-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung mit einer AIS-Empfangseinrichtung und mit einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtung empfangenen AIS-Datenpaketen gemäß Anspruch 9 sowie ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11.
-
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 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.
-
Aus der
US 2011/0075602 A1 sind Systeme und Verfahren zum Dekodieren von AIS-Signalen bekannt. Aus der
US 2011/0096795 A1 ist ein Verfahren zur Konfliktlösung im Time-hopping- oder Frequency-hopping-Verfahren bekannt. Aus der
US 2013/0058271 A1 ist ein Verfahren zum Detektieren von AIS-Botschaften bekannt.
-
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 zur Bereitstellung von Daten von empfangenen AIS-Datenpaketen gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung hat den Vorteil, dass auf einfach zu implementierende und kostengünstige Weise die Zuverlässigkeit des korrekten Dekodierens der AIS-Daten verbessert werden kann. 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 der Erfindung ist, dass der AIS-Standard bzw. das AIS-Datenprotokoll nicht angepasst werden muss, weder auf der Senderseite noch auf der Empfangsseite.
-
Die Erfindung kann ferner vorteilhaft in Kombination mit anderen Verbesserungen an AIS-Empfangseinrichtungen kombiniert werden, wie z.B. mit Verfahren zur Successive Interference Cancellation, Verfahren zur Parallel Interference Cancellation oder mit Mehrfachnutzerdetektoren, die eine oder mehrere Empfangsantennen aufweisen (Multi-user detector – MUD). Dies erlaubt eine große Variabilität bei der Umsetzung der Erfindung.
-
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass solche Daten eines AIS-Datenpakets, die fehlerhaft sind, wenigstens zum Teil durch im Zugriff der AIS-Empfangseinrichtung befindliche Hilfsdaten, die nicht aus AIS-Datenpaketen stammen, rekonstruiert werden.
-
Die hierzu erforderlichen Hilfsdaten können unterschiedlicher Natur sein. Ihnen gemeinsam ist, dass sie nicht aus dem gerade dekodierten AIS-Datenpaket bzw. überhaupt nicht aus AIS-Datenpaketen stammen, so dass sie auch dann sozusagen als a priori-Information verfügbar sind, wenn die AIS-Empfangseinrichtung noch keine Daten von anderen AIS-Teilnehmern empfangen konnte. Auf diese Weise wird ein Informationsquellenmodell zur Verbesserung des Empfangs von AIS-Datenpaketen implementiert.
-
Ist die AIS-Empfangseinrichtung z.B. Teil eines Satelliten, z.B. eines LEO-Satelliten, dann können z.B. dessen Positionskoordinaten als Hilfsdaten oder zur Bildung von Hilfsdaten herangezogen werden. Die Hilfsdaten können statische Daten sein, die fest gespeichert sind und sich nicht ändern. Die Hilfsdaten können auch ganz oder teilweise veränderbare Parameter sein, die z.B. in bestimmten Intervallen, die regelmäßig oder unregelmäßig sein können, aktualisiert werden.
-
Soweit durch die Hilfsdaten oder andere, später noch genannte Daten wie die Vorkenntnisse eine wenigstens teilweise Rekonstruktion von Daten durchgeführt wird, erfolgt dies derart, dass zumindest die Werte einiger Datenbits eines empfangenen AIS-Datenpakets anhand der Hilfsdaten oder der Vorkenntnisdaten bestimmt oder zumindest mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit abgeschätzt werden.
-
Gemäß der Erfindung weist die AIS-Empfangseinrichtung wenigstens zwei Betriebszustände auf, in denen sie alternativ betrieben wird, wobei die Betriebszustände wenigstens aufweisen:
- a) einen Allgemeinkenntniszustand, in dem eine Auswertung der empfangenen AIS-Datenpakete ohne Berücksichtigung gespeicherter Daten früher empfangener AIS-Datenpakete erfolgt, und
- b) einen Vorkenntniszustand, in dem eine Auswertung der empfangenen AIS-Datenpakete unter Berücksichtigung von als Vorkenntnisse gespeicherten Daten früher empfangener AIS-Datenpakete erfolgt, um fehlerhafte Daten empfangener AIS-Datenpakete anhand solcher Vorkenntnisse wenigstens zum Teil zu rekonstruieren.
