIS岸基站系统覆盖范围外的船舶航运信息的监管。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于北斗卫星的AIS移动基站，包括微控制处理器和AIS收发模块，其中，所述微控制处理器的电源端和电源模块相连，所述微控制处理器的第一串口端和AIS收发模块相连，第二串口端和北斗卫星通信阵列相连，所述AIS收发模块上设有VHF天线接收来自船舶自动识别系统的船舶信息，所述微控制处理器将接收到的船舶信息转化为基于北斗卫星的短消息，并通过所述北斗卫星通信阵列上的北斗天线发送至AIS数据中心。

上述的基于北斗卫星的AIS移动基站，其中，所述北斗天线为北斗RDSS收发天线，所述北斗RDSS收发天线的接收电磁波为右旋圆极化电磁波，接收频率为2481.75MHz～2501.75MHz；发射电磁波为左旋圆极化电磁波，发射频率为1605.68MHz～1625.68MHz。

上述的基于北斗卫星的AIS移动基站，其中，所述VHF天线的工作频率为150MHz～170MHz；收发电磁波为垂直极化电磁波。

上述的基于北斗卫星的AIS移动基站，其中，所述AIS收发模块上还设有GPS天线接收全球定位信息，所述GPS天线的接收电磁波为右旋圆极化电磁波，接收频率为1570MHz～1580MHz。

本发明为解决上述技术问题还提供一种基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，采 用上述AIS移动基站，包括如下步骤：a)利用所述AIS收发模块获取来自船舶自动识别系统的船舶信息，包括本船舶信息和周围船舶信息；b)以本船舶所在位置为坐标原点，以AIS收发模块的最大作用距离为坐标量程的最大值计算周围船舶位置与本船舶位置的差值坐标；c)采用原始的本船舶信息和周围船舶的差值坐标构建基于北斗卫星的短消息并通过北斗卫星通信阵列传送至AIS数据中心。

上述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其中，所述步骤a)提取本船舶位置、周围船舶MMSI号和周围船舶位置信息；所述步骤c)将坐标替换压缩后的数据进行打包形成基于北斗卫星的短消息，通过北斗通信阵列发送至AIS数据中心，实现对AIS移动基站周边船舶分布概况的监视；当用户需要查询某船舶具体信息时，通过AIS数据中心的监视终端选中感兴趣的船舶，请求AIS移动基站调取该船舶的详细信息；所述AIS移动基站接收到请求后将所要调取船舶的位置、航速、航向信息发送给AIS数据中心以便用户进行船到岸的监控。

上述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其中，所述AIS移动基站接收到遇险求救信息后，将AIS移动基站所在船舶位置、遇险船舶位置和MMSI号通过北斗卫星转发至AIS数据中心。

上述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其中，所述AIS数据中心收到周围船舶位置信息后，通过北斗卫星向AIS移动基站发送广播消息，所述AIS移动基站对收到北斗消息进行数据解析，并将解析后数据通过AIS收发模块向周围船舶进行广播。

上述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其中，所述AIS数据中心收到周围船舶位置信息后，通过北斗卫星向AIS移动基站发送岸向特定船舶发送消息，所述AIS移动基站对收到北斗消息进行数据解析，并将解析后数据通过AIS收发模块向指定船舶进行转发。

上述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其中，所述步骤b)中周围船舶位置与本船舶位置的差值坐标(X，Y)的计算如下：

X＝floor[2ⁿ×(LON1-LON0)/1800]；

Y＝floor[2ⁿ×(LAT1-LAT0)/1800]；

其中，(LON0，LAT0)为本船舶经纬度位置坐标，(LON1，LAT1)为周围某艘船舶经纬度位置坐标，n为差值坐标(X，Y)的最大位数，floor表示向下取整，LON1，LON0，LAT1，LAT0单位为秒。

上述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其中，所述步骤b)中周围船舶位置与本船舶位置的差值坐标(X，Y)的计算如下：

