ITU-R INFORME M 2084 SPANISH-2006 Satellite detection of automatic identification system messages《自动识别系统消息的卫星检测》.pdf

1、 I. UIT-R M.2084 1 INFORME UIT-R M.2084*Deteccin por satlite de los mensajes del sistema de identificacin automtica (2006) 1 Introduccin Al comienzo de la dcada de los noventa, la Asociacin Internacional de Sealizacin Martima (IALA) inicialmente propuso que se creara un sistema universal a bordo de

2、barcos que mejorara la seguridad martima y la eficacia de la navegacin, y que al mismo tiempo ayudara a proteger el medio ambiente marino. Posteriormente, la Organizacin Martima Internacional (OMI), la UIT y la Comisin Electrotcnica Internacional (CEI) adoptaron un sistema de navegacin conocido actu

3、almente como Sistema de Identificacin Automtica (AIS) que ayudara a cumplir esas metas. El objetivo principal del AIS consiste en facilitar el intercambio eficaz de informacin de navegacin entre barcos y entre barcos y estaciones costeras para mejorar significativamente la seguridad de la navegacin

4、y fomentar un mejor control y supervisin de los eventos martimos. En la Recomendacin UIT-R M.1371 se describen detalladamente las caractersticas tcnicas del actual AIS, que utiliza tcnicas de acceso mltiple por divisin en el tiempo (AMDT) en la banda de ondas mtricas del servicio mvil martimo. Tal c

5、omo se describe en la Recomendacin mencionada, el AIS se ha diseado para intercambiar, de manera autnoma y automtica, mensajes cortos entre barcos, estaciones costeras y ayudas a la navegacin en un radio de 20 a 30 millas nuticas (MN) (unos 36 a 56 km) utilizando principalmente un tipo de AMDT autoo

6、rganizado. Los mensajes incluyen informacin relativa a la identificacin del barco, su posicin, rumbo y velocidad. Por exigencia del Convenio internacional para la seguridad de la vida humana en el mar (SOLAS), es obligatoria la instalacin y utilizacin del AIS en todos los barcos de 300 toneladas o m

7、s de registro bruto, que realizan travesas internacionales. En 2008, todos los barcos de 500 toneladas o ms de registro bruto que realicen travesas nacionales tambin deben estar dotados con el AIS. Los dispositivos del AIS diseados para cumplir con esta exigencia de incorporacin obligatoria se denom

8、inan equipos Clase A. Se est diseando una versin menos potente, llamada Clase B, que se utiliza de forma voluntaria. Desde su introduccin, el AIS ha demostrado que cumple ampliamente las metas inicialmente planteadas por la IALA. Recientemente, ha surgido la necesidad de poder detectar y seguir la t

9、rayectoria de barcos alejados de la costa a distancias superiores a las que pueden cubrir las comunicaciones terrenales normales en la banda de ondas mtricas. Los requisitos de estas aplicaciones de largo alcance, tales como una mejor manipulacin de carga peligrosa, mayor seguridad y neutralizacin d

10、e operaciones ilegales, sugieren que es necesario poder detectar barcos que se aproximan a distancias de 200 MN (370 km) o ms de la costa. En este Informe se presenta el sistema de deteccin por satlite de los AIS como un medio para lograr la deteccin de barcos a larga distancia. El informe aborda la

11、 viabilidad tcnica, examina la capacidad del satlite en diversas condiciones y estudia los posibles mtodos para mejorar dicha *Este Informe debe sealarse a la atencin de la Organizacin Martima Internacional (OMI), de la Asociacin Internacional de Sealizacin Martima (IALA) y del Comit Internacional R

12、adiomartimo (CIRM). 2 I. UIT-R M.2084 capacidad del satlite. El resto del documento est organizado en los siete puntos siguientes: caractersticas operacionales y tcnicas del AIS, panormica de la deteccin del AIS por satlite, anlisis del balance del enlace, anlisis de la interferencia dentro del sist

