mỤc lỤc -...
TRANSCRIPT
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
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 moi, niềm hạnh phúc của người đi biển. Nhiều thiết bi nghi khí hàng
hải, vô tuyến điện đa được chế tạo nhăm 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 bi trên tàu biển cung
không năm 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 bi 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 bi AIS được yêu cầu bắt buộc trên các tàu vận tải, các phương
tiện tìm kiếm cứu nạn… theo quy đinh bổ sung sửa đổi năm 2002 của công
ước SOLAS- 74. Các thiết bi AIS hoạt động trên giải tần số VHF dùng trong
hàng hải hoặc có khả năng kết hợp với thiết bi 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 bi ảnh hưởng bởi các yếu tố phi tuyến (nhiễu vô
tuyến, môi trường,…) đa ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền tín hiệu,
gây một số sự cố hàng hải.
4
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 kip 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 nhăm 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-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.
6
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 dich vụ AIS
Trạm bờ AIS
Logic
Trạm bờ AIS
tự nhiên
Trạm AIS cố đinh
Thiết bi VHF/RF Ăng ten
Bộ lọc sóng radio
Mạng liên kết dữ
liệu VHF của hệ
thống AIS
Các dich vụ AIS cơ bản
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống AIS
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 đinh sẽ dùng các kênh AIS1 và AIS2 qui đinh bởi
Liên đoàn viễn thông quốc tế trong giải sóng VHF dùng trong dich vụ hàng
hải di động. Các kênh AIS1 và AIS2 được chia thành các ranh thời gian phát
sóng, 1 phút gồm 2250 ranh trong mỗi kênh, tổng cộng 2 kênh cho 4500 ranh
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
bi 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 bi được chỉ ra băng cách
mô tả chức năng và các đinh 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 dich 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
8
chúng có thể trực tiếp truy cập vào các thiết bi 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 đinh về mặt đia lý hay có thể hiểu là
cố đinh (trong trường hợp được lắp đặt vào các thiết bi trợ giúp hàng hải như
Racon, phao,... thì sự dao động về vi trí của nó cung rất nho 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 bi 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 bi 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 vu 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 bi điều khiển từ xa. Trong hầu hết các trường hợp, trạm bờ AIS tự nhiên
cung có bộ phận điều khiển, dùng để điều khiển toàn phần một vài hoặc toàn
9
bộ các thiết bi 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 bi ứng dụng và sử dụng dich 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 đia điểm nào phù hợp. Tuy nhiên, đòi hoi
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 dich vụ AIS mà chúng giao diện với
các thiết bi ứng dụng.
Bộ phận quản lý dịch vụ AIS (The AIS Service Management- ASM)
Bộ phận quản lý dich vụ AIS làm chủ toàn bộ các trạm AIS logic và tự
nhiên, tức là nó kích hoạt, đặt vào các giá tri ban đầu, đinh dạng và kết thúc
hoạt động của chương trình phần mềm của các trạm AIS tự nhiên và logic.
Bộ phận quản lý dich vụ AIS xác đinh 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 dich vụ AIS xác đinh mối liên hệ thông tin giữa các
trạm bờ logic với các thiết bi 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.
Dich vụ AIS bao gồm các trạm bờ tự nhiên, logic, và bộ phận quản lý
dich vụ AIS. Trong đó, vài trạm bờ tự nhiên được chỉ đinh cho ít nhất một
trạm logic mà chúng kết hợp dữ liệu từ các trạm tự nhiên này với mục đích
10
bao phủ một vùng nhất đinh. Dich 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 dich 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 dich vụ
AIS. Bộ phận này điều khiển dòng dữ liệu trong hệ thống và đinh 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
Dịch vụ
hỗ trợ
kỹ thuật
Dịch
vụ AIS
Hình 1.2. Dich vụ AIS với khách hàng và bộ phận cung cấp dữ liệu AIS
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 dich vụ AIS phải có khả năng nhất đinh 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 dich 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 bi 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 bi điện
tử xác đinh vi trí tàu nắp đặt trên tàu, có chứa ít nhất một bộ cảm biến vi trí
GPS hoặc vi phân GPS. Bộ cảm biến vi trí này sẽ nhận tín hiệu vi trí tàu từ hệ
thống vệ tinh hàng hải (và có thể tăng cường băng các hệ thống trên mặt đất).
