DE102014112382B4 - Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen, Einrichtung und Computerprogramm dafür - Google Patents

Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen, Einrichtung und Computerprogramm dafür Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), wobei mittels wenigstens einer AIS-Empfangseinrichtung (80, 81) AIS-Datenpakete empfangen und die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete automatisch ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass AIS-Datenpakete (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) desselben Zeitschlitzes des AIS-Protokolls mittels wenigstens zweier räumlich voneinander entfernter AIS-Empfangseinrichtungen (80, 81) mit überlappendem Empfangsbereich empfangen werden, die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete der wenigstens zwei räumlich voneinander entfernten AIS-Empfangseinrichtungen einer gemeinsamen Auswertestelle zugänglich gemacht und dort automatisch ausgewertet werden und solche Daten, die durch die überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in demselben Zeitschlitz verfälscht und damit fehlerhaft sind, wenigstens zum Teil durch wenigstens ein auf die von den wenigstens zwei räumlich voneinander entfernten AIS-Empfangseinrichtungen (80,81) empfangenen AIS-Datenpakete (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) desselben Zeitschlitzes angewandtes Successive Interference Cancellation-Verfahren in der gemeinsamen Auswertestelle automatisch rekonstruiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung mit einer AIS-Empfangseinrichtung und einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtung empfangenen AIS-Datenpaketen gemäß Anspruch 6 sowie ein Computerprogramm gemäß Anspruch 8.
  • Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der AIS-Kommunikation im Bereich des Schiffsverkehrs. Die Überwachung des weltweit zunehmenden Schiffsverkehrs basiert heute überwiegend auf Radarüberwachung, Sprechfunk sowie die Nutzung von AIS (Automatic Identification System). Seit dem Jahr 2000 ist das AIS von der internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) als verbindlicher Standard festgelegt worden, um die Sicherheit des internationalen Schiffsverkehrs zu erhöhen. Dieses lokal begrenzte Funksystem dient dabei zum Austausch von Navigations- und anderen Schiffsdaten, die es den Schiffen ermöglichen sollen, einen umfassenden Überblick über den benachbarten Schiffsverkehr zu erhalten. Primäres Ziel ist es dabei, Kollisionen zwischen Schiffen zu vermeiden.
  • Das AIS sendet abwechselnd auf zwei Kanälen im UKW-Seefunkbereich, nämlich zum einen auf 168,975 MHz und zum anderen auf 162,025 MHz. Die Aussendung der einzelnen AIS-Schiffsdaten erfolgt dabei in festen Zeitrahmen, deren Belegung selbstständig durch die betreffenden Teilnehmer abgestimmt wird (sogenannte SOTDMA: self-organizing time-division multiple access). Somit stehen pro Minute lediglich 2250 Zeitschlitze zur Übertragung von Daten den einzelnen Teilnehmern zur Verfügung.
  • Auf Grund des verwendeten UKW-Frequenzbandes entspricht die Funkreichweite von AIS von Schiff zu Schiff ca. 40 bis 60 km, was ein wenig mehr als die normale Sichtweite auf hoher See ist. Küstenstationen können durch ihre höhere Position einen Umkreis von bis zu 100 km abdecken. Auf Grund der beschränkten Reichweite sowie des verwendeten Übertragungsprotokolls bilden Schiffe, die sich gegenseitig sehen und empfangen können, eine AIS-Funkzelle, innerhalb derer die Teilnehmer ihre Daten kollisionsfrei senden und empfangen können.
  • Insoweit stellt das AIS lediglich ein lokales Funksystem dar, das zwar für ein auf hoher See befindliches Schiff ausreichend Daten zur Verfügung stellt, jedoch ohne zusätzliche Maßnahmen für die weltweite Erhebung des zunehmenden Schiffsverkehrs nicht geeignet ist. Für Reedereien, Schifffahrtsorganisationen oder Umweltministerien ist jedoch eine zeitnahe Erhebung der weltweit anfallenden AIS-Schiffsverkehrsdaten von großem Interesse, um insbesondere auch illegalen Machenschaften auf hoher See entgegenzuwirken.
  • Daher wurden bereits AIS-Empfangsantennen auf Satelliten angeordnet, um so die weltweit ausgesendeten AIS-Funksignale, die von den Schiffen regelmäßig ausgesendet werden, global empfangen zu können. Dies ermöglicht zwar eine weltweite Erhebung der mit Hilfe von AIS ausgesendeten Schiffsverkehrsdaten, hat jedoch in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten und Nachteile, da das AIS ursprünglich nicht für einen Satellitenempfang entwickelt worden ist.
  • Denn auf Grund der extrem hohen Flughöhe eines Satelliten wird ein Empfangsbereich, der auch als Ausleuchtungszone oder Footprint bezeichnet wird, mit einem Durchmesser von etwa 5000 km erzeugt. Da sich das AIS als lokales Funksystem selbstständig in einzelne Funkzellen organisiert, die alle auf den gleichen Frequenzbändern senden, kommt es bei einem derart großen Empfangsdurchmesser am Satelliten zum Empfang einer Vielzahl von Funkzellen mit identischen Sendefrequenzen, so dass sich die AIS-Funksignale der verschiedenen AIS-Funkzellen im Empfangsbereich des Satelliten überlagern können.
