Электронные автоматические идентификационные системы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 528.9

ЭЛЕКТРОННЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

А.Г. Абдрашитов (КамчатГТУ)

Рассматриваются назначение и состав автоматической идентификационной системы (АИС).

This article is connected with application and main components of Automatic Identification System (AIS).

Назначение и состав автоматической идентификационной системы

В течение последних лет для обеспечения безопасности мореплавания во всех морских районах и повышения эффективности систем управления движением судов (СУДС) в морских районах А1 ГМССБ разработана новая навигационная система - автоматическая идентификационная система (АИС), работающая в ОВЧ-диапазоне. Система называется автоматической, так как обеспечивается автоматическая передача и прием сообщений, в которых содержатся все необходимые судовые данные как для центров СУДС, так и для проходящих судов. Особенность этой системы при использовании диапазона ОВЧ заключается в применении многостанционного временного доступа с временным разделением каналов, что позволяет увеличить информационную емкость системы по сравнению с емкостью систем, использующих цифровой избирательный вызов. В АИС синхронизация временных каналов выполняется по сигналам GNSS.

АИС разработана в результате совместных усилий Международной ассоциации морских средств навигации и маячных служб (МАМС), Международного союза электросвязи (МСЭ), Международной электротехнической комиссии (МЭК), Международной морской организации (ИМО). Кроме того, разработан стандарт МЭК 61993-2 на судовую аппаратуру АИС класса А, определены сроки установки судовых станций АИС на разных судах в 2002-2008 гг.

В этот период судовыми станциями АИС будут оснащены все суда валовой вместимостью 300 р. т и более, совершающие международные рейсы; грузовые суда валовой вместимостью 500 р. т и более, не совершающие международные рейсы; все пассажирские суда независимо от тоннажа.

Береговые станции АИС будут обслуживать морские районы А1 ГМССБ, и в первую очередь зоны обслуживания СУДС. В открытом море (в морских районах А2/А3 ГМССБ) предусмотрена передача судовых данных с помощью комплекса ИНМАРСАТ-С/АИС по каналам дальней связи в соответствии с запросами центров мониторинга через БЗС.

АИС предназначена:

- для передачи судовых данных с судов в центр СУДС для обеспечения надежной проводки судов;

- передачи судовых данных о судне и его грузе в береговые службы при плавании в морском районе А1 ГМССБ;

- обмена навигационными данными между судами во всех морских районах плавания с целью предупреждения столкновений;

- высокоточного определения местоположения судов путем ввода дифференциальных поправок GNSS, которые передаются береговыми станциями по запросу судов;

- мониторинга судов.

В состав АИС входят:

- сеть наземных станций АИС;

- сеть мобильных станций АИС на судах, воздушных судах поиска и спасания, средствах навигационного оборудования (СНО).

Сеть наземных станций АИС

Состав сети. В состав сети наземных станций АИС входят:

- одна или несколько базовых станций;

- одна или несколько базовых ретрансляционных станций;

- центры управления.

Число базовых станций АИС зависит от категории СУДС. Для СУДС высшей категории (региональные СУДС, которые обслуживают обширные акватории, включающие несколько портов с подходами, проливами, системами разделения движения судов) устанавливается несколько базовых станций. Такие АИС являются региональными. Для СУДС 1-3 категорий (подходы к акваториям портов) в состав наземной сети станций входит, как правило, одна базовая станция. Такие АИС являются локальными. Число базовых ретрансляционных станций зависит от профиля обслуживаемого района, высоты установки антенн базовых и ретрансляционных станций.

Ретрансляционные станции позволяют расширить обслуживание локальных и региональных АИС, так как обеспечивают ретрансляцию сигналов малой мощности, принятых от мобильных станций АИС в зонах затенения сигналов базовой станции и на больших удалениях от нее.

Общий подход к расположению базовых и ретрансляционных станций АИС остается таким же, как и для станций ОВЧ-радиосвязи, обслуживающих морские районы А1 ГМССБ и районы действия СУДС.

Центры управления АИС обеспечивают автоматический прием и передачу 22 сообщений, в которых содержатся статические, динамические, рейсовые судовые данные, сообщения безопасности. В состав региональных АИС входят центр управления региональной системой и несколько центров, обеспечивающих управление локальными АИС (рис. 1).

V

Станция АИС класса В воздушного судна

линии

Рис. 1. Примерная схема расположения береговых и мобильных станций АИС для локальной системы

Судовые станции класса А должны соответствовать требованиям стандарта МЭК 61993-2 и иметь сертификат конвенционного оборудования. Станции класса В могут не соответствовать всем требованиям стандарта.