-
Dies hat den Vorteil, dass unter Nutzung der früher empfangenen AIS-Datenpakete eine noch weiter verbesserte Empfangssicherheit beim Empfang von AIS-Datenpaketen realisiert werden kann. Vorteilhaft können im Allgemeinkenntniszustand die Hilfsdaten zur Rekonstruktion von Daten eines AIS-Datenpakets, die fehlerhaft sind, genutzt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die AIS-Empfangseinrichtung automatisch vom Vorkenntniszustand in den Allgemeinkenntniszustand umgeschaltet, wenn für eine vorbestimmte Mindestzeit keine fehlerfreien oder fehlerfrei rekonstruierbaren AIS-Datenpakete empfangen werden. Auf diese Weise wird automatisch auf einen veralteten Datenbestand der als Vorkenntnisse gespeicherten Daten reagiert, so dass nicht aufgrund veralteter Vorkenntnisse wiederum die Wahrscheinlichkeit einer korrekten Rekonstruktion von Daten verringert wird. Die vorbestimmte Mindestzeit kann eine feste Zeit oder eine nach unterschiedlichen Kriterien variabel festgelegte Zeit sein. So kann die Mindestzeit z.B. schiffsdatenabhängig, d.h. abhängig von den Inhalten von AIS-Datenpaketen, festgelegt werden. Die Mindestzeit kann auch nach einer vorbestimmten Anzahl von AIS-Datenpaketen, die in diesem Zeitraum erwartet werden, festgelegt werden, oder von einer bestimmten Anzahl empfangener fehlerhafter AIS-Datenpakete.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die AIS-Empfangseinrichtung immer oder zumindest zeitweise nur im Allgemeinkenntniszustand betrieben. So kann die AIS-Empfangseinrichtung z.B. durch einen einstellbaren Parameter auf einen Dauerbetrieb im Allgemeinkenntniszustand gestellt werden. Dies kann z.B. erwünscht sein, wenn keine Verfolgung von Schiffen, die AIS-Datenpakete aussenden, erfolgen soll.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird anhand der Hilfsdaten wenigstens einer der folgenden AIS-Übertragungsparameter bestimmt oder zumindest abgeschätzt: Frequenz, Zeitsynchronisation, Rahmensynchronisation, Kanalabschätzung. Auf diese Weise kann durch das Informationsquellenmodell nicht nur eine Verbesserung der Detektionssicherheit der einzelnen Daten realisiert werden, sondern zusätzlich auch ein Verbesserung der übrigen Empfangseigenschaften. So können z.B. anhand des Informationsquellenmodells, anhand dessen bestimmte Datenbits eines AIS-Datenpakets als bekannt vorauszusetzen sind, diese bekannten Bits als Pilotsignale für Synchronisationszwecke beim Empfang von AIS-Botschaften genutzt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zumindest fehlerfrei empfangene AIS-Datenpakete für eine Verbindung in späteren Zeitschlitzen des AIS-Protokolls gespeichert, insbesondere senderspezifisch gespeichert. 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 erfolgt die Rekonstruktion von Daten paketweise. Dies erlaubt eine präzise Zuordnung zwischen zu rekonstruierenden Daten und korrespondierenden Daten aus früheren Zeitschlitzen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die AIS-Empfangseinrichtung senderspezifisch in einem Allgemeinkenntniszustand oder einem Vorkenntniszustand betrieben. Auf diese Weise kann die AIS-Empfangseinrichtung nicht nur pauschal für alle Sender, d.h. alle AIS-tauglichen Schiffe, in einem globalen Allgemeinkenntniszustand oder Vorkenntniszustand betrieben werden. Vielmehr kann für jeden Sender, d.h. jedes Schiff, ein senderspezifischer Allgemeinkenntniszustand und Vorkenntniszustand implementiert werden. Hierdurch sind weitere Verbesserungen des Empfangs der AIS-Datenpakete, insbesondere wenn diese fehlerhaft sind, möglich.
-
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 10 gelöst durch eine Einrichtung mit einer AIS-Empfangseinrichtung und mit einer Bereitstellungseinrichtung zur Bereitstellung von Daten von über die AIS-Empfangseinrichtung 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 12 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.
