ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU VÔ TUYẾN ĐỐI VỚI CÁC KÊNH THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG TÀU THUỶ AIS

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..

1

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

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

3

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

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

5

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-AISkhi 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

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]:

Bộ phận quản lý các dịch vụ AIS

Trạm bờ AIS Logic

Các dịch vụ AIS cơ bản

7

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

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

9

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

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

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

Trung tâm

VTS

Trung tâm MRCC

Tìm kiếm cứu nạn

Trạm bờ

AIS logic

Trạm bờ AIS logic

Trạm bờ

AIS logic

Trạm bờ AIS logic

Trạm bờ AIS logic

Trạm bờ AIS logic

Bộ phận quản lý dịch vụ AIS

Trạm bờ AIS logic

Hệ thống vệ tinh hàng hải

Các ứng dụng mức cao

11

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

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

Hệ thống ngoại vi như là GPS hay là hệ thống hàng hải vô tuyến

Thông

tin vào

Thông tin ra

Trạm AIS trên tàu A

Hệ thống hàng hải

tổ hợp

Phạm vi tàu A

Hệ thống buồng lái

tổ hợp

Thông tin vào

Thông tin ra

Trạm AIS trên tàu B

Hệ thống hàng hải

tổ hợp

Phạm vi tàu B

Hệ thống buồng lái

tổ hợp

Trạm

bờ AIS

Mạng liên kết

dữ liệu VHF

13

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

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]

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

Hình 1.4 Phân chia thời gian trong công nghệ đa truy cập

Hình 1.5 Nguyên tắc đa truy cập tự phân chia thời gian

15

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

Dải thông của kênh truyền sóng 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

Tốc độ truyền tin 9600 bit/ giây

(± 50 phần triệu)

9600 bit/ giây (± 50 phần triệu)

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

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

17

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

Chỉ nhận được các trạm đồng bộ giờ

vũ trụ trực tiếp ?

Trạm đang phát

có phải là trạm cơ sở hay không

Là trạm có

số MMSI thấp nhất &

nhận được nhiều trạm khác nhất

Tăng tốc độ phát lên 3 giây một lần

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

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

Trạm thu trong tiến trình đồng bộ

Có tín hiệu giờ vũ trụ chưa ?

Số thứ tự slot của trạm đã bằng số thứ tự slot của trạm điểm chưa?

Đồng bộ lại pha slot

Đồng bộ lại pha slot

Đồng bộ khung và đồng bộ pha slot

Chưa bằng sử dụng nguồn đồng bộ khác

Đã có

Bằng nhau

Không có

Hình 1.7 Hoạt động của các trạm thu trong tiến trình đồng bộ

19

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

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

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

Thời gian bắt đầu rãnh thời gian tiếp theo

Hình 1.8 Khoảng truy cập trong một rãnh thời gian

21

một lần Điều này có nghĩa là, mỗi một trong 2 kênh AIS 1 và AIS 2 sẽ có lịch phát báo cáo vị trí 4 giây 1 lần, hay là một nửa tốc độ báo cáo thông thường Hình thức hoạt động này gọi là hoạt động kênh đôi

Việc điều hành kênh truyền sóng được áp dụng điều hành các tần số hoạt động theo khu vực được chỉ định bởi Hiệp hội viễn thông thế giới (theo khuyến nghị 1084 của Cục thông tin radio thuộc Hiệp hội viễn thông thế giới), nơi mà các kênh số 2087 và 2088 không có hiệu lực hoặc sử dụng kênh

có dải thông hẹp 12,5KHz

Khu vực áp dụng điều hành kênh truyền sóng và vùng chuyển tiếp của khu vực

Dữ liệu điều hành kênh truyền sóng được thiết lập theo các khu vực địa

lý Việc điều hành kênh truyền sóng áp dụng đối với các khu vực địa lý một cách chính xác Các khu vực này được quy định là một hình chữ nhật theo phép chiếu Mecato với 2 điểm giới hạn và sử dụng hệ toạ độ địa lý thế giới WGS84 Điểm thứ nhất giới hạn góc phía đông bắc của khu vực, điểm thứ hai

giới hạn góc phía tây nam của khu vực với độ chính xác tới 1/10 phút

Vùng chuyển tiếp của khu vực nằm giữa đường biên giới của khu vực

và ranh giới của vùng chuyển tiếp như trong hình 1.9 [2, 4, 5, 7, 11] Chiều rộng vùng chuyển tiếp được qui định từ 1 đến 8 hải lý với gián cách là 1 hải

lý Một trạm AIS di động có thể lưu trữ 8 khu vực khác nhau trong bộ nhớ

Trạm AIS sẽ tự động chuyển sang chế độ hoạt động chuyển tiếp khi ở trong vùng chuyển tiếp Ở vùng chuyển tiếp này, trạm AIS trên tàu sẽ thu phát trên một kênh của khu vực đang chạy qua và của khu vực đang chạy vào, tốc

độ báo cáo trên cả 2 kênh này bằng tốc độ báo cáo thông thường (đối lập với một nửa tốc độ báo cáo thông thường của từng kênh riêng biệt , khi hoạt động

ở chế độ kênh đôi theo mặc định)

Ngoài biển khơi hay các khu vực mặc định có kênh chính là AIS1, kênh phụ là AIS2 với dải thông là 25KHz Chiều rộng của vùng chuyển tiếp là 5 hải lý, công suất phát sóng ở mức cao

Nhập dữ liệu điều hành kênh truyền sóng vào trạm AIS trên tàu biển

Việc nhập dữ liệu điều hành kênh truyền sóng của hệ thống AIS vào trạm AIS trên tàu có thể thực hiện tự động hoặc bằng tay do sĩ quan trên tàu thao tác Dữ liệu đó gồm: biên giới của khu vực áp dụng việc điều hành kênh truyền sóng (giới hạn bởi 2 điểm góc phía đông bắc và tây nam), độ rộng của vùng chuyển tiếp của khu vực, các kênh dùng cho việc thu và phát tín hiệu trong khu vực - kênh chính và kênh phụ, các thông số khác liên quan tới hoạt động của hệ thống trong khu vực

Bằng phương thức tự động có 3 cách, trong đó 2 cách được thực hiện bởi cơ quan chức năng trên bờ thông qua trạm bờ AIS bằng việc phát các bức điện điều hành kênh truyền sóng (bức điện số 22), việc phát bức điện này có thể phát qua mạng dữ liệu VHF của hệ thống hoặc là phát qua kênh DSC 70 Cách còn lại trong phương thức tự động là nhập dữ liệu vào hệ thống AIS qua

hệ thống thông tin trên tàu được nối với thiết bị AIS trên tàu, hệ thống thông

Bên trong khu vực

Kinh độ của điểmgiới hạn đông bắc

Vĩ độ của điểm giới hạn đông bắc

Chiều rộng của vùng chuyển tiếp khu vực X Vùng chuyển tiếp

Kinh độ của điểm giới hạn tây nam