星载AIS检测概率计算模型与算法分析✴

王海砚，席在杰，杨文静

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

星载AIS检测概率计算模型与算法分析✴

王海砚，席在杰，杨文静

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

针对国外星载AIS（Automatic Identification System）系统由于时隙冲突导致检测概率降低的问题，提出了一个检测概率计算模型。通过分析影响检测概率的各种因素，得出概率计算的算法，并对算法进行了理论分析。对于某个具体的星载AIS系统，将系统参数代入到该模型中，可以得到该系统的检测性能，从而为实际工程提供理论参考。

星载AIS系统；检测概率；时隙冲突

1 引言

船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）是一种海上无线通信系统，主要用于对海上航行的船舶进行动态跟踪，实现船舶-船舶、船舶-船岸的通信，用于交互船舶标识、位置、航向、航速等航行信息。星载AIS是通过卫星接收各种AIS终端的消息，以达到在更大范围的海域内监测AIS终端，并保证航行安全和国防安全，以及保护环境的目的。

星载AIS由挪威防御研究组织（Norwegian Defense Research Establishment，FFI）在2003年提出［1］。此后，FFI对星载AIS接收消息进行了可行性研究，并发表了相关论文［1］。美国国家无线电信息部门、挪威科技大学也针对其检测概率的问题发表了相关的研究论文［2］。以上论文均简单介绍了检测概率计算模型，并直接给出了最终的概率计算公式，但是针对时隙冲突对检测概率的影响情况，只是进行了近似的处理。

通过对国外相关文献的分析，本文对星载AIS的检测概率进行了较深入的研究。首先通过研究影响星载AIS检测概率的各种因素，建立一个检测概率计算模型。接着，详细讨论不同的时隙冲突情况，将它对检测概率的影响用划分冲突区域的方法进行准确的量化处理，并分析了不同情况下的概率计算算法，最终得出相应的概率计算公式。最后，对检测概率算法进行了理论分析。

2 星载AIS系统

AIS系统采用高斯最小频移键控调制方式，传输速率为9 600 bit／s。它具有两个发射信道，即由国际电信联盟分配的CH87B（AIS l，161.975 MHz）和CH88B（AIS 2，162.025 MHz），通常，AIS消息通过这两个信道交替发送。它主要使用自组织时分多址（Self-Organized TDMA，SOTDMA）协议工作。它将1min作为一个超帧［3］，包含2 250个时隙，每个时隙包含256 bit（占时约26.7ms）。

AIS消息结构如表1所示，其中，缓冲段通常包含24 bit，其中的12 bit用于传输保护，传输保护时间为1.25ms，传输保护之外的其它数据段时间为25.4ms。

星载AIS系统［4］是实现卫星与AIS终端通信的无线通信系统，其系统概念图如图1所示。图中，大圆表示卫星覆盖的海域，虚线小圆表示多只船舶组成的视距通信区域，该区域通常为半径为20 nmile［4］的圆形区域，视距之外的两只船舶之间不能相互通信。卫星接收海域内每个船舶的AIS消息，同时与岸上的监测中心进行通信。

3 检测概率影响因素

星载AIS系统在监测AIS船舶的过程中，检测概率是一个很重要的指标。在卫星观测时间内，处于观察范围的每只船舶可能发送多条AIS消息，如果它发出的消息中至少有一条消息被卫星收到和解析，则认为该船舶被检测到，而被检测到的船舶数目与所有船舶数之比即为检测概率。

星载AIS的检测概率与以下3因素有关。

（1）AIS船舶状态。AIS船舶主要包括A类和B类船舶。船舶状态指船舶在海域的分布情况和工作状态。船舶分布情况是指整个观察范围内船舶分布的疏密程度。船舶工作状态是指它的航行状态即航行速度和航向，不同的工作状态对应于不同的消息发送周期。

（2）卫星工作参数。指卫星的高度、观察范围和观测时间，由卫星的轨道和安装在其上的AIS天线的覆盖范围决定［2］。

（3）时隙冲突。指卫星在同一个时隙接收到多条AIS消息，分为I类、II类、III类时隙冲突，下面进行具体说明。

考虑两只船舶出现冲突的情况。如图2所示，假定船舶1和船舶2均在第i个时隙发送一条消息，卫星先接收到船舶1的消息，然后等待一个接收延时差Δt2-Δt1后开始接收船舶2的消息，此时发生了时隙冲突。现假定船舶2之前在第i-1个时隙也发送了一条消息，则该消息也可能会与船舶1的第i个时隙的消息发生冲突。这取决于时隙的传输保护时间和接收延时差的大小：