-
Es zeigen
-
1 ein AIS-System und
-
2 eine Referenz-Topologie für den Empfang von AIS-Datenpaketen in einem Satelliten und
-
3 das Empfangsmuster der Datenpakete im Satelliten bei der Referenz-Topologie der 2 und
-
4 ein AIS-Informationsquellenmodell basierend auf einer Markov-Kette und
-
5 eine AIS-Empfangseinrichtung in Blockdiagrammdarstellung in einer ersten Ausführungsform und
-
6 eine AIS-Empfangseinrichtung in Blockdiagrammdarstellung einer zweiten Ausführungsform.
-
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
-
Die 1 zeigt die grundsätzliche Struktur eines AIS-Systems unter Beteiligung wenigstens eines AIS-Satelliten. Schiffe 10, 20 kommunizieren miteinander oder mit sog. „Base Stations“. Ein z.B. im erdnahen Orbit (LEO) befindlicher AIS-Satellit 80 hört die AIS-Datenkommunikation mit, wie durch die gestrichelten Pfeile dargestellt ist. Der AIS-Satellit 80 kommuniziert 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 der Hilfsdaten durchführt. Hierzu überträgt der AIS-Satellit 80 die von den Schiffen 10, 20 empfangenen AIS-Datenpakete und leitet 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. Innerhalb eines Teilgebiets 101, 102 kann jeweils keine Datenkollision auftreten. Zwischen den Teilgebieten 101, 102 gibt es jedoch keine Abstimmung bezüglich der Zugriffe auf den Datenübertragungskanal.
-
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 und das Schiff 60 ein Datenpaket 6.
-
Nun sei von der in 3 dargestellten Situation ausgegangen, die bei der Topologie der 2 auftreten kann. Die 3 zeigt auf einem Zeitstrahl vier Rahmen (frames) f1, f2, f3, f4 einer AIS-Datenübertragung unter Verwendung von SOTDMA zur Zugriffssteuerung. Erkennbar ist, dass jeder Rahmen f1, f2, f3, f4 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. 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, 2, 4, 6 erfolgreich dekodiert werden können. Bei den Datenpaketen 5, 3 tritt eine Verfälschung auf. In diesem Fall geht das Schiff 30 davon aus, einen Zeitschlitztimeout für das Senden von Datenpaketen von vier zu haben, was bedeutet, dass für die folgenden vier Rahmen der ausgewählte Sendezeitschlitz beibehalten wird. Gemäß der Erfindung kann das Verfahren zur Bereitstellung von Daten beginnen, anhand der Hilfsdaten die Position des Schiffs 50 zu schätzen und Bewegungsparameter für die folgenden Rahmen zu schätzen, ferner kann das Verfahren die hierzu korrespondierenden Datenpakete eliminieren. Nach erfolgreichem Eliminieren der Datenpakete des Schiffs 50 wird erkennbar, dass die Datenpakete des Schiffs 30 korrekt dekodiert werden können, weil die Datenkollision aufgelöst werden kann. Im Ergebnis können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Datenpakete aller Schiffe erfolgreich dekodiert werden.
-
Wie bereits erwähnt, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Informationsquellenmodell zur Verbesserung des Empfangs von AIS-Datenpaketen implementiert. Hierzu können zunächst die Hilfsdaten herangezogen werden, die allgemein bekannte Daten sind und nicht von AIS-Datenpaketen abhängen. Zusätzlich können die Informationen in empfangenen AIS-Datenpaketen als weitere Informationsquelle genutzt werden. Zum Beispiel enthalten AIS-Botschaften Positionsangaben, die eine Information über die geografische Position (Breiten- und Längengrad) eines Schiffs enthalten. Wenn eine AIS-Empfangseinrichtung an Bord eines Flugzeugs oder eines Satelliten ist und die Antenne beispielsweise ein Empfangsgebiet im Mittelmeerbereich erfasst, ist als allgemein bekannte Information das Wissen vorhanden, dass sich die Schiffe, von denen AIS-Botschaften empfangen werden, im Mittelmeerbereich befinden müssen. Wenn man außerdem berücksichtigt, dass der Längengrad und der Breitengrad in Zweierkomplement-Darstellung kodiert sind, kann der Empfänger davon ausgehen, dass die höchstwertigen Bits (most significant bits-MSBs) der Längengrad- und Breitengrad-Felder im AIS-Datenpaket eindeutig bekannt sind. Hieraus kann eine Hilfsinformation abgeleitet werden, die zur Verbesserung des Datenempfangs in einer AIS-Empfangseinrichtung in folgenden Weise genutzt werden kann:
- – Die Hilfsinformation hilft dem Empfänger, um eine bessere Abschätzung der Datenbits zu haben und damit fehlerhafte Datenbits weitgehend zu korrigieren.