  • Zusammenfassung der verwendeten Abkürzungen:
  • AIS
    Automatic Identification System
    SIC
    Successive Interference Cancellation
    SOTDMA
    Self-Organizing Time Division Multiple Excess
    CSTDMA
    Carrier Sense Time Division Multiple Excess
    LEO
    Low Earth Orbit
  • Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen sind z.B. aus der DE 10 2012 110 384 A1 oder der WO 2008/148 188 A1 bekannt. Aus der US 2011/0075602 A1 sind Systeme und Verfahren zum Dekodieren von AIS-Signalen bekannt.
  • Aus verschiedenen Gründen kann es wegen der begrenzten Funkreichweite der Schiffe und relativ großer Abdeckungsgebiete der Satelliten zur Überlagerungen von AIS-Datenpaketen kommen, die dann in Folge der überlappenden Übertragung in demselben Zeitschlitz verfälscht und damit fehlerhaft werden können. Nachfolgend wird der Fall betrachtet, dass von einer AIS-Empfangseinrichtung, z.B. einem Satelliten oder einem Gateway, in demselben Zeitschlitz überlappend AIS-Datenpakete von unterschiedlichen Sendern, die sich nicht hinsichtlich des Sendezeitpunkts abstimmen konnten oder dies zumindest nicht getan haben, empfangen werden. Dies kann beispielsweise dann vorliegen, wenn innerhalb des Footprint eines AIS-Satelliten mehrere Schiffe mit AIS-Funktionalität vorhanden sind, wobei zumindest einige der Schiffe so weit voneinander entfernt sind, dass keine direkte Funkverbindung zwischen ihnen möglich ist. In diesem Fall kommt es durch die überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in demselben Zeitschlitz bei der AIS-Empfangseinrichtung zu Verfälschungen und damit zu Fehlern in der Datenübertragung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Einrichtung und ein Computerprogramm anzugeben, mit dem in Szenarien wie dem zuvor beschriebenen die Zuverlässigkeit der Datenübertragung von AIS-Datenpaketen verbessert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Dies umfasst die Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen, wobei mittels wenigstens einer AIS-Empfangseinrichtung AIS-Datenpakete empfangen und die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete automatisch ausgewertet werden, wobei AIS-Datenpakete desselben Zeitschlitzes des AIS-Protokolls mittels wenigstens zweier räumlich voneinander entfernter AIS-Empfangseinrichtungen empfangen werden, die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete der wenigstens zwei räumlich voneinander entfernten AIS-Empfangseinrichtungen automatisch ausgewertet werden und solche Daten, die durch die überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in demselben Zeitschlitz verfälscht und damit fehlerhaft sind, wenigstens zum Teil durch wenigstens ein Successive Interference Cancellation-Verfahren automatisch rekonstruiert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Gesamtperformance der AIS-Datenübertragung deutlich verbessert werden kann. Die Realisierung dieser Verbesserung kann kostengünstig durch Ergänzung von Betriebssoftware von Komponenten eines AIS-Systems durchgeführt werden, z.B. durch Ergänzung eines Computerprogramms in einem Satelliten oder einem Gateway eines AIS-Systems.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass alle bekannten Successive Interference Cancellation-Verfahren, wie sie z.B. in der Netzwerktechnik eingesetzt werden, auch zur Realisierung der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Dies erlaubt eine große Variabilität bei der Umsetzung der Erfindung.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der AIS-Standard bzw. das AIS-Datenprotokoll nicht angepasst werden muss, weder auf der Senderseite noch auf der Empfangsseite.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zur Rekonstruktion von Daten von einem fehlerhaften AIS-Datenpaket eines bestimmten Zeitschlitzes ein dazu korrespondierendes fehlerfrei empfangenes AIS-Datenpaket desselben Zeitschlitzes abgezogen. Dies hat den Vorteil, dass die Rekonstruktion von Daten mit einfach ausführbaren Rechenoperationen durchgeführt werden kann, so dass auch einfache Rechner zur Realisierung der Erfindung ausreichend sind. Insbesondere kann bei gegebener Hardwareausrüstung die entsprechende Betriebssoftware um ein entsprechendes Computerprogramm oder -modul erweitert werden. Der vorhandene Rechner wird in der Regel noch ausreichende Rechenkapazität für diese Erweiterung aufweisen. Eine Rekonstruktion von Daten mittels eines Rechenschritts der Subtraktion ist möglich, weil die einzelnen Datenbits durch unterschiedliche Frequenzen des AIS-Funksignals übertragen werden. Überlagern sich zwei Datenbits, kommt es zu einer Addition der Frequenzen und somit zu einer bei der Dekodierung der Datenpakete unerwarteten Frequenz. Auf diese Weise kann eine Verfälschung der Daten sowie eine Rekonstruktion durch die sogenannte Subtraktion erfolgen. Nach der Subtraktion verbleibt als Ergebnis die korrekte Frequenz, so dass das entsprechende Datenbit dann korrekt dekodiert werden kann. Das zum fehlerhaften AIS-Datenpaket eines bestimmten Zeitschlitzes korrespondierende fehlerfrei empfangene AIS-Datenpaket desselben Zeitschlitzes kann z.B. von einer anderen AIS-Empfangseinrichtung empfangen werden als das fehlerhafte AIS-Datenpaket, insbesondere von einer in räumlichem Abstand dazu angeordneten AIS-Empfangseinrichtung. Die AIS-Empfangseinrichtungen können z.B. AIS-Satelliten mit überlappendem Footprint sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Schritt der Subtraktion mit einem weiteren korrespondierenden fehlerfrei empfangenen AIS-Datenpaket desselben Zeitschlitzes wiederholt, wenn das ermittelte Ergebnis der Subtraktion noch nicht fehlerfrei war. Auf diese Weise können iterativ weitere Daten herangezogen werden und eine Rekonstruktion der Dateneinheit mit noch größerer Wahrscheinlichkeit durchgeführt werden, als wenn nur die Daten eines früheren oder späteren Zeitschlitzes herangezogen werden.
