2010. 07. xx.

조선융합플랫폼연구팀

Ⅱ. 과제소개

과 제 명e-navigation 실현을 위한 해상 디지털 무선통신 기술

개발(Enhanced AIS 정보전달 체계 및 서비스 개발)

발 주 처 ETRI

과제 책임자초고속무선모뎀팀장 김대호

(조선융합플랫폼팀장 오문균)

예 산2,500 백만원 (10.6 M/Y)

500백만 (1.7M/Y)

과제 연구기간총연구기간: 2010.03.01~2013.02.28(3년)

2010.03.01~2013.02.28(12개월)

과제 수행자오문균(30), 김재명,김형주,송문섭,최유희(10), 충원

(100)

과제 개요

Ⅱ. 과제소개과제 개념 및 내용

< 목표 >• enhanced AIS 정보체계 분석

- Enhanced AIS 정보체계 요구사항 정의, e-navigation 대응을 위한 e-AIS 구조 연구

• enhanced AIS 프로토콜 설계

- Enhanced AIS 프로토콜 설계

- AIS 정보체계 지침서 (국내단체표준), AIS 응용 메시지 제안 (국제단체표준)

[Enhanced AIS 정보전달 체계 및 서비스 개발]

AIS

선박용 AIS 단말기

Display

AIS 정보체계 분석처리SW

GPS 수신처리

Processor VHF 송수신기

해상디지털 이동통신

기지국제어장치

GPS 수신처리

VHF 송수신기

기지국

Enhanced AIS 웅용서비스

AIS 정보체계 분석처리 MW

원격제어장치

VTS

네트워크

AIS 개요

• AIS is an initial requirement set by IMO, developed by the relevant authorities and industry.

• IALA played an instrumental roll in the development of AIS.• The primary requirement : to provide accurate identification and navigational data, assisting safe navigation.

• Recommendation ITU-R M.1371 defines the AIS on-air (VHF Data-link) behaviour. • Composition

• at least one VHF transmitter• two VHF TDMA receivers (or a combination thereof), a processor, GNSS and a communication interface.

• Timing information is obtained from an integral GNSS receiver. • Positional information is obtained from an integral or external GNSS receiver.

• DGNSS can be used in order to enhance the accuracy of positional information.

• IMO SOLAS Chapter V• All vessels greater than 300gt are mandated to carry AIS as from 31 December 2004.

• Some of the respective marine authorities have implemented local AIS requirements. AIS is used in inland waters and waterways.

AIS 정의 및 기능

AIS 란 ?선박의 선명, 제원 등 선박정보, 운항정보 및

보안정보를 VHF 데이타통싞을 통하여 선박-선박/

선박-육상갂 자동 송수싞 하는 장치

선박 안전 및 해상보안강화를 위하여 IMO에서 채택(2000.12)

선박-선박, 선박- 육상간 쌍방향 Data 통신으로 선박의 제원, 운항정

보 및 화물에 관한 정보를 자동으로 송수신

선박운항정보의 자동 송수신으로 관제수단으로 활용(광역관제 가능)선박간 자동식별로 선박충동예방 역할유사시 수색/구조활동 지원 및 선박에 항해안전정보 제공(문자방송)

AIS의 기능

AIS 도입 배경

- Radar & ARPA Radar의 한계 극복 요구 증대

• 수싞감도 날씨의 영향을 받음

• 선박의 크기.상태에 따라 성능영향

• 장애물(만곡부, 섬 등)이 있을시 탐지 불가능

• Target만 인식가능

• 상대 위치(종이해도상에서 절대좌표 확인)

- 해상관제 서비스 범위의 확대

- 해상안전 및 해양 홖경의 중요성 증대

- 싞속. 정확한 해상교통서비스 요구 증대

- 해상교통정보의 홗용 요구 증대

AIS 추진 경과

1991. Draft technical requirements presented at Nav 37. Based on Digital Selective calling technique, 500 reports/hour(ITU-R M. 825).

1997. Draft Performance standard – Universal AIS, based on SOTDMA.

1997. ITU WRC allocates two international AIS VHF frequencies; 161. 975 MHz and 162. 025 MHz.

1998. Performance standard - Universal AIS,adopted.

1998. ITU adopts the Universal AIS technical characteristics (ITU-RM.1371), reviewed October 2000.

1998. IMO Maritime Safety Committee includes the Universal AIS within SOLAS chapter V, Regulation 19.

2000. IMO MSC 73 rectifies changes of SOLAS chapter V

2002. IMO carriage requirements starts for Universal AIS.

2003. IALA Announced A-124 on AIS shore station and networking aspects relating to the AIS service.

2004. IEC-62287 draft approved for committee draft with vote

AIS 관련 규정

Performance standard IMO

Test standardIEC

User GuidelinesIALA

TechnicalCharacteristicsITU-R

FrequenciesITU WRC

Carriage requirement IMO

IALA AIS 구성도

AIS 채널 및 메시지 개요

• AIS uses TDMA schemes• works autonomous, automatic, continuous• Operates primarily in broadcast mode• But also in an assigned and in an interrogation

• TDMA Schemes• SOTDMA (self organized), RATDMA (random access) and FATDMA (fixed access).

