Nghiên cứu tính toán xác suất truyền tín hiệu hàng hải trong kênh thông tin của hệ thống tự động nhận dạng tàu thủy ais đối với độ chính xác an toàn hàng hải
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….3
1. Tính cấp thiết của đề tài………………………………………………….....3
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài………………………………………….....4
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu……………………………………….....4
4. Phương pháp nghiên cứu đề tài………………………………………….....4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài……………………………….......5
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TỔNG QUÁT VÀ NGUYÊN LÝ
HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THUỶ
AIS ………………………………………………………………………….6
1.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống tự động nhận dạng AIS…………….......6
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống AIS…………………………………………......6
1.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản bắt buộc đối với hệ thống AIS………….11
1.1.3. Các hệ thống khác nhau trong tổ hợp của hệ thống tự động nhận dạng
AIS…………………………………………………………………………...11
1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống AIS trên tàu biển…………………...13
1.2.1. Nguyên lý…………………………………………………...………...13
1.2.2. Đồng bộ trong hoạt động đa truy cập, tự phân chia thời gian…...…....15
1.2.3. Điều hành kênh truyền sóng…...………………………………….......20
1.2.4. Thông tin trong bức điện AIS………...…………………………….....23
1.3. Kết luận chương 1……...……………………………………………….26
CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU VÔ TUYẾN ĐỐI VỚI CÁC
KÊNH THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU
THUỶ AIS …………………………………………….…………………..27
2.1. Ảnh hưởng của nhiễu phản xạ…………......……………………………27
2.2. Ảnh hưởng của nhiễu trắng………………...…………………………...29
1
2.3. Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh …………...…………...…………...31
2.4. Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh…...………………...…………………32
2.5. Ảnh hưởng của nhiễu đa truy cập………...…………...………………...33
2.6. Kết luận chương 2………………….……………………………….....35
CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN VÀ TÍNH TOÁN XÁC
SUẤT TRUYỀN TÍN HIỆU HÀNG HẢI TRONG KÊNH THÔNG TIN
CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THỦY AIS ĐỐI VỚI
ĐỘ CHÍNH XÁC AN TOÀN HÀNG HẢI ...........................................36
3.1. Thiết lập mô hình toán ......................................................................36
3.2. Tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải trong các kênh thông
tin của hệ thống tự động nhận dạng tàu thủy AIS khi có ảnh hưởng của nhiễu
vô tuyến ……………………………………………………………………38
3.3. Kết luận chương 3 …………………………………………………….41
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………….....43
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………....………………………44
2
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
An toàn hàng hải luôn là mục tiêu phấn đấu của các cơ quan chức năng,
sự mong mỏi, niềm hạnh phúc của người đi biển. Nhiều thiết bị nghi khí hàng
hải, vô tuyến điện đã được chế tạo nhằm nâng cao tính an toàn và hiệu quả
cho người đi biển và phương tiện hoạt động trên biển. Hệ thống tự động nhận
dạng AIS (Automatic Indentification System) trang bị trên tàu biển cũng
không nằm ngoài mục tiêu đó.
Hệ thống AIS hoạt động một cách tự động và phù hợp với việc trao đổi
thông tin đơn giản lẫn nhau giữa các phương tiện vận tải (tàu, thuyền, máy
bay tìm kiếm cứu nạn,...) và các đài bờ AIS (AIS shore based station) trong
tầm ảnh hưởng của thiết bị này. Hệ thống AIS giúp cho việc theo dõi, quản lý,
điều phối quá trình lưu thông hàng hải một cách hiệu quả, đặc biệt là trong
những vùng nước hạn chế, vùng có cường độ tàu bè hoạt động cao. Ngoài ra,
hệ thống còn cung cấp các thông tin phục vụ cho việc tìm kiếm cứu nạn, an
toàn hàng hải, an ninh quốc gia và an toàn sinh mạng trên biển [1, 4, 9, 10].
Thiết bị AIS được yêu cầu bắt buộc trên các tàu vận tải, các phương
tiện tìm kiếm cứu nạn… theo quy định bổ sung sửa đổi năm 2002 của công
ước SOLAS- 74. Các thiết bị AIS hoạt động trên giải tần số VHF dùng trong
hàng hải hoặc có khả năng kết hợp với thiết bị INMARSAT - C thông qua hệ
thống vệ tinh INMARSAT - C.
Hệ thống AIS thu nhận tín hiệu thông tin từ hệ thống vệ tinh hàng hải,
thực tế trong quá trình thu nhận tín hiệu thông tin hàng hải, các kênh thông tin
của hệ thống AIS liên tục bị ảnh hưởng bởi các yếu tố phi tuyến (nhiễu vô
tuyến, môi trường,…) đã ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền tín hiệu,
gây một số sự cố hàng hải.