  • Die Speicherung von AIS-Daten kann in dekodierter oder undekodierter Form erfolgen, d.h. direkt in Form des empfangenen AIS-Datenpakets.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Subtrahend bestimmt durch AIS-Kodierung eines bereits dekodierten, in demselben Zeitschlitz fehlerfrei empfangenen AIS-Datenpakets. Dies hat den Vorteil, dass nicht die undekodierten Daten gespeichert werden müssen, sondern die Daten wie im normalen Ablauf vorgesehen dekodiert werden können und dann gespeichert werden. Kommt es zur Notwendigkeit einer Rekonstruktion von Daten, erfolgt die Rekonstruktion auf Ebene der kodierten Daten, d.h. bei einem AIS-System durch Kodierung mit einer der AIS-Frequenzen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Rekonstruktion von Daten paketweise. Dies erlaubt eine präzise Zuordnung zwischen zu rekonstruierenden Daten und korrespondierenden Daten aus früheren Zeitschlitzen.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 6 gelöst durch eine Einrichtung mit wenigstens zwei AIS-Empfangseinrichtungen und mit einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtungen empfangenen AIS-Datenpaketen, wobei die Bereitstellungseinrichtung eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art. Auch hierdurch können die zuvor genannten Vorteile erzielt werden. Die Bereitstellungseinrichtung kann insbesondere als Gateway ausgebildet sein oder Teil eines Gateways eines AIS-Systems sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die AIS-Empfangseinrichtung Teil eines AIS-Satelliten, z.B. eines LEO-Satelliten. Der AIS-Satellit kann dazu eingerichtet sein, die empfangenen AIS-Daten mit oder ohne Vorverarbeitung an eine gemeinsame Koordinierungseinheit, z.B. ein Gateway, weiterzuleiten. Dort können ein weiteres Verarbeiten und insbesondere ein Dekodieren der Datenpakete erfolgen.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 8 gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann z.B. auf einem Rechner einer AIS-Empfangseinrichtung, einer Bereitstellungseinrichtung oder einem Gateway ausgeführt werden.
  • Als AIS-Empfangseinrichtung sei in diesem Zusammenhang jede Einrichtung verstanden, die AIS-Datenpakete empfangen kann. Dies können reine AIS-Empfänger sein, aber auch AIS-Transceiver auf Schiffen oder AIS-Kommunikationseinheiten in Satelliten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
  • Figurenliste
    • 1 ein AIS-System und
    • 2 eine Referenz-Topologie für den Empfang von AIS-Datenpaketen in einem Satelliten und
    • 3 eine weitere Referenz-Topologie für den Empfang von AIS-Datenpaketen in zwei Satelliten mit überlappendem Footprint und
    • 4 eine AIS-Datenübertragung mit SOTDMA-Zugriffssteuerung und
    • 5 das Empfangsmuster der Datenpakete im Satelliten bei der Referenz-Topologie der 2 und
    • 6, 7 die Empfangsmuster der Datenpakete in den Satelliten bei der Referenz-Topologie der 3 und
    • 8 ein Flussdiagramm und
    • 9 eine weitere beispielhafte Topologie und
    • 10 der Durchsatz in Paketen pro Zeitschlitz über die Kanalauslastung und
    • 11 die Durchsatzverbesserung, die mittels der Erfindung erreicht werden kann und
    • 12 erreichbare Spitzenwerte der Verbesserung des Durchsatzes.
  • In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
  • Die 1 zeigt die grundsätzliche Struktur eines AIS-Systems unter Beteiligung von AIS-Satelliten. Schiffe 10, 20 kommunizieren mit zwei z.B. im erdnahen Orbit (LEO) befindlichen AIS-Satelliten 81, 82, wie durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Das Schiff 10 kann dabei nur mit dem AIS-Satelliten 82 kommunizieren, das Schiff 20 mit beiden AIS-Satelliten 81, 82. Die AIS-Satelliten 81, 82 kommunizieren mit einer z.B. im Bereich der Erdatmosphäre an Land befindlichen AIS-Station 90, die z.B. als Gateway ausgebildet sein kann. Das Gateway 90 weist als Weiterbildung im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Bereitstellungseinrichtung 91 auf, die eine Datenrekonstruktion mittels wenigstens eines Successive Interference Cancellation-Verfahrens durchführt. Hierzu übertragen die AIS-Satelliten 81, 82 die von den Schiffen 10, 20 empfangenen AIS-Datenpakete und leiten sie weiter zum Gateway 90. Dort können sie von der Bereitstellungseinrichtung 91 ausgewertet werden.
