內(nèi)容提要:VTS是船舶交通服務(wù)系統(tǒng),在增進(jìn)船舶交通安全和效率及保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮著重要的作用。為了更好地發(fā)揮VTS的效能,擴(kuò)展VTS的管轄范圍,引入了基于船用雷達(dá)和AIS設(shè)備的移動VTS的概念。文章論述了該系統(tǒng)的組成、工作原理及其實(shí)現(xiàn)的方法。

關(guān)鍵詞:VTS 雷達(dá) AIS

0前言

隨著VTS的普及以及技術(shù)上的不斷更新和發(fā)展,VTS在增進(jìn)船舶交通安全和效率及保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮著重要的作用。然而VTS所管轄的水域有限?，F(xiàn)在VTS中都引入了AIS其作用主要是進(jìn)行船、岸之間的聯(lián)系及對船舶的識別并通過岸臺AIS網(wǎng)絡(luò)可以接收更遠(yuǎn)處船舶的信息,是VTS的一種近岸擴(kuò)展功能。但是,對于海岸環(huán)境太差無法建設(shè)AIS網(wǎng)站,或者離岸較遠(yuǎn)船舶,或者沒有安裝AIS的船舶,VTS無法發(fā)揮這種近岸擴(kuò)展功能。為了能更大限度地發(fā)揮VTS和AIS的功能,筆者引人移動VTS的概念。

利用海上船舶的雷達(dá)和AIS設(shè)備構(gòu)建移動雷達(dá)基站,將船舶雷達(dá)上所發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)參數(shù)通過船載AIS設(shè)備傳輸?shù)桨杜_AIS經(jīng)過處理后將目標(biāo)顯示在岸上VTS中心,也就是將船舶中的雷達(dá)設(shè)備通過AIS設(shè)備和岸上的VTS中心鏈接起來從而擴(kuò)展了VTS的管轄范圍。由于船舶的機(jī)動性船舶作為雷達(dá)基站不是固定的,可以臨時設(shè)在所需水域,如突發(fā)海事事故水域?yàn)?/SPAN>VTS中心提供現(xiàn)場信息f戰(zhàn)爭中作為前線偵察站為指揮中心提供交戰(zhàn)水域敵我雙方艦艇的分布等。顯然移動雷達(dá)基站具有固定雷達(dá)基站的功能,且更靈活、更方便。下面具體介紹移動VTS的系統(tǒng)組成、工作原理及實(shí)現(xiàn)方法。

1系統(tǒng)組成

移動VTS系統(tǒng)由VTS中心、岸臺AIS、移動雷達(dá)基站組成。移動雷達(dá)基站由船舶雷達(dá)和AIS組成。船舶雷達(dá)作為目標(biāo)信息的傳感器,將船舶周圍的目標(biāo)錄取鎖定并采集相關(guān)距離方位參數(shù)經(jīng)編碼處理后送船載AIS發(fā)射出去；岸臺AIS接收到信息后,經(jīng)過相關(guān)解碼處理,最后將固定VTS所不能發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)顯示在VTS中心。通常AIS的傳輸距離為幾十海里,再加上船載雷達(dá)的作用距離幾十海里使用移動VTS可以比固定VTS的有效作用距離得到進(jìn)一步擴(kuò)展。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示:

2移動VTS工作原理

在固定VTS上發(fā)現(xiàn)不了的目標(biāo),通過移動雷達(dá)基站的中繼，在移動VTS上能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測量目標(biāo)到VTS中心的距離和真方位。其距離、真方位轉(zhuǎn)換原理圖如圖2所示：

圖2中O點(diǎn)為VTS中心經(jīng)緯度可以通過岸臺AIS得到(l0、j0)；O¢為移動雷達(dá)基站位置,經(jīng)緯度可以通過船載AIS得到(l0¢、j0¢)；M為目標(biāo),R和C¢為船載雷達(dá)上測得的目標(biāo)的距離和真方位,經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到:

DX=RsinC¢,DY=RcosC¢ (1)

在低緯度和中緯度海區(qū)且航程不長時使用中分緯度算法計(jì)算移動基站到VTS中心的距離S和真方位C:

(2)

結(jié)合(1)(2)可以算出目標(biāo)到VTS中心的距離:

X=X0+DX，即X=SsinC+RsinC¢

Y=Y0+DY，即Y=ScosC+RcosC¢

轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)后的距離、真方位為:

D=（X2+Y2）1/2B=arctan（X/Y） (3)

由此可知,只要船載AIS將目標(biāo)的距離數(shù)據(jù)R和真方位數(shù)據(jù)C¢以及船舶雷達(dá)所在位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)(l0¢、j0¢)傳輸?shù)桨杜_AIS,經(jīng)計(jì)算處理后即可在VTS中心顯示出目標(biāo)的真實(shí)位置。

3實(shí)現(xiàn)方法

從移動雷達(dá)基站上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到VTS中心顯示目標(biāo),整個過程必須自動完成,才能適時、有效地發(fā)揮移動VTS的功能,因此必須在移動雷達(dá)基站和VTS中心分別開發(fā)相關(guān)應(yīng)用程序來完成中間的銜接工作。

3.1移動雷達(dá)基站的應(yīng)用程序

移動雷達(dá)基站要完成從雷達(dá)上對目標(biāo)數(shù)據(jù)的采集工作,提取目標(biāo)的距離、方位參數(shù),經(jīng)過編碼之后送AIS發(fā)射出去。