Nếu hệ thống hàng hải vô tuyến thực sự năm ngoài phạm vi điều khiển của cả
hệ thống AIS và môi trường điện tử trên tàu thì được gọi là “ngoại vi”.
Thiết bi điện tử xác đinh vi 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.
12
Thêm vào đó, các hệ thống này lưu trữ các thông tin được nạp vào băng
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 đinh 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
Mạng
AIS
Trung
tâm
VTS
Trung
tâm
VTS
Trung
tâm
cứu
nạn
Các
dịch
vụ liên
quan 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
13
Để tính thời gian các trạm AIS trên bờ cung 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 cung có
thể đơn giản như là một đường cáp dẫn tới trung tâm dich 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 dich 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 bi trên tàu biển là một thiết bi 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 bi 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 ranh thời gian, một ranh 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 năm trong vùng phủ sóng của nhau liên tục tự đồng bộ với nhau
để tránh thu, phát chồng chéo. Khi một trạm thay đổi lich phát, nó sẽ thông
14
báo vi trí mới và thời gian ngắt cho vi trí đó. Băng nguyên tắc này, các tàu sẽ
luôn nhận ra trạm mới [1, 4].
Mỗi một trạm AIS xác đinh lich phát của nó (vi trí của ranh thời gian
trong khung) dựa trên lich 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 ranh 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 đinh 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.
AIS1
AIS2
1 khung (frame) = 60 giây = 2250 slot
1 slot = 256 bit
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 đinh lich phát của mình. Trạm đó sẽ tự động giải quyết xung đột về
lich phát với các trạm khác.
Chế độ chỉ đinh: Một trạm hoạt động ở chế độ này là sử dụng lich phát
được chỉ đinh 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
Vùng tần số 156.025 MHz 162.025 MHz
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)
Công suất phát 1 w 25 w
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 vu trụ: Một trạm có đường truy cập trực tiếp
giờ vu trụ sẽ biểu thi điều này băng việc đặt tình trạng đồng bộ của nó về giờ
vu trụ trực tiếp.
Đồng bộ gián tiếp với giờ vu trụ: Một trạm không có đường truy cập
trực tiếp giờ vu trụ, nhưng có thể nhận từ những trạm khác mà các trạm đó
16
biểu thi 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 vu 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 thi răng 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 thi 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 vu 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 thi 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 dich 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 ranh thời gian.
Theo mặc đinh, việc truy cập vào mạng dữ liệu AIS được tiến hành tại
thời điểm bắt đầu 1 ranh thời gian. Khung thời gian bắt đầu và kết thúc đồng
thời với phút của giờ vu trụ khi có sẵn tín hiệu giờ vu trụ, nếu không có sẵn
tín hiệu giờ vu trụ thì các trạm phải đồng bộ khung và đồng bộ pha ranh thời
gian.
17
Đồng bộ pha rãnh thời gian và đồng bộ khung
Đồng bộ pha ranh thời gian: Đồng bộ pha ranh 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
ranh thời gian). Do đó, sẽ duy trì được sự ổn đinh của việc đồng bộ ở mức
cao, đảm bảo răng không một bức điện nào bi chồng chéo lên nhau hay bi làm
sai lệch.
Đồng bộ khung thời gian: Là phương pháp mà qua đó một trạm sử
dụng số thứ tự của ranh thời gian hiện tại của một trạm khác hay một trạm cơ
sở, chấp nhận số thứ tự của ranh thời gian nhận được ấy là số thứ tự cho ranh
thời gian hiện tại của trạm mình.