• Transmissions use 9.6 kb GMSK FM modulation over 25 or 12.5 kHz channels, using a HDLC type packet protocol.

• Two VHF radio channels are used concurrently.

• Two frequencies : AIS1 (161.975MHz) and AIS2 (162.205MHz). • Other frequencies in the maritime band can be used, subject to local authority requirements.

• AIS channel (frequency)• divided in to 2250 time periods (slots) per 60 seconds (frame), thereby providing 4500 slots per minute.

• Each slot is equal to 26.6’ milliseconds.

AIS Specifications

• Message• Twenty six (26) AIS message types have been defined to date, ranging from single slot to

five slot messages. • Navigational data (1 or 2 slot/s)• Ship/AtoN static and/or voyage related data (1 or two slot/s)• Safety messages (1 to 5 slots).

• Performance• Overloaded by 400 to 500% through sharing of slots• Provide nearly 100% throughput for ships closer than 8 to 10 NM • In the event of system overload, only targets further away will be subject to drop-out, in

order to give preference to nearer targets that are a primary concern to ship operators.• In practice, the capacity of the system is nearly unlimited, allowing for a great number of

ships to be accommodated at the same time.• Coverage

• Similar to other VHF applications, essentially depending on the height of the antenna. • Its propagation is slightly better than that of radar, due to the longer wavelength• A typical value to be expected at sea is nominally 20 nautical miles. • With the help of repeater stations, the coverage for both ship and VTS stations can be

improved considerably.• Compatibility

• Backwards compatible with Digital Selective Calling (DSC) system allowing shore-based GMDSS systems to inexpensively establish AIS operating channels and identify and track AIS-equipped vessels

• Intended to fully replace existing DSC-based transponder systems.

AIS 분류

기능별 분류

(ITU R M. 1371-1)

Class A AIS

AtoN AIS

Base StationAIS

Repeater AIS

Class B AIS

SAR AircraftAIS

AIS Types

Class A• Class A AIS is a mandatory carriage requirement for all for vessels greater than 300gt in• terms of IMO SOLAS convention. • Navigational message are broadcasted every 2 to 10 seconds, depending on the vessels

speed and rate of turn. At anchor requires an update rate of every 3 minutes.

Class B/CS (Carrier Sense)• Class B/CS shipborne mobile equipment is generally used by vessels not subject to the

IMO• mandatory carriage requirement. This includes leisure craft, etc. • The Class B/CS functionality is similar to Class A except the Class B:

• Has a reporting rate less than a Class A (e.g. every 30 sec. when under 14 knots, as• opposed to every 10 sec. for Class A)• Does not transmit the vessel’s IMO number or call sign• Does not transmit ETA or destination• Does not transmit navigational status• Is only required to receive, not transmit, text safety messages• Is only required to receive, not transmit, application identifiers (binary messages)• Does not transmit rate of turn information• Does not transmit maximum present static draught

AIS Types

Aids to Navigation (AtoN)• AIS AtoN categories:

• Physical - actual AtoN AIS installed on an AtoN (buoy, lighthouse, etc.)• Virtual - displayed as a electronic formatted symbol on an Electronic Chart System (not a

physical device)• Synthetic - information received from other physical non-AIS AtoN devices, ported to• and broadcasted by and AIS station

• Physical AtoN AIS stations:• Type 1 - no receiver (transmit only)• Type 2 - receiver for control functions only• Type 3 - receiving processes for autonomous mode

• Physical AIS AtoN units can be installed on fixed or floating aids and off-shore structures.• The general mode of operation is automatic, continuos using FATDMA access scheme. • A predefined transmit schedule is configured for this purpose. • RATDMA is also used when appropriate. • Reporting rates can vary from installation to installation however, every three to ten minutes should be

sufficient. • Identification and positional data is broadcasted. ON/OFF POSITION indicator and type of navigation

aid is included. • The AIS AtoN may eventually replace the RACON.• Provision for telemetry monitoring and control may optionally be provided. • Meteorological and Hydrological data can be broadcasted, if interfaced to the appropriate sensors.

AIS Types

AIS Base Station• AIS shore based stations provide identification, positional and time stamp data,

normally• reporting every ten seconds. • Additionally base stations provide VDL Management (VHF Datalink),• Channel Management and Assign Mode Command functions. • An AIS base station may interrogate any shipborne AIS, when required. The AIS

base station may transmit and process all received shipborne AIS safety messages.

