Применение технологии AIS в службах движения судов (VTS)

17.11.2013

Применение технологии AIS в службах движения судов (VTS)

Универсальная Автоматическая Идентификационная Система (AIS)

Применение технологии AIS в службах движения судов (VTS)

Джон Макдональд

Департамент безопасности мореплавания Австралии (AMSA)

В конце восьмидесятых годов XX столетия возникла концепция “транспондера” как результат возросшей необходимости расширения информационного обмена судов с берегом с целью повышения эффективности эксплуатации судов и обеспечения безопасности судоходства. Хотя в начале рассматривался только обмен данными судов с берегом в поддержку систем управления движением судов (VTS), данная концепция в последствии была расширена и включает дополнительное требование обеспечения передачи данных между судами для решения задач предупреждения столкновений.

В тот же время современная революция в навигационных и информационных технологиях обеспечила возможность решения этих новых требований. Комбинируя спутниковые системы определения местоположения, электронные средства картографии, системы связи и архитектуру открытых информационных систем, морская электронная промышленность может теперь поставить рабочие образцы того, что называется универсальной автоматической идентификационной системой (UAIS) или просто AIS.

В этой статье описывается развитие концепции AIS, принятые международным сообществом рабочие и функциональные требования, технические условия и стандарты на систему. Затем в статье рассматривается текущая деятельность в мире по применению технических средств AIS к безопасности судоходства и управлению движением судов, в частности к VTS.

ВВЕДЕНИЕ

В 1988-89 г.г. Комитет по VTS Международной ассоциации маячных служб (IALA), включая экспертов из IAPH, IAIN, IFSMA и IMPA, предпринял исследование “возможности применения транспондеров для опознавания и сопровождения судов при подходе, входе и плавании в районе обслуживания VTS”. Статья, в которой кратко описывались первые результаты исследования, была представлена IALA на тридцать шестую сессию Подкомитета по безопасности судоходства (NAV 36) Международной морской организации (IMO) в сентябре 1990 г. Этот документ под названием“Требования к системе опознавания, опроса, сопровождения и автоматического оповещения для работы во взаимодействии с VTS” стал основой технических условий на AIS.

После консультаций с другими государствами–членами IMO, в том числе с Германией, Нидерландами, Норвегией и Соединёнными Штатами, которые, насколько было известно, разрабатывали в то время VHF транспондеры, IALA представила на сессию NAV 37 в 1991 г. документ с более строгими техническими требованиями. Проект технических требований носил название “Радиотранспондеры для целей VTS и возможности опознавания судна с берега”, но кроме применения к задачам VTS признавались новые требования – возможность “передачи данных… между определёнными категориями надлежащим образом оборудованных судов и другими судами”.

Таким образом, хотя вначале концепция транспондера касалась обмена данными судна с берегом для решения задач организации движения судов, например в помощь службам управления движением судов (VTS), эта концепция была расширена на начальном этапе и включала дополнительное требование передачи данных между судами с целью предупреждения столкновения судов.

ДВА НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОНДЕРОВ

После долгих (и часто напряжённых) дискуссий на форумах IMO и IALA в течение ряда лет постепенно возникли две системы на базе VHF радиосвязи:

Транспондер на основе протоколов цифрового избирательного вызова (DSC), использующий VHF канал 70,
“Вещательная” универсальная AIS, использующая методы самоорганизующегося множественного доступа с временным уплотнением (STDMA)

Вариант с DSC

Системы, выполненные согласно Рекомендациям ITU-R M.825, использующие методы цифрового избирательного вызова, применяются главным образом в качестве транспондеров для передачи данных с судов на берег по VHF каналам. Эти транспондеры обеспечивают опознавание, сопровождение и контроль судов с берега.

Для этой цели судно опрашивается (запрашивается) по меньшей мере, когда оно впервые входит в район, обслуживаемый центром VTS. Однако для инициации такого процесса опроса обычно требуется радиолокационное обнаружение цели, и часто необходимо вмешательство оператора. В системах AIS VHF канал обеспечивает пропускную способность до 500 сообщений в час.

Совместное использование канала 70 с GMDSS также ограничивает частоту обновления сообщений в AIS, поскольку канал не может быть использован сверх 15% его теоретической максимальной пропускной способности. Скорость передачи – всего 1200 бит в секунду, хотя имеются успешные разработки с целью её повышения до 9600 бит в секунду.

В качестве частичного пересмотра Рекомендаций ITU-R M.825 были приняты дополнительные процедуры судовой связи, использующие разновидность протоколов DSC, но работающие на отличных от канала 70 VHF каналах. Транспондеры, выполненные согласно этому стандарту, тоже обеспечивают опознавание и сопровождение судна судном, но только в ограниченной мере.