3
Để nâng cao độ chính xác an toàn hàng hải, đặc biệt khi tàu hoạt động
ở khu vực khó khăn, khu vực mật độ tàu thuyền nhiều, khu vực luồng,… thì
việc nhận các tín hiệu thông tin hàng hải của hệ thống AIS kịp thời và liên tục
là vấn đề quan trọng và cấp thiết.
Việc tính toán xác suất truyền tín hiệu hàng hải trong kênh thông tin
của hệ thống AIS khi có ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến có ý nghĩa khoa học,
thực tiễn và mang tính cấp thiết hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Thiết lập mô hình toán để tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin
hàng hải trong kênh thông tin của hệ thống AIS khi có ảnh hưởng của nhiễu
vô tuyến nhằm nâng cao độ chính xác an toàn hàng hải.
Để đạt mục đích nghiên cứu, thực hiện một số nhiệm vụ sau:
- Phân tích cấu trúc tổ chức, nguyên lý hoạt động, chức năng của hệ
thống AIS;
- Ứng dụng hệ số kênh thông tin bảo vệ (ký hiệu Kbv-AIS) trong các kênh
thông tin của hệ thống AIS khi ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến (xét trường hợp
nhiễu phản xạ);
- Thiết lập mô hình toán và tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin
hàng hải hệ thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS theo miền hệ số kênh
thông tin Kbv-AIS góp phần nâng cao độ chính xác an toàn hàng hải.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Là nghiên cứu xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải trong các
kênh thông tin, theo chiều từ vệ tinh đến hệ thống tự động nhận dạng AIS lắp
đặt trên tàu thuỷ.
4. Phương pháp nghiên cứu đề tài
Sử dụng lý thuyết vô tuyến, lý thuyết độ tin cậy, lý thuyết thông tin liên
lạc, lý thuyết mô hình hóa, lý thuyết đánh giá và phân tích hệ thống AIS.
Sử dụng chương trình tính toán Excel.
4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Được thể hiện trong việc xây dựng phương pháp luận và quan điểm sử
dụng mô hình toán- tin, kết hợp lý thuyết mô hình hoá, lý thuyết vô tuyến và
lý thuyết độ tin cậy và ứng dụng hệ số tối ưu kênh thông tin bảo vệ (Kbv-AIS)
trong các kênh thông tin của hệ thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS khi có
ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến. Từ đó tính toán xác suất truyền tín hiệu hàng
hải trong các kênh thông tin của hệ thống tự động nhận dạng tàu thủy AIS.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Là phương pháp tính toán suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải hệ
thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS theo miền hệ số kênh thông tin Kbv-AIS
khi có ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến, đảm bảo chức năng hoạt động bình
thường của hệ thống, góp phần nâng cao độ chính xác an toàn hàng hải.
- Phục vụ học viên cao học hoặc nghiên cứu sinh chuyên ngành khoa
học hàng hải,…có thể sử dụng trong các Viện Đào tạo sau đại học, Viện
nghiên cứu có chuyên ngành đúng hoặc gần với chuyên ngành khoa học hàng
hải.
5
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TỔNG QUÁT VÀ
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN
DẠNG TÀU THUỶ AIS
1.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống tự động nhận dạng AIS
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống AIS
Hình 1.1 mô tả cấu trúc tổng quát của hệ thống tự động nhận dạng AIS.
Các khối thành phần trong sơ đồ được mô tả theo sau [2, 4, 5, 7]:
Các dịch vụ AIS cơ bản
Bộ phận quản lý
các dịch vụ AIS
Trạm bờ AIS
Logic
Trạm bờ AIS
tự nhiên
Trạm AIS cố định
Thiết bị VHF/RF
Ăng ten
Bộ lọc sóng radio
Mạng liên kết dữ
liệu VHF của hệ
thống AIS
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống AIS
6
Mạng liên kết dữ liệu VHF của hệ thống (The AIS VHF Data Link)
Được hiểu như là phương tiện cho sự trao đổi dữ liệu giữa các trạm
AIS khác nhau, theo mặc định sẽ dùng các kênh AIS1 và AIS2 qui định bởi
Liên đoàn viễn thông quốc tế trong giải sóng VHF dùng trong dịch vụ hàng
hải di động. Các kênh AIS1 và AIS2 được chia thành các rãnh thời gian phát
sóng, 1 phút gồm 2250 rãnh trong mỗi kênh, tổng cộng 2 kênh cho 4500 rãnh
thời gian phát sóng trong 1 phút. Thêm vào đó, kênh 70 DSC có thể được sử
dụng cho điều hành kênh AIS và kiểm soát DSC.