• AIS base station transmitter output power levels can be set to 12.5 watt (default) or 2 watt

• in a specific operational area, as implemented by the competent authority. • Default mode of operation is autonomous and continuous using the FATDMA

access scheme. RATDMA may be used when appropriate.Repeater Station• AIS repeater stations are used in order to extend the required coverage AIS

area.Search and Rescue Aircraft• Aircraft mobile equipment, normally reporting every ten seconds.

AIS Users

• Onboard navigators, masters and captains• Vessel Traffic Services• Port operations, including terminal operators, tugboats, pilots,

service crews, etc.• Logistic operators, including warehousing and transport• Customs and Duties• Coastal surveillance / Homeland security• Ship owners, ship management and agents• Lighthouse and marine aids to navigation authorities• Marine and environmental management• Search and rescue• Coast guards• Police services• Defence and Navy• Marine recreational clubs• Many others

우리나라 AIS(GICOMS) 구축 추진 경과

선박위치추적시스템 시범 구축’02~’04년

해양안전정보 통합(1단계)2005년

해양안전정보 통합(2단계)2006년

LRIT연계-국제갂 연계망 (4단계)2008년

해양안전정보 통합(3단계)2007년

AIS 종류별 시험기준

무선 통싞 방식?

하나의 기지국에 여러 사람이 일정한 주파수대역을 가지는 전파를이용하여 동시에 접속하기 위한 방법

무선통싞방식의 종류

구분TDMA (Time -)

시간분할다중접속방식

FDMA (Frequency -)

주파수분할다중접속방식

CDMA (Code -)

코드분할 다중접속방식

방식시간(타임슬롯)

-디지털방식

주파수

-아날로그방식

코드

- 디지털방식

사용-유럽(GSM)

-일본-NTT DOCOMO(PDC)

아날로그(셀룰러) 휴대폰 디지털

장점FDMA보다 채널용량이 2~4배(잡음/간섭 NO)

여러명이서 다중 접속가능 TDMA보다 10배

단점 혼변조 NO 주파수 간섭, 보안 NO

AIS 무선 통싞 방식

시분할 다중접속 방식

정해진 주파수 대역을 주기적으로 일정한 시갂갂격(타임슬롯)으로나누어서 각 사용자가 자기에게 할당된 시갂동안만 자기싞호를 전송하는 방식.

동기식

-모든 기지국에서 GPS의 시각(UTC time) 정보를 수싞하여 각 기지국-이동국갂의 시각을 동일하게 유지(셀룰러, PCS) - GPS 싞호수싞이 불가능한 지하, 건물내에는 옥내 중계기를 이용하여 동기를유지, AIS는 주변 육상용 송수싞기를 통해 동기를 유지하며 육상용도 없을 경우선박 단말기를 통해 동기 유지

비동기식

- GPS 싞호를 수싞하지 않기 때문에 지하, 건물내 등에서 자유롭게 기지국 설치단, 이동 시 발생하는 핸드오버를 위하여 둘 이상의 기지국갂 시각을 맞추는 기능이 필요한 방식

AIS 통싞 방식

AIS채널 활용 극대화하기 위해 87B, 88B 2개의 채널을 사용하고 하나의

채널을 2,250개의 슬롯으로 나누어 최대 4,500개의 슬롯 확보

하나의 슬롯은 60초/2250 (약 27ms) 하나의 슬롯안에 자동송신의

모든정보 전송

시간 동기를 위한 기준신호는 GNSS(GPS)를 우선

Channel Slot?

★ 1 Channel 당 = 2250 Slot(분)★ 통싞 속도 = 9600bps

1분 = 60초60Sec = 2250 Slot60000 ms = 2250 Slot

60000ms : 2250slot = X : 1Slot2250X=60000X=60000/2250

X=26.67ms

1slot당 몇 ms?

9600bit/sec9600bit/10001ms = 9.6bit

1ms당 몇 bit?

1slot=26.67*9.6bit

1slot=256.032bit

1slot당 몇 bit

AIS 전송타이밍 제어

T0 T1 T2 Ts T3 T4 T5

Tx

100%

80%

RF-power

Station A

Time(ms)

Training sequence

Start flag Data FCS End flag Buffer

1 2 3 4 5 6 7 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27

1 2 3 4 5 6 7 8 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Station B

T0 T1

Time(ms)

Training sequence

Note1

통신방식(RATDMA, ITDMA) 알고리즘

구분RATDMA

(Random Access TDMA)

ITDMA

(Incremental TDMA)

용도Data link entry Phase에서 처음 슬롯을 할당하거나 비 반복 문자 메시지를 전송시 사용

SOTDMA의 data link network entry에서 슬롯 할당이나 보고주기(report rate)의 일시적 변경 또는 안전 관련 메시지의 전송시 사용

알고

리즘

Probability persistent(연속적인) 알고리즘을 사용하여 NS(nominal slot)로부터 150슬롯(4초) 이내의 후보슬롯(Slot)중에서 임의 슬롯을 선택

ITDMA의 첫 슬롯은 RATDMA을 이용결정하거나 SOTDMA알고리즘을 이용하여 미리 할당한 슬롯 사용.

