AIS基站虚拟航标播发监测系统及方法与流程

本发明涉及一种航标监测系统及方法，尤其涉及一种AIS基站虚拟航标播发监测系统及方法。

背景技术：

虚拟航标是指物理上不存在，由经授权的助航服务提供部门发布能在导航系统中显示的数字信息物标(IALA定义)。它是继视觉航标、音响航标、无线电航标之后国际航标学会认可的，旨在提升和增强航标管理机关的航标助航服务能力的现代化技术手段。

在国内，AIS虚拟航标已在沿海大连、天津、青岛等海域及长江口得到了广泛应用，东海海区的虚拟AIS航标数目已经达到80多个，并且在长江下游内河航道也得到试点应用。上海海事局管辖的长江口深水航道(12.5米)延伸段，该航道采用了双向复式通航分道设计，其中深水航道边界全部使用虚拟航标标识。

随着AIS虚拟航标在国内的广泛应用，一旦AIS基站播发虚拟航标出现异常，短时间的停止工作，将极可能会给船舶安全航行带来不可想象的威胁，增加船舶碰撞，船舶搁浅，船桥碰撞等事故的风险。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种AIS基站虚拟航标播发监测系统及方法，能够保证AIS基站虚拟航标播发的连续性和完好性，大大提高满足虚拟航标导航的安全性和可靠性。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种AIS基站虚拟航标播发监测方法，包括如下步骤：设置AIS基站进行虚拟航标信号的播发，每个AIS基站采用多个发射机作为备机冗余；每个AIS基站的接收机对来自自身发射机的虚拟航标信号和其他AIS基站的虚拟航标信号进行监测，并且将监测信息传回监控中心；设置参考接收端对来自AIS基站的虚拟航标信号进行监测，并且将监测信息传回监控中心；在监控中心对AIS基站的接收端和参考接收端的接收质量和AIS基站的发射质量进行计算获取发射机的完好性评估数据，并根据完好性评估数据进行告警和主备发射机切换。

上述的AIS基站虚拟航标播发监测方法，其中，所述接收端接收质量的估算过程如下：计算单路信号的接收质量：采用接收正确率作为指标，对每路接收信号统计其在N次虚拟航标播发中，正确接收到虚拟航标的次数；计算多路信号的综合接收质量：针对某一AIS基站播发的虚拟航标，获取多个接收端对其的接收质量，采用加权平均的方法计算出多路信号的综合接收质量评估数据。

上述的AIS基站虚拟航标播发监测方法，其中，所述单路信号的接收质量为采用该路接收信号的虚拟航标正确率E_i，E_i计算如下：E_i＝C_i/N，C_i是第i路在N个统计周期中，虚拟航标按时正确更新的次数；所述多路信号的综合接收质量评估数据E计算如下：E＝(∑G_iE_i)*100；G_i＝K_i(S_i+L_i)；E_i是第i路接收信号的虚拟航标正确率，G_i是第i路的权重因子，K_i是第i路调节因数，S_i是第i路接收的接收机灵敏度，L_i是第i路接收传播衰减。

上述的AIS基站虚拟航标播发监测方法，其中，所述AIS基站播发虚拟航标信号形成虚拟航道边界，位于虚拟航道边界周围预设范围内的接收端的K_i取值大于预设范围外的接收端的K_i取值。

上述的AIS基站虚拟航标播发监测方法，其中，所述AIS基站配置有在线发射功率监测设备，所述发射机完好性质量估算过程如下：I＝aE+bP；a，b是权重系数，a+b＝1；E是综合接收质量评估数据，P是实际发射功率对额定发射功率的百分比，I是发射机的完好性评估数据。

上述的AIS基站虚拟航标播发监测方法，其中，所述监控中心根据发射机的完好性评估数据，将系统完好性告警分为多个级别，相邻两级之间部分重叠形成切换死区。

上述的AIS基站虚拟航标播发监测方法，其中，每个AIS基站设置多台收发信机，多台收发信机发射相同的信号，互为备份，备份方式选择本地或异地多台收发信机备份；每台收发信机内包含一个发射机和接收机；每台发射机采用SOTDMA发射虚拟航标信号，每个虚拟航标信号占用两个时隙，每个虚拟航标信号以固定的频率发射，并在预设间隔后重复发射。