Trạm phát trong
tiến trình đồng bộ
Chỉ nhận được
các trạm đồng bộ giờ
vu 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 vi trí theo
chương trình đa đinh và báo cáo về
giờ vu trụ cùng với số thứ tự ranh
thời gian
Phát bình thường, luân
phiên phát số thứ tự ranh
thời gian và số trạm mà
nó nhận được
Hình 1.6. Hoạt động của các trạm phát trong tiến trình đồng bộ
Đúng.
Trạm cơ sở Đúng
Không
Không.
Trạm di động
18
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
vu trụ, thì nó sẽ tăng việc cập nhật của nó băng việc phát báo cáo đinh kỳ 3
giây một lần.
Hoạt động của trạm di động: Khi một trạm di động xác đinh được răng
nó là điểm để các trạm khác đồng bộ theo, nó sẽ phát báo cáo tối thiểu là 2
giây một lần. Trạm đó cung sẽ lần lượt thay đổi việc phát báo cáo vi trí và bức
điện báo đáp giờ thế giới kể cả số thứ tự ranh thời gian hiện tại của mình.
Một trạm khi đa có tín hiệu giờ vu trụ trực tiếp hay gián tiếp, sẽ tiếp tục
đồng bộ lại việc phát tín hiệu của nó theo tín hiệu giờ vu trụ ấy.
Trạm thu
trong tiến trình đồng bộ
Có tín hiệu giờ
vu trụ chưa ?
Số thứ tự slot của
trạm đa băng 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 băng sử
dụng nguồn
đồng bộ khác
Đa có
Băng nhau
Không có
Hình 1.7. Hoạt động của các trạm thu trong tiến trình đồng bộ
19
Khi một trạm xác đinh răng số thứ tự ranh thời gian của mình đa khớp
với số thứ tự ranh thời gian của trạm điểm (của sự đồng bộ), thì trạm đó đa
được đồng bộ khung, nó sẽ tiếp tục đồng bộ pha ranh 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 răng, số trạm
nhận được tín hiệu của nó nhiều nhất.
Nhận dạng rãnh thời gian: Các ranh 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 ranh thời gian bắt đầu băng việc bật khối
phát vào thời điểm bắt đầu một ranh thời gian. Khối phát sẽ phát sóng vào
thời điểm bắt đầu ranh thời gian. Việc phát tín hiệu sẽ được tắt sau khi bit
cuối cùng của khối thông tin rời khoi thiết bi phát. Theo mặc đinh độ dài của
việc phát tín hiệu năm trong một ranh thời gian.
Mỗi một ranh 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 đinh bên trong: ranh thời gian đa được phân chia cho trạm chủ và
có thể dùng để phát tín hiệu.
Chỉ đinh bên ngoài: ranh thời gian đa được phân chia cho trạm khác và
trạm chủ không thể sử dụng nó.
Có thể dùng được: Đây là ranh thời gian được chỉ đinh sử dụng bởi
trạm ở xa nhất.
20
1.2.3 Điều hành kênh truyền sóng
Khái niệm: Hiệp hội viễn thông thế giới chỉ đinh 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 đinh 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 đinh mỗi
một trong 2 kênh AIS 1 và AIS 2 sẽ được dùng để phát tín hiệu với tốc độ
băng 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 vi trí trong
khoảng thời gian 2 giây, hay tốc độ báo cáo thông thường của trạm là 2 giây
100% 80%
1 ms 1 ms
Thời gian
Công suất
phát sóng
Thời gian bắt
đầu một rãnh
thời gian
Thời gian bắt
đầu rãnh thời
gian tiếp theo
Hình 1.8. Khoảng truy cập trong một ranh thời gian
21
một lần. Điều này có nghĩa là, mỗi một trong 2 kênh AIS 1 và AIS 2 sẽ có
lich phát báo cáo vi 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 đinh bởi Hiệp hội viễn thông thế giới (theo
khuyến nghi 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 đia
lý. Việc điều hành kênh truyền sóng áp dụng đối với các khu vực đia lý một
cách chính xác. Các khu vực này được quy đinh là một hình chữ nhật theo
phép chiếu Mecato với 2 điểm giới hạn và sử dụng hệ toạ độ đia 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 năm 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 đinh 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 băng 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 đinh).