  • Die 2 zeigt eine beispielhafte Anordnung von sechs Schiffen 10, 20, 30, 40, 50, 60 in einem Footprint 100 eines AIS-Satelliten. Die Schiffe 10, 20, 30, 40 bilden eine Gruppe von Schiffen, die aufgrund der ausreichend geringen Distanz eine SOTDMA-Zugriffssteuerung untereinander in dem Teilgebiet 101 durchführen können und somit eine AIS-Funkzelle bilden. In vergleichbarer Weise können die Schiffe 50, 60 in einem Teilgebiet 102 untereinander eine SOTDMA-Zugriffssteuerung durchführen und bilden eine weitere AIS-Funkzelle.
  • Die 3 zeigt eine weitere beispielhafte Anordnung von Schiffen. Dargestellt sind die Footprints 100, 104 zweier AIS-Satelliten. Die Footprints 100, 104 weisen einen Überlappungsbereich 105 auf. In dem Gebiet gemäß 3 befinden sich drei durch SOTDMA jeweils hinsichtlich der Zugriffssteuerung abgestimmte Teilgebiete 101, 102, 103. Im Teilgebiet 101 befinden sich vier Schiffe 10, 20, 30, 40. Im Teilgebiet 102 befinden sich zwei Schiffe 50, 60. Im Teilgebiet 103 befinden sich zwei Schiffe 70, 80. Innerhalb eines Teilgebiets 101, 102, 103 kann jeweils keine Datenkollision auftreten. Zwischen den Teilgebieten 101, 102, 103 gibt es jedoch keine Abstimmung bezüglich der Zugriffe auf den Datenübertragungskanal. Die Schiffe 10, 20, 30 befinden sich im Footprint 104, die Schiffe 60, 70, 80 im Footprint 100. Im Überlappungsbereich 105 der Footprints befinden sich die Schiffe 40, 50, so dass deren AIS-Datenpakete von beiden AIS-Satelliten empfangen werden können.
  • Allgemein sei nachfolgend angenommen, dass das Schiff 10 ein Datenpaket 1 sendet, das Schiff 20 ein Datenpaket 2, das Schiff 30 ein Datenpaket 3, das Schiff 40 ein Datenpaket 4, das Schiff 50 ein Datenpaket 5, das Schiff 60 ein Datenpaket 6, das Schiff 70 ein Datenpaket 7 und das Schiff 80 ein Datenpaket 8.
  • Die 4 zeigt auf einem Zeitstrahl drei Rahmen (frames) f1, f2, f3 einer AIS-Datenübertragung unter Verwendung von SOTDMA zur Zugriffssteuerung. Der dritte Rahmen f3 ist nur teilweise dargestellt. Erkennbar ist, dass jeder Rahmen f1, f2, f3 im hier dargestellten, vereinfachten Beispiel zehn Zeitschlitze (slots) s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8, s9, s10 hat, in dem jeweils eines der Schiffe ein Datenpaket übertragen kann. Es sei angenommen, dass ein erstes Schiff ein Datenpaket 1, ein zweites Schiff ein Datenpaket 2 ein drittes Schiff ein Datenpaket 3 sendet. Ferner wird angenommen, dass zum Zeitpunkt to das dritte Schiff in die Datenübertragung eintritt, d.h. sich über SOTDMA bezüglich des Zugriffs auf den Übertragungskanal mit den anderen Schiffen abstimmt. Das dritte Schiff beginnt mit dem Übertragen dreier Datenpakete pro Rahmen nach einer Initialisierungsphase und verwendet dabei Zeitschlitze, die nicht von anderen Schiffen belegt sind. In diesem Fall sorgt die Zugriffssteuerung dafür, dass es nicht zu Überlagerungen von Datenpaketen in demselben Zeitschlitz kommt.
  • Nun sei von der in 5 dargestellten Situation ausgegangen, die bei der Topologie der 2 auftreten kann. Die 2 zeigt vier Rahmen f1, f2, f3, f4, wieder mit jeweils zehn Zeitschlitzen s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8, s9, s10. Wie schon erwähnt, befinden sich sechs Schiffe 10, 20, 30, 40, 50, 60 im Footprint 100 eines AIS-Satelliten, die den AIS-Übertragungskanal nutzen. Es sei ferner davon ausgegangen, dass jedes Schiff in einem Rahmen ein Datenpaket überträgt. Während innerhalb eines Teilgebiets 101, 102 jeweils die Zugriffssteuerung mittels SOTDMA erfolgt, findet keine Zugriffssteuerung zwischen Schiffen verschiedener Teilgebiete 101, 102 statt. Dementsprechend kann es vorkommen, dass Schiffe in demselben Zeitschlitz ihre Datenpakete übertragen, so dass bei dem AIS-Satelliten, der ein größeres Gebiet erfasst, überlappende Datenpakete und damit verfälschte und fehlerhafte Datenpakete ankommen.
  • Betrachtet man den Rahmen f1, erkennt man, dass die Datenpakete 1, 4, 5, 6 erfolgreich dekodiert werden können. Bei den Datenpaketen 2, 3 im Zeitschlitz s5 tritt eine Verfälschung auf. Im Rahmen f2 tritt in den Zeitschlitzen s3 und s7 eine Verfälschung, im Rahmen f3 in den Zeitschlitzen s3 und s5 und im Rahmen f4 im Zeitschlitz s3. Diese kann unter Nutzung der von verschiedenen Satelliten empfangenen Daten mittels Successive Interference Cancellation korrigiert werden.