Базовые станции. Базовые станции АИС обеспечивают:

- передачу и прием информационных сообщений, а также сообщений безопасности (№° 6, 8, 12, 14);

- передачу и прием подтверждающих сообщений (№ 7, 13);

- передачу и прием запросных сообщений (№ 10, 15);

- передачу сообщений для синхронизации шкал времени судовых станций АИС (№ 10);

- передачу сообщений для перевода судовых станций АИС и станций АИС СНО из автономного в назначенный режим работы (№ 16);

- передачу дифференциальных поправок (№ 17);

- передачу сообщений по назначению временных и частотных каналов (№ 20, 22);

- регулярную передачу своих данных (№ 4);

- прием сообщений от СНО (№ 21);

- прием и передачу сигналов цифрового избирательного вызова (ЦИВ);

- контроль функционирования системы.

Мы привели состав передаваемой информации для сообщений с номерами 1-22. Состав базовых станций АИС для каждого района СУДС может быть разным, при этом стандарт на базовые станции отсутствует (рис. 2).

Рис. 2. Примерный состав базовой станции

В состав станции входят два приемника, принимающие сигналы на выделенных каналах (161,975 и 162,025 МГц), и несколько дополнительных приемников, работающих на региональных каналах, а также один или несколько передатчиков, перестраиваемых на различные каналы.

Контроллер обеспечивает модуляцию и демодуляцию сигналов, поступающих по интерфейсу и с выхода приемников, а также управление работой станции. Синхронизация шкалы времени может производиться по сигналам как от внешнего, так и от встроенного приемника ОК88.

Несколько антенн обеспечивают пространственно-направленный прием сигналов мобильных станций АИС.

Ретрансляционные базовые станции АИС. Базовые ретрансляционные станции АИС обеспечивают переизлучение сигналов, принятых из секторов зоны обслуживания, которые определяются центром управления системой. Станции могут работать в симплексном и дуплексном режимах. Одно и то же сообщение может ретранслироваться не более трех раз. В симплексном режиме сообщение, принятое в частотном канале А или В в 7-м слоте (временном окне), переиз-лучается в том же частотном канале в (7 + к)-м слоте, т. е. с задержкой во времени. При работе в дуплексном режиме сообщение на частотном канале А, принятое в 7-м слоте, в реальном времени переизлучается в том же 7-м слоте на частотном канале В, т. е. без задержки во времени.

Базовые ретрансляционные станции АИС не ретранслируют сигналы ЦИВ, так как прием и передача сигналов ЦИВ производится лишь на 70-м канале (рис. 3).

Рис. 3. Примерный состав базовой ретрансляционной станции АИС, обеспечивающей работу в симплексном и дуплексном режимах

Синхронизация шкалы времени станции может производиться по каналу интерфейса (источником данных служит базовая станция АИС) или от встроенного приемника (на рис. 3

не указан). Контроллер обеспечивает управление работой станции.

Число антенн зависит от числа секторов, в которых должны приниматься и переизлучаться сигналы.

Судовые станции (транспондеры). В настоящее время международными стандартами предусматривается применение разных типов АИС. На судах устанавливаются АИС классов А и Б.

Станции АИС класса А должны полностью соответствовать требованиям резолюции 1МО М8С.74(69) и Рекомендации МСЭ-Р М.1371-1, а также технико-экономическим требованиям (ТЭТ) национальных морских администраций и требованиям классификационных обществ.

Станции АИС класса Б, устанавливаемые на неконвенционных судах, могут не соответствовать в полной мере требованиям 1МО М8С.74(69). Данный класс АИС имеет значительные отличия от АИС класса А на уровне интерфейса при сопряжении с датчиками информации (необязательно подключать гирокомпас, лаг и внешний приемник ГНСС).

Судовые станции (транспондеры) АИС работают в трех режимах:

- автономном;

- назначенном;

- запросном.

Автономный режим используется во всех морских районах плавания. В этом режиме суда периодически обмениваются сообщениями о своем местоположении.

Информация о текущем местоположении судна, скорости хода, скорости поворота, истинном (гирокомпасном) курсе и путевом угле судна, а также навигационном статусе судна передается периодически с интервалом, зависящим от скорости хода судна и выполнения маневра, и используется для решения задачи предупреждения столкновения судов. Интервалы между передаваемыми сообщениями для различных режимов движения судна имеют следующие значения:

Назначенный режим работы применяется в морских районах А1 ГМССБ, в тех зонах обслуживания СУДС, в которых контроль за судами обеспечивается морской администрацией порта, а надежная проводка судов осуществляется с помощью СУДС. По команде центра управления системой АИС судовые станции переводятся из автономного в назначенный режим, при этом увеличивается частота передачи сообщений. Центр управления системой может также назначать номера частотных и временных каналов, допустимые мощности излучений. В запросном режиме судовые станции передают сообщения по запросу базовых станций, а также сами запрашивают сообщения.