上述的AIS基站虚拟航标播发监测方法，其中，当发射机在告警级别低于3级时，检测其备份发射机的完好性，如果本地备份发射机的完好性优于待切换发射机，则切换到本地备份发射机；若否，则检测异地备份发射机的完好性，若异地备份发射机的完好性优于待切换发射机，则切换到异地备份发射机；若否维持现状并告警；切换逻辑为优先进行AIS基站中备份发射机之间的切换，当备份发射机都故障时再切换到备用AIS基站。

本发明为解决上述技术问题还提供一种AIS基站虚拟航标播发监测系统，包括AIS基站：作为岸基设备，用于播发虚拟航标信号；参考接收端：作为岸基设备，对来自AIS基站的虚拟航标信号进行监测，并且将监测信息传回监控中心；监控中心：对参考接收端接收质量和AIS基站的发射质量进行计算获取发射机的完好性评估数据，并根据发射机的完好性评估数据进行告警；所述监控中心和AIS基站通过网络相连；所述AIS基站采用多个发射机作为备机冗余，并根据监控中心的发射机的完好性评估数据进行主备发射机切换。

上述的AIS基站虚拟航标播发监测系统，其中，所述AIS基站采用异地的一个或多个AIS基站作为冗余备用AIS基站。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的AIS基站虚拟航标播发监测系统及方法，通过设置参考接收端对来自AIS基站的虚拟航标信号进行监测，并计算获取发射机的完好性评估数据进行告警和主备发射机切换，从而保证AIS基站虚拟航标播发的连续性和完好性，大大提高满足虚拟航标导航的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明AIS基站虚拟航标播发监测系统架构示意图；

图2为本发明AIS基站虚拟航标播发监测系统数据流模型图；

图3为本发明告警状态转移图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明AIS基站虚拟航标播发监测系统架构示意图。

请参见图1，本发明提出一种AIS基站虚拟航标播发完好性监测方法，它由硬件部分和软件部分两部分组成，其中，硬件部分由AIS基站和参考接收站构成，AIS基站主要负责虚拟航标的播发，参考接收站对航标信号进行监测，并且将监测信息传回监控中心；软件部分包括：AIS基站管理，虚拟航标管理，参考接收站管理，告警策略设置，自动告警，地图监控平台，系统管理等，监控中心完好性监测软件收到传回的数据后，根据预设策略来分析判断航标播发是否正常，如果有异常，系统发送告警短信到值班人员手机，值班人员收到告警短信后，登陆系统，查看告警信息，并进行相应处理，可以通过切换收发设备，重启等操作来完成简单的检修或者联系设备维修人员现场检修。

本发明的一个AIS基站中包括多台收发信机，多台收发信机完全相同，同时工作，发射相同信号，互为备份；每台收发信机内包含一个发射机和接收机；每个发射机在发射时又有两个通道(Channe l A(161.975MHz)和Channe l B(162.025MHz))可选择，一般是两个通道同时发。发射时采用SOTDMA(自组织时分多址)技术，每个虚拟航标信号按时隙发射，占用两个时隙，一分钟可分为2250个时隙，即每台发射机最多可配置发射1125个虚拟航标信号，但为了接收效果，一般会把间隔时间拉长。该虚拟航标信号应以每三分钟(也可设置为每分钟发射)一次的频率发射，间隔3分钟会重复发射已设置的虚拟航标信号。相邻AIS基站在覆盖范围分析时，对重要区域都有重叠，在设置播发时，只需错开时隙，就可实现对相邻基站的虚拟航标信号的冗余播发。

本发明切换时先是AIS基站中备份发射机之间的切换；当备份发射机都故障时再切换到备用AIS基站。接收机和发射机是独立工作的，相互不影响，而且只对发射机进行评估，实施切换控制决策。本发明的接收机只用来评估，不对自身是否故障进行判断，所以只对故障的发射机进行切换，收发信机不会成对切换。