ITDMA에서 다음 슬롯의 전송을 위해슬롯 증가분(Slot increment)만큼 떨어진 선택 범위(SI, selection Interval)내의 임의 전송 슬롯을 선택

통신방식(SOTDMA, FATDMA) 알고리즘

구분SOTDMA

(Self-Organized TDMA)

FATDMA

(Fixed Access TDMA)

용도

이동기지국에서 자율적인이고 연속적으로 선박의 위치 정보 및 항행정보를 교환하기 위해 사용(Class A 에서 사용)

기준국(운영국)이 반복적인 메시지를전송하기 위해서 사용(특수한 경우로SAR AIS 에서도 사용)

알고리즘

기지국간의 데이터 교환시 통신 충돌을 최소화하고 충돌이 발생할 경우 제어 기지국이 중재없이 빠르게해결 할 수 있는 방법을 제공

첫슬롯을 사용하기 위해 프레임의 시작점을 참조하고 슬롯이 사용되기 시작하면 미리 설정/계산된 반복주기에의해 운용

AIS 제공 정보

구분 정보내용 비고

정적정보

(선박제원

·선명, IMO번호, 호출부호

·선박의 종류

·선박의 길이·폭·너비

·안테나의 위치(선미/선수/중심선의 좌우)

변경사항 발생시

수시로 수정입력

동적정보

·선박의 위치, 대지침로, 대지속력, 선수방위

·항해상태(항해, 정박 등)

·선회율(임의)

·경사각도(임의)

선박의 항해상태에

따라 자동 입력

(수동입력도 가능)

항해정보

·선박의 흘수

·위험화물

·목적지 및 도착예정시간

·항로계획(임의)

항해전 및 항해중

주기적으로 수동 입력

문자통신 중요한 항해 또는 기상경보 포함

선박의 항해상태에 따라 2초(고속항해) – 3분(정박중) 간격으로 자동 송신

AIS Message 종류

I D 이 름 설 명Class A Class B

Rx Tx Rx Tx

1 위치 보고 (스케쥴) 계획된 위치 보고(class A) Yes Yes 선택 No

2 위치 보고 (할당) 할당된 위치 보고(class A) Yes Yes 선택 No

3 위치 보고 (폴링) 요청 시 위치 보고(class A) Yes Yes 선택 No

4 기지국 보고 기지국의 위치, UTC, 날짜, slot 번호 Yes No 선택 No

5 정적 데이터 및 항해관련 데이터 계획된 정적 데이터 및 항해관련 데이터 Yes No 선택 No

6 개별 이진 메시지 지정된 통신을 위한 이진 데이터 Yes Yes No No

7 이진 확인 수신한 이진 데이터 확인 Yes Yes No No

8 이진 방송 메시지 방송 통신을 위한 이진 데이터 Yes Yes 선택 No

9 표준 수색구조 항공기 위치 보고 표준 수색구조 항공기 위치 보고 Yes No 선택 No

10 UTC 및 날짜 요청 UTC 시간 요구 Yes Yes No No

11 UTC 및 날짜 응답 현재 UTC 시간 응답 Yes Yes 선택 No

12 안전 관련 개별 메시지 지정된 통신을 위한 안전관련 데이터 Yes Yes 선택 No

13 안전 관련 확인 수신한 안전관련 메시지 확인 Yes Yes No 선택

14 안전 관련 방송 메시지 방송 통신을 위한 안전관련 데이터 Yes Yes 선택 선택

AIS Message 종류

I D 이 름 설 명Class A Class B

Rx Tx Rx Tx

15 질의특정메시지 타입 요구(기지국으로부터 다중 응답 가능)

Yes Yes 선택 No

16 할당 모드 명령 기지국 사용 당국의 특정보고의 할당 Yes No 선택 No

17 DGNSS 방송 이진 메시지 기지국에서 제공한 DGNSS 교정 Yes No 선택 No

18 표준 Class B 장비 위치 보고Class B의 표준 위치 정보(메시지1,2,3 대신)

Yes No 선택 No

19 확장 Class B 장비 위치 보고Class B의 확장된 위치 정보(정적정보 포함)

