AIS电子海图水域船舶监控系统

第一章、 前言

随着现今航运事业的蓬勃发展，水上交通状况日益复杂，各个海区和港口的船舶数量逐年大幅上升，这就要先进的水域监控技术提供更有效的安全保障。继雷达和ARPA之后，AIS海图电子信息是船舶监控管理又一项十分重要的技术，它能够综合水域地理信息，AIS船舶信息反应出所监控水域的船只连续位置以及相关的水域信息，对船舶进行监控，帮助船舶防范各种险情，保障航行的安全性。

1.1 电子海图信息系统 (Electronic Chart Display amp Information System) 基于统一的电子海图国际标准的目的，国际海事部门各组织逐步开始了对电子海图技术进行标准化研究，逐步确立了电子图示及其信息系统(ECDIS)的相关国际标准。国际海道测量组织(IHO)先后推出海图内容与显示规范(S-52)和海图数据传输交换标准(S-57)这两个标准，确立了基本电子海图的国际规范。

1.2 AIS信息系统 (Automatic Identification System)

国际海事组织（IMO）规定，2002年7月1日至2008年7月1日航行在国际航线300总吨以上的船舶和公约国航行于国内航线500总吨以上的船舶，分阶段执行配备船舶自动识别系统设备，AIS在船舶的强制安装，对于确保水上交通运输安全，促进水上交通运输事业的发展都具有极其重要的意义。

AIS和电子海图技术的结合是水域船舶监控管理的发展方向。电子海图动态可视化的显示AIS数据信息，包括水域中AIS船舶的经纬度信息、航向航速以及MMSI号等静态信息，同时还将ASI报文无偏差的转换成为地理数据，使得AIS动态航行信息完全的融入到电子海图中。

第二章、 AIS电子海图水域船舶监控系统架构

2.1.1 系统网络拓扑图

AIS船台AIS接收机数处理终端RS232路AIS基站据链数据链路AIS船台AIS船台以太网以太网串口服务器

图2.1AIS电子海图水域船舶监控系统架构图

如上图所示，AIS接收机从基站接收AIS报文，通过RS232将报文传输给串口服务器。串口服务器将串口数据转换成网络数据通过以太网络发送给指定接收端。

2.1.2 系统业务数据流转图

AIS船台AIS报文AIS报文AIS接收机AIS报文AIS基站AIS报文处理终端AIS报文AIS船台AIS报文串口服务器AIS船台 图2.1.2 AIS电子海图水域船舶监控系统业务数据流转图

如上图所示，AIS船台将船舶的动态信息和静态信息报文通过数据链路发送到AIS基站，中心AIS接收机收到基站的AIS报文信息，将AIS报文数据转发给处理终端，完成数据流转。

2.1.3 系统软件架构

WEBService海图发布服务子系统海图数据发布系统Windows ServiceAIS数据接收子系统船舶AIS数据WEBService船舶信息服务发布子系统AIS数据库

图2.13 AIS电子海图水域船舶监控系统软件架构图

如上图所示，系统采用BS与CS两种体系架构的混合模式。

1、系统采用Windows服务的模式接收从网络上接收AIS接收机转发的数据分析处理归类写入AIS情报信息库。

2、系统采用WEB Service模式发布海图数据。数据通过HTTP协议传输给访问端。

3、系统采用WEB Service模式发布AIS船舶信息数。数据通过HTTP协议传输给访问端。

4、发布系统采用有客户端的BS架构，通过BS模式获取海图信息以及船舶信息，将两种信息融合形成直观的水域船舶动态信息。

采用以上的BS与CS相接合的模式，CS架构获取船舶的数据写入数据库，其它均利用WEB Service的BS模式进行发布，使得系统灵活，可扩展性强；提供单客户端显示以及多客户端显示。