DSC транспондеры не достигли окончательной поддержки принятых IMO технических условий; однако DSC технология оказалась привлекательной для нескольких государств. VHF (DSC) канал 70 уже определён в качестве VHF компонента Глобальной морской системы связи при бедствии и для обеспечения безопасности (GMDDS) и стал обязательным элементом для судов, совершающих международные рейсы с февраля 1999 г. К тому же большинство государств Европы, Северная Америка и Япония выбрали морские районы A1/A2 согласно мероприятиям по развертыванию GMDDS. Это означает, что все суда, оперирующие в их территориальных водах, и береговые станции, обслуживающие эти суда, должны быть оборудованы VHF DSC аппаратурой для поддержки GMDSS.

Поэтому транспондер, в котором используется подобная техника, и уже установленное судовое оборудование, стали привлекательным выбором, тем выбором, который можно было реализовать дёшево и сравнительно быстро. Несколько систем, использующих VHF (DSC) транспондеры, было создано в Великобритании и в Соединённых Штатах. Они главным образом обслуживают центры VTS или установлены на портовых вспомогательных судах или судах, работающих на постоянных пассажирских паромных линиях. Контроль Информационной службой пролива Па-де-Кале (CNIS) регулярных паромных линий, пересекающих Дуврский пролив, и VTS в порту Валдиз (шт. Аляска) – два примера систем AIS на базе DSC.

Кроме того, DSC служит для администраций гибким средством автоматического выбора VHF частотных каналов, на которых работает AIS, в регионах, где выделенные для AIS каналы недоступны. По этой причине некоторые страны были заинтересованы в том, чтобы разрабатываемые организацией IEC стандарты на проведение испытаний “вещательных” AIS допускали обратную совместимость с DSC.

“Вещательные” или радиомаячные системы

“Вещательные” транспондеры, первоначально названные 4S - “судно–судно” и “судно–берег” (термин, введенный шведскими разработчиками), образовали основу того, что стало называться “универсальной судовой автоматической идентификационной системой (AIS)”. Эта система заменила вариант с DSC и была принята IMO и ITU-R в качестве стандарта AIS.

Проще говоря, AIS – вещательный транспондер, работающий в VHF диапазоне морской подвижной службы. Он способен посылать информацию о судне (идентификатор, координаты, курс, скорость и т.п.) на другие суда и на берег. Он справляется с большим числом сообщений, обновляемых с большой частотой, и использует технические средства самоорганизующегося множественного доступа с временным уплотнением (STDMA), обеспечивая надёжную работу судна с судном при высоких скоростях обмена информацией.

В связи с эти ассоциация IALA разработала первоначальный проект “универсального” стандарта для IMO, образовав специальную группу из представителей промышленности и государственных органов. Проект в уточнённой форме был рассмотрен на сессии NAV 43 (июль 1997 г.) и официально принят конференцией MSC 69 11 мая 1998 г. под названием “Приложение 3 к резолюции IMO MSC.74 (69) – Рекомендации по техническим условиям на универсальную судовую автоматическую идентификационную систему (AIS)”. Состояние технических стандартов и стандартов на проведение испытаний, выпускаемых международными организациями ITU-R и IEC, описывается ниже.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К AIS

Как уже кратко говорилось, универсальная AIS согласно определению IMO и ITU-R – это судовая вещательная транспондерная система, работающая в VHF диапазоне морской связи. Она может отправлять информацию о судне (идентификатор, координаты, курс, скорость, длина, осадка, класс судна) и информацию о грузе на другие суда и берег. Она может обрабатывать свыше 2000 донесений в минуту и обновлять сообщения каждые две секунды. AIS использует технические средства самоорганизующегося множественного доступа с временным уплотнением (STDMA), обеспечивая устойчивую и надёжную работу судна с судном при высокой скорости обмена сообщениями.

Система обеспечивает обратную совместимость с DSC системами, что позволяет береговым GMDSS дёшево создавать каналы на рабочей частоте AIS и опознавать и сопровождать суда, оборудованные AIS.

Каждая система AIS состоит из одного VHF передатчика, двух VHF TDMA приёмников, одного VHF DSC приёмника и стандартной электронной линии связи с судовым индикатором и системами получения информации. Координаты и данные синхронизации обычно поступают от встроенного или внешнего приёмника глобальной спутниковой системы навигации (GNSS) (например, от GPS), в том числе от MF приёмника дифференциальной GNSS (DGNSS), используемого для точного определения координат в прибрежных и внутренних водах. Информация о направлении движения обычно передаётся всеми судами, оборудованными AIS, в то время как другая информация – курс и скорость относительно дна моря, скорость поворота, угол крена, килевая и бортовая качка, порт назначения и расчётное время прибытия – могут потребоваться только от некоторых судов.