Yes No 선택 No

20 데이터 링크 관리 위치 보고 기지국을 위해 남겨 놓은 slot Yes No No No

21 항해 지원 장치 보고 AtoN 을 위한 위치 및 상태 보고 Yes No No No

22 채널 관리 메시지기지국에 의한 채널 및 수신기 모드관리

Yes No 선택 No

23 그룹 할당 선택 No

24 Class B 정적 정보 No No

25 단일 슬롯 이진 메시지 Yes Yes 선택 No

26 다중 슬롯 이진 메시지 Yes Yes 선택 No

AIS 동적 정보 전송 주기

구분 선박의 상태 송신간격

Class A

투묘 또는 정박중 (3 노트 이하) 3 분

투묘 또는 정박중 (3 노트 이상) 10 초

속력 0 ~ 14 노트 10 초

속력 0 ~ 14 노트 , 변침 중 3 초

속력 14 ~ 23 노트 6 초

속력 14 ~ 23 노트 , 변침 중 2 초

속력 23 노트 이상 2 초

Class B

Base Station 등

Class B 속력 2 노트 이하 3 분

Class B 속력 2 ~ 14 노트 30 초

Class B 속력 14 ~ 23 노트 15 초

Class B 속력 23 노트 이상 5 초

Class B ‘CS’ 속력 2 노트 이하 3 분

Class B ‘CS’ 속력 2 노트 이상 30 초

수색구조용 비행정 AIS 10 초

항로표지용 AIS 3 분

기지국용 AIS 10 초

AIS 네트워크 계층 구조

Application Layer

Presentation Layer

Session Layer

Transport Layer

Network Layer

CHANNEL 1 CHANNEL 2

Link Layer DLS

Link Layer LME

Link Layer MAC

Link Layer LME

Link Layer DLS

Link Layer MAC

Physical Layer Physical Layer

RX 2TX 1/2RX 1

FM Modulator

Demodulator

GMSK Modem

HDLC Controller

Software

Hardware

STDMA protocol

Interface

Protocol

메시지 1, 2, 3 : 위치 보고

매개변수 비트수 설명

메시지 ID 6 이 메시지에 대한 식별자 1(스케줄), 2(Assign) 또는 3 (Interrogation)

반복표시 2 중계소가 한 메시지의 반복회수를 나타내기 위해 사용. (Repeater)참고; 디폴트=0; 3=더 이상 반복하지 않음

사용자 ID 30 MMSI번호

항해상태 4

0=엔진사용 항해중, 1=정박중, 2=조종불능, 3=기동성이 제한될 때, 4=흘수에 제한 받을 때,

5=계류중, 6=좌초시, 7=어획작업중, 8=돛으로 운항중, 9=HSC용으로 차후의 항해상태 개정을 위한 유보,

10=WIG용으로 차후의 항해상태 개정을 위해 유보, 11-4=차후 사용을 위해 유보,

15=정의되지 않음=디폴트. (14,15 = AIS-SART에서 조난상태를 표시 예정)

선회율ROTAIS

8

0……+126=분당 708도까지 우로 선회 혹은 그 이상

0……-126=분당 708도까지 좌로 선회 혹은 그 이상

0-708도/분의 값은 ROTSENSOR가 외부 선회율 표시기(TI)에 의하여 입력된 선회율일 때,

ROTAIS=4.733 SQRT(ROTSENSOR)도/분에 의하여 코드화 되어야 한다. ROTAIS는 가장 가까운 정수값에

반올림된다.

+127=5°/30s 이상으로 우로 선회(TI 사용할 수 없음)

-127=5°/30s 이상으로 좌로 선회(TI 사용할 수 없음)

-128(80 hex)은 사용할 수 있는 선회 정보가 없음을 나타낸다(디폴트). 선회율 데이터는 COG 정보에서

얻어서는 안된다.

SOG 101/10 노트 단위의 대지속도(0-102.2 노트)

1023=사용할 수 없음, 1022=102.2 노트 혹은 그 이상

위치정확도 11=높음( <10m; DGNSS 수신기의 차별 모드 )

0=낮음( >10m; GNSS수신기나 다른 전자 위치결정장치의 autonomous 모드); 디폴트=0

경도 281/10000분 단위의 경도( ±180도, 동쪽 = +(2’마다 보완), 서쪽= -(2’마다 보완),

181도(6791ACOhex) = 사용할 수 없음 = 디폴트

위도 271/10000분 단위의 위도( ±90도, 북쪽 = +(2’마다 보완), 남쪽 = -(2’마다 보완),

91도(3412140hex) = 사용할 수 없음 = 디폴트

메시지 1,2,3 : 위치 보고

매개변수 비트수 설명

COG 12

1/10도 단위의 대지진로(0-3599)

3600(E10 hex) = 사용할 수 없음 = 디폴트

3601-4095는 사용되지 않음

선수방향 9 도(0-359) (511은 사용할 수 없음을 나타냄 = 디폴트)

타임 스탬프 6

EPFS에 의해 보고가 이루어질 때의 UTC 초(0-59, 혹은

60 - time stamp를 사용할 수 없을 경우, 디폴트

61 - 전자위치결정시스템이 수동입력모드일 경우

62 - 위치결정시스템이 추정(dead reckoning)모드일 경우

63 - 위치결정시스템이 작동불능일 경우

지역적인APPLICATION을 위한

유보4

관할지역당국이 정의하도록 유보. 지역적으로 사용하지 않을 경우에는 0으로 조정돼야함.