Thiết bị VHF/RF (RF-/VHF Domain Equipment)
Bao gồm các phương thức để thiết lập nên mối liên hệ giữ liệu VDL
giữa các trạm AIS khác nhau. Ăng ten, cáp và bộ lọc là các bộ phận của thiết
bị VHF/RF.
Trạm AIS cố định (Fixed AIS Station Layer)
Trạm AIS cơ sở (AIS Base Station): Là một thực thể cơ bản nhất của
bất kỳ cơ sở hạ tầng trên bờ nào của trạm AIS. Về mặt khái niệm, trạm AIS
cơ sở là một hộp đen cơ bản nhất giống như các thiết bị được chỉ ra bằng cách
mô tả chức năng và các định nghĩa chung được đưa ra ở các phần sau. Trạm
này không thể tự hoạt động một mình khi không có các bộ phận trợ giúp của
một trạm AIS tự nhiên trên bờ.
Trạm AIS chuyển tiếp (AIS Repeaters): Chuyển tiếp AIS chủ yếu là
một hệ đơn công, và hệ thống AIS có thể dễ dàng cung cấp qui trình chuyển
tiếp đơn công và song công. Ứng dụng chính của chuyển tiếp đơn công là mở
rộng tầm hoạt động của hệ thống hay là khắc phục sự trở ngại của việc truyền
sóng. Ứng dụng chính của chuyển tiếp song công là mở rộng tầm hoạt động
của hệ thống.
Trong phạm vi dịch vụ AIS, các trạm chuyển tiếp đơn công và chuyển
tiếp song công được bố trí ở cùng bộ phận như là các trạm AIS cơ sở, tức là
7
chúng có thể trực tiếp truy cập vào các thiết bị VHF/RF để nhận và phát các
bức điện VDL.
Trạm bờ AIS tự nhiên (Physical AIS Shore Station- PSS)
Trạm bờ AIS tự nhiên là một phần quan trọng nhất của hệ thống AIS,
nó có thể tồn tại một mình trong môi trường tự nhiên thực sự, đối lập với các
trạm AIS cơ sở hay trạm AIS chuyển tiếp.
Trạm bờ AIS tự nhiên là trạm cố định về mặt địa lý hay có thể hiểu là
cố định (trong trường hợp được lắp đặt vào các thiết bị trợ giúp hàng hải như
Racon, phao,... thì sự dao động về vị trí của nó cũng rất nhỏ so với tầm hoạt
động). Một trạm bờ AIS tự nhiên bao gồm ít nhất các thành phần hay chức
năng sau:
Một trạm AIS cơ sở hay một trạm AIS chuyển tiếp.
Có nguồn điện cung cấp cho trạm.
Thiết bị VHF/RF, với các vật dụng tối thiểu là cáp và ăng ten VHF.
Nếu trạm AIS tự nhiên có chứa một trạm AIS cơ sở thì phải có phương
thức truyền dữ liệu đi và đến trạm AIS cơ sở theo yêu cầu (một trạm AIS
chuyển tiếp có thể hoạt động không cần tới phương thức truyền sóng này).
Phải có biện pháp bảo vệ các thiết bị trên tránh các hư hại và ảnh
hưởng do môi trường bên ngoài tác động. Ví dụ: một ngôi nhà che mưa gió.
Một trạm AIS tự nhiên nói chung bản thân nó có tín hiệu thời gian tính
theo giờ vũ trụ. Tín hiệu thời gian này có thể thu nhận từ tram AIS cơ sở như
là tín hiệu từ khối thu tín hiệu vệ tinh hay có thể ở ngay trong trạm AIS bờ tự
nhiên như là một đồng hồ nguyên tử hay khối thu Loran.
Có thể bổ sung vào cơ cấu trạm bờ tự nhiên các chức năng không bắt
buộc, như là nguồn hiệu chỉnh tín hiệu GPS, chức năng trợ giúp hàng hải,
thiết bị điều khiển từ xa. Trong hầu hết các trường hợp, trạm bờ AIS tự nhiên
cũng có bộ phận điều khiển, dùng để điều khiển toàn phần một vài hoặc toàn
8
bộ các thiết bị trong trạm đó, thực hiện các chức năng chọn lọc của trạm AIS
cơ sở và AIS chuyển tiếp trong trạm bờ AIS tự nhiên đó.