Периодический прием сообщений с судовых станций АИС обеспечивает непрерывный обзор окружающей обстановки на автономных дисплеях, дисплеях РЛС или ЭКНИС центра управления системой, а также дисплеях других судов. На основе полученных данных обзора более эффективно (по сравнению с САРП) решается задача предупреждения столкновения судов во всех морских районах ГМССБ. В назначенном режиме, как уже отмечалось, центр управления системой в нужное время может получать с большой частотой следования данные местоположения и направления поворотов судов, которые позволяют обеспечивать эффективный контроль и управление судоходством.

Центр управления системой на основе запрошенных статических, динамических и рейсовых данных судов автоматически формирует базу судовых данных. С помощью поправок БОК88, передаваемых базовыми станциями АИС, статические и динамические данные будут высокоточными. Максимальная емкость информационных каналов связи с судами при двухканальном режиме работы достигает 4500 сообщений в минуту.

Сеть мобильных станций АИС

Режим движения

Интервал передачи

Судно на якоре или имеет ход не более 3 узлов

Судно на якоре или имеет ход более 3 узлов

Судно имеет ход 0-14 узлов без изменения курса

Судно имеет ход 0-14 узлов с изменением курса

Судно имеет ход 14-23 узла

Судно имеет ход 14-23 узла с изменением курса

Судно имеет ход более 23 узлов

Судно имеет ход более 23 узлов с изменением курса

3 мин 10 с 10 с 3 1/3 с 6 с 2 с 2 с 2 с

Если по каким-либо причинам на судне будет потеряна синхронизация шкалы времени (при ведении связи с временным разделением каналов такая синхронизация обязательна), то судовая станция по запросу может восстановить синхронизацию по сигналам базовой станции АИС.

Высокоскоростной обмен информационными сообщениями и сообщениями безопасности судов с центром управления системой в формате сообщений Binary позволяет эффективно решать задачи судоходства. Сообщения в формате Binary состоят из заголовка и информационной части, представленными 16-разрядными словами.

В морских районах А2/А3 ГМССБ связь судов с центром управления обеспечивается по каналам дальней связи (рис. 4).

В соответствии со стандартом МЭК 61993-2 судовая станция АИС состоит из двух приемников TDMA (Time Devision Multiple Access) с временным разделением каналов, работающих на частотах 161,975 и 162,025 МГц; одного приемника ЦИВ, работающего на 70-м канале; одного передатчика с возможностью перестройки на любой частотный канал; кодеров и декодеров сигналов TDMA и ЦИВ; устройства встроенного контроля; пульта управления и индикации; интерфейса, обеспечивающего связь с внешними устройствами; приемника DGNSS; антенн приемников DGNSS, TDMA, ЦИВ и передатчика; ду-плексера; источника вторичного питания (рис. 5). В состав судовой станции могут дополнительно входить один-два приемника TDMA, работающие на региональных частотах.

Рис. 4. Связь по каналам дальней связи

Рис. 5. Состав судовой станции АИС

Антенна ОВЧ

3

Антенна (D)GNSS

Приемопер едатчик Аппаратура | Приемоиндикатор

радиоканала АИС | (D)GWSS 1

Аккумуля т ор питания

| Датчик Г~ Датчик ^ курса ^ ^ поворота^

Выносное

оборудование

У

240 В 50/60 Гц 120 В 50/60 Гц 24 В

Монитор

Клавиатура

управления

Приемопередатчик

радиоканала

а б

Рис. 6. Схемы деления судовой станции АИС с дистанционным (а) и автоматическим (б) управлением

Состав судовой станции АИС AS-100 фирмы Фуруно совместно с выносными устройствами приведен на рис. 7.

Антенна для встроенного приемника GPS

Судовая станция АИС AS - 100

Антенна

для ОВЧ-приемопередатчиков, приемника сигналов ЦИВ

Приемник дифференциальных поправок GR - SO

Кур с о указатель по сигналам GPS SC - 120

Указатель курса (гирокомпас)

§ L

РСЛ серий FR 15x5, FR 21x5, FR 28x5 с блоками САРП RD 17х для FR 15x5 RD 26х для FR 21x5 RD 25х дпя FR 28x5

ЭКНИС FEA-2105

Пер сон альньш к омпьютер с о специальным программным обеспечением

Рис. 7. Состав судовой станции АИС-100 с выносными устройствами

Выносные устройства условно разделены на два вида: датчики информации и графические дисплеи. Связь с выносными устройствами обеспечивается по интерфейсу стандарта МЭК 61162.

