Дипломная работа: Применение на судовых станциях автоматических идентификационных систем
автоматическая идентификационная система информация
Суда при подходе к крупным морским торговым портам непрерывно следуют друг за другом и навстречу друг другу. В акваториях портов для обеспечения безопасности плавания определены пути раздельного движения, обозначены фарватеры следования, места якорных стоянок, трасс подводных кабелей.
Суда зачастую следуют по каналам, ширина которых соизмерима с размерами судов. Любой неоправданный маневр судна может привести к необратимым последствиям, крупным экологическим катастрофам. Поэтому при подходах к портам и в акваториях портов создаются системы, в которых контроль движения судов производится с помощью береговых радиотехнических средств.
Несколько лет назад, в середине 90-х годов, термин Автоматическая Идентификационная Система (АИС) был известен только узкому кругу специалистов в сфере безопасности мореплавания и навигационной техники. За короткий срок АИС прошла путь от технического предложения до обязательного, согласно Конвенции SOLAS, вида навигационного оборудования, подлежащего установке на большинстве типов судов с 1 июля 2002 г.
Начало тысячелетия совпало с созданием новой судовой международной навигационно-связной системы идентификации и отображения навигационной обстановки - автоматической информационной (идентификационной) системы (АИС). Система АИС работает в ОВЧ диапазоне частот при ближней связи и использует каналы системы ИНМАРСАТ-С при дальней связи.
Особенность системы при ближней связи заключается в применении многостанционного доступа с временным разделением каналов; системы GNSS для синхронизации кадров излучаемых сигналов; нового метода модуляции сигналов с минимальным фазовым сдвигом; высокоскоростной передачи данных; высокоинформативного отображения навигационной обстановки на дисплее.
Десятки тысяч морских, рыбопромысловых и речных судов в период 2002-2008 гг. будут оснащены судовыми станциями АИС, рассматривается возможность размещения аппаратуры АИС на кораблях ВМФ и Пограничной Службы.
Мобильные станции АИС в дальнейшем будут устанавливаться на все виды средств навигационного обеспечения (СНО), на воздушные суда поиска и спасания.
Береговыми станциями АИС будут оснащаться побережья морских районов А1 ГМССБ, системы АИС будут входить в состав средств систем управления движением судов (СУДС). Крупнейшие фирмы-производители судовой радиоэлектронной аппаратуры на основе международного стандарта МЭК 61993-2 создадут в ближайшие годы разные модификации аппаратуры АИС, конкурирующие друг с другом.
Судовые станции АИС будут конвенционным оборудованием, которое обязательно для установки на всех судах с водоизмещением более 300 регистровых тонн. Следует ожидать, что в дальнейшем упрощенные модификации мобильных станций АИС будут устанавливаться и на судах меньшего тоннажа: прогулочных судах, яхтах, катерах и др.
Таким образом совершился новый скачок в развитии средств связи, навигации и устройств отображения, который приведет к необходимости изменения:
- минимального состава судового радиооборудования во всех морских районах ГМССБ;
- состава оборудования береговых станций морских районов А1 ГМССБ и центров управления СУДС и мониторинга.
Относительно несложная с технической точки зрения, небольшая по габаритам и недорогая в производстве судовая аппаратура АИС, по оценке специалистов, может внести существенный вклад в безопасность мореплавания, сравнимый с появлением на морском флоте радиолокационных станций (PJ1C) или спутниковой навигации.
В 1988-89 г.г. Комитет по VTSМеждународной ассоциации маячных служб (IALA), включая экспертов из IAPH, IAIN, IFSMAи IMPА, 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 IALAна тридцать шестую сессию Подкомитета по безопасности судоходства (NAV36) 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 VHFтранспондеры, IALAпредставила на сессию NAV37 в 1991 г. документ с более строгими техническими требованиями. Проект технических требований носил название "Радиотранспондеры для целей VTSи возможности опознавания судна с берега", но кроме применения к задачам VTSпризнавались 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.