  • Die 6 zeigt einen Rahmen eines AIS-Protokolls mit zehn Zeitschlitzen. Fünf Schiffe greifen auf den Übertragungskanal innerhalb dieses Zeitintervalls zu, wobei jedes Schiff ein AIS-Datenpaket überträgt. Die übertragenen AIS-Datenpakete werden von zwei separaten, räumlich voneinander getrennten AIS-Empfangseinrichtungen empfangen, sofern die jeweiligen Sender, d.h. die Schiffe, innerhalb des Reichweitengebiets der jeweiligen AIS-Empfangseinrichtung liegen. Die AIS-Empfangseinrichtungen können z.B. an zwei AIS-Satelliten angeordnet sein, die unterschiedliche Abdeckungsgebiete haben, wobei die Abdeckungsgebiete zumindest einen überschneidenden Bereich aufweisen. Die zwei separaten, räumlich voneinander getrennten AIS-Empfangseinrichtungen sind in den 6 und 7 mit den Bezeichnungen Sat1 und Sat2 gekennzeichnet.
  • Auf diese Weise gelangen zu den beiden separaten AIS-Empfangseinrichtungen Sat1 und Sat2 jeweils unterschiedliche Empfangsmuster, wie in 6 dargestellt. Die AIS-Empfangseinrichtung Sat1 (oben) empfängt AIS-Datenpakete 10, 40 fehlerfrei in den Zeitschlitzen 4 und 7, während im Zeitschlitz 2 eine Kollision der Datenpakete 1 und 2 auftritt, sodass hier eine Verfälschung von Daten auftritt. Bei der AIS-Empfangseinrichtung Sat2 (unten) kommen die AIS-Datenpakete 1, 3 in den Zeitschlitzen 2 und 4 fehlerfrei an, während im Zeitschlitz 7 eine Kollision der AIS-Datenpakete 4, 5 auftritt. Werden nun diese unterschiedlichen Empfangsergebnisse der beiden AIS-Empfangseinrichtungen einer gemeinsamen Auswertestelle, z.B. einer Bereitstellungseinrichtung in einem Gateway, zugänglich gemacht, können diese Unterschiede genutzt werden, um verfälschte Daten zu rekonstruieren. Im dargestellten Beispiel kann durch die Bereitstellungseinrichtung z.B. das verfälschte AIS-Datenpaket 2 durch Subtraktion des korrekt empfangenen AIS-Datenpakets 1 vom verfälschten AIS-Datenpaket rekonstruiert werden. In gleicher Weise kann die Verfälschung im Zeitschlitz 7 behoben werden, sodass das AIS-Datenpaket 5 erfolgreich decodiert werden kann. Hierdurch kann die Erfolgsrate der AIS-Datenübertragung mit einfachen Mitteln deutlich gesteigert werden.
  • Ein beispielhaftes Referenzszenario für die vorliegende Erfindung weist eine Menge n an AIS-Satelliten mit wenigstens zum Teil überlappenden Footprints sowie eine Menge von Schiffen auf, die Daten gemäß dem AIS-Standard übertragen. Die Satelliten können z.B. LEO-Satelliten sein, d.h. Satelliten im erdnahen Orbit. Ferner ist eine Bereitstellungseinrichtung, z.B. in einem Gateway, vorgesehen, der die von den beteiligten AIS-Satelliten aufgenommenen AIS-Datenpakete zur zentralen Auswertung zugeführt werden. Der Bereitstellungseinrichtung stehen somit n unabhängige Empfangsinformationen für jeden Zeitschlitz des AIS-Datenprotokolls zur Verfügung. In einem solchen Szenario kann erfolgreich ein Successive Interference Cancellation-Verfahren zur Rekonstruktion verfälschter Daten eingesetzt werden. Wenn die Bereitstellungseinrichtung ein AIS-Datenpaket über den AIS-Satelliten i von einem Schiff j erhält, ist die Bereitstellungseinrichtung dazu in der Lage den Verfälschungsanteil, den die Übertragung des AIS-Datenpakets des Schiffs j bezüglich der empfangenen Signale der anderen AIS-Satelliten erzeugt hat, die jeweils das Schiff j in ihrem Footprint aufweisen, zu bestimmen und zu eliminieren. Hierzu führt die Bereitstellungseinrichtung periodisch gemeinsame Verarbeitungs- und Decodierungsvorgänge bezüglich der empfangenen Signale über eine Zeitperiode durch, die nachfolgend als Decodierfenster bezeichnet wird. Soweit nachfolgend das Decodierfenster einem AIS-Rahmen entspricht, ist dies nicht als Einschränkung anzusehen, sondern lediglich beispielhaft so gewählt. Die tatsächliche Dauer des Decodierfensters kann an den jeweiligen Bedarf, die Verarbeitungskomplexität und die Decodierverzögerung angepasst werden.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform werden die folgenden Schritte in der Bereitstellungseinrichtung für jeden der Zeitschlitze durchgeführt, die zusammen ein Decodierfenster bilden:
    • Schritt 1: Für den derzeitigen Zeitschlitz s Durchführen des Decodierens der von den verschiedenen AIS-Empfangseinrichtungen aufgenommenen und weitergeleiteten AIS-Datenpakete für alle n Satelliten. Für jeden Satellit kann das Ergebnis entweder Erfolg, Kollision oder Leer sein. Im Falle des Ergebnisses Erfolg ist eine erfolgreiche Decodierung des AIS-Datenpakets möglich, d.h. es liegt keine Kollision und dementsprechend auch keine Verfälschung der Daten vor. Beim Ergebnis Kollision ist die Decodierung nicht erfolgreich bzw. sie zeigt, dass eine Verfälschung der Daten vorliegt. Beim Ergebnis Leer wurde im jeweiligen Zeitschlitz s von dem jeweiligen Satelliten nichts empfangen.
