DE102009018057A1 - Spezielle neuartige Antennen-Weicheneinrichtung die einen parallelen Sendebetrieb von AIS (Automatic Identification System) und DSC (Digital Selective Calling) im maritimen Funkverkehr erlaubt - Google Patents

Abstract

Spezielle neuartige Antennen-Weicheneinrichtung, die durch ein besonderes Verfahren einen parallelen Sendebetrieb von AIS (Automatic Identification System) und DSC (Digital Selective Calling) im maritimen Funkverkehr an nur einer Antenne erlaubt. Bei bekannten Antennenweichen werden oftmals Signale auf eine gemeinsame Antenne geschaltet. Hierbei wird oftmals keine Priorität der Signale oder teilweise eine fixe Prioritätenvergabe für die Signale angewendet. Ohne Prioritäten, aber auch durch die Vergabe von Prioritäten geht jedoch das Signal mit dem geringeren Signalpegel oder der niedrigeren Priorität verloren. Im Zusammenspiel von AIS und DSC auf einer gemeinsamen Antenne ist dies sehr nachteilig bzw. nicht zulässig. Die spezielle Antennen-Weicheneinrichtung ermöglicht mit einem neuartigen Verfahren einem Signal, eine Priorität einzuräumen. Dennoch wird sichergestellt, dass sich beide Signale gegenseitig nicht dauerhaft blockieren und die Informationsübertragung beider Dienste gewährleistet ist. Die spezielle neuartige Antennen-Weicheneinrichtung mit dem neuartigen Verfahren findet Anwendung im Sportbootbereich und ermöglicht es maritimen DSC und AIS, Funkverkehr auf einem Schiff ohne Dateninhaltsverluste an einer Antenne zu betreiben.

Description

• In der heutigen Zeit werden in der Berufsschifffahrt über ein spezielles Verfahren, dem sogenannten AIS, (Automatisches Identifikations System für Schiffe) Daten per UKW ausgetauscht.
• AIS steht für Automatisches Schiffsidentifizierungs System (Automatic Identification System).
• Mit AIS identifizieren sich Schiffe und geben relevante statische, reisebezogene und dynamische Daten für andere eindeutig bekannt.
• Die statischen Daten geben Auskunft beispielsweise über den Schiffsnamen, das Internationale Funkrufzeichen, den Schiffstyp und die Abmessungen des Schiffes. Diese Daten sind charakteristisch für das betreffende Schiff und ermöglichen seine Identifikation. Zu den reisebezogenen Daten gehören der aktuelle Tiefgang, der Bestimmungshafen, das ETA (geplante Ankunftszeit) sowie u. U. eine Angabe zur Ladungskategorie. Diese Daten sind zumindest für eine Reise feststehend und geben Auskunft über die aktuelle Mission des Schiffes.
• Die dynamischen Daten sind für die Kollisionsverhütung mit anderen Schiffen von besonderer Bedeutung. Zu diesen Daten zählen genaue Angaben über die Position des Schiffes, seine Geschwindigkeit und sein Kurs über Grund, die exakte Vorausrichtung oder auch das momentane Drehverhalten des Schiffes.
• Zwischen AIS-Sende/Empfangsgeräten werden diese Daten automatisch in kurzen Zeitabständen mit speziellen UKW-Sendern und Empfängern ausgetauscht
• Die UKW-Sendeeinheit sendet die Datentelegramme wechselweise auf einer von zwei international festgelegten AIS-Funk-Frequenzen (161,975 MHz und 162,025 MHz) aus. Eine der Besonderheiten der AIS-Technologie gegenüber anderen Funkdiensten ist die automatische Organisation des Zusammenspiels von mehreren AIS-Geräten auf einer Funkfrequenz, ohne dass gegenseitige Beeinträchtigungen auftreten.
• Dies wird erreicht durch das SOTDMA-Übertragungsverfahren („Self Organising Time Divison Multiple Access”). Die Daten werden innerhalb eines oder mehrerer für das AIS-Gerät reservierten Zeitschlitze auf den zwei Funkkanälen übertragen.
• Jeder AIS-Sender erstellt hierfür seinen eigenen Übertragungszeitplan, basierend auf dem von ihm beobachteten, vergangenen Datenverkehr und der Kenntnis von zukünftigen Aktionen anderer AIS-Geräte innerhalb der Funkreichweite. Hierbei werden die für die eigene Übertragung benötigten Zeitschlitze belegt.
