РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 1, c. 25–36
НАЗЕМНЫЕ И БОРТОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ УПРАВЛЕНИЯ КА,
ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ
УДК 629.783
Моделирование приема коллизий сигналов АИС
на борту КА
А.М.Кузнецов1, А.А.Романов2, А.А.Романов3
1аспирант, 2д. т. н., 3д. т. н., проф.
ОАО «Российские космические системы»
e-mail: amk.rss@gmail.com, romulas@mail.ru
Аннотация. При приеме сигналов АИС из космоса существенной проблемой является уменьшение количества
принятых сообщений из-за «коллизии сигналов» — одновременного приема нескольких сигналов от разных судов.
В данной статье представлен анализ модели АИС и частотыпоявления коллизий сигналов. Рассчитаны требования
к методике обработки сигнала, которая позволит обрабатывать коллизии и тем самым увеличит количество
детектированных судов. Проведено сравнение модельных и реальных результатов по количеству детектированных
судов.
Ключевые слова: АИС, спутник, мониторинг
Model for Receiving AIS Signals Collisions in Space
A.M.Kuznetsov1, A.A.Romanov2, A.A.Romanov3
1post-graduate student
2doctor of engineering science
3doctor of engineering science, professor
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: amk.rss@gmail.com, romulas@mail.ru
Abstract. When AIS signals are received in space onboard the satellite it provides significant problem, so called
“messages collision” — receiving several AIS signals simultaneously. This problem results in reducing the number
of detected ships. In this article the analysis of AIS model signals and messages collisions are presented. Parameters
of collision separating algorithms are researched and potential profit of it usage is presented. Model and real satellite
AIS data are compared.
Key words: AIS, satellite, monitoring
Стр.1
26
А.М.КУЗНЕЦОВ, А.А.РОМАНОВ, А.А.РОМАНОВ
Введение
Автоматическая идентификационная система
(АИС) — информационная система, предназначенная
для повышения безопасности мореплавания,
в рамках которой суда обмениваются между собой
информацией о навигационном статусе: координатах,
векторе скорости и др., а также рейсовой
информацией: порт отправления, назначения, степень
опасности груза и пр. [1]. Согласно конвенции
SOLAS ООН «О безопасности на море» судовая
аппаратура АИС обязательна к установке на
все крупные грузовые и пассажирские суда [2], таких
насчитывается порядка 90 тыс. Суда в открытом
море продолжают передавать навигационные
сообщения АИС, при этом мощность принимаемых
сигналов является достаточной для декодирования
сообщений на борту низкоорбитальных КА [3]. Это
позволяет производить мониторинг местоположения
судов в удаленных от берега акваториях.
ПротоколыАИС изначально не были предназначеныдля
приема сигналов на борту КА,
поэтому при размещении приемника АИС в космосе
сообщения от разных судов могут приходить
одновременно, повышая уровень внутриканальной
интерференции и образуя «коллизию сигналов»
или «коллизию сообщений». Порядок коллизии —
это количество сообщений в коллизии. Чем больше
сообщений принято в коллизии, тем больше ее
порядок.
Сообщения в коллизии искажаются, это не
позволяет выделять сообщения с помощью методик,
предназначенных для наземных приемников,
что приводит к потере информации. При наличии
более 2000 судов в ЗРВ КА детектируются не более
20% судов за 15 мин пролета КА над целевой акваторией,
в наиболее загруженных акваториях в ЗРВ
попадают порядка 8000 судов [4, 5].
В последнее время все большую актуальность
приобретают решения, связанные с адаптацией алгоритмов
обработки сигналов АИС к специфическим
условиям увеличенной ЗРВ приемника, в том
числе к явлению коллизии сигналов. В ряде методик
по обработке сигнала [6–8] предлагается
совместная обработка двух сообщений в коллизии
2-го порядка на основе принципа максимума
правдоподобия. Как известно, при одинаковой цене
ошибки такой подход позволяет добиться минимальной
вероятности ошибки [9]. Но при использовании
подобного подхода на практике возникают
следующие задачи: определение количества дополнительных
судов, которые детектируются при разделении
коллизий сообщений АИС 2-го порядка,
определение минимального порядка коллизии для
детектирования заданного процента судов в акватории;
сравнение полученных данных с числом судов,
детектируемых реальными КА.
В данной статье предложен алгоритм получения
оценки порядка коллизии для определения требуемого
числа судов в отдельных районах Мирового
океана. Данный алгоритм был применен к модели
сигнала АИС [10], полученные результаты сравнивались
с реальными данными действовавших КА
с приемником АИС.
Алгоритмоценки минимального
порядка коллизии АИС
В качестве входных параметров алгоритм получения
оценки порядка коллизии принимает данные
о распределении судов в интересующей пользователя
акватории Мирового океана и параметрыорбитыспутника
с приемником АИС. Выходные
данные алгоритма — это массивы, в которых
рассчитано, какое количество судов будет детектировано,
если с помощью методики обработки коллизии
были разрешены все коллизии не более чем
N-го порядка.