지역적인 APPLICATION은 0을 사용하면 안됨.

예비 1 사용되지 않음. 0으로 설정.

RAIM-Flag 1전자위치결정장치의 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) flag, 0 = RAIM이

사용되지 않을 때 = 디폴트, 1 = RAIM이 사용될 때

통신 상태 19 아래를 보라

비트 합계 168

** RAIM (수신기자율감시시스템 ) : 일부 GPS 수신기는 전파 교란 또는 다른 이유로 오류가 발생하는 경우 경보를 발생. 보정신호가 유효하더라도 RAIM에러가 10m이상이면 위치정확도는 Low

AIS의 GNSS(GPS) 위치

1. Primary : External GNSS(위치, COG, SOG)

2. Secondary : Internal GNSS(시간동기 및 백업)

1. Primary

2. Secondary

선박 위치 센서 우선 순위

AIS 동적 정보

구분 내 용

COG(Course over ground):대지침로 북위 기준 선박의 진행방향(각도)

SOG(Speed over ground):대지속도 1knots = 1.852Km

HDG(Heading) : 선수방위 선수방향(각도)

ROT(Rate of Turn) :선회율 분당 선회율

N

HDG

COG

AIS Message Format (Msg. 6)

AIS Message Format (Msg. 8)

AIS 메시지 구조

MSG ID

DataStart flagPreamble FCS flag Buffering

Communicationstate

User ID

AIS Message Frame

AIS Transponder 구성도

AIS 설치 대상 선박 (1)

해상인명안전협약(SOLAS)

모든 여객선

300톤 이상 국제항해 선박

500톤 이상 국내항해 선박

선박안전법(선박설비기준)

모든 여객선

300톤 이상 국제항해 선박

500톤 이상 국내항해 화물선

연해구역 이상 예선, 위험물운반선

길이 45m 이상 어선(원양어선)

국제협약보다 국내법에서 적용대상선박 확대

AIS 설치 대상(2)

구분 선박 설치시기 대상척수

국제항해 300톤이상 화물선 2007. 11. 4 364

국내항해

『해운법』에 의한 여객선 2007. 11. 4 168

500톤 이상 화물선 2008. 7. 1 224

연해구역 이상 예선, 위험물운반선

150톤 이상 2007 .11. 4 566

50톤 – 150톤 미만 2008. 7. 1 510

어선 • 길이 45m 이상 2008. 7. 1 458

유도선• 『유도선사업법』에 의한 유선

2009. 7. 1678

• 『낚시어선법』에 의한 낚시어선 3,884

총 6,852척

(선박안전법-시행규칙)

AIS 운영 구성

선박 AIS단말기 육상기지국 지방청 VTS센터

AIS 기지국 구축 현황

AIS 통합망

AIS Ver. 2.0 배경

AIS 작업반(e-NAV기술위원회7차) 2세대 AIS에 관한 논의중

· e-Nav관점에서 AIS 중요한 요소로서 역할을 할 것으로 기대되나, 고속 / 대용량 데이터통신의 한계에 도달함

· 여러 개의 25KHz의 대역채널을 활용함으로서 고속 데이터 통신 활용 가능

· IMO ITU연합전문가 그룹에서 검토한 결과 e-Nav에 필요한 데이터통신속도는 200Kbps이상

AIS의 사용 증가

· Non-SOLAS선박에 대한 AIS탑재를 확대하고 있으며, AIS 메시지의 종류가 27번까지 증가함

· 향후, AIS가 민간항만, 교량 및 갑문, 수로 및 상업용 해상시설 등 다양한 분야로 확대 예상됨

· Ship-to-Ship, Ship-to-Shore간의 데이터 전송량의 증대 예상됨

AIS 사용확대에 따른 검토사항

· 위성을 통한 AIS사용은 메시지(27번 메시지) 및 VDL 회선의 추가가 요구됨

· AIS는 GMDSS 분야에서도 중요한 역할을 하게 됨 (AIS SART, PLB)

· ASM(이진메시지) 사용의 한계가 예상됨

AIS 2.0 동향

AIS for e-NavigationAIS is a proven technology and should play a significant part in data communications for e-Navigation

• By design AIS is not an ideal candidate for high speed and/or high volume data communications

• High speed digital data communications for e-Navigation is better handled by using multiple 25KHz channels

• The IMO ITU joint experts group has recognised that more than 200 Kbps will be necessary for e-Navigation

This document proposes a future AIS to handle some data communications for e-Navigation.