- – Die Hilfsinformation hilft dem Empfänger, AIS-Datenpakete zu detektieren und Übertragungsparameter abzuschätzen, wie Frequenz, Zeitsynchronisation, Rahmensynchronisation und Kanalabschätzung.
-
Die 4 zeigt ein AIS-Informationsquellenmodell, das auf einer Markov-Kette basiert. Die AIS-Empfangseinrichtung bzw. deren Informationsquellenmodell kann in zwei Betriebszuständen 110, 111 betrieben werden, nämlich einen Allgemeinkenntniszustand 110 und einen Vorkenntniszustand 111. Der Allgemeinkenntniszustand wird angenommen, wenn noch keine Informationen aus empfangenen AIS-Datenpaketen vorliegt, die auswertbar ist, etwa weil noch keine AIS-Datenpakete empfangen wurden oder diese fehlerhaft waren. Sobald zumindest ein AIS-Datenpaket korrekt empfangen wird, wird über einen Zustandsübergang 112 in den Vorkenntniszustand 111 gewechselt. Bleiben AIS-Datenpakete für eine bestimmte Zeit aus oder werden Sie nicht mit korrekten Dateninhalten bzw. Checksummen empfangen, wird über einen Zustandsübergang 113 wieder in den Allgemeinkenntniszustand 110 gewechselt. Im Allgemeinkenntniszustand werden zur Rekonstruktion von AIS-Daten lediglich die Hilfsdaten genutzt, die als allgemein bekannte Daten a priori verfügbar sind. Im Vorkenntniszustand werden zusätzlich die Informationen, die aus korrekt empfangenen AIS-Datenpaketen entnommen werden können, für eine Verbesserung des AIS-Datenempfangs genutzt. Für den Zustandsübergang 113 kann z.B. geprüft werden, ob N AIS-Datenpakete mit einer falschen Checksumme empfangen wurden oder überhaupt kein AIS-Datenpaket von einem Schiff für eine gewisse Zeitspanne empfangen wurde. Der Wert von N kann dabei frei gewählt werden.
-
Die Nutzung der allgemein bekannten Hilfsdaten sei nachfolgend anhand von Beispielen erläutert. Zu diesem Zweck wird in der nachfolgenden Tabelle zunächst der typische Aufbau einer Klasse A-AIS-Botschaft wiedergegeben (AIS position report).
| Feld | Anzahl Bits |
| Message ID | 6 |
| Repeat indicator | 2 |
| User ID | 30 |
| Navigational status | 4 |
| Rate of turn | 8 |
| Speed over Ground SOG | 10 |
| Position accuracy | 1 |
| Longitude | 28 |
| Latitude | 27 |
| Course over Ground, COG | 12 |
| True heading | 9 |
| Time stamp | 6 |
| Special maneuver indicator | 2 |
| Spare | 3 |
| RAIM-flag | 1 |
| Communication state | 19 |
-
Im Allgemeinkenntniszustand kann zur Erzeugung der Hilfsdaten beispielsweise eine statistische Analyse aller Felder eines AIS-Datenpakets durchgeführt werden, wobei berücksichtigt wird, dass einige Werte für einen zukünftigen Gebrauch reserviert sind und noch nicht genutzt sind. Ferner wird berücksichtigt, dass das Auftreten bestimmter Werte in einigen Feldern eine höhere Wahrscheinlichkeit hat als andere Werte. Die statistische Verteilung ist dementsprechend nicht gleichmäßig, sondern weist Ungleichmäßigkeiten auf, die genutzt werden können.