Прирасчетахнеявноиспользовалось следующее
предположение: если методика позволяет разделить
коллизию N сообщений, то та же методика
позволяет разделить и коллизию N −1 сообщений.
Первоначальные данные о движении судов
в заданной акватории приводятся к распределению
судов на регулярной сетке. Акватория разбивается
на ячейки 1◦ ×1◦, для каждой ячейки в акватории
рассчитывается, какое количество судов находится
внейвтечение дня. Затемданныесуммируются
с весовым коэффициентом, полученным исходя из
того, сколько часов в сутки судно было в ячейке,
и усредняются. Получившееся среднее количество
судов для каждой ячейки формирует новое распределение
судов.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЕМА КОЛЛИЗИЙ СИГНАЛОВ АИС НА БОРТУ КА
На первом этапе работыалгоритм на основе
параметров орбитыКА и рассчитывает те ячейки,
которые попали в ЗРВ КА в начальной точке
траектории. Принимающая антенна КА считается
всенаправленной, для передающей антеннысудна
ДНА берется из [11]. Средний период передачи
сообщения одним судном составляет 6 с [5]. Поэтому
моделирование принятого на КА информационного
сигнала ведется с шагом 6 с, вплоть до
крайней расчетной точки траектории. На каждом
шаге ведется перерасчет ячеек и судов, попавших
в ЗРВ КА, и учитывается, сколько пришло сообщений
вкаждыйотдельныйслот.
Для расчета требуемых параметров сообщений,
нужных для составления статистики распределения
сигналов в коллизиях, используется физическая
модель распространения сигнала АИС, реализованная
в работе [10, 12].
В рамках этой модели для каждого переданного
сообщения рассчитывается время прихода на
борт КА, мощность принятой энергией сигнала
и сдвиг центральной частотыиз-за эффекта Доплера.
Полученные
данные оформляются в виде таблиц
и гистограмм, отражающих количество принятых
коллизий N-го порядка. Из этих данных
рассчитывается количество принятых сообщений
в коллизиях N-го порядка.
Чтобысвязать количество принятых сообщений
и количество детектированных судов, используется
обновляемый массив данных, где для каждого
судна отмечается коллизия минимального порядка,
в которой от него за интервал моделирования
было получено сообщение. Полученный массив
позволяет оценить минимальный порядок коллизии,
которую надо разрешать для обнаружения
заданного числа судов в отдельной акватории Мирового
океана.
Из полученных таблиц рассчитывается доля
судов, которая может быть обнаружена с использованием
методики разделения коллизии 2-го порядка.
Чтобыоценить преимущества применения
методики, необходимо вычесть из полученного числа
детектированных судов те, которые могли быть
обнаруженыбез применения методики разделения
коллизий, — только по декодированным сообщениям,
которые приняты без коллизий.
27
Из материалов, опубликованных по результатам
работыуже запущенных приемников С-АИС,
рассчитывается среднее количество обнаруженных
в секунду судов и декодированных сообщений. Эти
данные сравниваются с оценкой числа судов, обнаруженных
в результате применения методики обработки
коллизий сигналов АИС.
Применение алгоритма оценки
порядка коллизии АИС
на модельных данных
На основе представленного алгоритма оценки
минимального порядка коллизии АИС разработано
ПМО, которое проверено на данных модели сигнала
АИС, принимаемого на борту КА.
Проблема построения модели сигнала АИС,
принимаемого на борту КА, подробно изложена
вдиссертации [12].Модель, предложенная в[12],
используется в данной работе.
Основой модели стало распределение судов,
приведенное в PasteMare, которое было дополнено
в северных широтах данными, приведенными
ФГУП «Морсвязьспутник». Данные по распределению
судов, опубликованные по итогам проекта
PasteMare, полученыс КА с приемником АИС на
борту. В силу особенностей работыКА, собиравших
сообщения АИС для PasteMare, данные о судах
в северных широтах (выше 65◦ с. ш. и ниже
65◦ ю. ш.) неполные. Для северных акваторий Российской
Федерации плотность распределения судов
была восстановлена на основе отчетов о положении
судов АИС, находящихся в навигации весной–
летом 2013 г., предоставленных ФГУП «Морсвязьспутник».