X＝floor[2ⁿ×cosφ(LON1-LON0)/1800]；

Y＝floor[2ⁿ×(LAT1-LAT0)/1800]；

其中，(LON0，LAT0)为本船舶经纬度位置坐标，(LON1，LAT1)为周围某艘船舶经纬度位置坐标，n为差值坐标(X，Y)的最大位数，floor表示向下取整，LON1，LON0，LAT1，LAT0单位为秒，φ为本船纬度LAT0去除分和秒之后的整数度，取值范围：-89度～+89度。

上述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其中，所述北斗卫星通信阵列采用多张IC卡，其中1张作为接收IC卡，其余均作为发射IC卡。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于北斗卫星的AIS移动基站及船舶监控方法，通过组合AIS收发模块和北斗卫星通信阵列形成AIS移动基站，利用坐标替换压缩转换位置信息，从而能够在保留必要信息的基础上大大减少AIS数据量，提高传送效率，更好地满足对AIS岸基站系统覆盖范围外的船舶航运信息的监管。

附图说明

图1为本发明基于北斗卫星的AIS移动基站电路方框示意图；

图2为本发明基于AIS移动基站构建的船舶监控系统架构示意图；

图3为本发明基于北斗卫星的AIS船舶信息监控流程示意图；

图4为本发明基于北斗卫星的AIS船舶信息的坐标转换示意图；

图5为本发明实现的AIS岸基系统覆盖范围外的船到岸监视过程示意图；

图6为本发明实现的AIS岸基系统覆盖范围外的转发求救信息过程示意图；

图7为本发明实现的向岸基系统覆盖范围外船舶广播过程示意图；

图8为本发明实现的向岸基系统覆盖范围外的特定船舶发送消息过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明基于北斗卫星的AIS移动基站电路方框示意图；图2为本发明基于AIS移动基站构建的船舶监控系统架构示意图。

请参见图1和图2，本发明提供的基于北斗卫星的AIS移动基站，包括微控制处理器1和AIS收发模块5，其中，所述微控制处理器1的电源端和电源模块2相连，所述微控制处理器1的网络端和以太网网络模块3相连，所述微控制处理器1的第一串口端和AIS收发模块5相连，第二串口端和北斗卫星通信阵列4相连，所述AIS收发模块5上设有VHF天线接收来自船舶自动识别系统的船舶信息，所述微控制处理器1将接收到的船舶信息转化为基于北斗卫星的短消息，并通过所述北斗卫星通信阵列上的北斗天线发送至AIS数据中心。所述AIS数据中心设置北斗接收机和监控终端，如图2所示。

本发明提供的基于北斗卫星的AIS移动基站及船舶监控方法，通过组合AIS收发模块和北斗卫星通信阵列形成AIS移动基站，所述AIS收发模块上还设有GPS天线接收全球定位信息。整个天线单元由RDSS收发天线、GPS天线、VHF天线以及馈线组成，完成射频信号的收发功能。各类天线设计如下：

1)北斗RDSS收发天线，采用北斗车载型天线，其主要技术指标如下：

2)GPS/RNSS天线采用深圳市鼎耀科技有限公司货架产品，GPS有源天线型号：DY-GPSR038P00A，主要性能指标如下：

序号	项目	指标
			1	频率	1575±5MHz
2	极化方式	右旋圆极化

3	增益	38dB
			4	驻波比	＜1.8
5	3dB宽度	100±10KHz。
			6	工作温度	-40℃～+70℃

3)VHF天线采用156-162MHz船用甚高频玻璃钢天线，主要技术指标如下：

序号	项目	指标
			1	频率	150MHz～170MHz
2	极化方式	垂直极化
			3	增益	3dB
4	驻波比	≤1.5
			5	阻抗	50Ω
6	工作温度	-40℃～+70℃

本发明提供的基于北斗卫星的AIS移动基站主机单元主要由AIS收发模块、北斗卫星通信阵列、微控制处理器、电源模块、网络接口模块等组成，各模块主要功能及组成如下：

1)AIS收发模块：

包含滤波器、AIS发射通道、AIS接收通道、AIS收发控制单元及完好性检测单元。该模块主要承担AIS信号的接收与发射，是AIS数据信息与无线信道之间的通道。AIS收发模块发射机技术指标要求如下：