13、ema (Clase A nicamente, Clase A y Clase B combinadas y distribucin no uniforme de barcos), compatibilidad con sistemas mviles existentes, tcnicas para mejorar el funcionamiento y la comparticin y resumen. 2 Caractersticas operacionales y tcnicas de los AIS a bordo de barcos En los siguientes prrafos

14、 se presenta un resumen de las caractersticas bsicas del AIS terrenal convencional que figuran en la Recomendacin UIT-R M.1371, lo que permite describir y comprender mejor los principios de la deteccin de los AIS por satlite desde el punto de vista funcional. El AIS funciona como un sistema de comun

15、icaciones barco a barco y barco a tierra en el que los barcos dotados del AIS transmiten peridicamente mensajes de AMDT cortos y de longitud fija con informaciones tales como identificacin, posicin, rumbo, velocidad y otra informacin sobre el estado. Los receptores asociados del AIS a bordo de barco

16、s y en estaciones costeras detectan esta informacin procedente de todos los barcos situados en las cercanas, proporcionando as una visin panormica del entorno local, lo que sirve de complemento a los radares y a otras ayudas para la navegacin. La estructura de la seal AMDT se basa en una trama de un

17、 minuto dividida en 2 250 intervalos de tiempo en los que cada mensaje ocupa tericamente un intervalo de tiempo. En el modo normal, estos mensajes de identificacin se transmiten peridicamente de forma alternada por dos canales martimos de ondas mtricas designados para este fin. La posicin del barco

18、se obtiene a partir de un dispositivo electrnico de determinacin de la situacin que se encuentra a bordo. La temporizacin del AMDT se obtiene a partir del receptor GNSS integrado a la estacin del AIS. La capacidad total del AIS, considerando los dos canales, es de 4 500 mensajes de un intervalo de t

19、iempo por minuto. El AIS se disea empleando un tipo de mecanismo de acceso denominado AMDT autoorganizado. Mediante esta tcnica, el sistema funciona sin utilizar el controlador AMDT central, comn en los mecanismos de AMDT de asignacin fija. Los barcos que forman parte del entorno local logran coordi

20、narse y minimizar los conflictos en cuanto a la utilizacin de los intervalos de tiempo, detectando permanentemente las seales AIS del entorno local y anunciando el siguiente intervalo de transmisin que pretenden utilizar. Tambin se emplean otras tcnicas de acceso AMDT para ciertos tipos de mensaje.

21、En el Cuadro 1 se resumen los parmetros tcnicos de la frecuencia radioelctrica y de los datos del AIS. Tal como se describe en el Cuadro, la longitud bsica del mensaje es de 256 bits, en los que los ltimos 24 bits actan como memoria intermedia que da cabida a los retardos de propagacin y de los repe

22、tidores, a la fluctuacin de fase de la temporizacin y a los bits adicionales debidos al relleno de bits. Normalmente, las ltimas 20 posiciones de bit quedan vacas. Las caractersticas de antena y los parmetros asociados de lnea de transmisin en los equipos del AIS instalados en los barcos no estn def

23、inidos en la Recomendacin bsica de la UIT, pero se aaden aqu para definir de forma ms completa las caractersticas del AIS. En la prctica, se acostumbra a utilizar dos tipos de antena, un dipolo de 1/2 y un monopolo de 5/8 con alimentacin por el extremo, con ganancias que oscilan entre 2 y 4,5 dBi. P

24、or cautela, en este estudio se supone que el dipolo de 1/2 tiene una mxima ganancia de aproximadamente 2 dBi con un simple diagrama de ganancia de elevacin en coseno cuadrado. El tipo y la longitud de la lnea de transmisin varan dependiendo de la instalacin. En este documento, se supone una atenuaci

25、n de 3 dB debida a los cables y otras prdidas relacionadas con el transmisor del AIS del barco. En el Cuadro 2 se presenta la estructura de bits por defecto del paquete de datos. I. UIT-R M.2084 3 CUADRO 1 Visin de conjunto de los parmetros tcnicos del AIS a bordo del barco Parmetros del AIS Valores