Для
проведения численного эксперимента выбрано
несколько акваторий в Мировом океане, сигналы
АИС из которых были смоделированы, а затем
проанализированы. Акватории выбирались из
следующих соображений: акватории вблизи границ
Российской Федерации, акватории Мирового океана,
содержащие различное число судов, акватории,
по которым известнырезультаты работыКА с приемником
АИС на борту. Расположение модельных
акваторий обозначено красными прямоугольниками
на рис. 1.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.3
28
А.М.КУЗНЕЦОВ, А.А.РОМАНОВ, А.А.РОМАНОВ
Рис. 1. Местоположение акваторий для получения модельных данных
Таблица 1. Параметрымодельных сигналов АИС
Название акватории
Северная акватория РФ
Акватория Дальнего Востока РФ
Тихий океан
Атлантический океан
Средиземное море
Желтое море, побережье Японии
Индийский океан
Общее число
сообщений, ед.
735 (100%)
40386 (100%)
23763 (100%)
82520 (100%)
212334 (100%)
306011 (100%)
338208 (100%)
При моделировании пролета КА над всеми модельными
акваториями наклонение КА принималось
равным 90◦, направление движения — с юга
на север, высота орбиты 670 км, радиус ЗРВ —
2700 км. Высота орбиты взята в качестве средней
высоты для запущенных низкоорбитальных космических
аппаратов с приемником АИС в период
2002–2014 гг. Наклонение орбитыв 90◦ применяется
для удобства отслеживания движения спутника
вдоль меридиана. Статистика по количеству
принятых сообщений приведена в табл. 1.
Анализ полученных данных показывает, что
максимум количества сообщений, извлеченных из
коллизии и правильно декодированных, приходится
на акватории со средним числом судов: 750–2300
(акватория Дальнего Востока РФ, Тихий океан,
Сообщений принято
без коллизий, ед.
531 (72%)
5805 (14%)
8199 (36%)
2167 (2,6%)
26 (0,01%)
0(0%)
231 (0,06%)
Сообщений в коллизии
2-го порядка, ед.
180 (24%)
8274 (20%)
8536 (36%)
7728 (9%)
222 (0,1%)
0(0%)
1564 (0,46%)
Атлантический океан). Это связано с распределением
сообщений по коллизиям: в регионах со средним
числом судов велико количество коллизий
2-го порядка — оно составляет до 35% от всего
числа принятых сообщений.
В районах с малым числом судов (Арктика)
ожидаемо мало коллизий, т. к. в эфире достаточно
свободных временных слотов для того, чтобы сообщения
принимались без наложения друг на друга.
В акваториях с большим числом судов (Средиземное
море, Желтое море, побережье Японии)
число судов и переданных ими сообщений настолько
велико, что принять коллизию даже 2-го порядка
— большая удача, число правильно декодированных
сообщений, извлеченных из коллизии, близко
кнулю.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЕМА КОЛЛИЗИЙ СИГНАЛОВ АИС НА БОРТУ КА
Таблица 2. Количество детектированных судов при разделении коллизии 2-го порядка
Детектировано
Название акватории/число судов
при пролете
Северная акватория РФ
151
Акватория Дальнего Востока РФ
1854
Тихий океан
750
Атлантический океан
2348
Средиземное море
6469
Желтое море, побережье Японии
7298
Индийский океан
4880
Детектировано судов
без разрешения
коллизий, ед./%
от общего числа
150
(100%)
1095
(59%)
698
(93%)
1291
(55%)
26
(<1%)
0
(–)
227
(4%)
Индийский океан представляет собой смешанную
акваторию: на протяжении первых 50 с полета
в ЗРВ КА находится небольшое число судов,
затем их количество стремительно растет.
Этот факт отразился в числе принятых сообщений:
1564 — промежуточная величина между
крайне загруженными акваториями, где число сообщений
2-го порядка стремится к 0, и акваториями
со средним числом судов, где количество
декодированных из коллизий сообщений 2000–
4000.
Для расчета количества детектированных судов
с помощью методики обработки коллизий
2-го порядка для каждого судна ведется запись,
какой минимальный порядок коллизии, где было
получено его сообщение.
Если от судна есть хотя быодно сообщение,
принятое без коллизии, то судно считается детектированным
без применения методики разделения
коллизии. В этом случае его сообщения, извлеченные
из коллизии 2-го порядка, не учитываются. Если
сообщение от судна было принято в коллизии
не менее 2-го порядка, то количество обнаруженных
судов при разделении коллизии учитывается
как число судов, обнаруженных благодаря использованию
методики.
судов из коллизии
2-го порядка,
ед./% от общего
числа
151
(100%)
1328
(71%)
710
(94%)
1830
(78%)
102
(1,6%)
0
(–)
725
(15%)
29
Детектировано судов из
коллизии 2-го порядка,
которые не детектированы
без разрешения коллизий,
ед./% от общего числа
1
(<1%)
436
(23,5%)
25
(3%)
518
(22%)
98
(1,5%)
0
(–)
558
(11,4%)
Результатыанализа по количеству детектированных
судов, а также оценка потенциального
выигрыша при применении методики разделения
коллизий изложена в табл. 2.