（1）当接收延时差小于等于传输保护时间时，不会冲突，这种情况称为I类时隙冲突［2］；

（2）当接收延时差大于传输保护时间，但小于时隙的数据段时间（25.4ms）时，船舶2的第i-1个时隙也会与船舶1的第i个时隙发生冲突，这种情况称为II类时隙冲突［2］；

（3）当接收延时差大于时隙的数据段时间时，船舶2的第i个时隙不会对船舶1的第i个时隙产生冲突，只有第i-1个时隙或者更前的某个时隙会对船舶1产生冲突，这种情况称为III类时隙冲突，考虑到卫星的观察范围，通常不考虑该类冲突。

4 检测概率计算模型

4.1 模型介绍

根据第3节对检测概率影响因素的分析，建立以下概率计算模型。该模型是假定卫星观察范围为一个圆形区域，如图3所示。

在概率计算模型中，半径为R的圆形区域表示卫星的整个观察范围，圆心O表示卫星正对在地球表面的点。很小的黑色实心小圆表示一只船舶，它离圆心的距离为r。我们先以观察范围内指定的一只船舶为分析对象，讨论它发送的消息被其它船舶冲突之后被卫星成功检测到的概率，然后再讨论卫星在整个观察范围内对所有船舶的检测概率。

模型中涉及到以下参数：卫星的观察范围（半径为R nmile的圆形区域）、高度（h nmile）、观测时间Tobs、A类船舶总数N、船舶在整个观察范围内的分布情况（均匀分布）、船舶发送的每条消息占用的时间τ（26.7 ms）、发送消息的信道数nch，以及每只船舶的平均发送周期ΔT。

4.2 时隙冲突区域划分

根据上述模型，先讨论h、R与时隙冲突区域之间的关系，然后分为几种不同的情况讨论概率计算算法。

图4为卫星与观察范围内的船舶的剖面图。其中，原点O与卫星的距离为h，在观察区域内任选一点Q，与原点距离为r。

假设存在一点A，与原点距离为I1（h，r），且A点比Q点到卫星的距离小202.703 nmile（发生I类和II类冲突的临界距离），则可以计算得到：

假设存在一点C，与原点距离为I2（h，r），C点比Q点到卫星的距离大202.703 nmile，则可以计算得到：

现考虑两种特殊情况：

（1）当A点处于原点O时（I1（h，r）=0），则Q点离O点的距离为

（2）当C点处于D时（I2（h，r）=R），则Q点离O点的距离为

时隙冲突的情况由卫星观察范围半径R、I1和I2的关系确定。先令I1=I2，得到：

此为R的一个临界值，区分不同的时隙冲突情况：

（1）当R≤I1，即时，所有船舶都只受到I类时隙冲突的影响；

4.3 算法分析

对于卫星观察范围内的一只指定船舶，发送的消息被冲突的概率为

由此得到，该船舶发送一条消息被成功检测的概率为

其中，nch为发送消息时使用信道数（取值为2，即分配两个信道CH87B和CH88B）；k表示另一只船舶对指定船舶的时隙冲突类型，如果另一只船舶对指定船舶产生了I类冲突，则k=1；如果产生了II类冲突，则k=2。

下面针对上述3种不同的时隙冲突区域情况进行分析。

对于指定的船舶，它被成功检测到的概率计算过程如下：先假定在整个观察范围内，除了指定的船舶外，如果只有一只船舶，计算指定船舶发送一条消息被成功检测的概率。然后假定在观察范围内总共有N只船舶，计算指定船舶发送一条消息被成功检测的概率。最后，计算指定船舶在卫星检测时间内发送M条消息至少有一条消息被成功检测的概率，从而得到在Tobs内卫星的检测概率为

此种情况下，I1＞I2。根据I1、I2将卫星观察范围分为3个区域，如图5所示。

检测概率计算过程如下：先计算区域1中的任一船舶受到I类和II类时隙冲突后成功检测的概率，然后利用积分计算得到该区域内检测到的船舶平均数目为

式中，S11=π［I2（h，r）］2表示产生I类冲突的区域面积，S21=πR2-π［I2（h，r）］2表示产生第II类冲突的区域面积。该船舶受到的时隙冲突情况如图6所示。