Ngoài biển khơi hay các khu vực mặc đinh 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.
22
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 băng 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.
Băng 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 băng 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 bi 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
Vĩ độ của
điểm giới hạn
tây nam
Ranh giới của
vùng chuyển tiếp
Biên giới
của khu vực
Hình 1.9. Khu vực áp dụng điều hành kênh truyền sóng
KHU VỰC X
23
tin trên tàu sẽ nhận các dữ liệu điều hành kênh truyền sóng một cách tự động
hay được nhập vào băng tay.
Phương thức nhập các dữ liệu băng tay được thực hiện bởi sĩ quan trên
tàu thông qua bàn phím và màn hình hiển thi của thiết bi AIS trên tàu. Trong
quá trình hoạt động thông thường, nếu có thể nên tránh việc nhập dữ liệu băng
tay và chỉ được thực hiện dựa vào các thông tin phát ra từ các cơ quan chức
năng có thẩm quyền.
Hoạt động của trạm AIS di động trong vùng chuyển tiếp
Khi một trạm AIS di động đi vào vùng chuyển tiếp, thì chế độ hoạt
động sẽ chuyển sang chế độ chuyển tiếp hai kênh, khi đó có sự thay đổi hoặc
là tần số làm việc hoặc là giải thông của kênh hay cả hai, từ một khu vực sang
khu vực kế bên. Việc thay đổi này được tiến hành theo nhuyên tắc sau:
Nếu kênh chính của hai khu vực là như nhau thì trạm AIS di động sẽ
chỉ sử dụng kênh chính đó với tốc độ báo cáo thông thường, khi trạm hoạt
động ở chế độ chuyển tiếp hai kênh.
Nếu kênh chính của một khu vực giống như kênh phụ của khu vực kế
bên và kênh phụ này là kênh đơn công thì trạm AIS di động sẽ chỉ sử dụng
kênh đó với tốc độ báo cáo thông thường, khi trạm hoạt động ở chế độ chuyển
tiếp hai kênh.
1.2.4. Thông tin trong bức điện AIS
Thông tin trong các bức điện báo của hệ thống AIS được phân chia
thành 3 loại chính sau: Thông tin tĩnh, thông tin động, thông tin liên quan đến
chuyến đi. Các thông tin tĩnh được nạp vào thiết bi AIS trong khi lắp đặt
chúng, và chỉ cần thay đổi nếu tàu đổi tên hay có thay đổi lớn chuyển loại tàu
sang loại khác. Các thông tin động được tự động cập nhật vào AIS thông qua
các phần tử cảm biến nối thiết bi AIS với các trang thiết bi hàng hải điện tử
trên tàu (máy thu GPS, la bàn điện,...). Các thông tin liên quan đến chuyến đi
được nhập vào băng tay do sĩ quan trên tàu thao tác và thường xuyên được
cập nhật trong chuyến đi.