Датчиками информации являются:

- приемник GNSS;

- приемник сигналов дифференциальных станций;

- датчик путевого угла по сигналам GNSS;

- датчик истинного курса по данным гирокомпаса.

В состав выносных устройств отображения цифровой и графической информации входят:

- индикаторное устройство РЛС компьютерного типа;

- ЭКНИС;

- автономный дисплей для отображения данных АИС.

Станции АИС СНО. Предусмотрена установка станций АИС на стационарные и плавающие средства навигационного обеспечения.

СНО служат важным ориентиром для судов. На основе известных координат СНО обеспечивается контроль работы навигационных средств судов. Если по какой-либо причине координаты СНО изменятся (например, буй будет сорван с якоря), то СНО, напротив, станут представлять опасность для судоходства, так как координаты СНО не будут соответствовать приведенным.

СНО регулярно излучают сообщения о своих координатах один раз за 3 минуты. По запросу судовой (базовой) станции АИС режим работы СНО переводится из автономного в назначенный. В назначенном режиме работы частота передаваемых сообщений увеличивается. Таким образом оперативно определяются текущие координаты СНО. Без установки станций АИС на СНО проверка правильности функционирования СНО за короткое время не может быть выполнена.

Станции АИС воздушных судов поиска и спасания. При установке станций АИС на воздушных судах поиска и спасания при высоте полета 200 м на экране дисплея на дистанциях до 60 км будут отображаться координаты судов со среднеквадратической погрешностью менее 40 м (при геометрическом факторе HDOP< 4).

На таких дистанциях погрешность ее измерения до цели с помощью РЛС составляет 600 м (1% от дистанции до цели), а погрешность определения координат целей из-за неточного пеленга -1000 м (погрешность измерения пеленгов с помощью РЛС и пеленгаторов равна примерно 1°).

Таким образом, установка станций АИС на воздушные суда поиска и спасания позволяет повысить эффективность работ при бедствии. Обмен сообщениями на месте бедствия производится в формате Binary со скоростью 9600 бит/с.

Центры управления работой АИС

Центры управления локальными системами АИС, входящими в состав региональной системы, и центр управления региональной системой АИС обеспечивают мониторинг судоходства в зонах обслуживания; сбор судовых данных в базы данных центров; контроль и управление судоходством для обеспечения безопасности мореплавания; обмен судовыми данными с организациями, службами, частными лицами по сети Интернет; контроль правильности функционирования системы. Основное преимущество центров заключается в возможности полной автоматизации выполняемых функций.

На постах центра управления устанавливаются высокопроизводительные компьютеры, широкоформатные дисплеи с высокой разрешающей способностью (рис. 8).

Аппаратзфа центра управления системой АИС

Базовая

станция

АИС № 1

Базов ая станция АИС №2

Рис. 8. Компьютер с высокой разрешающей способностью, установленный на посту дальней связи

На рис. 8 приведен лишь один компьютер на каждом посту. Для работы по каналам дальней связи предусматривается отдельный пост дальней связи.

Отображение АИС целей

Символика отображаемых целей. Отображение навигационной обстановки в виде символов целей и сопутствующих им судовых данных в центрах управления системой АИС и на судах можно производить на дисплеях БРЛС (РЛС), дисплеях ЭКНИС и автономных дисплеях АИС (рис. 9).

При наведении курсора на цель в формуляре АИС содержатся следующие данные о цели:

- источник данных;

- идентификатор;

- навигационный статус;

- координаты;

- признак точности;

- дальность (расчетная);

- пеленг (расчетный);

- путевой угол;

- скорость относительно грунта;

- £кр (расчетная);

- Ткр (расчетная);

- текущее значение курса;

- текущее значение скорости;

- дополнительная информация.

Особенности использования функциональных дисплеев. Дисплеи РЛС и ЭКНИС являются функциональными и предназначены для наилучшего отображения радиолокационной обстановки и электронных карт. Возможно объединение на дисплее ЭКНИС как электронной карты (или ее элементов), так и отображаемых радиолокационных целей.

При организации совместного отображения символов АИС-целей и целей РЛС следует учитывать, что поле дисплеев может быть загружено информацией радиолокационной обстановки, поэтому не всегда целесообразно загружать экран дисплея дополнительными символами и судовыми данными, получаемыми от судовых станций АИС. В этом случае для разделения информации целесообразно использовать разные виды символов отображаемых целей РЛС и АИС, а также применять разные цветовые изображения целей и сопутствующих им судовых данных.