Анализ таблицыпоказывает, что наибольший
абсолютный выигрыш 22–23% наблюдается в регионах
со средним количеством судов (Атлантический
океан, акватория Дальнего Востока РФ).
В них велико количество сообщений, извлеченных
из коллизий 2-го порядка, а судов, детектированных
по сообщениям без коллизий, относительно
немного. За счет этого сообщения, извлеченные из
коллизии 2-го порядка, играют значительную роль.
За счет разделения коллизий доля детектированныхсудов
вэтихрегионахблизкак80%.
В Северной акватории РФ и в акватории Тихого
океана судов относительно немного, за время
пролета накапливается достаточно сообщений
без коллизий, чтобыдетектировать почти каждое
судно. При этом в Северной акватории РФ коллизий
сообщений почти не наблюдается, а в акватории
Тихого океана их достаточно, но их обработка
не имеет смысла, т. к. все суда детектируются при
обработке сообщений без коллизий.
В загруженных акваториях — Желтое море,
побережье Японии и Средиземное море —
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.5
30
А.М.КУЗНЕЦОВ, А.А.РОМАНОВ, А.А.РОМАНОВ
преобладают коллизии старших порядков, вероятность
детектировать хотя бынебольшое количество
судов невелика.
В Индийском океане наблюдается значительное
количество судов, сообщения без коллизии
приходят достаточно редко, поэтому роль сообщений,
выделенных из коллизии 2-го порядка, велика.
Эти фактывместе с увеличенным временем обзора
приводят к тому, что для этого региона выделенные
из коллизии сообщения почти всегда позволяют детектировать
новое судно. Но выделенных сообщений
не хватает для того, чтобыдетектировать 80%
судов.
Совместный анализ табл. 1 и 2 показывает,
что, несмотря на большое количество сообщений,
извлеченных из коллизий 2-го порядка, число
вновь обнаруженных судов во многих акваториях
относительно невелико. В тех случаях, когда сообщений
без коллизий достаточно много и их количество
превышает число всех судов в несколько
раз, большая часть судов может быть детектирована
по сообщениям без коллизий. В случае акватории
Тихого океана и Северной акватории РФ
большая часть судов детектируется по сообщениям
без коллизий.
Если сообщений в коллизиях 2-го порядка
больше, чем сообщений без коллизий, и число последних
сопоставимо с количество судов в акватории
или меньше, то после детектирования судов
без методики разделения коллизий остается значительная
доля недетектированных судов, которая
может быть дополнительно обнаружена. Это хорошо
видно на примере акваторий Атлантического
и Индийского океанов. Часть этих судов как раз
и детектируется по сообщениям, извлеченным из
коллизий 2-го порядка.
Таким образом, количество новых судов, которые
обнаружены по сообщениям, извлеченным из
коллизий, и не обнаруженыпо сообщениям без
коллизий, сильно зависит от отношения числа сообщений
без коллизий к числу судов. Если число сообщений
без коллизий превышает число судов в 5–
10 раз, большая часть судов будет детектирована
без применения методики разделения коллизий.
Анализ модели сигналов АИС на основе предложенного
выше алгоритма показал, что применение
методики разделения коллизий 2-го порядка
позволяет дополнительно обнаруживать в акваториидо23%судоввабсолютном
выраженииидо
3развотносительном. Успешностьприменения
методики зависитотколичествасудов вакватории
и их пространственного распределения. Наилучшие
показатели можно ожидать в акваториях
со средним числом судов (2500–3500).
Оценка порядка коллизии, которую
надо разрешать для определения
заданногочисла судоввакватории
Полученные в предыдущих параграфах данные
были дополнены результатами следующего исследования:
коллизии какого порядка должныразрешаться,
чтобыдетектировать 80% судов в акватории
за время пролета 300 с.
При моделировании пролета КА последовательно
помещался в географические точки на земном
шаре с шагом 10◦,начиная с0◦ с. ш., 0◦ в. д.
на высоте 670 км. В каждой точке на протяжении
300свеласьзаписьсигнала,которыйзатем был
проанализирован на предмет количества детектированных
судов при разделении всех коллизий сообщений
2, 3, 4-го порядка или без разрешения
коллизий. Полученные результаты линейно аппроксимированыи
нанесены на географическую карту.
Результатыпредставлены на рис. 2.
Анализ полученных карт показал, что разделение
коллизии 4-го порядка позволяет добиться
высокого уровня детектированных судов почти для
всех акваторий Мирового океана, кроме самых загруженных.
К таким относятся: побережье Северной
Америки, Средиземное море, моря Восточной
и Юго-Восточной Азии.