AIS收发模块接收机技术指标要求如下：

2)北斗卫星通信阵列

北斗卫星通信阵列采用多IC卡的方式扩充北斗卫星短消息通信容量，为系统提供北斗卫星通信功能。如采用20张IC卡，其中1张作为接收IC卡，其余均作为发射IC卡。北斗通信阵列技术指标要求如下：

3)微控制处理器

作为基站控制与数据处理模块，为整机提供电源管理、数据处理和协议转换等功能。

4)网络模块

网络模块为整机提供以太网接口。

5)接口模块

提供主机与外部的通信接口和内部各个模块之间的通信接口。

6)电源模块

电源模块为整机提供合适的电源输入，具有外部电源输入保护功能。

根据《AIS接口控制文件》规定，船舶播报AIS位置信息需47个字节，376bit。根据《北斗一号用户机数据接口协议4.0版》规定，一条北斗报文的电文容量为1680bit，而民用北斗终端一条短消息只能传输628bit(78.5个字节)信息。如果不采用高效的算法对AIS报文数据进行压缩，一条北斗报文只能包含一条船舶信息。对通信容量受限、通信频度有限的北斗通信链路而言，直接发送原始的AIS数据信息，无法实时对周边船舶进行全面监控。AIS的电文内容和北斗通信的数据接口分别如下表所示：

1)周围船舶AIS信息格式如下：

2)本船AIS信息格式如下：

3)北斗短信息格式如下：

即使是上述业务类型中船到岸的监视也需要转发MMSI号和经纬度信息，如不进行信息压缩，在AIS消息中，采用55bit(经度28bit，纬度27bit)表示船舶位置，这样一条北斗短消息只能发送5条船的信息，因此，必须采用高效的压缩算法转化AIS消息和北斗卫星消息。

图3为本发明基于北斗卫星的AIS船舶信息监控流程示意图。

请继续参见图3，本发明提供的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法包括如下步骤：

步骤S1：利用AIS收发模块获取来自船舶自动识别系统的船舶信息，包括本船舶信息和周围船舶信息；具体包括船舶识别信息MMSI、船位经纬度、航向和航速等信息；

步骤S2：以本船舶所在位置为坐标原点，以AIS收发模块的最大作用距离为坐标量程的最大值计算周围船舶位置与本船舶位置的差值坐标；

步骤S3：采用原始的本船舶信息和周围船舶的差值坐标构建用于北斗卫星的短消息，并通过所述北斗卫星通信阵列上的北斗天线发送至AIS数据中心。

图4为本发明基于北斗卫星的AIS船舶信息的坐标转换示意图。

请继续参见图4，考虑AIS收发模块作用距离为55.65km(按赤道处的经纬度，约0.5度)，以本船舶为中心，以111.3km为边长的区域为AIS收发模块所覆盖的最大区域。将此区域等间隔划分成8190*8190个子区域，如图2所示。

本船舶所在位置O为坐标原点(0,0)，用13bit表示周围船舶位置与本船舶位置的差值，周围船舶所在位置相对于本船舶位置的差值可换算成此区域内的坐标(x，y)。如：本船舶位置为(LON0，LAT0)，周围某艘船舶位置为(LON1，LAT1)，则：

X＝floor[2¹²×(LON1-LON0)/1800]；

Y＝floor[2¹²×(LAT1-LAT0)/1800]；

其中，floor表示向下取整，LON1，LON0，LAT1，LAT0单位取秒。

因单位经度表示的距离随着纬度的增加而减少。假设地球为圆球形，那么高纬 度地区单位经度表示的距离为赤道上单位经度表示的距离乘以纬度的余弦。为保持船舶位置的分辨率一致，上述算法调整为：