2.1.4 系统功能模块划分

1、AIS数据接收子系统（Windows Service）

Windows ServiceAIS数据接收子系统AIS数据接收功能模块AIS数据报文解析功能模块AIS数据分类归总功能模块AIS数据写入模功能模块

图2.1.4-1 AIS数据接收子系统功能模块划分

数据接收功能模块：从网络监听由串口服务器发送来的AIS情报数据。采用TCP/IP协议长连接数据监听。串口服务器为服务器，接收模块为客户端。

报文解析功能模块：将AIS报文数据依据国际标准协议规定的格式，解析出船舶原始数据，放入待处理队列。

数据分类功能模块：将原始数据进行分类，形成所需要查询航迹信息数据，去除冗余的数据，放入待写入队列。

数据写入功能模块：将处理好的航迹数据写入数据库中，提供其它子系统使用。

综上所述，该系统完成AIS情报数据接收与分类写入功能，其对数据主要处理为形成单批查询数据以及单时查询数据。为查询提供优化后的数据，简化前台

显示的计算。采用Windows Service使得无需人员操控，自动记录AIS报文数据。

2、海图发布子系统（WEB Service）

WEB Service海图发布子系统通讯功能模块海图数据组织模块海图数据管理模块

图2.1.4-2海图子系统功能模块划分

通讯功能模块：HTTP WEB Service响应模式，接收客户端的WEB请求。 海图数据组织模块：通过解析客户端请求中的地理信息，在海图文件库中找到对应的海图组织成海图数据，依托通讯功能模块将海图数据转给客户端。

海图数据管理模块：对海图数据文件的管理与发布。 3、AIS情报数据发布子系统(Web Service)

WEB ServiceAIS船舶信息服务发布子系统通讯功能模块AIS数据组织模块AIS数据管理模块

图2.1.4-3 AIS船舶信息服务子系统功能模块划分

通讯功能模块：HTTP WEB Service响应模式，接收客户端的WEB请求。 AIS数据组织模块：通过解析客户端请求中查询信息，在AIS情报数据库中找到对应的船舶信息数据组织成返回数据集，依托通讯功能模块将情报数据转给客户端。

AIS数据管理模块：对AIS数据的管理与发布。其包括数据分类，数据维护以及超时数据删除。

4、AIS电子海图水域船舶监控客户端子系统

AIS电子海图水域船舶监控客户端子系统通讯功能模块界面显控模块 图2.1.4-4 AIS船舶信息服务子系统功能模块划分

通讯功能模块：HTTP通讯模式，提交数据查询请求。 界面显控模块：业务逻辑的现实，其主要包括以下几个方法 1） S57国际标准海图显绘。 2） 海图测量（测距、测面积） 3） AIS船舶信息转换地理信息显绘。 4） AIS船舶动态航迹信息显绘。 5） AIS船舶静态航迹信息查询。 6） AIS船舶信息统计与查询。

7） AIS船舶航迹信息单批和单时重演。

以海图为基本背景，显示各种必要地理信息。可方便地控制各图层叠加显示，地图漫游，根据需要控制各区域的显示或隐藏。

信息状态显示区域 地图航迹显示区域 鹰眼地图显示区域 主功能菜单区域

2、目标航迹显示

接收、存储目标实时位置信息，在背景地图上叠加显示目标运动航迹，具有变色、变长、指示运动参数等功能。

控制目标航迹显示近期轨迹或全轨迹，显示指定区域内的轨迹，计算并显示指定目标的动态参数

AIS动态信息

AIS静态信息

3、地图作业标绘

在海图背景上分层叠加标绘图层。当为协同标绘模式时，通过数据传输模块将标绘数据传到的服务器，由服务器分发给所有在线用户或指定用户。

海图作业

4、航迹重演

在海图背景上分层叠加重演图层。重演数据通过调用Web Service获取符合

查询条件 查询结果 分页显示

第三章、 AIS数据格式说明

3.1、 AIS的信息

AIS系统采用船舶全球的唯一编码体制，即MMSI码作为识别手段。每一艘船舶从开始建造到船舶使用结束解体，给予一个全球唯一的MMSI码。1987年11月19日IMO通过了第A.600(15)号决议，推广应用MMSI码。目的在于加强海运安全和防止海运中的欺骗及防止船舶造成海洋污染的管理。MMSI码一般由当地船级社办理，现有的营运船可以向当地船级社提出申请获得。 3.1.1、