AIS today• AIS is technically defined by ITU-R M.1371, mandatory for SOLAS vessels and for other

vessels on a regional basis, and used voluntarily • AIS has proved to be a powerful tool for various applications in the field of navigation,

however these applications have not yet fully been exploited• Appendix 15 RR (WRC-07) defines the frequencies used for GMDSS, and it includes

the frequencies AIS1 and AIS2 used by AIS SART stations.

Increasing use of AIS

• Number of ships• AIS Base stations• Airborne AIS• AIS AtoN, real or virtual, and AtoN monitoring• AIS SART• Binary messages

• International• IMO SN/Circ. 236 international messages trial is now complete• Recommendations of the IMO CG on binary messages

• Recommended retention of most of these international binary messages and the addition of new messages• E.g. a new meteorological-hydrological message with a dynamic length of 2 to 5 slots• E.g. an area message for navigational warnings

• Regional

• Extensive use of safety-related binary messages for AtoN monitoring• Binary messages being used in certain waterways

• E.g. St Lawrence seaway• IALA is maintaining a registry of these regional binary messages

• New AIS messages (23, 24, 25, and 26)• GNSS differential corrections• FATDMA usage

Additional future use of AISIncreased use of AIS shore to ship data transmissions• In a future e-Navigation scenario, the transmission of AIS data from shore to ship will

increase significantly with the advent of mandatory ECDIS• Examples

• Ship off track warning• Territorial water advice• Environmental area warning• Navigational hazards• Weather warnings• Military test ranges and submarine exercises

• Some of the present voice communications between shore and ship will move to AIS messaging

• E.g. ship reporting • Route information

Increased use of ship-shore data transfer• Ship reporting by AIS• Requesting data

• Weather data• Docking data• Route information

Additional future use of AIS

• Increased use of ship-ship data transmissions• Reduced use of voice communications in favour of AIS

messages • Repeater, [Land Based station (formally called Limited

Base station) Class-C?]• 사설 AIS 기지국의 증가 (사설항만, 교각, 운하, 해양구조물)

• Future messaging• Satellite detection of AIS• Future GMDSS platform• PLB (Personal Locating Beacon)• Use of AIS for PNT (Position, Navigation and Timing)

and Ranging• Coordinated channel management for future e-

Navigation VHF digital data communications

주파수 할당

AIS주파수그룹

AIS-1 & AIS-2 AIS-3 & AIS-4 AIS-5 & AIS-6 채널 70

목적•항행안전•해양/내륙 조난 및안전통신

• 위성기반 AIS• 미래 GMDSS

• 항행안전 정보 서비스• 범용적인 정보 교환

• VHF VDL 관리

기존/신규 기존 신규 신규 기존

메시지타입ITU-R. M 1371-3

• 메시지 27번 전용• 미래 GMDSS를 지원하기 위한 추가 메시지

• 국제공통 이진 메시지• 지역 이진 메시지

• TDMA시스템 관리• 메시지 20, 22

적용분야

• Ship-to-Ship 충돌예방

• VTS활용• 선박위치모니터링• SAR

• AIS기지국 범위 밖의광역관제(Global)

• 쌍방향 조난 통신

• 항행통보 및 경보• 기상 및 해양 정보• 해상교통관리• AIS채널관리• Ship-to-Shore정보교환

• 채널전환• FATDMA 슬롯할당• 선박관리

할당주파수 채널 87, 88 채널 75, 76 논의 중 채널 70

위성기반 장거리 AIS

COMDEV/Orbcomm사의 저궤도위성체에 AIS수신기 탑재하여 모니터링

2009년부터 요청하는 정부기관에 위치정보 서비스 예정

극동아시아 해양 안전망

MSSIS (IALA–NET)

미국 교통부에서 구축 운영 중이며, 자국 AIS정보를 제공하고 타국정보 수신

현재 54개국이 가입하여 정보를 공유하고 있으면 20,000여척 모니터링 중

54

Maritime Security and Safety Information System

MEH (Marine Electronic highway)

IMO에서 주관하여 말라카해협을 중심으로 해양 안전망 구축 사업

현재 시범사업 진행중 (2006~2012), 아국 85만불 예산지원 참여

주변 장치 기술 개발

• VHF 송싞기 핵심기술 개발

– VHF 통싞채널 사양 결정

• GPS 수싞 데이터 처리기술 개발

– GPS 1PPS을 이용한 시갂 동기화

58

VHF 통싞채널 사양(1)

• General

59

Parameter Minimum Maximum

Regional frequencies (MHz) 156.025 162.025

Channel spacing (kHz) 12.5 25

AIS channel 1 (MHz) 161.975 161.975

AIS channel 2 (MHz) 162.025 162.025

Channel bandwidth (kHz) 12.5 25

Bit rate (bit/s) 9600 9600

Training sequence (bit) 24 32

Transmitter settling time (ms) - 1.0

Transmit output power (W) 1 25

VHF 통싞채널 사양(2)