• Die Aussendungen der Datentelegramme geschehen automatisch, in kurzen Zeitintervallen, abhängig von der Situation, d. h. der Geschwindigkeit und der aktuellen Manöver-Situation. Befindet sich ein Schiff beispielsweise vor Anker, sendet es nur alle drei Minuten einen Report, ist es in Fahrt und ändert gleichzeitig den Kurs, sendet es in Zwei-Sekundenabständen
• Die Übertragungskapazität des AIS-Systems ist hoch, da die Länge eines Zeitschlitzes 26,7 Millisekunden beträgt. Es können mehr als 2000 Telegramme pro Minute auf jedem der beiden einzelnen UKW-Kanäle übertragen werden.
• Das Verfahren des Datenaustausches ist weltweit standardisiert und funktioniert auf allen Weltmeeren, so dass sich auch mit AIS-Bordgeräten verschiedener Hersteller ausgerüstete Fahrzeuge, die sich auf offener See begegnen, gegenseitig ”sehen” können.
• Es gibt nun ein weiteres Funksystem, das auf Berufs- und Freizeitschiffen eingesetzt wird. Dieses System heißt DSC (Digital Selective Calling). Es dient dazu per Funk kurze Telegramme (datenbasierte Botschaften) an andere Schiffe oder Küstenstationen zu senden. Eine wesentliche Funktion ist das Absetzen von einem Seenotruf (Distress call). Dieser enthält unter Anderem die aktuelle Position des Schiffes, das den Notruf abgesetzt hat. Somit kann Hilfe angefordert werden.
• DSC arbeitet auch im UKW-Marine-Frequenzband (UKW = Ultra-Kurzwelle: 156,000 MHz bis 162,050 MHz) und ist weltweit auf die Frequenz 156,525 MHz (Kanal 2070) eingestellt. DSC verwendet im Gegensatz zu AIS eine 2-Ton-Modulation mit einer Datenrate von 1200 baud. Einer der beiden Töne stellt die Information (0) und der andere die Information (1) dar. Gruppen von 10 solcher Informationen oder Bits stellen ein Zeichen dar. Aus diesen Zeichen werden die DSC-Meldungen oder Daten-Telegramme gebildet.
• Die UKW-Sendeempfänger auf Schiffen sind meistens auch mit einer Sprechfunkeinrichtung ausgestattet, die es dem Schiffsführer erlaubt – neben dem DSC-Senden- und Empfangen – auch eine Sprechfunkverbindung in dem UKW-Marine-Frequenzband zu einem anderen Teilnehmer aufzubauen und zu betreiben. Wir sprechen im Nachfolgenden bei diesem Kombinationsgerät von einem DSC-/UKW-Sprechfunkgerät.
• Hintergrund für die Erfindung ist die Idee für beide Funksysteme (also AIS und DSC-/UKW-Sprechfunk) nur eine Antenne zu verwenden und den Antennen-Signalpfad in zwei Signalpfade (z. B. Koaxiale Kabel) aufzuteilen. Diese Idee ist nicht neu und ist häufig unter dem Namen „Antennen-Splitter” oder ”Antennen-Weiche” zu finden.
• Nachteil der bestehenden ”Antennen-Weichen” ist der Umstand, dass immer nur eines der beiden Funksysteme (AIS und DSC-/UKW-Sprechfunk) zur gleichen Zeit senden kann und dass die Weiche einem der beiden Funksysteme eine höhere Priorität fest eingestellt hat. Es wird je nach Ausführung der Weiche zwischen dem einem oder dem anderen System geschaltet. Das heißt, bei gleichzeitiger Sendung wird ein System auf die Antenne geschaltet und das andere System läuft ”leer” (wird also mit einer Impedanz in der Regel 50 Ohm abgeschlossen).
• Nun stellt sich immer die Frage, welchem System gibt man nun den Vorrang vor dem anderen. Es gibt bei dem heutigen Stand der Technik folgende Fälle:
• (A) Das AIS hat höhere Priorität als das DSC-Sprechfunksystem. Wenn der AIS-Sende-Empfänger sendet, wird ein gerade sendendes DSC-/UKW-Sprechfunkgerät für die Dauer des AIS-Telegramms unterbrochen.
• (B) Das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät hat höhere Priorität als der AIS-Sende-Empfänger. Sendet das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät, dann kann AIS-Sende-Empfänger nicht diese Sendung unterbrechen.