X＝floor[2¹²×cosφ×(LON1-LON0)/1800]；

Y＝floor[2¹²×(LAT1-LAT0)/1800]；

其中，φ为本船舶纬度LAT0去除分和秒之后的整数度，取值范围：-89度～+89度。

逆运算：

LON1＝X/(2¹²×cosφ)×1800+LON0；

LAT1＝Y/2¹²×1800+LAT0；

例：本船舶位置为东经121度21分10.1秒，纬度31度10分20.2秒。周围船舶位置为东经121度30分20秒，纬度31度20分30秒。计算可得：

X＝1072，Y＝1388；

逆运算得：

LON1＝121度30分19.7秒，LAT1＝31度20分30.16秒；

误差分别为-0.3秒和0.16秒。

由上可见，本发明提供的基于北斗卫星的AIS移动基站具有收集并转发周边船舶AIS信息的功能，通过北斗通信链路将船舶信息发送至AIS数据中心，大大地扩展了船舶监视范围，提高海事管理部门对海事航运态势和海上搜救的感知能力，实现对沿海专属经济区的全区域监视；从而既弥补了AIS系统因采用VHF(甚高频)通信，受VHF所用频率特性制约，作用距离较为有限的缺陷(一般通信距离约为20至40海里左右，作用距离取决于发射功率，接收灵敏度和天线高度等因素)，又能充分利用其在船舶避碰和航标助导航方面的应用。同时该移动基站结构造型易于携带，能通过有线方式接入AIS数据中心，可应急安装于现有AIS基站现场，能按照设定要求实现AIS基站功能，大大提高了相关部门AIS基站故障应急处理能力，有效保障航海安全。因此，本发明提供的北斗AIS移动基站是对已有AIS系统的有效补充，可应用于AIS岸基系统覆盖范围外的船舶航行状态监控和搜救，具体包括以下几个方面：船舶避碰、船舶航行监管、搜救、航标助导航等。

1)船到岸监视

该业务模式主要实现了船舶动态信息监控功能。首先，AIS基站通过VHF天线接收周围船舶的动态信息。考虑到北斗卫星通信容量受限的问题，在移动基站内部对 船舶动态信息做压缩处理，仅提取基站位置、周围船舶MMSI号、周围船舶位置等关键信息；然后对压缩后的数据进行打包，通过北斗通信阵列终端发送至AIS数据中心；实现对北斗AIS移动基站周边船舶分布概况的监视。

当用户需要查询某具体船舶详细信息时，可通过监视终端选中感兴趣的船舶，调取该船舶的详细信息；基站将所要调取的船舶的位置、航速、航向等详细信息发送给数据中心以便用户进行监控，如图5所示。

2)转发求救信息

针对海事救援的需求，提出了适应北斗AIS移动基站转发求救信息业务模式。AIS基站接收到遇险求救信息后，将基站位置、遇险位置和MMSI号通过北斗卫星转发至AIS数据中心，以便监管部门即时收到求救信息展开救援工作，其工作流程如图6所示。

3)岸向船广播

为了方便海事监管部门对船舶进行管理，提出了岸向船舶发送广播消息的业务模式。在AIS数据中心收到周围船舶位置信息后，用户通过北斗链路向基站发送广播消息，基站对收到北斗消息进行数据解析，将解析后数据向周围船舶进行广播，其工作流程如图7所示。

4)岸向特定船舶发送消息

与岸向船广播类似，用户也可通过北斗AIS移动基站向基站周围的某条特定船舶发送信息，其工作流程如图8所示。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (12)

1.一种基于北斗卫星的AIS移动基站，包括微控制处理器和AIS收发模块，其特征在于，所述微控制处理器的电源端和电源模块相连，所述微控制处理器的第一串口端和AIS收发模块相连，第二串口端和北斗卫星通信阵列相连，所述AIS收发模块上设有VHF天线接收来自船舶自动识别系统的船舶信息，所述微控制处理器将接收到的船舶信息转化为基于北斗卫星的短消息，并通过所述北斗卫星通信阵列上的北斗天线发送至AIS数据中心。

2.如权利要求1所述的基于北斗卫星的AIS移动基站，其特征在于，所述北斗天线为北斗RDSS收发天线，所述北斗RDSS收发天线的接收电磁波为右旋圆极化电磁波，接收频率为2481.75MHz～2501.75MHz；发射电磁波为左旋圆极化电磁波，发射频率为1605.68MHz～1625.68MHz。