由上可见，本发明以船端接收的角度来评价AIS基站所播发的虚拟航标信息是否满足船舶导航的基本要求(信号稳定、信息准确、服务连续)，主要用于虚拟航标播发完好性监测与控制，包括接收端接收质量评估、发射机完好性质量评估、完好性告警及AIS基站切换决策，从而保证AIS基站虚拟航标播发的连续性和完好性。数据流模型如图2所示。

本发明的完好性监测告警算法主要包括如下过程：

一、单路接收质量评估

单路评估，是针对特定AIS基站播发的虚拟航标，接收端对其接收效果的评估。

单路接收质量的评估，采用接收正确率作为指标：

E_i＝C_i/N (公式1)

公式1中，Ei是第i路接收评价的虚拟航标正确率，i为自然数；

C_i是第i路在N个统计周期中，N为正整数，虚拟航标按时更新(即正确)的次数。通常N的取值为10，统计在10次虚拟航标播发中，正确的接收到虚拟航标的次数

二、多路接收质量综合评估

综合评估，是针对特定AIS基站播发的虚拟航标，综合多个接收端对其接收效果的评估，形成关于虚拟播发后接收端接收效果的综合评价。

多路(m路)接收效果的综合评估，采用加权平均的方法：

E＝(∑G_iE_i)*100 (公式2)

公式2中，E的取值范围，一般情况下取0～100,特殊条件下可大于100。

E_i是第i路接收评价的虚拟航标正确率(百分数)；

G_i是第i路的权重因子。当G_i＝1/m时，上式变为算术平均公式。实际使用中，G_i由以下公式3给定：

G_i＝K_i(S_i+L_i) (公式3)

公式3中，K_i是第i路调节因数，调节的目的是让K_i(S_i+L_i)接近于算术平均值1/m而又能突出重点，物理系统建成后所设定的K_i，不随S_i变动；

S_i是第i路接收的接收机灵敏度，单位为db，物理系统建成后在不同的使用阶段S_i随实际测量值(通过检测检验获得)变动；

L_i是第i路接收传播衰减，单位为db，物理系统建成后的L_i是定值，由以下公式4给定：

L_i＝73.64+20logD_i (公式4)

公式4中，D_i是第i路接收的距离，指的是播发所评价虚拟航标的AIS基站与接收机之间的直线距离，单位为公里。

关于公式3的K_i与距离D_i之间的关系，应遵从以下原则：距离中等(在虚拟航标周边5公里范围内)的接收机，权重应较大，更近的或更远的接收距离，相对取较小的权重。

三、发射机的完好性质量评估

发射机的完好性质量评价，数据来源于2个方面：1)当前的接收质量综合评估数据；2)在线的发射功率监测结果数据。

当AIS基站未配置在线发射功率监测设备时，发射机的完好性质量评价的数据来源仅限于当前的接收质量综合评估数据。

完好性评价的模型：

I＝aE+bP (公式5)

公式5中，a，b是权重系数，两者之间的关系为取值a+b＝1.0；E是接收质量综合评估数据，取值范围0～100，特殊情况可大约100；P是实际发射功率对额定发射功率的百分比，取值范围0～100；I是发射机的完好性评估数据，取值范围0～100，特殊情况可大约100。

四、完好性告警

当对AIS基站虚拟航标播发的完好性评价的结果小于给定的值时，系统应触发完好性报警。

系统告警分为4个级别，0级为严重故障，1级为中度故障，2级轻微故障，为3级为基本完好。各级之间的转移函数图，以及告警状态转移图参见图3。

本发明的AIS基站切换决策如下：

一、切换的目标

AIS基站的切换决策，根据完好性的告警级别以及发射机历史质量数据、切换历史数据、发射机检修记录数据，对双机热备的AIS基站，将告警级别0级、1级和2级的发射机切换到正常的发射机，使切换后的告警级别达到3级。若均切换后不能达到3级，尽可能使切换后的告警级别达到2级。以2级到3级的切换为例。当评分降到80分以下时，告警级别变为2级，而当评分升到85分时，告警级别才会恢复为3级，留出这个阈值的原因是，当发射机恢复为3级时，可以确保发射机是完好的，而不是在轻微故障的边缘。假如定义评分高于80分告警级别就恢复为3级，评分是有一定误差和波动的，此时，告警级别可能就会在2级和3级之间来回变动，记录的历史数据在做切换决策时并不可靠，也不利于对发射机的完好性质量评估。