• Im Fall (A) hat man den Vorteil, dass eine AIS-Positions Meldung über die Antenne an andere Schiffe oder Küstenstationen gesendet wird, auch wenn ein relativ langer Sprechfunkbetrieb über das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät gerade läuft. Der Sprechfunk wird nur für die Dauer des AIS-Telegramms (26,7 ms) unterbrochen und wird nur als ganz kurzer ”Knack” im Lautsprecher der Teilnehmer zu hören sein. Das stört den Sprechfunk nicht. Problematischer ist es, wenn das AIS-Telegramm ein DSC-Telegramm unterbricht. Ein DSC-Notruf (”Distress Call”) würde dann eventuell nicht empfangbar sein. Das ist im Vergleich zum Sprechfunk sehr viel kritischer, da ein ”Distress Call” als vital zu sehen ist. Nun ist es aber so, dass ein DSC-Telegramm Redundanz eingebaut hat. Die Redundanz besteht darin, dass jedes gesendete Zeichen im Telegramm nach 4 Zeichen (also nach 33 1/3 ms) wiederholt wird. Der Empänger ist also in der Lage die Redundanz zu nutzen und fehlerhafte Zeichen zu erkennen und gegebenenfalls zu korrigieren. Das gelingt deshalb, weil die Zeichen 10 Bit lang sind also eine Wertemenge von 1024 Bitmustern haben. Es werden davon nur 128 Bitmuster genutzt. Es sind also 128 verschiedene Zeichen möglich. Damit hat dieses System einen sog. Hamming-Abstand, dass die Erkennung von fehlerhaften Zeichen zuläßt. Wenn nun ein AIS-Telegramm, das 26,7 ms lang ist, das DSC-Telegramm unterbricht, so kann aufgrund des Hamming-Abstands dies erkannt werden und der Empfänger nutzt die Wiederholung zur Korrektur dieser fehlerhaften Zeichen. Es gibt aber einen entscheidenden Nachteil. Die Korrektur ist nicht garantiert, da es immer möglich ist, dass der Empfänger während der Unterbrechung durch ein AIS-Telegramm aus dem Rauschen heraus auch ein oder mehrere gültige Zeichen demodulieren kann. Somit kann der DSC-Empfänger auch im Unterbrechungsfall gültige Zeichen erhalten, die von den Zeichen, die wiederholt wurden, verschieden sein können. Da die DSC-Empfangsstation nicht weiß, welches Zeichen (das Erste oder das Wiederholte) im Unterbrechungszeitintervall der Sendestation lag, kann sie sich für das Falsche entscheiden, und das DSC-Telegramm wird nicht ausgewertet; also eine vitale Notruf-Meldung wird verpaßt.
• Im Fall (B) werden immer alle DSC-Telegramme oder der UKW-Sprechfunk über die Antenne abgestrahlt. Der Nachteil dabei ist, dass im Falle eines langen Sprechfunkbetriebs mit dem DSC-/UKW-Sprechfunkgerät keine AIS-Meldungen mehr über die Antenne ausgegeben werden. Als Folge davon kann es passieren, dass das betreffende Schiff auf den elektronischen Kartenbildschirmen (ECDIS) der anderen Schiffe verschwindet oder sich nicht mehr bewegt. Die Sicherheit, die das AIS zur Verhütung von Kollisionen geben soll, ist nicht mehr gegeben.
• Die Erfindung besteht in einer Einrichtung, die durch ein neuartiges Verfahren die Nachteile der Fälle (A) und (B) vermeidet und somit die Übertragung der DSC-Meldungen und AIS-Meldungen über eine gemeinsame Antenne intelligent löst.
• Die Erfindung hat folgenden Aufbau: Der AIS-Sende-Empfänger wird um den Steuerausgang (6), der die Prioritäten der Hochfrequenz-Signalleitungen steuert, und den Eingang (7), der Information über die Existenz eines Sendesignals vom DSC-/UKW-Sprechfunkgerät liefert, erweitet.
• Die Antennen-Weiche (1) wird um die Vorrichtung (2), die die Schaltfunktion entsprechend der Prioritätenfestlegung durch die Signalleitung (6) realisiert, und die Vorrichtung (3), die die Existenz eines Sendesignals auf der Hochfrequenz-Signalleitung (4) über die Signalleitung (7) anzeigt, erweitert.