    • Schritt 2: Wenn für alle Satelliten das Ergebnis Leer ist, Fortsetzen des Verfahrens im Schritt 1 mit dem nächsten Zeitschlitz. Andernfalls sei C die Menge an Satelliten, bei denen das Ergebnis Kollision im Schritt 1 vorliegt. S sei die Menge an Satelliten, bei denen das Ergebnis Erfolg im Schritt 1 vorliegt. Wenn die Menge C leer ist, Fortsetzen des Verfahrens im Schritt 1 mit dem nächsten Zeitschlitz. Andernfalls werden für jeden Satelliten c der Menge C die folgenden Schritte a), b) durchgeführt:
      1. a) Es sei i ein Satellit der Menge S, der im Schritt 2 des Verfahrens noch nicht für eine Datenrekonstruktion bezüglich der vom Satelliten c empfangenen AIS-Datenpakete berücksichtigt worden ist. Sodann wird ein AIS-Datenpaket k durch AIS-Codierung eines bereits decodierten AIS-Datenpakets des Satelliten i für den aktuellen Zeitschlitz durchgeführt, um das Empfangsmuster zu erzeugen, das der Satellit c empfangen hätte. Sodann wird das AIS-Datenpaket k von dem aktuellen vom Satelliten c im Zeitschlitz s empfangenen AIS-Datenpaket abgezogen.
      2. b) Decodieren des auf diese Weise erhaltenen Signals. Wenn die Decodierung erfolgreich ist und somit ein AIS-Datenpaket unverfälscht vorliegt, wird der Satellit c der Menge S der Satelliten hinzugefügt, die einen Erfolg innerhalb des Zeitschlitzes s gemeldet haben. Der Satellit c wird von der Menge C entfernt. Falls keine korrekte Decodierung möglich ist, Fortsetzen des Verfahrens im Schritt 2 a).
    • Schritt 3: Wenn die Menge C noch nicht leer ist, aber einige AIS-Datenpakete innerhalb des Schritts 2 rekonstruiert werden konnten, und wenn außerdem eine maximale Anzahl von Iterationen im Schritt 2 noch nicht erreicht ist, Fortsetzen des Verfahrens im Schritt 2. Andernfalls wird das Verfahren im Schritt 1 mit dem nächsten Zeitschlitz fortgesetzt.
  • Auf diese Weise kann mittels eines Successive Interference Cancellation-Verfahrens unter Nutzung der durch wenigstens zum Teil überlappende Footprints von AIS-Satelliten erzielbaren Effekte die AIS-Datenübertragung verbessert werden.
  • Die 7 zeigt für die Topologie der 3 die Empfangssignale der beiden AIS-Satelliten Sat1 und Sat2. Oben ist das Empfangssignal des ersten Satelliten Sat1 (entsprechend Footprint 104) dargestellt, um das Empfangssignal des zweiten Satelliten Sat2 (entsprechend Footprint 100). Wie erkennbar ist, treten aus Sicht des Satelliten Sat1 keine Datenkollisionen auf. Aus Sicht des Satelliten Sat2 treten Datenkollisionen in den Zeitschlitzen 6 und 8 auf. Unter Anwendung des zuvor beschriebenen Algorithmus können die in einer Bereitstellungseinrichtung verfügbaren Signale der beiden Satelliten wie folgt ausgewertet werden. Zunächst wird der Zeitschlitz s1 ausgewertet. In Zeitschlitz s1 kann das AIS-Datenpaket 1 des Schiffs 10 fehlerfrei ausgewertet werden. Danach wird der Zeitschlitz s2 betrachtet. Dieser ist leer, sodass keine weiteren Aktivitäten erforderlich sind. Sodann wird der Zeitschlitz s3 betrachtet. In diesem kann erfolgreich das AIS-Datenpaket 2 des Schiffs 20 decodiert werden. Auf gleiche Weise kann im Zeitschlitz s4 eine erfolgreiche Decodierung der über unterschiedliche Satelliten empfangenen AIS-Datenpakete 3 und 8 (von den Schiffen 30, 80) erfolgen. In Zeitschlitz s5 ist nichts zu tun, da dieser leer ist. Sodann wird der Zeitschlitz s6 betrachtet. In diesem Zeitschlitz kann über den Satelliten Sat1 das AIS-Datenpaket 4 vom Schiff 40 erfolgreich decodiert werden. Aus Sicht des Satelliten Sat2 tritt eine Datenkollision zwischen den AIS-Datenpaketen 4 und 6 auf. Im Sinne des zuvor beschriebenen Algorithmus wird der bereits erfolgreich decodierte Dateninhalt des AIS-Datenpakets 4 des Satelliten Sat1 ausgewählt, hieraus durch AIS-Codierung wieder das ursprüngliche AIS-Datenpaket 4 erzeugt und von dem verfälschten Signal, das der Satellit Sat2 im Zeitschlitz s6 empfangen hat, subtrahiert. Im Ergebnis verbleibt aus Sicht des Satelliten Sat2 ein danach fehlerfreies (nicht kollidiertes oder verfälschtes) AIS-Datenpaket 6 des Schiffs 60. Dieses kann dann decodiert werden und ansonsten weiter bearbeitet oder bereitgestellt für weitere Anwendungen werden.