Trạm bờ AIS logic (Logical AIS Shore Station- LSS)
Trạm bờ AIS logic là một chương trình phần mềm, nó chuyển đổi dòng
dữ liệu AIS liên kết với một hay nhiều trạm AIS tự nhiên thành dòng dữ liệu
liên quan khác. Bất cứ một quá trình chuyển đổi riêng biệt nào đều phải suy
tính đến:
Khía cạnh khai thác của các thiết bị ứng dụng và sử dụng dịch vụ AIS.
Khía cạnh kỹ thuật nảy sinh khi khai thác mạng thông tin của trạm bờ
AIS tự nhiên.
Chương trình phần mềm của trạm AIS logic có thể chạy trên bất cứ
máy tính nào tương thích, ở bất cứ địa điểm nào phù hợp. Tuy nhiên, đòi hỏi
phải có một phương thức truyền dữ liệu đáng tin cậy đến và đi từ các trạm
AIS tự nhiên liên kết với nó và đến các dịch vụ AIS mà chúng giao diện với
các thiết bị ứng dụng.
Bộ phận quản lý dịch vụ AIS (The AIS Service Management- ASM)
Bộ phận quản lý dịch vụ AIS làm chủ toàn bộ các trạm AIS logic và tự
nhiên, tức là nó kích hoạt, đặt vào các giá trị ban đầu, định dạng và kết thúc
hoạt động của chương trình phần mềm của các trạm AIS tự nhiên và logic.
Bộ phận quản lý dịch vụ AIS xác định mạng thông tin liên hệ giữa các
trạm bờ tự nhiên và các trạm bờ logic kết hợp trong quá trình hoạt động.
Bộ phận quản lý dịch vụ AIS xác định mối liên hệ thông tin giữa các
trạm bờ logic với các thiết bị ứng dụng kết hợp trạm đó, nghĩa là bộ phận này
như bảng điều khiển sự trao đổi dữ liệu giữa các quá trình khác nhau.
Dịch vụ AIS bao gồm các trạm bờ tự nhiên, logic, và bộ phận quản lý
dịch vụ AIS. Trong đó, vài trạm bờ tự nhiên được chỉ định cho ít nhất một
trạm logic mà chúng kết hợp dữ liệu từ các trạm tự nhiên này với mục đích
9
bao phủ một vùng nhất định. Dịch vụ AIS có các trạm logic, khách hàng sẽ
nhận các dữ liệu từ trạm logic, chúng phân phối các dữ liệu cần thiết tới đúng
các khách hàng đó. Hình 1.2 mô tả các bộ phận dịch vụ điều phối giao thông
tàu thuyền, trung tâm phối hợp tìm kiếm cứu nạn, tìm kiếm cứu nạn là các
phần ứng dụng mức cao của hệ thống AIS [2, 4, 5, 7]. Hệ thống vi phân GPS
đóng vai trò hỗ trợ kỹ thuật cho hệ thống.
Trung tâm
VTS
Trung tâm
MRCC
Các ứng
dụng
mức cao
Tìm kiếm
cứu nạn
Hệ thống vệ
tinh hàng hải
Dịch vụ
hỗ trợ
kỹ thuật
Bộ phận quản lý
dịch vụ AIS
Trạm bờ
AIS logic
Trạm bờ
AIS logic
Trạm bờ
AIS logic
Trạm bờ
AIS logic
Trạm bờ
AIS logic
Trạm bờ
AIS logic
Dịch
vụ AIS
Trạm bờ
AIS logic
Hình 1.2. Dịch vụ AIS với khách hàng và bộ phận cung cấp dữ liệu AIS
Việc quản lý dich vụ AIS được thực hiện bởi bộ phận quản lý dịch vụ
AIS. Bộ phận này điều khiển dòng dữ liệu trong hệ thống và định dạng hoạt
động của các bộ phận khác với mục đích đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đề ra.
10
1.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản bắt buộc đối với hệ thống AIS [2, 4, 5, 7]
Hệ thống tự động nhận dạng đáp ứng được các yêu cầu cơ bản sau:
Tầm hoạt động của tất các trạm bờ tự nhiên do một cơ quan có thẩm
quyền quản lý phải luôn luôn vượt qua tầm hoạt động của các trạm logic yêu
cầu được chỉ ra bởi cơ quan có thẩm quyền quản lý chúng.
Mỗi một bộ phận của dịch vụ AIS phải có khả năng nhất định để thực
hiện nhiệm vụ của mình. Cơ quan chức năng có thẩm quyền sẽ đề ra các yêu
cầu về năng lực của từng bộ phận để đảm bảo sự hoạt động hợp lý của dịch vụ
AIS.
Yêu cầu về quá trình truyền dữ liệu giữa các bộ phận của hệ thống phải
không được tạo thành các chỗ nghẽn mạch.