Передача данных по технологии STDMA

Транспондер AIS обычно работает в автономном и непрерывном режиме независимо от того, работает ли оборудованное им судно в открытом море, в прибрежных водах или во внутренних районах. Поскольку VHF донесения в основном передаются на сравнительно небольшие расстояния, требуют значительной скорости передачи и поскольку они не должны быть подвержены взаимным помехам, то используется две частоты в полосе морской подвижной службы. Используемый способ модуляции – FM/GMSK (частотная модуляция/гауссова манипуляция с минимальным частотным сдвигом) из-за его надёжности, эффективного использования полосы частот и широкого применения в мобильной цифровой связи.

Так 25-кГц VHF симплексный канал позволяет передавать примерно 2000 донесений в минуту при скорости передачи 9600 бит в секунду, 12,5-кГц VHF симплексный канал позволяет передавать примерно 1000 донесений в минуту при скорости передачи 4800 бит в секунду.

Передача сообщений осуществляется в отдельные временные окна (слоты), которые синхронизируются по данным системы GNSS с точностью не хуже 10 мкс. Каждая станция определяет свою собственную схему передачи (слот), исходя из предыстории информационного обмена по каналу связи и знания будущих действий со стороны других станций.

Станции AIS непрерывно синхронизируются друг с другом с тем, чтобы избежать перекрытия передач в окнах. Станция AIS выбирает окно (слот) в определённом интервале случайным образом, и слоту назначается таймаут случайной величины длиной от 0 до 8 кадров. Когда станция меняет своё окно, она предварительно извещает о новой ячейке и таймауте для этой ячейки. Таким образом суда всегда будут принимать новые станции, в том числе станции, которые неожиданно появляются в зоне радиоприёма вблизи других судов.

Требуемая скорость обновления сообщений

Технические условия IMO и извещение IMO для ITU-R определяют тип обмениваемых данных, но не определяют требуемую интенсивность передачи сообщений. Комитет по VTS ассоциации IALA изучал эту проблему, и было бы интересно рассмотреть этот вопрос с точки зрения потребностей служб VTS и систем судовых сообщений в будущем. Рассмотрение основывалось на современных методах радиолокационной проводки, временных интервалах между последовательными засечками местоположения в системе DGNSS и, наконец, (в качестве наихудшего сценария) максимальной интенсивности движения в Сингапуре и Дуврском проливе.

Режим работы современных радиолокаторов. У радиолокаторов скорость обновления данных определяется частотой вращения антенны, составляющей от 20 до 60 оборотов в минуту. Это даёт время обновления информации (в данном случае дальности и пеленга цели) от 1 до 3 секунд.

Последовательные засечки местоположения в системе DGNSS. В районах затруднённого плавания для целей надёжного сопровождения, предупреждения столкновений и проводки судов позиция судов должна определяться с точностью не ниже 15 метров. Навигация с помощью DGNSS обеспечивает точность определения координат примерно 5 метров. Применение алгоритмов прогнозирования параметров движения вносит дополнительную ошибку порядка не более 10 метров.

Для судов, не изменяющих свой курс, скорость обновления данных, необходимая для достижения такого уровня точности определения координат, определяется скоростью хода судна и даёт следующие интервалы между передачами сообщений:

Максимум трафика – Сингапур и Дуврский пролив. Эти расчёты основаны на результатах анкетирования Администрации порта Сингапур и Береговой охраны Дуврского пролива, отвечавшим на вопрос, сколько судов они ожидают в радиусе 20 морских миль (на основе данных 1990 г.). Ответ из Сингапура состоял в том, что в любой момент имеется примерно 300 судов, пришвартованных у стенки или на якоре и 60-70 торговых судов на ходу.

VHF транспондер, как можно предполагать, буде иметь дальность действия около 40 морских миль. Поэтому была произведена экстраполяция данных, в результате которой получено 300 судов на якоре и 210 на ходу. К этой цифре было дополнительно добавлено 100 судов, чтобы учесть паромы, лоцманские катера, буксиры, вспомогательные, патрульные и рыболовные суда. В таблице 2 приведены результирующие оценки числа донесений о позиции судов, требующихся каждую минуту с учётом значений скорости обновления сообщений, приведённых в таблице 1.

Этот сценарий даёт оценку 3060 донесений в минуту. Аналогичный расчёт для Дуврского пролива даёт примерно 2550 донесений в минуту (480 судов). Из практических соображений была выбрана цифра 2000 донесений в минуту в качестве минимального требования.