  • In vergleichbarer Weise wird im Zeitschlitz s8 das aus Sicht des Satelliten Sat2 eigentlich verfälschte AIS-Datenpaket 7 rekonstruiert, indem vom empfangenen verfälschten Signal das durch AIS-Codierung wieder erzeugte AIS-Datenpaket 5 subtrahiert wird.
  • Wie erkennbar ist, kann die Erfindung auch mit mehr als den beschriebenen zwei Satelliten realisiert werden, oder sie kann kombiniert werden mit anderen erdgebundenen oder fliegenden AIS-Empfangseinrichtungen, z.B. in einem Flugzeug.
  • Das Flussdiagramm gemäß 8 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit für die Erfindung. Hierbei wird von der Fall angenommen, dass Datenkollisionen nur zwischen zwei AIS-Datenpaketen auftreten. Die Erfindung kann vorteilhaft selbstverständlich auch bei Mehrfachkollisionen eingesetzt werden. In diesem Fall erfolgt eine schrittweise iterative Auflösung der Datenkollisionen.
  • Das Verfahren gemäß 8 beginnt in einem Block 200 mit einer Überprüfung der von den beteiligten AIS-Empfangseinrichtungen empfangenen Signale. Wenn in einem darauf folgenden Block 201 festgestellt wird, dass keine der AIS-Empfangseinrichtungen Signale in dem aktuellen Zeitschlitz empfangen hat, wird direkt zu einem Block 216 verzweigt. Dort wird auf den nächsten Zeitschlitz übergegangen. Das Verfahren wird dann wieder mit dem Block 200 fortgesetzt.
  • Andernfalls wird vom Block 201 zu einem Block 202 verzweigt, in dem die empfangenen Signale aller AIS-Empfangseinrichtungen decodiert werden. In einem darauf folgenden Block 203 wird wie zuvor beschrieben die Menge S und die Menge C bestimmt. Die Menge S ist die Menge der AIS-Empfangseinrichtungen, die eine erfolgreiche Decodierung durchführen konnten. In der Menge C sind die AIS-Empfangseinrichtungen enthalten, die aufgrund einer Datenkollision keine erfolgreiche Decodierung durchführen konnten. Daraufhin wird in einem Block 204 eine Variable Num_iterations auf den Wert 0 gesetzt. In einem darauf folgenden Verzweigungsblock 205 wird geprüft, ob die Menge C leer ist oder ob die Variable Num_iterations schon den Wert Max_iterations erreicht hat. Wenn wenigstens eine dieser beiden Bedingungen erfüllt ist, wird wiederum zum Block 216 verzweigt.
  • Andernfalls wird mit einem Block 206 fortgefahren. Dort wird geprüft, ob die Menge S leer ist. Falls dies so ist, wird zum Block 216 verzweigt. Andernfalls wird mit einem Block 207 fortgefahren. Dort wird geprüft, ob eine AIS-Empfangseinrichtung c in der Menge C vorhanden ist, die noch nicht mit den nachfolgenden Schritten bearbeitet wurde. Sofern keine AIS-Empfangseinrichtung gefunden wird, wird wiederum zum Block 216 verzweigt.
  • Andernfalls wird mit einem Block 208 fortgefahren. Dort wird eine AIS-Empfangseinrichtung i in der Menge S gesucht, die bisher nicht für eine Bearbeitung der Signale der AIS-Empfangseinrichtung c berücksichtigt wurde. Sofern eine solche AIS-Empfangseinrichtung nicht aufgefunden werden kann, wird zurück zum Schritt 207 verzweigt. Andernfalls wird mit einem Schritt 209 fortgefahren. Dort erfolgt eine erneute AIS-Codierung des bereits korrekt decodierten AIS-Datenpakets des aktuellen Zeitschlitzes der AIS-Empfangseinrichtung i. Diese wird von den tatsächlich empfangenen Signalen der AIS-Empfangseinrichtung c subtrahiert. Sodann wird in einem Block 210 eine Decodierung des Ergebnisses des Blocks 209 durchgeführt. Wird in einem darauf folgenden Block 211 festgestellt, dass keine erfolgreiche Decodierung möglich war, wird mit einem Block 212 fortgefahren, wo die AIS-Empfangseinrichtung i als bereits berücksichtigt für die Bearbeitung des Signals der AIS-Empfangseinrichtung c markiert wird.
  • Andernfalls wird vom Block 211 zu einem Block 213 verzweigt. Dort wird die AIS-Empfangseinrichtung c von der Menge C entfernt und zur Menge S hinzugefügt. In einem darauf folgenden Block 214 werden alle AIS-Empfangseinrichtungen in der Menge C als bisher nicht berücksichtigt markiert. Daraufhin wird in einem Block 215 die Variable Num_iterations um den Wert 1 inkrementiert. Es wird daraufhin wieder mit dem Block 205 fortgefahren.