-
Betrachtet man beispielsweise das Feld Message ID, so ist festzustellen, dass dieses Feld 6 Bit hat, aber nur Werte im Bereich von 0 bis 27 genutzt werden. Die Werte
28 bis
63 sind für einen zukünftigen Gebrauch reserviert. Dementsprechend kann als bekannte a priori-Information und somit als Hilfsdaten genutzt werden, dass das höchstwertige Bit des Felds Message ID eindeutig bekannt ist und immer den Wert 0 hat. Mit einer weiteren Analyse kann man zusätzlich die Wahrscheinlichkeit feststellen, mit der das Message ID-Feld jeden verfügbaren Dezimalwert annimmt. Zum Beispiel kann eine statistische Analyse folgende Wahrscheinlichkeiten ergeben:
| Dezimalwert | Wahrscheinlichkeit |
| 0 | 0 |
| 1, 2, 3 | ¼ |
| 4 to 27 | 1/(4·24) |
| 28 to 63 | 0 |
-
Aufgrund der so ermittelten Wahrscheinlichkeiten kann man die Wahrscheinlichkeit abschätzen, mit der jedes Bit den Wert 1 annimmt:
| Bit | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Wahrscheinlichkeit für den Wert „1“ | 0 | 0,1250 | 0,1250 | 0,1250 | 0,5 | 0,5 |
-
Die Wahrscheinlichkeitsinformationen können zusätzlich als Hilfsdaten genutzt werden, um den Wert von Datenbits eines AIS-Datenpakets abzuschätzen und fehlerhafte Datenbits ggf. zu rekonstruieren. Im vorliegenden Beispiel ergibt sich, dass das Message ID-Feld eine Entropie von 3,53 Bits hat. Dies bedeutet, dass dieses Feld bei Vermeidung jeglicher Redundanz auf 3,53 Bits komprimiert werden könnte bzw. dass bei Kodierung mit 6 Bits 2,47 Bits als Redundanz vorhanden sind. Eine solche inhärente in Redundanz in dem Message ID-Feld kann somit zur Verbesserung des Empfangs der AIS-Datenpakete genutzt werden.
-
Ferner können die Felder betrachtet werden, in denen der Längengrad und der Breitengrad eines Schiffs gespeichert sind. Da sich das Schiff im Abdeckungsbereich der AIS-Empfangseinrichtung befinden muss, können auch hieraus bestimmte Hilfsdaten abgeleitet werden. Dies sei nachfolgend anhand des Beispiels des Feldes für den Längengrad erläutert. Das Längengrad-Feld enthält, kodiert im Zweierkompliment, den Zahlwert für den Längengrad in Eins durch Zehntausend Minuten. Positive Werte entsprechen östlichen Längengraden, negative westlichen Längengraden. Das Feld weist 22 Bit auf. Hierbei gibt das höchstwertige Bit das Vorzeichen an (Osten, Westen), die übrigen 21 Bits geben den Absolutwert des Längengrads an. Wenn man annimmt, dass eine AIS-Empfangseinrichtung ein Gebiet erfasst, in dem der Längengrad zwischen 10 und 20 Grad Ost liegt. Wenn man ferner annimmt, dass die Schiffe in diesen Erfassungsbereichen sichtlich des Längengrads gleichmäßig verteilt sind, ist die Wahrscheinlichkeit für jedes Bit den Wert 1 zu haben in der folgenden Tabelle wiedergegeben.
| Bit | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Pr(„1“) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Bit | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Pr(„1“) | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0,3792 | 0,6208 |
| Bit | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 |
| Pr(„1“) | 0,4096 | 0,5840 | 0,4880 | 0,4880 | 0,4928 | 0,5008 | 0,5008 |
| Bit | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 |
| Pr(„1“) | 0,4992 | 0,4992 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
-
Mit Pr („1“) ist damit die Wahrscheinlichkeit für den Wert 1 gemeint. Wie man erkennt, kann bei 12 dieser Bits der Wert vorab eindeutig festgestellt werden, d.h. diese Bits sind auf jeden Fall eindeutig bekannt. Bei vier weiteren Bits, nämlich den Bits 13 bis 16, treten Wahrscheinlichkeitswerte auf, die nicht allzu dicht bei 0,5 liegen. Damit ist auch hier eine gewisse Redundanz vorhanden, die genutzt werden kann. Eine Wahrscheinlichkeit von 0,5 würde dagegen bedeuten, dass die Bits völlig zufällig den Wert 0 oder 1 annehmen.