Giữa các bộ phận của hệ thống có các thiết bị giao diện chức năng.
1.1.3. Các hệ thống khác nhau trong tổ hợp hệ thống tự động nhận dạng AIS
Hình 1.3 mô tả cấu trúc tổ hợp hoạt động của hệ thống và thành phần
liên quan tới hệ thống AIS [2, 4, 5, 7, 11, 12, 13, 14].
Các trạm AIS trên tàu nhận các dữ liệu từ các nguồn cung cấp thông
tin, như là các bộ cảm biến. Nổi bật nhất trong các bộ cảm biến là thiết bị điện
tử xác định vị trí tàu nắp đặt trên tàu, có chứa ít nhất một bộ cảm biến vị trí
GPS hoặc vi phân GPS. Bộ cảm biến vị trí này sẽ nhận tín hiệu vị trí tàu từ hệ
thống vệ tinh hàng hải (và có thể tăng cường bằng các hệ thống trên mặt đất).
Nếu hệ thống hàng hải vô tuyến thực sự nằm ngoài phạm vi điều khiển của cả
hệ thống AIS và môi trường điện tử trên tàu thì được gọi là “ngoại vi”.
Thiết bị điện tử xác định vị trí tàu và các bộ cảm biến khác lắp đặt trên
tàu có thể là bộ phận của hệ thống hàng hải tổ hợp. Hệ thống hàng hải tổ hợp
hay hệ thống buồng lái tổ hợp phát ra các dữ liệu được truyền đi từ trạm AIS
trên tàu.
11
Hệ thống ngoại vi như là GPS hay là hệ thống hàng hải vô tuyến
Trạm AIS
trên tàu A
Trung
tâm
VTS
Thông
tin vào
Trung
tâm
VTS
Mạng
AIS
Trạm
bờ
AIS
Trung
tâm
cứu
nạn
Thông
tin ra
Hệ
thống
buồng
lái
tổ
hợp
Phạm vi tàu A
Mạng
liên
kết
dữ
liệu
VHF
Trạm AIS
trên tàu B
Thông
tin vào
Các
dịch
vụ liên
quan
Hệ thống
hàng hải
tổ hợp
Hệ thống
hàng hải
tổ hợp
Thông
tin ra
Hệ
thống
buồng
lái
tổ
hợp
Phạm vi tàu B
Hệ thống AIS
TỔ HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN
DẠNG TÀU - BỜ/BỜ - TÀU
Hình 1.3. Cấu trúc tổ hợp hoạt động của hệ thống AIS
Thêm vào đó, các hệ thống này lưu trữ các thông tin được nạp vào bằng
tay do các sỹ quan buồng lái thực hiện và chuyển các thông tin này đến trạm
AIS để báo cáo khi cần thiết. Tất cả các trạm AIS đều truyền dữ liệu của mình
tới mạng liên kết dữ liệu VHF của hệ thống AIS. Các tín hiệu truyền đi sẽ
được nhận bởi các trạm AIS trên bờ hoặc các tàu khác. Hệ thống AIS theo qui
tắc bao gồm mạng liên kết dữ liệu VHF và tất cả các trạm AIS cố định hay di
động ở trong khu vực.
12
Để tính thời gian các trạm AIS trên bờ cũng phụ thuộc vào hệ thống
ngoại vi vệ tinh hàng hải. Tuy nhiên, có thể có một nguồn cung cấp thời gian
độc lập thứ 2 là bộ nhận tín hiệu Loran C.
Trên bờ, các tín hiệu nhận được sẽ được truyền trên mạng truyền dữ
liệu AIS. Mạng dữ liệu AIS có thể phức tạp như mạng internet hay cũng có
thể đơn giản như là một đường cáp dẫn tới trung tâm dịch vụ điều phối giao
thông tàu thuyền. Các dữ liệu AIS sẽ được xử lý, cuối cùng các thông tin AIS
nhận được sẽ được hiện lên.
Tất cả các thành phần bao gồm hệ thống AIS đích thực và cả hệ thống
hàng hải vô tuyến ngoại vi đều là bộ phận của một hệ thống, hệ thống này
được gọi là: Tổ hợp hệ thống tự động nhận dạng tàu-bờ/ bờ- tàu và tồn tại 4
cấp hệ thống khác nhau trong tổ hợp của hệ thống AIS:
Hệ thống AIS đích thực, hay là công nghệ AIS và ảnh hưởng của nó.
Môi trường điện tử trên tàu của các loại tàu khác nhau.
Hệ thống hàng hải vô tuyến ngoại vi.
Sự kết hợp với tính đa dạng của hệ thống dịch vụ điều phối giao thông
tàu thuyền liên quan với chức năng AIS.