• Die Existenz eines Sendesignals kann in der Antennen-Weiche (1) durch je eine HF-Detektor-Schaltung in den Eingängen (4) und (5), z. B. mittels einer HF-Gleichrichter-Diode, ermittelt werden.
• Die Antenne wird an die Hochfrequenz-Signalleitung (0) angeschlossen.
• Über Signalleitung (6) hat der AIS-Sende-Empfänger die Möglichkeit, die Prioriät des Schaltvorgangs bei gleichzeitigem Senden auf den Hochfrequenz-Signalleitungen (4) und (5) in der Antennen-Weiche (1) zu steuern. Das heißt, wird über die Signalleitung (6) und der Vorrichtung (2) die Priorität für die Hochfrequenz-Signalleitung (5) auf hoch gesetzt, so hat der AIS-Sende-Empfänger Vorrang vor dem DSC-/UKW-Sprechfunkgerät, wenn beide zeitgleich senden.
• Die Erfindung kann auch derart gestaltet werden, dass die Schaltungsteile (1), (2) und (3) im AIS-Sende-Empfänger integriert werden.
• Die Erfindung kann auch derart gestaltet werden, dass die Vorrichtung (3) entfällt und stattdessen das DSC-/-UKW-Sprechfunkgerät um eine Signalleitung (8), die die Existenz eines Sendesignals auf der Signalleitung (4) anzeigt, erweitert wird. Diese Signalleitung (8) wird zum AIS-Sende-Empfänger verbunden.
• Die Einrichtung arbeitet derart, dass der AIS-Sende-Empfänger ein Zeitintervall I (beispeilsweise 10 Sekunden), und eine Anzahl N (beispielsweise N = 10) Zeitpunkte [T₁, T₂, T_N] in dem Intervall I festlegt und zu beliebigen Zeitpunkten T_X aus der Menge [T₁, ..., T_N] über die Signalleitung (6) in der Antennen-Weiche (1) der Signalleitung (4) höhere Priorität gegenüber (5) einstellt und zu den übrigen Zeitpunkten T_Y aus der Menge [T₁, ..., T_N] über (6) der Signalleitung (5) höhere Priorität gegenüber (4) einstellt.
• Bevorzugt wird man zu allen Zeitpunkten T_X = [T₁, T₂, ..., T_(N-1)] die Priorität auf Signalleitung (4) setzen und zum Zeitpunkt T_Y = T_N die Priorität auf Signalleitung (5) setzen.
• Die Einrichtung arbeitet dann derart, dass der AIS-Sende-Empfänger zu einem oder mehreren Zeitpunkten T_X versucht, eine Sendung über (5), (1) und (0) abzusetzen, wenn die Signalleitung (7) anzeigt, dass das ”DSC-/UKW-Sprechfunkgerät” nicht sendet. Hat er schließlich gesendet, so verfallen die restlichen Zeitpunkte T_X und T_Y, um nicht mehrfach in dem Intervall I zu senden. Da der AIS-Sende-Empfänger, speziell der vom Typ ”Class B 'CS' ”, in regelmäßigen aber statistisch variiernden Perioden sein Positions-Telegramm senden soll, kann das Zeitintervall I immer ans Ende dieser Periode oder um diesen Sendezeitpunkt herum gesetzt werden.
• Weiterhin arbeitet die Einrichtung so, dass der AIS-Sende-Empfänger zu ausgewählten Zeitpunkten T_X aus [T₁, ..., T_N] (beispielsweise: die Zeitpunkte [T₁, T₂, ..., T_(N-1)]) keine Sendung über Signalleitung (5) absetzt, wenn die Signalleitung (7) anzeigt, dass das ”DSC-/UKW-Sprechfunkgerät” sendet.
• Zu den anderen Zeitpunkten T_Y, die nicht zu den oben ausgewählten T_X gehören (beispielsweise: der Zeitpunkt T_N), sendet der AIS-Sende-Empfänger unabhängig dessen, was die Signalleitung (7) anzeigt. Diese Sendung erfolgt ja mit hoher Priorität für Signalleitung (5). Dies kann der AIS-Sende-Empfänger über die Signalleitung (6) steuern.
• Da die vitalen DSC-Meldungen (wie Seenotruf (Distress), Dringlichkeit (Urgency) oder Sicherheit (Security)) im Vergleich zu dem Zeitintervall I kurz sind (einige 100 ms) und der Abstand zwischen zwei DSC-Meldungen groß ist (mehrere Sekunden), ist die Übertragungssicherheit dieser Meldungen durch diese Erfindung mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit gegeben.