26、 Frecuencias 161,975 y 162,025 MHz Anchura de banda del canal 25 kHz Plataformas Barcos Clase A, barcos Clase B, estaciones costeras, ayudas a la navegacin Potencia 12,5 W (Clase A); 2 W (Clase B) Tipo de antena(1)Dipolo de 1/2 Ganancia de antena(1)2 dBi con diagrama de elevacin vertical en coseno c

27、uadrado; Mnima ganancia = 10 dBi Prdida debida a los cables(1)3 dB (aproximadamente) Sensibilidad del receptor 107 dBm para una proporcin de errores de paquete (PER) del 20% (mnimo) 109 dBm para una PER 20% (tpica) Modulacin 9 600 bits MDMG Modo de acceso mltiple AMDT (autoorganizado, aleatorio, fij

28、o e incremental) Longitud de trama AMDT 1 minuto; 2 250 intervalos de tiempo Longitud del intervalo AMDT 26,7 ms; 256 bits (vase el Cuadro 2) Tipos de mensaje 22 tipos Longitud del mensaje 1 a 5 intervalos en los que 1 intervalo es el tipo predominante Intervalo de mensajes peridicos Intervalos de t

29、ransmisin entre 2 segundos y 6 minutos (vase el Cuadro 3) Relacin de proteccin D/U requerida 10 dB para una PER = 20%(2)(1)Parmetros tpicos no definidos en la Recomendacin UIT-R M.1371. (2)Parmetro especificado en CEI 61993-2. CUADRO 2 Estructura de bits por defecto del paquete de datos Aumento de p

30、otencia 8 bits Secuencia de acondicionamiento 24 bits Necesaria para la sincronizacin Bandera de inicio 8 bits Datos 168 bits Longitud por defecto Cdigo de redundancia cclica 16 bits Necesario para la deteccin de error Bandera de finalizacin 8 bits Memoria intermedia 24 bits (normalmente, las ltimas

31、 20 posiciones de bit quedan vacas) Necesaria para dar cabida al relleno de bit, a los retardos debidos a la propagacin y a los repetidores y a la fluctuacin de fase Total 256 bits 4 I. UIT-R M.2084 Para que los AIS puedan realizar todas sus funciones, la norma define 22 tipos de mensaje que se clas

32、ifican en cuatro categoras, a saber, dinmicos, estticos y de travesa, de seguridad y administrativos y datos. Los mensajes dinmicos, que se transmiten peridicamente, conforman la mayor parte del trfico cursado en el entorno AIS. Una variable fundamental es la tasa a la que las distintas plataformas

33、transmiten estos mensajes peridicos. La norma define gamas de posibles intervalos para varios tipos de plataforma, dependiendo de las caractersticas dinmicas del barco, tales como la velocidad y el rumbo. En el Cuadro 3 se presenta un resumen de los intervalos de envo de informacin para las distinta

34、s plataformas. Como se ver ms adelante, el intervalo de informacin cumple una funcin importante en el funcionamiento de la deteccin por satlite de los AIS. El Cuadro 3 muestra que el intervalo de informacin de los barcos de Clase A oscila en una amplia gama que va desde cada 2 segundos hasta cada 3

35、minutos, dependiendo de las caractersticas dinmicas del barco. A fin de determinar un intervalo de transmisin medio a largo plazo, es necesario contar con una distribucin estimativa de los barcos para las diversas circunstancias dinmicas de estado. En el Cuadro 4 se enumeran las categoras de estado

36、con el respectivo intervalo de informacin y una estimacin del porcentaje de los barcos que pertenecen a cada categora en un momento dado. Con estos datos, se determin un valor estimativo general para el intervalo de informacin. CUADRO 3 Intervalos de informacin de mensajes AIS Plataforma AIS Interva

37、lo de informacin Informacin dinmica: Estacin costera Intervalo de 3 1/3 a 10 s (10 s nominales) Barco Clase A Intervalo de 2 s a 3 min (aproximadamente 7 s de promedio) (vase el Cuadro 4) Barco Clase B Intervalo de 5 s a 3 min (30 s nominales) Aeronaves de bsqueda y salvamento Intervalo de 10 s Ayud