AIS信息内容

1) 静态信息：

a) IMO编号；

b) 海上移动业务识别码(MMSI)； c) 呼号及船名；

d) 船长、船宽、船舶类型；

e) 船上使用的定位仪天线的位置(离船舷距离和中心线左右距离) 2) 动态信息：

a) 船位及其精度标示和完好性状态； b) 世界协调时UTC时间；

c) 对地航向(1/10度为单位)； d) 对地航速(1/10Kn为单位)； e) 艏向(0~359度)； f) 航行状态(由人工输入)； g) 转向速率(若无可不发)； 3) 航次相关的信息：

a) 船舶吃水；

b) 危险货物(种类)按管理当局要求； c) 目的港及估计到达时间(船长估计)；

d) 选项—航路计划(航路点X基本电文中无此数据区)。 4) 与安全有关的短电文：

a) 与安全有关的寻址电文(包含源ID、目的地ID，安全电文长度可占

1~5时隙)；

b) 与安全有关的广播电文(只包含源ID，安全电文长度可占1~5时隙)。

3.1.2、

信息更新率

自主模式下信息的更新速率规定为:

1) 静态信息：6分钟以及接收到发送要求时； 2) 动态信息：根据船速不同，按下表1更新率报告；

3) 航次相关信息：6分钟及数据有变化时和接收到发送要求时； 4) 安全信息：根据需要。

表1 A级AIS自主模式的信息更新率 船舶状态 船舶锚泊或停泊且移动速度≤3kn 船舶锚泊或停泊且移动速度>3kn 船速0~14kn 船速0~14kn并改变航向 船速14~23kn 船速14~23kn并改变航向 船速>23kn 报告间隔时间 3min 1s 10s 10/3s 6s 2s 2s 船速>23kn并改变航向 2s 3.1.3、 AIS信息类别

包括信息摘要、信息描述;在信息描述中详细有位置报告、基地台报告、船舶静态和航行有关数据报告、船舶类别报告、使用全球导航卫星系统(GNSS)位置报告、安全信息报告、广播信息、世界协调时查询、差分GNSS信息、数据链的管理信息和信道管理信息等。共有22种报文。

表2 AIS处理报文列表

报文ID 名称 1. 2. 3. 4. 5. 8. 9. 14. 18. 19. 21. 22. 位置报告 位置报告 位置报告 岸基台报告 静态和航行的相关数据 二进制广播报文 说明 M/B 预定的位置报告（A级船载移动设备） M 指定模式下的预定位置报告（A级船载M 移动设备） 响应询问的专门位置报告（A级船载移M 动设备） 岸基台的位置、UTC、日期和当前时隙号 B 预定静态的、与航行相关的船只数据报M 告（A级船载移动设备） 广播通信的二进制数据 M/B M M/B M 标准的搜救（SAR）只与搜救工作有关的机载台的位置报飞机位置报告 告 与安全有关的广播报文 标准的B级设备位置报告 扩充的B级设备位置报告 助航装置报告 信道管理 广播与安全有关的数据 B级船载移动设备的标准位置报告被用于插入到报文1、2、3（8） B级船载移动设备扩充的位置报告：增M 加静态信息 助航装置的位置和状态报告 M/B 由岸基台进行信道和收发信机工作模B 式的管理，指定本工作区的地理坐标。 M：移动台，B：基台。

表3 A级AIS的位置报告报文内容表

参数 报文 ID 转发指示器 比特数 6 2 报文1、2、或3的识别符 用于指示报文转发次数。0～3；0＝缺省；3＝不再转发 说明 参数 用户ID 导航状态 比特数 30 4 说明 MMSI（海上移动服务识别码）数字 0 =发动机启动中, 1= 锚泊, 2 = 没有指挥, 3 =有限的机动性, 4 = 受它的吃水深度限制，5＝停泊，6＝搁浅， 7＝捕鱼中，8＝在航路航行中, 9=预留用于将来对于船载DG,HS或MP,或者IMO的C类危险品或污染物(HSC)时导航状态的修正,10=预留用于将来对于船载DG,HS或MP,或者IMO的A级危险品或污染物(WIG)时导航状态的修正,11-14=预留将来用,15=不定义=缺省. 转向速率ROTAIS 8 127. (-128 (80 hex)表示不可用,缺省). 编码: ROTAIS=4.733 SQRT(ROTINDICATED) º/min; ROTINDICATED =外部传感器指示的转向速率 (+/- 720 º/min ) + 127 = 右旋720 º/min 或更大; - 127 = 左旋 720 º/min或更大. 对地速度 SOG 位置精度 10 1 对地速度 ,步级1/10节 (0-102.2节) . 1023 = 不可用, 1022 = 102.2 节或更高. 1 = High (< 10m; 如 DGNSS接收机的差分工作模式); 0 = low (> 10m; 如GNSS接收机或其它电子定位设备的自主工作模式); 缺省 = 0 经度单位 1/10 000 minute ( ±180 º, East =正值, West=负值); 181 º (6791AC0 hex) =不可用=缺省 纬度单位 1/10 000 minute ( 90º, North = 正值, South = 负值. 91 º (3412140 hex) = 不可用 = 缺省) 对地航向单位 1/10 º (0-3599). 3600 (E10 hex)= 不可用 = 缺省; 3601 - 4095 不用 (0-359º) (511表示不可用 = 缺省). UTC 报告为 (0-59)=秒; 或报告为60 =时间标记不可用=缺省值, 或报告为 61=定位系统为手动输入模式 或报告为 62=定位系统工作在估计模式 (航位推测), 或 63=定位系统不起作用). 预留给区域管理者定义. 如果未用于任何的区域应用,则置为0. 区域应用不能用0. 不用, 置为0 电子定位设备的RAIM(接收机自主完好性监视) 标志：. 0=RAIM不用=缺省;， 1=RAIM在用. 经度 纬度 对地航向 COG 真航向 时间标记 28 27 12 9 6 预留为区域应用 备用 RAIM-标志 通信状态 比特数总计 4 1 1 19 168 3.2、 AIS的分类 AIS设备包括以下几类： 1) 船载AIS 2) 基站AIS