同理，可计算区域2和区域3中检测到的船舶平均数目。然后，将上述3个区域的成功检测的船舶平均数目相加，得到整个卫星观察范围内检测到的船舶数目Ndet。当每只船舶发送一条消息时，卫星的检测概率为P1.N=Ndet／N。最后得到在观测时间T内，每只船发送消息数，检测概率为

此种情况下，I1≤I2。用上述类似的方法可以得到在观测时间Tobs内，卫星的检测概率为

其中，P1，N的计算公式与第二种情况类似。

5 理论分析

5.1 函数曲线图

本节针对第4节中3种不同的时隙冲突区域情况，分别给出了船舶的总数量与检测概率的函数曲线图。

对于第一种情况，假定以下参数条件：h= 378 nmile；R=400 nmile；ΔT=6 s；nch=2；Tobs= 214 s。图7中显示了船舶的总数量（1～5 000艘）与检测概率（即卫星检测到的船舶数量与船舶总数之比）的函数关系。

对于第二种情况，假定以下参数条件：h= 540 nmile；R=700 nmile；ΔT=6 s；nch=2；Tobs= 214 s。其函数曲线图如图8所示。

对于第三种情况，假定以下仿真条件：h= 540 nmile；R=1 815 nmile；ΔT=6 s；nch=2；Tobs1= 900 s、Tobs2=1 h、Tobs3=24 h。图9中显示了船舶的总数量与检测概率的函数关系，其中，P1（N）、P2（N）、P3（N）分别对应于不同观测时间900 s、1 h、24 h下的检测概率。

5.2 结果分析

根据上面的仿真分析图可以得到，检测概率与观察范围内的船舶数量、观察范围半径、卫星观测时间以及船舶消息发送周期有关。在其它参数不变的情况下，随着船舶总数增大即分布密度变大，检测概率将会降低；随着观察范围半径增大，时隙冲突的机会增多，即由只存在I类冲突变为同时存在I类和II类冲突时，检测概率将会降低；随着卫星观测时间增大，检测概率将会较明显的提高；随着消息发送周期增大，检测概率将会显著提高。

［1］Gudrun K H，Torkild Eriksen，Bente JMeland，etal.Space -based AIS for globalmaritime traffic monitoring［J］.Acta Astronautica，2007，62（2／3）：240-245.

［2］Ole Fredrik Haakonsen Dahl.Space-Based AISReceiver for Maritime Traffic Monitoring Using Interference Cancellation［D］.Norwegian：Norwegian University of Science and Technology，2006：1-123.

［3］胡越黎，孙斌.AIS网络数据链路容量分析及拥塞解决方法［J］.计算机测量与控制，2007，15（11）：1631-1634.

HU Yue-li，SUN Bin.Data Link Capacitance and Congestion and Resolution for AIS［J］.Computer Measurement＆Control，2007，15（11）：1631-1634.

［4］Recommendation ITU-RM.1371-1，Technical Characteristics for a Universal Shipborne Identification System using Time Division Multiple Access in the VHF Maritime Mobile Band［S］.

WANG Hai-yan was born in Chongqing，in 1978.She received theM.S.degree in 2003.Her research direction is communication network protocol.

Email：17713796＠qq.com

席在杰（1982—），男，湖北石首人，2006年获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为通信网络协议；

XIZai-jie was born in Shishou，Hubei Province，in 1982.He received the M.S.degree in 2006.He is now an engineer.His research direction is communication network protocol.

杨文静（1982—），女，湖北天门人，2008年获硕士学位，现为助理工程师，主要研究方向为通信网络协议。

YANGWen-jingwasborn in Tianmen，HubeiProvince，in 1982. She received the M.S.degree in 2008.She is now an assistant engineer.Her research direction is communication network protocol.

Calculation Model and Algorithm Analysis of Detection Probability of Spaced-based AIS

WANGHai-yan，XIZai-jie，YANGWen-jing
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

For the problem that the detection probability of foreign space-based AISs（Automatic Identification Systems）is reduced due to time slot collision，a calculationmodel of detection probability is presented.A calculation algorithm is given by analysing all factors influencing the probability and the algorithm is analysed in theory.For a specific space-based AIS，detection performance can be obtained according to themodel using the system parameters，which provides theoretical reference for practical projects.

space-based AIS；detection probability；time slot collision

TN973.1

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.009

王海砚（1978—），女，重庆人，2003年获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为通信网络协议研究；

1001-893X（2011）11-0042-05

2011-05-12；

2011-06-22