Численный эксперимент также показал, что
конечный результат зависит от траектории пролета
КА над акваторией. Например, при пролете КА
над Японией с запада в ЗРВ КА попадает 6000–
8000 судов в прибрежных водах Китая и Кореи,
при пролете с восточной стороныв ЗРВ КА попадают
акватории Тихого океана с малой плотностью
расположения судов, тогда общее количество судов
3500–4500. В первом случае сложно будет детектировать
хотя быодно судно, во втором часть судов
из той же акватории будет обнаружена.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.6
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЕМА КОЛЛИЗИЙ СИГНАЛОВ АИС НА БОРТУ КА
31
Рис. 2. Доля детектированных судов при условии разделения коллизий N-го порядка. Слева вверху — без разделения,
справа вверху — коллизия 2-го порядка, слева внизу — 3-го, справа внизу — 4-го
Таблица 3. Параметрысигналов в коллизии 2-го порядка
Название акватории
Северная акватория РФ
Акватория Дальнего Востока РФ
Средиземное море
Тихий океан
Желтое море, побережье Японии
Индийский океан
Атлантический океан
Тем не менее, для указанных на рис. 1 акваторий
проведенычисленные экспериментыпо анализу
гистограмм принятых коллизий сообщений.
Используя значения минимального порядка коллизии,
для каждой акватории рассчитан процент
судов, детектированных при применении методики
разделения коллизии N-го порядка. Усредненные
оценки порядка коллизии, которую надо разрешать
для определения 80% судов в акватории, приведеныв
табл. 3.
На основании этих оценок можно сформулировать
следующий вывод: методика разделения колПорядок
коллизии, которую надо разделять
длядетектирования 80% судоввакватории
0
2
6
0
8
4
2
лизий 2-го порядка позволяет эффективно детектировать
суда (обнаруживать более 80%) в акваториях
со средним количеством судов (до 2500 судов
в акватории). При обзоре акваторий с небольшим
числом судов (до 800) в использовании методики
нет необходимости, если время наблюдения акватории
значительное (порядка сотен секунд). В акваториях
с большим числом судов (более 6000)
необходимо применять другие подходы, позволяющие
уменьшить порядок коллизий. Для акваторий
с числом судов 3000–5000 методика разделения
коллизий 2-го порядка дает существенный,
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.7
32
А.М.КУЗНЕЦОВ, А.А.РОМАНОВ, А.А.РОМАНОВ
но недостаточный для детектирования 80% судов
эффект. В таких акваториях может быть эффективным
подходом выбор подходящей траектории пролета
КА.
Оценка количества
детектированных судов при малом
времени записи сигнала АИС
на борту КА
Численные эксперименты, указанные в предыдущих
параграфах, чаще всего проводились при
времени записи сигнала 300 с. Хотя для отдельного
наблюдателя на Земле время пролета КА при
прохождении через зенит от одного края небесной
полусферыдо другого составляет 900 с, в данной
работе считается, что за 300 с параметрыпринимаемого
сигнала меняются несущественно. Таким
образом, становится возможно оценить статистические
параметрыпринимаемого сигнала из целевой
акватории при примерно постоянных характеристиках.
Но
для реальных космических программ время
работыприемника АИС может быть меньше из-за
ограничений служебных подсистем спутника: сказываются
недостаток энергии подсистемы энергопитания,
малый объем передаваемых данных из-за
низкой скорости передачи данных.
Поэтому был проведен численный эксперимент
по записи сигнала на 2 каналах АИС над акваторией
Дальнего Востока в течение 30 с. ПараметрыорбитыКА
совпадают с параметрами КА в ходе полноценных
экспериментов по записи 300 с сигнала.
Материалы, полученные в ходе экспериментов
по записи 30 с и 300 с, приведеныв табл. 4 и 5.
Анализ приведенных таблиц показывает, что
при меньшей длительности записанного сигнала
сообщения, извлеченные из коллизии, вносят большую
роль в число обнаруженных судов. Это связано
с тем, что за короткое время работыне успевает
накопиться достаточно сообщений без коллизий,
чтобыдетектировать достаточное количество
судов, и почти каждое сообщение, извлеченное
из коллизии, позволяет детектировать новое судно.
В этих условиях 309 сообщений, извлеченных
из коллизий 2-го порядка, позволили дополнительно
детектировать 286 судов. Число обнаруженных
судов увеличилось в 2,5 раза.
Сравнение данных модели АИС
и реальных КА с приемником АИС
на борту
В 2002–2014 гг. в космос запущено более
30 приемников АИС. По ряду приборов имеется
обобщенная статистика: известно, сколько в среднем
в сутки детектируется судов, декодируется сообщений.
В некоторых случаях приводятся результатыпо
количеству декодированных за 1 с сообщений.
Так как большое количество приборов работает
в сеансном режиме, то часть усредненных
результатов не отражает цельную картину работы
приемников, кроме того, усреднение не позволяет
провести анализ отдельных акваторий.