1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống AIS trên tàu biển
1.2.1. Nguyên lý
Trạm AIS trang bị trên tàu biển là một thiết bị thu phát hoạt động tự
động và liên tục. Nó có thể truyền tin với tốc độ cao, đạt 9.600 bit/ giây và
không bị nhiễu nhờ sử dụng công nghệ đa truy cập tự phân chia thời gian
TDMA (Time Division Multiple Access) trên 2 kênh VHF song song. Mỗi một
phút được chia thành 2250 rãnh thời gian, một rãnh thời gian có độ dài 26,6
ms tương đương 256 bit. Các bức điện được gửi đi trong các slot (hình 1.4).
Các trạm AIS nằm trong vùng phủ sóng của nhau liên tục tự đồng bộ với nhau
để tránh thu, phát chồng chéo. Khi một trạm thay đổi lịch phát, nó sẽ thông
13
báo vị trí mới và thời gian ngắt cho vị trí đó. Bằng nguyên tắc này, các tàu sẽ
luôn nhận ra trạm mới [1, 4].
1 khung (frame) = 60 giây = 2250 slot
AIS1
AIS2
1 slot = 256 bit
Hình 1.4. Phân chia thời gian trong công nghệ đa truy cập
Mỗi một trạm AIS xác định lịch phát của nó (vị trí của rãnh thời gian
trong khung) dựa trên lịch sử giao kết dữ liệu và nhận biết các hành động
tương lai nhờ các trạm khác. Một bức điện báo cáo của một trạm AIS khớp
vào một trong 2250 rãnh thời gian được thiết lập 60 giây một lần (cho một
kênh AIS). Hình 1.5 mô tả nguyên tắc đa truy cập tự phân chia thời gian.
Các chế độ hoạt động
Có 3 chế độ hoạt động. Mặc định là chế độ “tự động và liên tục” và có
thể chuyển tới hoặc từ chế độ khác theo yêu cầu của cơ quan có thẩm quyền.
Hình 1.5. Nguyên tắc đa truy cập tự phân chia thời gian
14
Chế độ “tự động và liên tục”: Một trạm hoạt động ở chế độ này sẽ tự
động xác định lịch phát của mình. Trạm đó sẽ tự động giải quyết xung đột về
lịch phát với các trạm khác.
Chế độ chỉ định: Một trạm hoạt động ở chế độ này là sử dụng lịch phát
được chỉ định bởi cơ quan có thẩm quyền hay một trạm chuyển tiếp.
Chế độ thăm dò: Một trạm hoạt động ở chế độ này để trả lời chất vấn
của tàu hoặc cơ quan chức năng
Thông số kỹ thuật: Được mô tả chi tiết theo bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của hệ thống AIS trên tàu biển
Thông số
Giá trị lớn nhất
Giá trị nhỏ nhất
156.025 MHz
162.025 MHz
12.5 KHz
25 KHz
Kênh AIS 1 ( kênh 87 B)
161.975 MHz
161.975 MHz
Kênh AIS 2 ( kênh 88 B)
162.025 MHz
162.025 MHz
9600 bit/ giây
9600 bit/ giây
(± 50 phần triệu)
(± 50 phần triệu)
1w
25 w
Vùng tần số
Dải thông của kênh truyền sóng
Tốc độ truyền tin
Công suất phát
1.2.2. Đồng bộ trong hoạt động đa truy cập, tự phân chia thời gian
Các hình thức đồng bộ
Đồng bộ trực tiếp với giờ vũ trụ: Một trạm có đường truy cập trực tiếp
giờ vũ trụ sẽ biểu thị điều này bằng việc đặt tình trạng đồng bộ của nó về giờ
vũ trụ trực tiếp.
Đồng bộ gián tiếp với giờ vũ trụ: Một trạm không có đường truy cập
trực tiếp giờ vũ trụ, nhưng có thể nhận từ những trạm khác mà các trạm đó
15
biểu thị có giờ thế giới trực tiếp, thì sẽ đồng bộ với các trạm này. Nó sẽ
chuyển trạng thái đồng bộ của nó về gián tiếp.
Đồng bộ với trạm cơ sở: Một trạm di động mà bản thân không thể đồng
bộ trực tiếp hoặc gián tiếp với giờ vũ trụ, nhưng lại có thể nhận được tín hiệu
từ các trạm cơ sở thì nó sẽ đồng bộ với trạm cơ sở nào biểu thị rằng có số
lượng các trạm nhận được tín hiệu của trạm cơ sở ấy nhiều nhất. Khi đó trạm
di động ấy sẽ chuyển trạng thái đồng bộ của nó về trạm cơ sở.