3) ATON AIS（辅助导航） 4) 机载AIS 5) 星载AIS

船用AIS 可分三大类: A 级(Class A) AIS、B 级(Class B) AIS、和AIS 接收器(Receiver Type AIS)。各类AIS 各有其不同应用范围，B级AIS安装在IMO尚未强制规定必须按照A级AIS的船舶上，有助于提高海上航行的安全。 B级AIS有两种类型，一种是CSTDMA（载波侦听时分多址），符合IEC-62287-1技术标准，一种是SOTDMA（自组织时分多址），符合ITU-R M.1371及IEC-62287-2技术标准，由于SOTDMA B级AIS协议与A级设备相同，可以看作是一种A级设备。

A级和B级设备的主要区别如下：

表4 AIS A级与B级设备区别

项目 协议 位置报告 静态报告 报告速率 报文通信 SOTDMA 消息1 消息5 最高速率2s 寻址：最长936bit A级 B级（SOTDMA） SOTDMA 消息18 消息19 最高速率5s 寻址：最长936bit B级（CSTDMA） CSTDMA 消息18 消息24A、24B 最高速率30s 寻址：最长96bit 广播：最长1008bit 广播：最长1008bit 广播：最长128bit 发射功率 最大12.5W 2W 2W 具体说明如下： 3.2.1、

协议区别

SOTDMA（自组织时分多址）是一种严格的时分多址技术协议，在A级设备和B级SOTDMA设备中采用。

SOTDMA是AIS标准（ITU-R M.1371）中规定的AIS数据交换用的数据链。标准中规定，以国际协调时（UTC）作为同步源，同步精度要求应<312s。在SOTDMA中，数据链使用权是自主选择获取的，每个AIS设备都是首先监听网络，记录每个时隙的使用情况，自动选择空闲时隙，并自动避免时隙冲突。SOTDMA协议非常复杂，目前全球只有少数公司掌握此技术。

B级CSTDMA（载波侦听时分多址）采用先听后发技术，某一时刻接收不到其它船舶发射信号，即可发射本机消息，协议较简单。为防止CSTDMA设备干扰AIS系统，CSTDMA发射消息长度不能超过一个时隙。 3.2.2、

静态报告的区别

A级设备具备通过消息5周期性发送标准A级设备静态报告的功能。 SOTDMA B级设备具备通过消息19周期性发送标准B级设备静态报告的功能。 说明：

消息19—扩展的Class B位置报告，增加了船舶类型和大小等信息，可以被其它A级设备识别。由于消息19占用了两个时隙，所以CSTDMA的Class B不能使用该消息。