Информация по спутникам AprizeSat-3,4 [13,
14], AISsat-1 [15], NORAIS [16], VesselSat-1,2 [17],
EV-1 [18] представлена обобщенным данными, выраженными
в среднем количестве детектированных
судов и декодированных сообщений в сутки, эти
показатели собраныв табл. 6. Данные по среднему
количеству сообщений АИС, принятых на КА Orbcomm
FM-39, NTS-1, Pathfinder-2, TacSat-2 (с использованием
монопольной антенны) [19], TacSat-2
(с использованием фазированной антенной решетки
(ФАР)) [19], полученыпутем умножения среднего
количества судов, детектированных в секунду,
на количество секунд в сутках.
Втожевремя для части КА сприемником
АИС известнырезультаты по конкретным акваториям.
Большая часть опубликованных данных по
результатам работыприемников АИС была приведена
в 2010 г. в отчете по итогам эксперимента
PasteMare, в рамках которого сделан сравнительный
анализ работающих на тот момент приемников
КС-АИС [10]. В тестировании принимали участие
приемники, установленные на КА NTS-1 (высота
орбиты630 км, наклонение 90◦), Pathfinder-2 компании
LuxSpace (высота орбиты 720 км, наклонение
98,3◦), 2 идентичных спутника FM-39, -37 компании
Orbcomm (высота орбиты 670 км, наклонение
48◦). Для сравнения выбирались акватории,
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.8
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЕМА КОЛЛИЗИЙ СИГНАЛОВ АИС НА БОРТУ КА
Таблица 4. Обработанные сообщения в ходе записи сигнала
Параметр
Время записи сигнала
Всего сообщений принято
Получено сообщений
без коллизии
Получено сообщений в коллизии
2-го порядка
Значение
параметра
8707
186
722
Процент от общего
числа сообщений
30 с
100%
2%
8%
40386
5805
8274
Таблица 5. Детектированные суда в ходе записи сигнала
Параметр
Время записи сигнала
Всего судов в ЗРВ
Получено судов без разделения
коллизии
Детектировано судов при обработке
коллизии 2-го порядка
Всего детектировано судов
Значение
параметра
1854
177
286
452
Процентотобщего
числа сообщений
30 с
100%
9,5%
15,5%
24%
1854
1095
1064
1452
Таблица 6. Обобщенные показатели работы приемников АИС
Название КА
TacSat-2 (монополь)
Orbcomm FM-39
TacSat-2 (ФАР)
Pathfinder-2
AprizeSat-3, 4 (суммарно)
AISsat-1
NORAIS
VesselSat-1
NTS-1
VesselSat-2
ExactView-1
Среднее количество принятых
сообщений АИС в сут, тыс.
4*
11*
112*
158*
460
500
350
900
1166*
1200
1500
* — показатели, рассчитанные на основе опубликованных данных
над которыми указанные КА пролетали с разницей
по времени не более часа, так чтобыих зоны
радиовидимости (ЗРВ) максимально пересекались.
По итогам эксперимента лучшие показатели
продемонстрировал КА NTS-1, в результате анализа
его данных было детектировано до 2 раз больше
судов, чем для остальных КА, снимавших ту же
акваторию в то же время. Количество детектированных
судов сильно зависит от географической
области и для NTS-1 составляет от 200 до 1100.
FM-39, -37 и Pathfinder-2 показали примерно одинаковые
результаты, в среднем на 30–40% хуже,
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Среднее количество детектированных
судов в сут, тыс.
–
–
–
–
25
20
22
23
–
30
45
Значение
параметра
Процент от общего
числа сообщений
300 с
100%
59%
57%
78%
Значение
параметра
Процент от общего
числа сообщений
300 с
100%
14%
20%
33
Стр.9
34
А.М.КУЗНЕЦОВ, А.А.РОМАНОВ, А.А.РОМАНОВ
Таблица 7. Результатыэкспериментов по приему сообщений АИС в разных акваториях
Акватория
Количество
судоввЗРВ
Южная Африка
Тихий океан
Восточноепоб.Сев.Америки
Япония
2000–3000
1800–2500
3000–4000
6000–8000
PF-2
165
164
147
-
Спутники
FM-39
218
266
–
268
111
142
–
–
–
–
NTS-1
М.о. Ст. откл М.о. Ст. откл М.о. Ст. откл
302
433
373
-
–
–
530
1000
КА с приемником АИС Общее число судов с приемником АИС,
обнаруженных в 1 с
NTS-1
Pathfinder-2
Orbcomm FM 39
8,35
0,16
0,09
чем NTS-1. В отдельных акваториях Pathfinder-2
детектировал на 20% больше судов, чем FM-39,
-37. Результатыэкспериментов по приему сообщений
АИС в разных акваториях приведены в табл. 7.
Как видно из таблицы, в среднем для простых
приемников ожидаемое количество детектированных
судов составляет 200–250 при наличии в ЗРВ
2000–3000 судов и 300–400 для более совершенных
приемников.