24
Bảng 1.2. Các thông tin trong bức điện AIS
Thông tin tĩnh 6 phút phát 1 lần và theo yêu cầu của cơ quan
có thẩm quyền
Số nhận dạng dich vụ
di động hàng hải
Được thiết lập khi lắp đặt. Thông tin này có thể
thay đổi khi thay đổi chủ tàu
Số đăng ký IMO Được thiết lập khi lắp đặt
Chiều dài và chiều
rộng tàu
Được thiết lập khi lắp đặt hay có sự thay đổi kích
thước tàu
Loại tàu Lựa chọn từ danh sách được cài sẵn
Vi trí ăng ten Thiết lập khi lắp đặt hoặc thay đổi đối với tàu hai
chiều hay đối với thiết bi sử dụng ăng ten cố đinh
Chiều cao trên ki tàu
Thiết lập khi lắp đặt. Được phát theo chỉ thi của
thuyền trưởng và yêu cầu của cơ quan có thẩm
quyền
Thông tin động Khoảng thời gian báo cáo phụ thuộc vào tốc độ
và sự thay thay đổi hướng (theo bảng 1.2)
Vi trí tàu với độ chính
xác và trạng thái toàn
vẹn
Tự động cập nhật từ bộ cảm biến vi trí được nối
với AIS. Chỉ báo độ chính xác lớn hơn hoặc nho
hơn 10m
Thời gian vi trí tính
theo thời gian vu trụ
Tự động cập nhật từ bộ cảm biến vi trí chính được
nối với AIS (ví dụ GPS)
Hướng di chuyển thật
Tự động cập nhật từ bộ cảm biến vi trí chính được
nối với AIS, với điều kiện là bộ cảm biến tính toán
hướng thật. (Thông tin này có thể không có sẵn)
25
Vận tốc thật
Tự động cập nhật từ bộ cảm biến vi trí được nối
với AIS, với điều kiện là bộ cảm biến tính toán tốc
độ thật. (Thông tin này có thể không có sẵn)
Hướng mui tàu Tự động cập nhật từ bộ cảm biến hướng mui tàu
được nối với AIS
Trạng thái hàng hải
Thông tin tình trạng hàng hải được nhập vào băng
tay bởi sĩ quan trực ca và được thay đổi khi cần
thiết, ví dụ như:
- đang chạy băng máy
- đang neo
- mất chủ động
- hạn chế khả năng điều động
- đang buộc cầu
- hạn chế bởi mớn nước
- mắc cạn
- Đang kéo lưới
Tốc độ đổi hướng
Tự động cập nhật từ bộ cảm biến tốc độ đổi hướng
của tàu hoặc lấy từ la bàn con quay. (Thông tin
này có thể không có sẵn)
Thông tin liên quan
đến hành trình
6 phút một lần, khi dữ liệu sửa đổi hoặc theo
yêu cầu
Mớn nước tàu
Được cập nhật băng tay khi bắt đầu chuyến đi sử
dụng mớn nước lớn nhất và được sửa đổi theo yêu
cầu (ví dụ khi tới cảng đến tàu bơm nước ballast ra
ngoài mớn nước sẽ thay đổi)
Loại hàng hoá nguy
hiểm
Theo yêu cầu của cơ quan có thẩm quyền, được
nhập băng tay khi khởi hành để xác nhận xem tàu
26
có chở hàng nguy hiểm hay không, tên của chúng
như sau:
- DG (hàng nguy hiểm)
- HS (chất có hại)
- MP (chất gây ô nhiễm hàng hải).
Không yêu cầu phải báo số lượng của hàng
Cảng đến và thời gian
dự kiến tàu đến
Theo tính toán của thuyền trưởng, được nhập vào
băng tay và được lưu giữ đến thời gian cần thiết
Tuyến đường đi của
tàu
Theo tính toán của thuyền trưởng và chỉ theo chất
vấn của cơ quan có thẩm quyền. Được cập nhật
vào băng tay và được cập nhật khi cần thiết
Số lượng người trên
tàu
Bao gồm cả thuyền bộ. Theo ý kiến của thuyền
trưởng và theo yêu cầu của cơ quan có thẩm quyền
Ngoài ra hệ thống AIS còn phát các bức điện ngắn liên quan đến an
toàn hàng hải, chúng được phát đi khi có yêu cầu và không theo một lich cụ
thể nào. Các bức điện này được nhập vào băng tay, có thể được chuyển tới
từng tàu, một nhóm tàu hay tới tất cả các tàu và các trạm bờ.