表5 消息19内容

参数 消息ID 重复指示器 用户ID 留作地区应用 SOG 位置精度 报文19的标识；总是19 中继器用，表示报文已重复多少次。（0＝缺省，3＝不再重复） MMSI 留给地区主管当局去定义，如果不用，应当置为0。地区应用不应为用0 地速，0.1节步长（0-102.2节），1023不可用，1022表示不低于102.2节 1＝高（< 10 m例如DGNSS差分方式的接收机）， 0＝低（> 10 m例如GNSS自主方式或其它电子定位仪），缺省值 经度 经度，单位：0.0001 min（±180°，东＝正，西＝负），2的补码 181°（6791AC0H）＝缺省值＝不可用 纬度 纬度，单位：0.0001 min（±90°，北＝正，南＝负），2的补码 91°（3412140H）＝缺省值＝不可用 COG 对地航向，单位：0.1°（0-3599）， 说明 参数 说明 3600（E10H）＝缺省值＝不可用，不应当使用3601～4095 真航向 时间戳 （0-359°）（511表示不可用，缺省值） UTC秒，EPFS生成报告时，（0-59）； 或60，如果时间戳不可用，也是缺省值； 或61，如果定位系统处于手动输入方式；位置传感器不工作） 或62，如果电子定位仪运行在推算方式； 或63，如果定位系统不工作。 留作地区应用 名字 船舶类型 留给地区主管当局定义。如果不用于地区，应置为0，而地区应用不应为0 最多20字符，6比特ASCII，连续20个@＝不可用＝缺省值 0=没有船舶或不可用＝缺省值；1～99相关定义； 100～199＝留给地区应用；200～255＝留作将来使用 船舶大小/位置基准 电子定位仪类型 船舶大小，米；报告的位置的基准点 0＝无定义，缺省值；1＝GPS；2＝GLONASS；3＝组合GPS/GLONASS； 4＝罗兰－C；5＝Chayka；6＝综合导航系统；7＝观测；8～15＝不用 RAIM标志 电子定位仪的RAIM（接收机的自主整体监听）标志。0＝不用RAIM（缺省） 1＝使用RAIM DTE 指配方式标志 保留 合计比特数

数据终端就绪（0＝可用；1＝不可用） 0＝电台运行在自主和连续方式，缺省值；1＝电台运行在指配方式 不用，应当置为0 312bit CSTDMA B级设备通过消息24发送静态AIS数据报告，消息24包括24A和24B两部分，24A发射1min后应发射24B。 说明：

消息24—由于该消息是新增加的，原来的Class A船舶不能识别该消息，导致不能识别安装CSTDMA的Class B船舶。

表6 消息24A内容

内容 消息ID 中继器识别 用户ID 24 0 MMSI 说明（值） 编号 船名 0 = 消息24 A 最多20字符（6bit ASCII），缺省@@@@@@@@@...... 表7 消息24B内容

内容 消息ID 中继器识别 用户ID 编号 船只类型 Vebdor ID 呼号 24 0 MMSI 1 = 消息24 B 默认值 = 37，pleasure craft；缺省值 = 0，不可用 可选，缺省@@@@@@@@@...... MMSI注册呼号，缺省@@@@@@@@@ 说明（值） 船舶尺寸/定位基准 3.2.3、 报告更新率的区别

按照IEC 62287-1标准，以CSTDMA 方式工作的AIS，位置报告（消息18）的报告速率为：

1）当航速SOG ＞ 2kn，30s 2）当航速SOG ≤ 2kn，3min

按照ITU-RM. 1371 规范，以SOTDMA 方式工作的AIS，其回报告速率如下表：

表8 A级、B级船载移动台的报告周期

A级AIS 抛锚、停泊或速度≤3节 抛锚、停泊或速度>3节 航行速度0-14节 航行速度14-23节 航行速度>23节 航行速度>23节并改变航向 报告周期 3分钟 10秒 10秒 6秒 2秒 2秒 Rr 6 6 辅助导航 航行速度2-14节 B级AIS 报告周期 3分钟 3分钟 30秒 15秒 5秒 Rr 1/3 1/3 2 4 12 1/3 航行速度≤2节 航行速度0-14节并改变航向 3 1/3秒 航行速度14-23节并改变航向 2秒 18 10 航行速度14-23节 30 30 航行速度>23节 30 3.2.4、

报文通信的区别

A级和SOTDMA的B级设备严格按照ITU-RM. 1371 规范设计，寻址报文最长936bit，广播报文最长1008bit，可以进行文字消息的通信，还可以进行中文短消息的通信，方便用户使用，对该系统在我国的推广应用具有积极的促进作用。

按照IEC 62287-1标准，CSTDMA仅允许发射与安全有关的文字消息，发射消息长度不能超过一个时隙，寻址报文最长96bit，广播报文最长128bit，不能进行自动回复。