-
Die binäre Entropie der Kodierung der Daten im Längengrad-Feld beträgt in diesem Fall 14,8698 Bit. Damit weist das Längengrad-Feld eine Redundanz von fast 50 % auf.
-
Die bisher erläuterten Informationen betreffend die Hilfsinformationen, die immer bekannt sind und somit im Allgemeinkenntniszustand auch bereits vorliegen. Wird nun zusätzlich der Vorkenntniszustand genutzt, dann kann die Rekonstruktionswahrscheinlichkeit für fehlerhafte Datenbits weiter erhöht werden. Es sei angenommen, dass sich das Informationsquellenmodell im Vorkenntniszustand für ein bestimmtes Schiff 10 befindet. Dementsprechend ist die geografische Position des Schiffs 10 zu einem Zeitpunkt T sowie dessen Fahrtrichtung und Geschwindigkeit bekannt. Aufgrund dieser weiteren Informationen lässt sich relativ gut die Position des Schiffs zu einem Zeitpunkt T + tau abschätzen. Wenn z.B. ein Schiff zum Zeitpunkt T mit einem Längengrad von 10 Grad Ost erfasst ist, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, dann kann die Position des Schiffs zum Zeitpunkt T + tau als 10,045 Grad +/– 0,05 Grad abgeschätzt werden, wenn man von einer gleichmäßigen Verteilung ausgeht. Damit sind in Verbindung mit den zuvor erläuterten, allgemein bekannten Hilfsinformationen nun 19 Bits des Längengrad-Feldes bekannt und die Entropie beträgt nun 8,99 Bit.
-
Als weitere vorteilhafte Weiterbildung können außerdem die Beziehungen zwischen verschiedenen Feldern eines AIS-Datenpakets zur Rekonstruktion von Daten berücksichtigt werden. Wenn sich z.B. ein Schiff auf dem Meer sehr weit entfernt von der Küste befindet, ist es sehr wahrscheinlich, dass es eine hohe Fahrgeschwindigkeit hat. Wenn somit ein AIS-Datenpaket von einem Schiff empfangen wird, das sich mitten auf dem Meer befindet, im AIS-Datenpaket aber eine Geschwindigkeit von Null oder nahezu Null angezeigt wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass das AIS-Datenpaket fehlerhaft ist. Dies kann im Informationsquellenmodell durch eine gemeinsame Verteilung für die verschiedenen AIS-Felder berücksichtigt werden. Die Verteilung kann die Beziehungen zwischen verschiedenen Feldern wiedergeben. Ein Beispiel:
- – Breitengrad und Längengrad: Hierdurch kann erkannt werden, ob sich die Koordinaten des Schiffs auf dem Festland befinden.
- – Geschwindigkeit, Breitengrad und Längengrad: Innerhalb eines Hafens ist mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer geringen Fahrgeschwindigkeit auszugehen, mitten auf dem Meer ist eine hohe Fahrgeschwindigkeit wahrscheinlicher.
-
Dies kann nun in einem Dekoder, der in einer AIS-Empfangseinrichtung oder einem Gateway angeordnet sein kann, realisiert werden, was nachfolgend anhand einiger Beispiele zusätzlich erläutert wird.
-
Beispiel 1: Synchronisation
-
Die Hilfsdaten können für eine Detektion und Synchronisation genutzt werden. Eine Möglichkeit dafür besteht darin, nur diejenigen Bits zu nutzen, deren Wert exakt vorbekannt ist. Die Detektion und Abschätzung wird unter Nutzung der Trainingssequenz sowie der Start- und End-Flags einer AIS-Botschaft durchgeführt, die insgesamt 40 Bits aufweist. Nutzt man hierfür nur diejenigen Bits, die mit der Wahrscheinlichkeit 1 bekannt sind, kann der Dekoder, z.B. die AIS-Empfangseinrichtung, längere Trainingssequenzen erstellen, um die Ergebnisse der Detektion und Abschätzung zu verbessern. Wenn man anhand des vorgeschlagenen Informationsquellenmodells beispielsweise annimmt, dass die Daten im Längengrad-Feld gleichmäßig verteilt sind zwischen 10 Grad und 20 Grad Ost, sind 10 Bits in dem Längengrad-Feld exakt bekannt und können für die Synchronisation genutzt werden, z.B. durch Erweitern der Trainingssequenz von 40 Bits auf 50 Bits. In vergleichbarer Weise kann mit den anderen Feldern einer AIS-Botschaft vorgegangen werden.