Khi một trạm đang nhận được tín hiệu từ vài trạm cơ sở khác nhau mà
chúng đều biểu thị có cùng số lượng các trạm nhận được tín hiệu của mình,
thì việc đồng bộ nó sẽ dựa vào trạm có số nhận dạng MMSI thấp nhất.
Đồng bộ với trạm có số lượng các trạm nhận được tín hiệu của nó nhiều
nhất.
Một trạm không thể đồng bộ trực tiếp hoặc gián tiếp với giờ vũ trụ, sẽ
đồng bộ với trạm có số lượng các trạm nhận được tín hiệu của nó nhiều nhất.
Khi đó, trạm này sẽ chuyển trạng thái đồng bộ của nó về “ số lượng các trạm
nhận được”. Khi một trạm đang nhận tín hiệu của vài trạm khác nhau, mà
chúng đều biểu thị có cùng số lượng các trạm nhận được tín hiệu của mình,
thì việc đồng bộ của nó sẽ dựa vào trạm có số nhận dạng dịch vụ di động hàng
hải thấp nhất. Trạm đó sẽ là điểm để thực hiện việc đồng bộ.
Phân chia thời gian
Hệ thống AIS sử dụng khái niệm “khung thời gian”. Một khung thời
gian tương đương với một phút và được chia thành 2250 rãnh thời gian.
Theo mặc định, việc truy cập vào mạng dữ liệu AIS được tiến hành tại
thời điểm bắt đầu 1 rãnh thời gian. Khung thời gian bắt đầu và kết thúc đồng
thời với phút của giờ vũ trụ khi có sẵn tín hiệu giờ vũ trụ, nếu không có sẵn
tín hiệu giờ vũ trụ thì các trạm phải đồng bộ khung và đồng bộ pha rãnh thời
gian.
16
Đồng bộ pha rãnh thời gian và đồng bộ khung
Đồng bộ pha rãnh thời gian: Đồng bộ pha rãnh thời gian là phương
pháp mà qua đó một trạm sử dụng các bức điện của các trạm khác hay của
một trạm cơ sở để tự đồng bộ lại mình (đồng bộ thời gian bắt đầu hay kết thúc
rãnh thời gian). Do đó, sẽ duy trì được sự ổn định của việc đồng bộ ở mức
cao, đảm bảo rằng không một bức điện nào bị chồng chéo lên nhau hay bị làm
sai lệch.
Đồng bộ khung thời gian: Là phương pháp mà qua đó một trạm sử
dụng số thứ tự của rãnh thời gian hiện tại của một trạm khác hay một trạm cơ
sở, chấp nhận số thứ tự của rãnh thời gian nhận được ấy là số thứ tự cho rãnh
thời gian hiện tại của trạm mình.
Trạm phát trong
tiến trình đồng bộ
Đúng
Chỉ nhận được
các trạm đồng bộ giờ
vũ trụ trực tiếp ?
Đúng.
Trạm cơ sở
Trạm đang phát
có phải là trạm cơ sở
hay không
Không.
Trạm di động
Không
Tăng tốc độ phát
lên 3 giây một lần
Là trạm có
số MMSI thấp nhất &
nhận được nhiều trạm
khác nhất
Tốc độ phát 2 giây một lần luân
phiên giữa báo cáo vị trí theo
chương trình đã định và báo cáo về
giờ vũ trụ cùng với số thứ tự rãnh
thời gian
Phát bình thường, luân
phiên phát số thứ tự rãnh
thời gian và số trạm mà
nó nhận được
Hình 1.6. Hoạt động của các trạm phát trong tiến trình đồng bộ
17
Trạm thu
trong tiến trình đồng bộ
Đồng bộ lại pha slot
Đã có
Có tín hiệu giờ
vũ trụ chưa ?
Không có
Đồng bộ lại pha slot
Bằng nhau
Số thứ tự slot của
trạm đã bằng số thứ tự slot
của trạm điểm chưa?
Chưa bằng sử
dụng nguồn
đồng bộ khác
Đồng bộ khung và
đồng bộ pha slot
Hình 1.7. Hoạt động của các trạm thu trong tiến trình đồng bộ
Hoạt động của trạm phát và thu trong tiến trình đồng bộ: Hoạt động của
các trạm đang phát tín hiệu và thu tín hiệu nhận được trong tiến trình đồng bộ
được thực hiện như trong hình 1.6 và hình 1.7.
Hoạt động của trạm cơ sở: Trạm cơ sở sẽ hoạt động bình thường cho
đến khi phát hiện thấy một hay nhiều trạm thiếu sự đồng bộ trực tiếp với giờ
vũ trụ, thì nó sẽ tăng việc cập nhật của nó bằng việc phát báo cáo định kỳ 3
giây một lần.