  • Die 9 zeigt eine für die nachfolgenden weiteren Betrachtungen verwendete beispielhafte Typologie. Die Kreise beschreiben Empfangsgebiete (Footprints) zweier Satelliten, die jeweils den Radius R haben, wobei eine Überlappung der beiden Gebiete durch den Abstand δ ihrer Mittelpunkte definiert ist. Dementsprechend würden bei δ = 0 die beiden Footprints vollständig übereinander liegen, während bei δ > 2R keine Überlappung vorhanden wäre. Im betrachteten Zeitschlitz übertragen dabei nur zwei Schiffe 10, 20 AIS-Datenpakete, die bei einem der Satelliten in Folge einer Kollision zu Datenverfälschungen führen, während der andere Satellit eine fehlerfreie Decodierung durchführen kann. Unter den zuvor erläuterten Annahmen können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens folgende Verbesserungen erzielt werden.
  • Die 10 zeigt die erreichbare Leistung in Form des Durchsatzes pro Zeitschlitz (erfolgreich decodierte AIS-Datenpakete pro Zeitschlitz) als Funktion einer Intensitätsgröße p, die die Intensität der Kanalbelegung des AIS-Systems gemäß einem Poisson-Prozess beschreibt. Je größer der Wert von p ist, desto größer ist die Belegung des Kanals. Hierbei zeigt der Kurvenverlauf 85 den erreichbaren Durchsatz, wenn nur die Signale eines Satelliten ausgewertet werden. Die Kurve 86 zeigt den Durchsatz, wenn die Signale beider Satelliten ausgewertet werden, jedoch ohne Anwendung der vorliegenden Erfindung. Der Kurvenverlauf 87 zeigt die erreichbare Verbesserung, wenn im Sinne der Erfindung durch wenigstens ein Successive Interference Cancellation-Verfahren eine Rekonstruktion von verfälschten Daten durchgeführt wird. Erkennbar ist, dass die Erfindung eine Verbesserung des Datendurchsatzes von bis zu 15% ermöglicht. Auch bei hohen Belastungen des Übertragungskanals, z.B. bei p = 5, kann auch eine Verbesserung von etwa 10% erzielt werden.
  • Die 11 zeigt diese Verbesserung, d.h. das zahlenmäßige Verhältnis zwischen den Kurvenverläufen 87 und 86 gemäß 10, in einer separaten Darstellung.
  • Die 12 zeigt die erreichbare Verbesserung durch die Erfindung, d.h. die Verbesserung im Datendurchsatz, als Funktion des Überlappungsmaßes δ. Man erkennt, dass der Gewinn durch die Erfindung bei etwa 25% liegt, wenn δ nahe 0,5R ist. Die 12 zeigt mit dem Kurvenverlauf 88 die Ergebnisse bei Anwendung der Erfindung und mit dem Kurvenverlauf 89 als Vergleichsmaßstab die Ergebnisse, die sich bei Berücksichtigung nur eines Satelliten ergeben würden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), wobei mittels wenigstens einer AIS-Empfangseinrichtung (80, 81) AIS-Datenpakete empfangen und die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete automatisch ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass AIS-Datenpakete (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) desselben Zeitschlitzes des AIS-Protokolls mittels wenigstens zweier räumlich voneinander entfernter AIS-Empfangseinrichtungen (80, 81) mit überlappendem Empfangsbereich empfangen werden, die Daten der empfangenen AIS-Datenpakete der wenigstens zwei räumlich voneinander entfernten AIS-Empfangseinrichtungen einer gemeinsamen Auswertestelle zugänglich gemacht und dort automatisch ausgewertet werden und solche Daten, die durch die überlappende Übertragung von AIS-Datenpaketen in demselben Zeitschlitz verfälscht und damit fehlerhaft sind, wenigstens zum Teil durch wenigstens ein auf die von den wenigstens zwei räumlich voneinander entfernten AIS-Empfangseinrichtungen (80,81) empfangenen AIS-Datenpakete (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) desselben Zeitschlitzes angewandtes Successive Interference Cancellation-Verfahren in der gemeinsamen Auswertestelle automatisch rekonstruiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion von Daten von einem fehlerhaften AIS-Datenpaket (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) eines bestimmten Zeitschlitzes ein dazu korrespondierendes fehlerfrei empfangenes AIS-Datenpaket desselben Zeitschlitzes abgezogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Subtraktion mit einem weiteren korrespondierenden fehlerfrei empfangenen AIS-Datenpaket (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) desselben Zeitschlitzes wiederholt wird, wenn das ermittelte Ergebnis der Subtraktion noch nicht fehlerfrei war.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Subtrahend bestimmt wird durch AIS-Kodierung eines bereits dekodierten, in demselben Zeitschlitz fehlerfrei empfangenen AIS-Datenpaket (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonstruktion von Daten paketweise erfolgt.
  6. Einrichtung mit wenigstens zwei AIS-Empfangseinrichtungen (80, 81) und mit einer Bereitstellungseinrichtung (91) zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtungen (80, 81) empfangenen AIS-Datenpaketen (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellungseinrichtung (91) eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellungseinrichtung (91) als Gateway (90) ausgebildet ist oder Teil eines Gateways (90) ist.
  8. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
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