-
Beispiel 2: Multi-user Detektion
-
Die AIS-Empfangseinrichtung kann z.B. wie in 5 dargestellt aufgebaut sein. Sie weist einen Eingangspuffer 120 auf, in dem empfangene AIS-Datenpakete in Rohform abgelegt sind. Ferner ist eine Detektionseinheit 121 vorhanden, dem die Rohdaten vom Puffer 120 zugeführt sind und die darin detektiert werden. Des Weiteren ist eine Demodulations- und Checksummen-Dekodiereinheit 123 vorhanden. Dieser werden die Ergebnisse der Detektionseinheit 121 sowie die Rohdaten vom Eingangspuffer 120 zugeführt. In der Dekodiereinheit 123 werden die AIS-Datenpakete dekodiert und geprüft. Es werden über einen Ausgang die fertig dekodierten AIS-Daten 125 ausgegeben. Ferner ist eine Remodulationseinheit 124 vorhanden. Außerdem ist als Block 122 das erfindungsgemäße Informationsquellenmodell vorhanden. Von diesem werden die Hilfsdaten 126 der Detektionseinheit 121 sowie der Dekodiereinheit 123 zugeführt.
-
In der Detektionseinheit 121 werden unter Zuhilfenahme der Hilfsdaten 126 AIS-Datenpakete detektiert. Sobald ein AIS-Datenpaket detektiert wurde, wird dieses über die Dekodiereinheit 123 dekodiert. Ferner wird die Checksumme geprüft. Auch hierbei werden die Hilfsdaten 126 genutzt. Durch die Nutzung der Hilfsdaten 126 können bereits gewisse Fehler eliminiert werden bzw. aufgrund von Wahrscheinlichkeiten reduziert werden. Die hierbei zunächst ermittelten, ganz oder zumindest teilweise rekonstruierten Daten werden über die Remodulationseinheit 124 wieder erneut gemäß AIS-Protokoll moduliert und in den Eingangspuffer 120 zurückgeführt. Die Interferenz der erneut modulierten AIS-Datenpakete wird dann vom Eingangspuffer 120 abgezogen. Dort können die sich hieraus ergebenden Daten erneut durch die Detektionseinheit 121 und die Dekodiereinheit 123 detektiert und dekodiert werden. Auf diese Weise können Störungen der empfangenen Rohdaten eliminiert werden. Zur Verbesserung der Empfangsleistung kann eine softwaremäßige Dekodierung der Checksumme erfolgen.
-
Im Beispiel gemäß 5 kann zur Verbesserung der Rekonstruktion fehlerhafter Daten ein Verfahren der Successive Interference Cancellation eingesetzt werden. Es kann auch ein Verfahren der Partial Successive Interference Cancellation eingesetzt werden. In diesem Fall kann sogar bei fehlerhafter Checksumme zumindest ein Teil der Fehler in einem AIS-Datenpaket eliminiert werden.
-
Beispiel 3: Multi-user Detektion mit Integritätsprüfung
-
Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer AIS-Empfangseinrichtung, bei der gegenüber der Ausführungsform der 5 zusätzlich eine Integritätsprüfeinheit 128 im Pfad zwischen der Dekodiereinheit 123 und der Remodulationseinheit 124 angeordnet ist. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform gemäß 6 derjenigen der 5. Der Integritätsprüfeinheit 128 sind die Vorkenntnisse 127 von den Informationsquellenmodell 122 zugeführt. Diese werden in der Integritätsprüfeinheit 128 zur Verbesserung der Rekonstruktion fehlerhafter AIS-Daten genutzt. Im Ergebnis kann hierdurch eine noch höhere Ausbeute an korrekten AIS-Daten 125 erzielt werden.
-
In weiteren Beispielen kann statt eines Successive Interference Cancellation-Verfahrens auch ein anderes Verfahren genutzt werden, wie z.B. Parallel Interference Cancellation oder ein sonstiges, geeignetes Verfahren, insbesondere ein Verfahren, dass die Hilfsdaten und/oder die Vorkenntnisse nutzen kann.