В табл. 8 показаныусредненные за 10 пролетов
результатыработыприемников над одной и той
же областью в Тихом океане вблизи западного побережья
США.
Как видно из таблицы, NTS-1 детектировал
в 50–90 раз больше судов в единицу времени, чем
другие КА. При этом бортовой приемник АИС работал
над каждой областью лишь 90 с, что в 7–
10 раз меньше, чем на других спутниках, но не
проводил обработку сообщений на борту. По команде
с Земли КА записывал входящий оцифрованный
сигнал длительностью 90 с, который
в течение недели передавался на наземные станции
связи, декодирование сообщений производилось
в лаборатории на Земле. По результатам работыза
7 мес, NTS-1 записал 52 мин оцифрованного
сигнала, в котором было декодировано 42 тыс.
сообщений от 14 тыс. судов. Это дает в среднем
13,5 декодированных сообщений, 4,5 детектированных
судна в 1 с. Видно, что полученные результаты
268
–
Таблица 8. Результатыработы различных приемников, полученные в ходе эксперимента над Тихим океаном
Общее число сообщений АИС,
декодированных в 1 с
32,9
1,85
0,13
отличаются от данных, приведенных в табл. 8. Это
связано прежде всего с неравномерностью распределения
судов в Мировом океане.
Сравнение результатов по количеству декодированных
сообщений для КА FM-37, -39 не совсем
корректно, потому что для уменьшения трафика
с наземной станцией связи спутники фильтруют
поступающие сообщения АИС с целью оставить
1–2откаждого судна засеанс.Поэтому приемники,
установленные на спутниках Orbcomm, можно
сравнивать с остальными приемниками только по
количеству детектированных судов.
Сигнал из данной области Тихого океана сгенерированспомощьюмоделиАИС,характеристики
полученного сигнала проанализированыдля
расчета количества декодированных сообщений,
разделенных коллизий сигналов и детектированных
судов.
Время съемки акватории составило 90 с, координатыначальной
точки КА — 30◦ с. ш., 153◦ з. д.,
высота орбиты 670 км, наклонение 90◦.Направление
движения КА — с юга на север. Основные результаты
вместе с рассчитанными относительными
характеристиками приведеныв табл. 9.
С учетом разделения коллизий общее число судов
с приемником АИС, обнаруженных в секунду, —
18, общее число сообщений АИС, декодированных
в секунду, — 28. Таким образом, результатыКА
NTS-1 по числу обнаруженных судов оказались
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.10
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИЕМА КОЛЛИЗИЙ СИГНАЛОВ АИС НА БОРТУ КА
35
Таблица 9. Основные результаты разделения сигналов в акватории Тихого океана с помощью методики разделения
коллизий 2-го порядка
Название параметра
Всего сообщений передано
Всегосудов быловЗРВ КА
Декодировано сообщений без разделения коллизий
Декодировано сообщений с учетом разделения коллизий
Детектировано судов без разделения коллизий
Детектировано судов с учетом разделения коллизий
улучшенными в 2,1 раза, по числу декодированных
сообщений — хуже в 1,2 раза. Если не применять
методику разделения коллизий, то число судов,
детектированных КА NTS-1, примерно совпадает
с предсказанным на модельном сигнале, что
говорит о корректности сравнения производительности
методик.
Уменьшение количества декодированных сообщений
может быть связано с неравномерным усилением
антенныNTS-1 на границах ЗРВ [15, 20,
21]. Часть времени в ЗРВ КА попадало большое
количество судов, находящихся вдоль береговой
линии Северной Америки, это привело к тому, что
сигналыот них дополнительно ослаблялись на антенне
и воспринимались как шум на фоне более
мощных сигналов от судов в открытом океане, потому
сообщения в коллизии легко декодировались.
Таким образом, на основе материалов о работоспособности
реальных КА с приемником АИС
подтверждена актуальность применения методик
разделения коллизий сообщений АИС 2-го порядка
для решения задачи увеличения количества детектированных
судов.
Заключение
В данной работе предложен алгоритм получения
оценки порядка коллизии для определения требуемого
числа судов в отдельных районах Мирового
океана. В результате применения данного алгоритма
к модели сигнала АИС показано, что разделение
коллизий 2-го порядка позволяет дополнительно
обнаруживать в акватории до 23% судов в абсолютном
выражении и до 3 раз в относительном.
Величина параметра В единицу времени
(в 1 с)
21637
1848
1111
2541
852
1620
240,4
–
12,3
28
9,6
18
Применение методики разделения коллизий
2-го порядка при обзоре акватории со средним количеством
судов (1000–2500) в течение 300 с позволяет
обнаруживать до 80% судов. При записи
сигнала в течение меньшего времени — 30 с — применение
методики позволит увеличить абсолютное
число обнаруженных судов в 2,5 раза.