3.如权利要求1所述的基于北斗卫星的AIS移动基站，其特征在于，所述VHF天线的工作频率为150MHz～170MHz；收发电磁波为垂直极化电磁波。

4.如权利要求1所述的基于北斗卫星的AIS移动基站，其特征在于，所述AIS收发模块上还设有GPS天线接收全球定位信息，所述GPS天线的接收电磁波为右旋圆极化电磁波，接收频率为1570MHz～1580MHz。

5.一种基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，采用如权利要求1所述的AIS移动基站，其特征在于，包括如下步骤：

a)利用所述AIS收发模块获取来自船舶自动识别系统的船舶信息，包括本船舶信息和周围船舶信息；

b)以本船舶所在位置为坐标原点，以AIS收发模块的最大作用距离为坐标量程的最大值计算周围船舶位置与本船舶位置的差值坐标；

c)采用原始的本船舶信息和周围船舶的差值坐标构建基于北斗卫星的短消息并通过北斗卫星通信阵列传送至AIS数据中心。

6.如权利要求5所述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其特征在于，所述步骤a)提取本船舶位置、周围船舶MMSI号和周围船舶位置信息；所述步骤c)将坐标替换压缩后的数据进行打包形成基于北斗卫星的短消息，通过北斗通信阵列发送至AIS数据中心，实现对AIS移动基站周边船舶分布概况的监视；

当用户需要查询某船舶具体信息时，通过AIS数据中心的监视终端选中感兴趣的船舶，请求AIS移动基站调取该船舶的详细信息；所述AIS移动基站接收到请求后将所要调取船舶的位置、航速、航向信息发送给AIS数据中心以便用户进行船到岸的监控。

7.如权利要求5所述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其特征在于，所述AIS移动基站接收到遇险求救信息后，将AIS移动基站所在船舶位置、遇险船舶位置和MMSI号通过北斗卫星转发至AIS数据中心。

8.如权利要求5所述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其特征在于，所述AIS数据中心收到周围船舶位置信息后，通过北斗卫星向AIS移动基站发送广播消息，所述AIS移动基站对收到北斗消息进行数据解析，并将解析后数据通过AIS收发模块向周围船舶进行广播。

9.如权利要求5所述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其特征在于，所述AIS数据中心收到周围船舶位置信息后，通过北斗卫星向AIS移动基站发送岸向特定船舶发送消息，所述AIS移动基站对收到北斗消息进行数据解析，并将解析后数据通过AIS收发模块向指定船舶进行转发。

10.如权利要求5～9任一项所述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其特征在于，所述步骤b)中周围船舶位置与本船舶位置的差值坐标(X，Y)的计算如下：

X＝floor[2ⁿ×(LON1-LON0)/1800]；

Y＝floor[2ⁿ×(LAT1-LAT0)/1800]；

其中，(LON0，LAT0)为本船舶经纬度位置坐标，(LON1，LAT1)为周围某艘船舶经纬度位置坐标，n为差值坐标(X，Y)的最大位数，floor表示向下取整，LON1，LON0，LAT1，LAT0单位为秒。

11.如权利要求5～9任一项所述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其特征在于，所述步骤b)中周围船舶位置与本船舶位置的差值坐标(X，Y)的计算如下：

X＝floor[2ⁿ×cosφ(LON1-LON0)/1800]；

Y＝floor[2ⁿ×(LAT1-LAT0)/1800]；

其中，(LON0，LAT0)为本船舶经纬度位置坐标，(LON1，LAT1)为周围某艘船舶经纬度位置坐标，n为差值坐标(X，Y)的最大位数，floor表示向下取整，LON1，LON0，LAT1，LAT0单位为秒，φ为本船纬度LAT0去除分和秒之后的整数度，取值范围：-89度～+89度。

12.如权利要求5～9任一项所述的基于北斗卫星的AIS船舶监控方法，其特征在于，所述北斗卫星通信阵列采用多张IC卡，其中1张作为接收IC卡，其余均作为发射IC卡。