現(xiàn)代航海儀器都有數(shù)據(jù)的輸入輸出接口,其數(shù)據(jù)輸出規(guī)則遵循NMEA0183協(xié)議,具體可參考雷達(dá)使用說明書,例如利用KelvinHughesNucleus35000型雷達(dá),其目標(biāo)參數(shù)的輸出格式為圖3所示:

標(biāo)識字為$RATIM,①為目標(biāo)的編號數(shù)據(jù),②為目標(biāo)的距離數(shù)據(jù),③為目標(biāo)真方位。所以只要通過雷達(dá)的輸出串口和PC機(jī)連接在應(yīng)用程序中提?、诤廷鄣南嚓P(guān)參數(shù)就可得到目標(biāo)的距離、真方位參數(shù)。

AIS基于TDMA通信技術(shù)將目標(biāo)的動態(tài)和靜態(tài)信息以一定的數(shù)據(jù)格式通過VHF的方式播發(fā)、接收。同時提供輸出數(shù)據(jù)的接口以便輸出本船以及目標(biāo)船的動態(tài)和靜態(tài)信息。AIS系統(tǒng)可以用22種不同的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送,為了將目標(biāo)的距離和真方位發(fā)送出去,可以借助報(bào)文1(船位報(bào)告)來完成。在報(bào)文1中含有本船的航速、航向信息。通常AIS是通過輸入、輸出接口與計(jì)程儀、羅經(jīng)連接,自動采集本船的航速、航向信息發(fā)送出去。因此,可以利用串口與AIS連接,將目標(biāo)的距離和真方位數(shù)據(jù)代替本船的航速、航向數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)然,要使用符合NMEAO183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式來進(jìn)行編程。航速、航向的數(shù)據(jù)格式見圖4所示:

其中①為航跡向，⑤為對地速度。在應(yīng)用程序中將目標(biāo)的距離數(shù)據(jù)代人⑤中,真方位數(shù)據(jù)代入①中,通過串口輸出給AIS發(fā)送出去。

3.2VTS中心的應(yīng)用程序

該應(yīng)用程序的作用是將岸臺AIS接收到的信息經(jīng)過解碼后,提取目標(biāo)的距離、方位參數(shù)以及移動船舶的經(jīng)緯度參數(shù)。VTS中心的經(jīng)緯度是固定不變的可以從岸臺AIS中直接讀取以簡化編程,上述參數(shù)代人公式(1)、(2)、(3)得到目標(biāo)距離VTS中心的距離、真方位數(shù)據(jù),最后將其以一定形式顯示出來。

以下面的一句報(bào)文為例,對實(shí)際采集的AIS信息解碼過程進(jìn)行分析:

!AIVDM,1,1,,A,169JGUgP017pm1<；MFucTOvH00Se,0*63

由!AIVDM可知該信息為船舶的動態(tài)和靜態(tài)暗碼信息。其中169JGUgP017pm1<；MFucTOvH00Se是數(shù)據(jù)部分,每一位字符都為8bitASCII碼,首先必須逐一將其轉(zhuǎn)換為6bit二進(jìn)制碼,轉(zhuǎn)換參考表如圖5所示:

第一位字符1轉(zhuǎn)換后即為000001,字符6轉(zhuǎn)換后即為000110,依次類推,轉(zhuǎn)換后見圖6的左半部分。第一行的6個bit代表消息識別碼，000001轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的1,由此可知本句報(bào)文是1(船位報(bào)告消息)。

報(bào)文1的二進(jìn)制bit一共有6×28=168位,由其bit信息分配(請參見ITU-RM.1371一1§3.3.8.1),可知第8位后的30位bits(9-38)(011000100101101001011110010110)分配給了用戶ID(MMSI),將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后(412522390)即可解碼得出MMSI。用相同的方法可以解碼出SOG船舶對地速度(bits51-60)、Longitude(bits62-89)、Latitude(bits90-116)船舶所在地經(jīng)緯度(二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后除以10000,所得結(jié)果是以分為單位的經(jīng)緯度)、COG船對地航向(bits117-128)(二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后除以10)等信息(見圖6的右半部分)。

經(jīng)過解碼后得到目標(biāo)的距離為0.1nmile、真方位為296.1°,船基站經(jīng)度為110.28°(E)、緯度為20.03°(N),通過AIS達(dá)到了將船舶雷達(dá)上目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/SPAN>VTS中心的目的。

有了目標(biāo)數(shù)據(jù)后,可以將目標(biāo)以多種方式顯示出來:一種是直接顯示到VTS中心雷達(dá)上,優(yōu)點(diǎn)是效果逼真,缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)較困難,需要硬件支持；另一種是在PC機(jī)上顯示,以軟件的形式實(shí)現(xiàn)容易,但視覺稍差；在電子海圖上顯示所有目標(biāo)是一種不錯的選擇。

4結(jié)束語

文章介紹的一種新型的系統(tǒng)一移動VTS,是將雷達(dá)的目標(biāo)探測性能與AIS的通信功能結(jié)合起來擴(kuò)展VTS的服務(wù)范圍的一種嘗試,希望能得到人們的認(rèn)可,共同研究其實(shí)際使用價值。

參考文獻(xiàn)

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2吳建華.自動船舶識別系統(tǒng)的信息解碼技術(shù)研究武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)2007年第4期

3広野康平レーダ映像に基づいた船舶動靜情報(bào)の同定と陸上での利用に關(guān)する考察日本航海學(xué)會2002.9

作者：吳建華 牟學(xué)東  來源：航海技術(shù)