二、发射机切换历史数据

当做出切换的决定后，记录存储发射机切换历史数据。发射机切换历史数据，包括：切换的时间、被切换基站ID、切换后的基站ID、被切换的收发信机ID、切换后的收发信机ID、被切换收发信机完好性计算的系数a、被切换收发信机完好性计算的系数b、被切换的收发信机的告警级别、被切换的收发信机的接收质量综合评价数据、被切换的收发信机的发射功率数据。

根据发射机历史切换数据，可以比较和评价待切换发射机的质量。

三、发射机历史质量数据

当发射机的接收质量评估数据或发射功率指令数据发生变化时，记录存储发射机历史质量数据。即完好性评价发生变化时，存储发射机历史质量数据。记录历史切换数据是为了比较和评价待切换发射机的质量，在切换决策中，仅以最近的检修/检验数据为准。历史切换数据是记录在监控中心的，检修时会有更新，基站的重启对数据没有影响。

发射机历史质量数据，包括：时间、基站ID、收发信机ID、系数a、系数b、接收质量综合评价数据、发射功率数据。

四、发射机检验/检测数据

每次AIS基站检验/检测完成后，根据单据中的数据录入发射机的检验/检测数据，保存到数据库中，包括：检验/监测时间、基站ID、收发信机ID、发射功率合格值下限、发射功率合格值上限、发射频偏合格值下限、发射频偏合格值上限、实测发射功率、实测发射频偏。

在切换决策中，仅以最近的检修/检验数据为准，评价切换前和切换后的发射机质量差别，从而选择收发信机。

五、切换决策算法

1)决策的输入

决策所需的两组数据，包括：

i)当前收发信机数据

AIS基站ID、收发信机ID、当前时间、系数a、系数b、告警级别、接收质量综合评价数据、发射功率数据、最近一次检验/监测的时间、检验/监测的发射功率、检验/监测的发射功率合格值上限、检验/监测的发射频偏合格值下限。

i i)待切换收发信机数据

AIS基站ID、收发信机ID、上次切换的时间、系数a、系数b、上次切换的告警级别、上次切换的接收质量综合评价数据、上次切换的发射功率数据、最近一次检验/监测的时间、检验/监测的发射功率、检验/监测的发射功率合格值上限、检验/监测的发射频偏合格值下限。

2)决策的算法模型

当最近一次检验的数据合格时，依次比较告警级别、接收质量综合评价数据、检验/监测的发射功率。

步骤1)初始化AIS基站的备用收发信机数量m，初始化n＝1,然后计入步骤2。

步骤2)当n小于m时，从当前基站和其备用基站开始选择一个备用的收发信机，进入步骤3；否则，切换决策为“假”，转步骤7。

步骤3)判断当待切换收发信机的上次切换的告警级别，若等于3时，切换决策为“真”，转步骤7；否则，进入步骤4。

步骤4)若被切换收发信机上次切换的告警级别大于当前收发信机的告警级别，转步骤5；否则，切换决策为“假”，转步骤7。

步骤5)若被切换收发信机上次切换的接收质量综合评价数据大于当前收发机的接收质量综合评价数据且大于被切换收发信机上次切换的接收质量综合评价数据大于等于65，切换决策为“真”，转步骤7；否则，切换决策为“假”，转步骤7。

步骤7)若决策结果为“真”，转步骤8；否则，决策结果为“假”，转步骤9退出。

步骤8)根据选定的AIS基站ID和收发信机ID，生成发射机切换历史数据进行记录存储，然后将AIS基站ID和收发信机ID作为参数调用切换函数，执行基站的切换，最后，转步骤9。

步骤9)将切换决策的结果反馈给基站切换决策算法的调用者。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。