• Mit dieser Erfindung ist es auch möglich eine AIS-Meldung während eines längeren VHF-Sprechfunkbetriebs zu senden, ohne dass die Teilnehmer des Spechfunks beeinträchtigt werden. Das Schiff bleibt mit ausreichend guter Aktualisierungsrate, die durch das Intervall I gegeben ist, auf den Elektronischen Navigations-Anzeigen (ECDIS) im Empfangsbereich des Senders sichtbar.

Claims (8)

1. Antennen-Weiche dadurch gekennzeichnet, dass diese Weiche zwischen zwei Hochfrequenz-Signalleitungen, die zum einen an den Hochfrequenz-Signalanschluss eines DSC-/UKW-Sprechfunkgeräts und zum anderen an den Hochfrequenz-Signalanschluss eines AIS-Sende-Empfängers angeschlossen ist, auf eine Antenne schaltet, derart dass diejenige Signalleitung, auf der ein Sendesignal existiert, mit der Antenne verbunden ist und einer Vorrichtung, die die Priorität des Schaltzustands bei gleichzeitiger Existenz von Sendesignalen auf den beiden Sendesignalleitungen einstellt, derart das der Sendesignaleingang mit höherer Priorität mit der Antenne verbunden ist, und einer weiteren Vorrichtung, die eine Information über die Existenz eines Sendesignals, das durch das DSC-/UKW-Sprechfunkgeräts erzeugt wird, liefert.
2. Antennen-Weiche nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass die oben beschriebene Antennen-Weiche und die beiden oben beschiebenen Vorrichtungen ein integraler Anteil eines Gerätes sein kann oder eine eigene Einheit sein kann, die die zu verarbeitenden Signale sowie die zu schaltenden Signalleitungen durch geeignete Kontaktierungen realisiert.
3. Einrichtung nach Anspruch (1) derart, dass der AIS-Sende-Empfänger ein Zeitintervall I und eine Anzahl N von Zeitpunkten T_n in dem Intervall I festlegt und während beliebiger Zeitpunkte T_X aus [T₁, ..., T_N] über die oben genannte Vorrichtung zur Einstellung der Priorität des Schaltzustandes derjenigen Hochfrequenz-Signalleitung, an der das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät angeschlossen ist, eine höhere Priorität gegenüber der Hochfrequenz-Signalleitung, an der der AIS-Sende-Empfänger angeschlossen ist, einstellt und zu den übrigen Zeitpunkten T_Y derjenigen Hochfrequenz-Signalleitung, an der der AIS-Sende-Empfänger angeschlossen ist, eine höhere Priorität gegenüber der Hochfrequenz-Signalleitung, an der das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät angeschlossen ist, einstellt.
4. Einrichtung nach Anspruch (3) derart, dass der AIS-Sende-Empfänger zu einem oder mehreren Zeitpunkten T_X im Intervall I sendet, wenn die oben beschriebene Vorrichtung, die eine Information über die Existenz eines Sendesignals, das durch das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät erzeugt wird, anzeigt, dass das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät nicht sendet.
5. Einrichtung nach Anspruch (3) derart, dass der AIS-Sende-Empfänger zu beliebigen Zeitpunkten T_X im Intervall I nicht sendet, wenn die oben beschriebene Vorrichtung, die eine Information über die Existenz eines Sendesignals, das durch das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät erzeugt wird, anzeigt, dass das DSC-/UKW-Sprechfunkgerät sendet.
6. Einrichtung nach Anspruch (3) derart, dass die Zeitpunkte T_X alle aus [T₁, ..., T_(N-1)] sind und T_Y gleich T_N ist.
7. Einrichtung nach Anspruch (6) derart, dass wenn zu einem Zeitpunkt T_X eine Sendung durch den AIS-Sende-Empfänger stattgefunden hat, alle nachfolgenden Zeitpunkte aus [T₁, ..., T_N] nicht zu einer Sendung durch den AIS-Sende-Empfänger benutzt werden.
8. Einrichtung nach Anspruch (1) derart, das anstelle der Vorrichtung, die eine Information über die Existenz eines Sendesignals, das durch das DSC-/UKW-Sprechfunkgeräts erzeugt wird, liefert, jetzt eine Signalleitung vom DSC-/UKW-Sprechfunkgerät zum AIS-Sende-Empfänger diese Information liefert.