Для наиболее загруженных акваторий (6000–
8000 судов) необходимо разделять коллизии 6–
8 порядка для детектирования 80% судов. Для акваторий
с числом судов 3000–5000 необходимо разделять
коллизии 3 и 4 порядков.
Сравнение результатов, полученных при обработке
модельного сигнала АИС, с результатами реальных
КА с приемником АИС на борту, показали
увеличение количества обнаруженных в 1 с судов
в2,1раз.
Проведенная работа позволила количественно
оценить влияние коллизий на число обнаруженных
судов при приеме сигнала АИС из космоса. Полученные
результаты необходимо учитывать при проектировании
спутниковой АИС.
Список литературы
1. ITU, Recommendation ITU-R M.1371-4: Technical
characteristics for an automatic identification system
using time-division multiple access in the VHF maritime
mobile band. [сайт] http://www.itu.int (дата
обращения: 10/январь/2013).
2. Международная организация IMO, конвенция
SOLAS. [Веб-узел организации IMO]
http://www.imo.org (дата обращения: 10/январь/2013).
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.11
36
А.М.КУЗНЕЦОВ, А.А.РОМАНОВ, А.А.РОМАНОВ
3. Международный союз электросвязи, «МСЭ-R
M.2084», отчет 2006.
4. Hoye G. Observation modelling and detection probability
for space-based AIS reception — Extended observation
area. Norwegian Defence Research Establishment,
FFI/RAPPORT-2004/04390, 2004.
5. Ginesi A., Cervera M.A. On the performance analysis
of a satellite-based AIS system // Tenth International
Workshopon Signal Processing for Space Communications.
— Rhodos, Greece, 2008.
6. Meehan T. J. Joint demodulation of low-entropy
narrowband cochannel signals, Naval postgraduate
school, Monterey, California. Дисс. NSN 7540-01280-5500,
2006.
7. Coulon M., Bonacci D., LeMaitre J., Millerioux J.-P.,
Tourneret R. J.-Y. Prevost Interference mitigation and
error correction method for AIS signals received by
satellite // 20th European Signal Processing Conference.
— Бухарест, 2012.
8. Thibaud Calmettes Jeremie Giraud.Methodfordemodulating
signals from a multi-access system able
to collide and equipment for implementing same.
Алгоритм US 8,963,587 B2. Май 11, 2011.
9. Скляр Б. Цифровая Связь. Теоретические основыи
практическое применение, 2-е изд. Под ред.
А. В. Назаренко. М.: Вильямс, 2007.
10. Романов А.А., Кузнецов А.М. Мониторинг судов
в северных широтах Российской Федерации с помощью
космического сегмента АИС // XXXVII академические
чтения по космонавтике. Москва, 2013.
C. 245–248.
11. OHB systems, ESPAIS AIS System Study — Final
Report. Отчет ESPAIS-OHB-FR-01, 08.12.2010.
12. Маслов А.П. Моделирование сигнала автоматической
идентификационной системы, принимаемого
на борту космического аппарата. Дисс. . . . на
соискание ученой степени магистра. Московский
физико-технический институт, 2014.
13. Lorenzini D.A. and CaJacob D.E. Rapid Construction,
Launch, and On-Orbit Operation of Two AIS
Satellites // 8th Responsive Space Conference.— ЛосАнджелес,
2010.
14. Turner Brinton Space Hardware Firm Doubles Down
on Ship Tracking Service // Space News, 2010, c. 14.
15. Skauen T., Eriksen A.N. et al. Tracking Ship Traffic
with Space-Based AIS: Experience Gained in First
Months of Operations // Waterside Security Conference
(WSS), 2010.
16. [Веб-узел компании SpaseQuest]
www.spasequest.com (дата обращения: 10/январь/2013).
17.
Ruy G., Schwarzenbarth K., van Schie B.,
Frap´
eJ.-B., Ries Ph., Moser H., Buursink J.VesselSat:
Building two Microsatellites in one Year //
Proceedings of the 4S (Small Satellites Systems and
Services) Symposium. — Портороз, 2012.
18. [Веб-узел компании ExactEarth]
www.exactearth.com (дата обращения: 10/январь/2013).
19.
Huffine Ch., Nicholson St., Duffey T.On-orbit results
from the TACSAT-2 ACTD target indicator experiment
ais payload // The 4S Symposium. Small
Satellites Systems and Services. — Нордвейк, 2008.
20. Ole Fredrik Haakonsen Dahl «Space-Based AIS Receiver
forMaritime TrafficMonitoring Using Interference
Cancellation», Norwegian University of Science
and Technology, Диссертация 2006.
21. Hoye G., Narheim B., Meland B. J., Eriksen T.Maritime
traffic monitoring using a space-based AIS receiver
// Acta Astronautica, 2006, №58. Iss. 10.
P. 537–549.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.12