На автономном дисплее наблюдается навигационная обстановка, полученная только от судовых станций АИС. При этом рядом с символами целей (в масштабах экрана) указывается

наименование судна, истинный курс, курсовой угол и скорость судна. Для выбранных целей (на периферии экрана) индицируется навигационный статус судна, скорость поворота, а также другие судовые данные.

На дисплеях судовых станций АИС цели видны на удалениях до 20 морских миль, на дисплеях центров управления АИС - во всей зоне обслуживания. Размер зоны зависит от числа береговых и ретрансляционных станций, а также от высоты установки антенн этих станций. Возможна передача данных береговой станцией на судовые станции АИС для отображения навигационной обстановки на дисплеях судовых станций, аналогичной изображению на дисплеях центра СУДС.

Длины волн, применяемые для излучения сигналов в АИС (около 2 м), примерно в 70 раз больше по сравнению с длинами волн РЛС 3-сантиметрового диапазона. Поэтому судовые станции АИС могут «видеть» цели в зоне «тени» за островами, мысами, изгибами рек и пр., куда зондирующие сигналы РЛС не проходят (рис. 10).

б

Рис. 10. Примеры окружающей обстановки, наблюдаемой визуально из рубки грузового судна (а) и отображаемой на индикаторном устройстве АИС (б)

Индикаторное устройство АИС использует элементы картографический системы, которые показывают береговую черту, острова, навигационные знаки, характерные точки. На картографическое изображение нанесены цели, получаемые от судовой станции АИС, которые на рис. 10 помечены цифрами в кружочках:

©

V - символ собственного (грузового) судна в виде кораблика с вектором движения;

^2) - символ катера, находящегося по левому борту и оборудованного аппаратурой АИС (символ катера ориентирован по курсу катера с вектором скорости, соответствующим истинной скорости катера);

Г 3 ) - символ выбранного пассажирского судна, находящегося прямо по курсу собственного судна. На экране индикаторного устройства АИС представляется с дополнительной информацией о названии (REGINA), курсе (076°) и скорости (14,8 узла);

^4) - символ цели, скрытой островом при радиолокационном наблюдении, но отображаемой на индикаторном устройстве АИС;

- символ навигационного знака, отображаемый на экране индикаторного устройства

— АИС, но не видимый визуально.

Преимущества аппаратуры АИС в данном примере очевидны, а именно:

- получение более полной информации в результате наблюдения за обстановкой на экране индикаторного устройства АИС;

- обнаружение скрытой цели;

- получение информации о курсах и скоростях целей в графическом виде, а на выбранную цель - дополнительной информации (в данном случае цифровые значения курса и скорости, название судна);

- точная и своевременная оценка обстановки и принятие правильного решения (совместно с картографической информацией).

Ситуация, представленная на рис. 11, осложняется ограниченным местом для маневрирования судов и поздним временем визуального обнаружения судов друг другом. Радиолокационное изображение (рис. 11, б) представлено для индикатора грузового суда. На экране радиолокационной станции грузового судна наблюдается только береговая линия и не видно небольшое пассажирское судно, следующее во встречном направлении, из-за затенения пассажирского судна высоким берегом.

а

б

Рис. 11. Ситуация расхождения грузового и пассажирского судов в узкости при использовании радиолокационной информации (а) и информации, представленной на индикаторном устройстве АИС (б)

На экране индикаторного устройства аппаратуры АИС (рис. 11, б) данная ситуация представлена с использованием элементов картографической информации (приводится береговая черта). Символ собственного (грузового) судна изображен в нижней части экрана АИС в виде кораблика с вектором движения. Пассажирское судно видно и представлено в виде символа - треугольника с вектором движения. В правой части экрана приводится информация о выбранном пассажирском судне: название («Магіеііа»), скорость, направление и угловая скорость поворота.

Судовые РЛС способны определять координаты целей со среднеквадратической погрешностью 30-50 м и скорости целей через 3 минуты после начала их автосопровождения со среднеквадратической погрешностью 0,8-1,2 узла.

Судовые станции АИС при вводе в приемник GNSS дифференциальных поправок по координатам и скорости обеспечивают десятикратное уменьшение погрешности определения координат целей, а также гораздо меньшие погрешности текущих измерений скоростей целей. При этом с высокой точностью определяются текущие координаты носа и кормы судна, положение его правого и левого бортов. По запросу судовых станций дифференциальные поправки могут передаваться береговыми станциями АИС.

Литература

Электронная навигация и ГМССБ для судоводителей: Монография / Ю.М. Устинов, А.А. Дуров, Д.А. Бакеев и др. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2009. - 194 с.