Hoạt động của trạm di động: Khi một trạm di động xác định được rằng
nó là điểm để các trạm khác đồng bộ theo, nó sẽ phát báo cáo tối thiểu là 2
giây một lần. Trạm đó cũng sẽ lần lượt thay đổi việc phát báo cáo vị trí và bức
điện báo đáp giờ thế giới kể cả số thứ tự rãnh thời gian hiện tại của mình.
Một trạm khi đã có tín hiệu giờ vũ trụ trực tiếp hay gián tiếp, sẽ tiếp tục
đồng bộ lại việc phát tín hiệu của nó theo tín hiệu giờ vũ trụ ấy.
18
Khi một trạm xác định rằng số thứ tự rãnh thời gian của mình đã khớp
với số thứ tự rãnh thời gian của trạm điểm (của sự đồng bộ), thì trạm đó đã
được đồng bộ khung, nó sẽ tiếp tục đồng bộ pha rãnh thời gian.
Những nguồn để đồng bộ khác có thể là các trạm sau (xếp theo thứ tự
ưu tiên):
Một trạm có giờ thế giới và đủ khả năng là trạm điểm.
Một trạm cơ sở có đủ khả năng là trạm điểm.
Một trạm di động đủ khả năng là trạm điểm.
Một trạm đủ khả năng làm trạm điểm nếu nó báo hiệu rằng, số trạm
nhận được tín hiệu của nó nhiều nhất.
Nhận dạng rãnh thời gian: Các rãnh thời gian được nhận dạng bởi số
hiệu của nó (từ 0 đến 2249).
Khoảng truy cập trong một rãnh thời gian (hình 1.8)
Việc phát tín hiệu trong một rãnh thời gian bắt đầu bằng việc bật khối
phát vào thời điểm bắt đầu một rãnh thời gian. Khối phát sẽ phát sóng vào
thời điểm bắt đầu rãnh thời gian. Việc phát tín hiệu sẽ được tắt sau khi bit
cuối cùng của khối thông tin rời khỏi thiết bị phát. Theo mặc định độ dài của
việc phát tín hiệu nằm trong một rãnh thời gian.
Mỗi một rãnh thời gian có thể ở một trong các trạng thái sau:
Tự do: Có nghĩa là nó có thể sẵn sàng sử dụng cho bất cứ trạm nào.
Chỉ định bên trong: rãnh thời gian đã được phân chia cho trạm chủ và
có thể dùng để phát tín hiệu.
Chỉ định bên ngoài: rãnh thời gian đã được phân chia cho trạm khác và
trạm chủ không thể sử dụng nó.
Có thể dùng được: Đây là rãnh thời gian được chỉ định sử dụng bởi
trạm ở xa nhất.
19
Công suất
phát sóng
Thời gian bắt
đầu một rãnh
thời gian
Thời gian bắt
đầu rãnh thời
gian tiếp theo
100%
80%
Thời gian
1 ms
1 ms
Hình 1.8. Khoảng truy cập trong một rãnh thời gian
1.2.3 Điều hành kênh truyền sóng
Khái niệm: Hiệp hội viễn thông thế giới chỉ định dành 2 kênh truyền
sóng cho hệ thống tự động nhận dạng, kênh AIS 1: số 2087, tần số
f = 161,795 MHz và kênh 2: số 2088, f = 162,025MHz với dải thông 25KHz.
Hai kênh được chọn để tăng khả năng truyền sóng và hạn chế nhiễu của sóng
radio. Kênh AIS 1 là kênh chính và kênh AIS 2 là kênh phụ ở các khu vực
biển khơi.
Theo mặc định tất cả các trạm AIS di động sẽ hoạt động trên 2 kênh
này. Do vậy, một trạm AIS di động có thể nhận cùng một lúc 2 bức điện từ 2
trạm khác nhau, nếu trạm đó không phát sóng ở thời điểm ấy. Tất cả các trạm
AIS di động sẽ phát tín hiệu theo tốc độ báo cáo thông thường của chúng, tốc
độ báo cáo thông thường này được nêu trong bảng 1.2. Theo mặc định mỗi
một trong 2 kênh AIS 1 và AIS 2 sẽ được dùng để phát tín hiệu với tốc độ
bằng một nửa của tốc độ báo cáo thông thường. Ví dụ một trạm AIS trên tàu
biển đang hành trình với tốc độ 23 hải lý/giờ thì sẽ phát báo cáo vị trí trong
khoảng thời gian 2 giây, hay tốc độ báo cáo thông thường của trạm là 2 giây
20
- Xem thêm -