После долгих (и часто напряжённых) дискуссий на форумах IMOи IALAв течение ряда лет постепенно возникли две системы на базе VHFрадиосвязи : Транспондер на основе протоколов цифрового избирательного вызова (DSC), использующий VHFканал 70, и "Вещательная" универсальная AIS, использующая методы самоорганизующегося множественного доступа с временным уплотнением (STDMA).
Вариант с DSC
Системы, выполненные согласно Рекомендациям ITU-RМ.825, использующие методы цифрового избирательного вызова, применяются главным образом в качестве транспондеров для передачи данных с судов на берег по VHFканалам. 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 AISVHFканал обеспечивает пропускную способность до 500 сообщений в час. Совместное использование канала 70 с GMDSSтакже 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-RМ.825 были приняты дополнительные процедуры судовой связи, использующие разновидность протоколов DSC, но работающие на отличных от канала 70 VHFканалах. Транспондеры, выполненные согласно этому стандарту, тоже обеспечивают опознавание и сопровождение судна судном, но только в ограниченной мере.DSCтранспондеры не достигли окончательной поддержки принятых IMOтехнических условий; однако DSCтехнология оказалась привлекательной для нескольких государств. VHF (DSC) канал 70 уже определён в качестве VHFкомпонента 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 А1/А2 согласно мероприятиям по развертыванию GMDDS. Это означает, что все суда, оперирующие в их территориальных водах, и береговые станции, обслуживающие эти суда, должны быть оборудованы VHFDSCаппаратурой 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 VTSили 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 VTSв порту Валдиз (шт. Аляска) - два примера систем AISна базе DSC.Кроме того, DSCслужит для администраций гибким средством автоматического выбора VHFчастотных каналов, на которых работает AIS, в регионах, где выделенные для AISканалы недоступны. По этой причине некоторые страны были заинтересованы в том, чтобы разрабатываемые организацией IECстандарты на проведение испытаний "вещательных" AISдопускали 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 DSCи была принята IMOи ITU-Rв качестве стандарта AIS.
Проще говоря, AIS- вещательный транспондер, работающий в VHFдиапазоне 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 IALAразработала первоначальный проект "универсального" стандарта для IMO, образовав специальную группу из представителей промышленности и государственных органов. Проект в уточнённой форме был рассмотрен на сессии NAV43 (июль 1997 г.) и официально принят конференцией MSC69 11 мая 1998 г. под названием "Приложение 3 к резолюции IMOMSC.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-Rи IEC, описывается ниже.
Как уже кратко говорилось, универсальная AISсогласно определению IMOи ITU-R- это судовая вещательная транспондерная система, работающая в VHFдиапазоне 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. AISиспользует 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 DSCсистемами, что позволяет береговым GMDSSдёшево создавать каналы на рабочей частоте AISи опознавать и сопровождать суда, оборудованные АГБ. Каждая система AISсостоит из одного VHFпередатчика, двух VHFTDMAприёмников, одного VHFDSCприёмника 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 MFприёмника 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 AISобычно 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 VHFдонесения 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 VHFсимплексный канал позволяет передавать примерно 2000 донесений в минуту при скорости передачи 9600 бит в секунду, 12,5-кГц VHFсимплексный 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 GNSSс 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 AISнепрерывно синхронизируются друг с другом с тем, чтобы избежать перекрытия передач в окнах. Станция AJSвыбирает 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.
Технические условия IMOи извещение IMOдля ITU-Rопределяют тип обмениваемых данных, но не определяют требуемую интенсивность передачи сообщений. Комитет по VTSассоциации IALAизучал эту проблему, и было бы интересно рассмотреть этот вопрос с точки зрения потребностей служб VTSи систем судовых сообщений в будущем. Рассмотрение основывалось на современных методах радиолокационной проводки, временных интервалах между последовательными засечками местоположения в системе DGNSSи, 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 DGNSSобеспечивает 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. VHFтранспондер, 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.