Таблица 1

Используемые в AIS интервалы между сообщениями

Скорость хода	Интервал обновления сообщений	Повышенная скорость обновления сообщений*
0 – 14 узлов	12 секунд
0 – 14 узлов, изменение курса		4 секунды
14 – 23 узла	6 секунд
14 – 23 узла, изменение курса		2 секунды
Более 23 узлов	3 секунды
Более 23 узлов, изменение курса		2 секунды
На якоре или у стенки	180 секунд

* Для прогнозирования скорости поворота и траектории при изменении судном курса требуется повышенная скорость обновления сообщений. На основе требуемой точности позиционирования выбрана скорость, в три раза превышающая стандартную.

Таблица 2

Оценка объёма трафика в проливах Сингапура

(в пределах радиуса VHF связи 40 морских миль)

Тип судна	Число судов каждого типа	Интервал обновления донесений	Число донесений в минуту
Суда на якоре	300	3 мин	1
Скорость хода 0-14 узлов	100	12 сек	500
Скорость хода 0-14 узлов и изменение курса	15	4 сек	225
Скорость хода 14-23 узла	110	6 сек	1100
Скорость хода 14-23 узла и изменение курса	23	2 сек	690
Скорость хода более 23 узлов	10	3 сек	200
Скорость хода более 23 узлов и изменение курса	2	1 сек	120
Другие суда	50	24 сек	125
Итого	610		3060

Требования к индикатору

Далее необходимо рассмотреть требования к индикатору с тем, чтобы выводимые данные были полезны для мореплавателя. Технические условия IMO оставляют неопределённым вопрос требований к отображению информации, хотя в идеале предполагалось, что информация AIS будет выводиться на индикатор судового радиолокатора, индикатор электронных карт и информационную систему с цветным дисплеем (ECDIS) или на специальный выделенный индикатор. Было бы необходимо учесть опасность перегрузки экрана данными, и, по всей вероятности, требуется корреляция между первичными радиолокационными целями и целями, полученными от транспондера AIS.

В настоящее время радиолокаторы и системы ECDIS не обладают способностью (и не имеют одобрения типа) принимать генерируемые системой AIS данных. Поэтому во многих образцах испытанных до сих пор индикаторов AIS используются специальные графические дисплеи на базе ПК.

Однако при разработке стандарта на проведение испытаний IEC 61993-2 Технический комитет 80 Международной электротехнической комиссии (IEC) счёл необходимым определить “минимальные требования к индикатору для AIS”, для того чтобы оценить предлагаемые функции. Стандарт требует, как минимум, вывода 16 буквенно-цифровых символов, что достаточно для получения идентификатора и координат запрашиваемого судна.

Подчёркивается, что это – минимальные требования к индикатору для AIS (главным образом для целей испытаний), хотя он может использоваться в море в условиях низкой активности. Чтобы полностью воспользоваться возможностями AIS, система должна быть интегрирована в один из существующих графических индикаторов на мостике или иметь специально выделенный графический дисплей. Более высокие функциональные возможности могут быть получены от графического дисплея с расширенными возможностями, но выбор этого типа индикатора зависит от потребностей потребителя и предложений производителей.

ДЕЙСТВУЮЩИЕ СТАНДАРТЫ

Ниже следует краткий обзор современного состояния разработки стандартов для AIS. Хотя некоторые специальные требования ещё требуется довести до конца (особенно технические вопросы), несколько компаний далеко продвинулись в разработке довольно сложных систем VTS, использующих новую технологию AIS.

Резолюция IMO MSC.74(69), приложение 3. Рекомендации по техническим условиям на судовые универсальные автоматические идентификационные системы (AIS)

Рекомендации ITU-R M.825-2. Характеристики транспондеров, использующих аппаратуру DSC (ЦИВ) и применяемых для опознавания судна с VTS и других судов

Рекомендации ITU-R M.1371. Технические характеристики универсальной судовой автоматической идентификационной системы, использующей множественный доступ с временным уплотнением в полосе морской подвижной службы

(Проект) стандарта IEC 61993-2 на испытания AIS. В июле 1998 г. Рабочая группа 8А Технического комитета 80 Международной электротехнической комиссии (IEC) начала работу по разработке стандарта, устанавливающего требования на рабочие характеристики, технические данные, эксплуатационные свойства и испытательные процедуры для транспондера AIS (Документ TC80/WG8-U.AIS).

Этот стандарт будет разработан в кратчайшие сроки (заседания рабочей группы проводятся примерно четыре раза в год). Ожидается, что рабочая группа завершит свою работу к концу 2000 – началу 2001 года. Действующий стандарт для транспондеров AIS, использующих технологию DSC, – это стандарт IEC 61993-1.

Приборы, изготовленные только по стандарту MSC.74 (69), необязательно будут обеспечивать возможность взаимодействия с приборами, использующими аппаратуру DSC.

Иностранный язык: en

Возврат к списку