38、as a la navegacin Intervalo de 3 min Informacin esttica y de travesa Intervalo de 6 min Mensajes de seguridad y administrativos Segn sea necesario Mensajes de datos Segn sea necesario I. UIT-R M.2084 5 CUADRO 4 Intervalos de informacin de equipos mviles a bordo de barcos Clase A Condiciones dinmicas

39、 del barco Intervalo nominal de informacin Porcentaje del total Barco anclado o amarrado y movindose a menos de 3 nudos 3 min 28 Barco anclado o amarrado y movindose a ms de 3 nudos 10 s Barco en movimiento con velocidad de 0 a 14 nudos 10 s 30 Barco en movimiento con velocidad de 0 a 14 nudos y cam

40、biando de rumbo 3 1/3 s 12 Barco en movimiento con velocidad de 14 a 23 nudos 6 s 30 Barco en movimiento con velocidad de 14 a 23 nudos y cambiando de rumbo 2 s Barco desplazndose a ms de 23 nudos 2 s Barco desplazndose a ms de 23 nudos y cambiando de rumbo 2 s Media para todos los barcos Intervalo

41、de aproximadamente 7 s 3 Deteccin del AIS por satlite Conceptualmente, para detectar los AIS por satlite se requeriran uno o ms satlites en rbita terrestre baja (LEO) que reciban y decodifiquen los mensajes AIS y retransmitan la informacin decodificada mediante enlaces de conexin de satlite hacia es

42、taciones terrenas convenientemente ubicadas. Los satlites LEO se encuentran a una altura tpica comprendida entre 600 y 1 000 km. En la actualidad no est funcionando ningn sistema de deteccin AIS ni se han definido los parmetros operativos y tcnicos de dichos sistemas. Por lo tanto, para cumplir con

43、los objetivos aqu planteados es necesario suponer parmetros tcnicamente factibles y razonables. Un sistema inicial de demostracin utilizar un solo satlite (LEO) en rbita polar a una altura de 950 km. Se prev que los sistemas operativos posteriores utilicen una constelacin relativamente pequea de sat

44、lites LEO; en consecuencia, el seguimiento por satlite de la situacin de un barco dado no ser continuo. Para lograr una cobertura total empleando un nmero moderado de estaciones terrenas es necesario aplicar tcnicas de almacenamiento y retransmisin a los datos AIS recibidos. No obstante, para detect

45、ar y supervisar barcos a distancias de hasta varios miles de millas nuticas de la costa, la gran huella de satlite proyectada sobre la Tierra permite la descarga de datos en tiempo real durante el periodo de visibilidad del satlite. Hay varios factores tcnicos que distinguen la deteccin del AIS por

46、satlite de la deteccin habitual de AIS de barco a barco y de barco a costa, concretamente, la sensibilidad del receptor, el diagrama de ganancia de antena y los requisitos de fiabilidad. Los datos medidos por los receptores del AIS demuestran que los receptores corrientes suelen poseer una sensibili

47、dad superior a la requerida para las especificaciones del AIS. Es posible mejorar an ms la sensibilidad de los receptores de satlite de los AIS mediante el uso de amplificadores de bajo nivel de ruido (LNA) y tcnicas de deteccin optimizadas. Sin embargo, en contraposicin a estas mejoras, es necesari

48、o contar con anchuras de banda del receptor ptimas que permitan asimilar efectos Doppler de hasta cerca de 3,5 kHz. Teniendo en cuenta estos factores, se utilizan aqu una sensibilidad de base de 118 dBm para una proporcin de errores de paquete (PER) del 1% y de 120 dBm para una PER del 20%. 6 I. UIT-R M.2084 El sistema de satlite inicial emplear una antena de satlite de haz amplio. Las antenas de haz ancho utilizadas en los satlites LEO normalmente se pueden clasificar en dos grupos. Un tipo comnmente utilizado es aquel en el que la ganancia de cresta se apunta omnidireccion