• Constants

• Bandwidth dependent parameters

60

Parameter Value

Data encoding NRZI

Forward error correction Not used

Interleaving Not used

Bit scrambling Not used

Modulation Bandwidth adapted GMSK/FM

Parameter Name 12.5 kHz 25 kHz

Transmit BT-product 0.3 0.4

Receive BT-product 0.3/0.5 0.5

Modulation index 0.25 0.50

GPS 1PPS을 이용한 시각 동기화• AIS 1 프레임 = 2250 슬롯 = 1분 (1 슬롯 = 26.67 ms)

• Frame의 시작과 끝은 UTC에 동기

• 1 PPS를 이용한 슬롯 타이밍 생성

– 요구되는 1PPS 정확성 400 ns [ICAO AMCP]

61

1 2 3 383736

동기신호

39 757441 4240

동기신호 동기신호1 초

60 초 : 2250 개의 슬롯

1 초 : 2250/60 = 37.5 개의 슬롯26.67ms

AIS 기술 개발 사항 요약

62

AIS 프로토콜 분석

채널 접속 알고리즘

VHF 송싞기 개발

GPS 1pps를 이용한 시각 동기

AIS 정보 해석AIS기술개발

Example: AIS Transponder

Configuration

63

AIS transponder

Comm.

Processor

VHF

transceiver

PVT,

(GNSS)

AIS 1 - (87B : 161.975 MHz)

AIS 2 - (88B : 162.025 MHz)DGNSS

Sensors

Long Range I/O

IEC 61162-1

High Speed I/O

(MMI, ECDIS)

Data Network

ConnectionBIIT

Example: AIS Transponder H/W 동작

64

HDLC

HDLC

GMSK/FM

Modulation

GMSK/FM

Demodulation

HDLCGMSK/FM

Demodulation

HDLCGMSK/FM

Modulation

Time Sync.

Link Layer MAC

Link Layer LME

(SOTDMA)

Link Layer DLS

Network Layer

Transport Layer

Session Layer

Presentation Layer

Application Layer

Software Hardware

Interface

stageCPU VHF transceiver

Example: VHF Transceiver

65

ANALOG (CHIPSET)

KD701

KD701CMX589A

CMX589A

HDLC

HDLC

GMSK

Modulation

FM

Modulation

GMSK

Demodulation

FM

Demodulation

HDLCGMSK

Demodulation

FM

Demodulation

HDLCGMSK

Modulation

FM

Modulation

LO3LO1

LO2 LO4

PA

LNA

PA

LNA

Example: AIS 운용 S/W 기능 정의 및 설계 (S/W protocol layer)

66

프리젠테이션 인터페이스(Presentation Interface): 외부 시스템과 AIS의 데이터 입출력 처리

전송 계층(Transport Layer): 외부 수신 데이터를 AIS 패킷으로 전환, 패킷 전송 순서 조절

네트웍 계층(Network Layer): 채널 연결 시도 및 유지, 패킷 분배, 데이터 링크 정체 해결

인터페이스 인터페이스 인터페이스

LME(Link Management Entity): 전송 메시지 생성 및 구성, 동작 모드 결정

채널 초기화, 채널 접속 프로토콜 선택

DLS(Data Link Service): 데이터 링크 활성화, 해제데이터 전송, 감지, 제어

MAC(Medium Access Control): TDMA 동기화 방법 선택

UTC 직접 동기, UTC 간접 동기기준국 동기, 최다 수신국 동기

링크 계층(Link Layer)

VHF Transceiver

GNSS 수신기기타 센서

ECDIS

위치 UTC

Example: AIS 운용 S/W 기능 정의 및 설계 (S/W task 구조)

67

HDLC ISR

전체 시스템 관리

AIS 메시지 수신및 데이터 추출

AIS 메시지 해석

데이터 전달

AIS 메시지 해석 결과 전달

외부 I/F 및 NMEA 데이터 처리

외부 인터페이스를 위한 데이터 전송

NMEA0183 format에 맞추어 데이터 송/수신

ECDIS 및 기타 센서 ISR

NMEA 데이터 수신

ECDIS

MMI

NMEA데이터 전송

전체 시스템초기화

시스템 초기화 명령

시스템 시각동기 수행

전송 기지국 및 수신 기지국 동기화

(슬롯 및 프레임 동기화)

동기화 명령

GNSS 데이터 수신 및 처리

GNSS ISR

GNSS 데이터 전송

위치 및속도 데이터 전송

AIS 메시지 전송

메시지 전송 명령에 따른 AIS 메시지 구성

AIS 메시지 전송 명령

각 메시지에 적합한 TDMA 알고리즘 선택하여 메시지 전송

시스템기능 설정

MMI ISR

시스템 기능 설정 메시지 수신

:Interrupt Service Routine

:Task