1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 tập trung phân tích cấu trúc tổ chức, nguyên lý xây dựng và
hoạt động của hệ thống tự động nhận dạng tàu thuỷ AIS một cách khoa học và
mang tính logic. Cụ thể, đa phân tích cấu trúc tín hiệu thông tin hàng hải của
hệ thống AIS, được thể hiện thông qua nguyên tắc đồng bộ trong hoạt động
đa truy cập, tự phân chia thời gian, điều hành kênh truyền sóng và nội dung
thông tin trong bức điện AIS, góp phần nâng cao an toàn hàng hải, an ninh
hàng hải và phòng ngừa ô nhiễm môi trường.
27
CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU VÔ TUYẾN ĐỐI VỚI
CÁC KÊNH THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG
TÀU THUỶ AIS
Nhiễu vô tuyến là một vấn đề rất quan trọng trong hệ thống vệ tinh,
thông tin liên lạc,... ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền tín hiệu. Nhiễu
vô tuyến gây ra hiện tượng méo tín hiệu, chết tín hiệu hoặc xuất hiện các tạp
âm trong thiết bi thu và phát. Vì vậy cần phải đưa ra biện pháp khắc phục
nhiễu đến mức tối đa để cải thiện chất lượng của tín hiệu [3, 4, 6].
Trong chương này phân tích tóm tắt cơ sở lý thuyết về một số loại
nhiễu tác động đến các kênh thông tin của hệ thống tự động nhận dạng tàu
biển AIS [3, 4, 6]. Cụ thể:
Nhiễu phản xạ (Reflection Noise).
Nhiễu trắng (White Gaussian Noise).
Nhiễu xuyên kênh (Interchannel Interference).
Nhiễu đồng kênh (Cochannel Interference).
Nhiễu đa truy nhập (Multiple access Interference).
2.1. Ảnh hưởng của nhiễu phản xạ
Khái niệm: Là một hình thức biến dạng của một tín hiệu do hai hoặc
nhiều đường tín hiệu bi nhiễu sang nhau, gây ra hiện tượng tín hiệu của đường
truyền này trở thành nhiễu của đường truyền kia và ngược lại. Đây là một
hiện tượng không mong muốn có tác dụng tương tự như nhiễu, do đó làm
giảm độ tin cậy của thông tin liên lạc.
Nhiễu này thường được gây ra bởi đa đường truyền hoặc các tuyến tần
số không tuyến tính vốn có của một kênh tần số. Sự hiện diện của nhiễu phản
xạ trong hệ thống cho biết các lỗi trong thiết bi quyết đinh tại đầu ra máy thu.
Do vậy trong việc thiết kế các bộ lọc thu phát là để giảm thiểu những tác động
28
của nó và do đó cung cấp những dữ liệu kỹ thuật số sao cho đạt mục đích cuối
cùng là tỉ lệ lỗi nho nhất có thể.
Nguyên nhân: Do ảnh hưởng của đa đường truyền (hình 2.2): Đa đường
truyền trong tín hiệu không dây từ máy phát truyền đến máy thu thông qua
nhiều con đường khác nhau.
Nguyên nhân này bao gồm phản xạ (ví dụ, tín hiệu phản xạ từ các tòa
nhà), khúc xạ hiệu ứng khí quyển như ống dẫn khí quyển và phản xạ sóng
trời, phản xạ của các tầng điện ly, vì vậy làm cho đường dẫn tín hiệu có độ dài
khác nhau, dẫn đến làm chậm tín hiệu. Các thời điểm khác nhau sẽ có kết quả
khác nhau. Sự chậm trễ này có nghĩa là một phần hoặc tất cả các tín hiệu ban
đầu sẽ được lan truyền vào các tín hiệu tiếp theo, từ đó can thiệp vào việc phát
hiện chính xác của những tín hiệu này.
Ngoài ra, các đường dẫn khác nhau làm sai lệch biên độ và (hoặc) pha
của tín hiệu, dẫn đến gây nhiễu tín hiệu thu được.
Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu phản xạ gây bởi tín
hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau, từ các hướng khác nhau từ phát đến
thu là điều không thể tránh khoi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn
mẫu tín hiệu khiến máy thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban
đầu. Các kỹ thuật phương thức đa truy nhập phân chia theo ma chuỗi trực tiếp
DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiplexing Access) rất dễ bi ảnh
hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian
của một ký tự. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài
thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, phương pháp đa truy nhập
phân chia theo tần số trực giao còn chèn thêm một khoảng bảo vệ GI (Guard
interval), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự
nên nhiễu này có thể giảm bớt rất nhiều.
29
Biện pháp khắc phục nhiễu phản xạ
Trong các hệ thống đơn sóng mang, nhiễu này khá nguy hiểm và khá
nan giải khi khắc phục, lý do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghich với khoảng thời
gian tín hiệu. Do vậy, nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ
thống này, vô hình chung đa làm tăng mức trải trễ tương đối. Lúc này hệ
thống rất nhạy với trải trễ và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết nhiễu.
Để giảm nhiễu phản xạ phải hạn chế dải thông mà vẫn không gây ra
nhiễu này là dùng bộ lọc cos nâng và bộ lọc ngang ép không (phương pháp
Nyquist I).
2.2. Ảnh hưởng của nhiễu trắng
Khái niệm: Là quá trình xác xuất có mật độ phổ công suất phẳng
(không đổi) trên toàn bộ dải tần (hình 2.8).
Nguyên nhân gây ra nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau như
thời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, hay do con người [5, 12].
Về mặt toán học, nhiễu trắng là một loại nhiễu có hàm mật độ xác suất
tuân theo phân bố Gauss. Giả sử nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình băng
một biến xác suất Gauss với kì vọng μ = 0 và độ lệch chuẩn σ2.
0][ xE
])[( 22 xE
Do kỳ vọng băng không nên độ lệch chuẩn cung băng phương sai của
biến ngẫu nhiên x. Cụ thể hơn nhiễu trắng có công suất không đổi σ2.
30
Hình 2.1. Hàm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss của nhiễu trắng
Về mặt lí thuyết, nhiễu trắng có băng tần vô hạn và công suất nhiễu là
đều đặn ở mọi tần số. Về mặt thực tế không có hệ nào có băng tần vô hạn mà
bi giới hạn ở một băng tần nào đó. Do vậy mật độ phổ công suất của nhiễu
cung bi giới hạn.
Giả sử là hệ thống có băng tần giới hạn B = 2ωg với chu kì lấy mẫu là
ta. Mật độ phổ công suất của nhiễu như hình 2.2 được viết lại như sau:
atTnnFjnn2)()( (2.1)
Cl 0
Cl
Trong đó: Фnn(jω) - hàm mật độ công suất nhiễu;
φnn(τ) - hàm tự tương quan của nhiễu xác đinh theo công thức :
φnn(τ) = E[n(t)n(t+ τ)] = σ2si ωgτ (2.1)
nn(j)
-g +g
δ2ta
Hình 2.2. Mật độ phổ công suất nhiễu
31
Tất cả các biến ngẫu nhiên đều không tồn tại phép biến đổi Fourier mà
chỉ tồn tại hàm tự tương quan và hàm mật độ công suất, trong đó hàm mật độ
công suất là phép biến đổi Furie của hàm tự tương quan.
Theo phương trình hàm tự tương quan là biến đổi Furier ngược của
hàm mật độ phổ công suất. Do hàm mật độ phổ công suất có dạng hình chữ
nhật (hình 2.2), kết quả biến đổi Furier ngược của hàm hình chữ nhật cho hàm
số sin. Công suất của nhiễu có thể tính được băng cả hàm mật độ công suất
nhiễu hoặc hàm tự tương quan của nhiễu như sau:
2
2 )(2/1)0()]([ djtnEP nnnnn với mọi t (2.2)
Khi đó tỉ số tín hiệu trên tạp âm được tính theo công thức sau:
n
S
P
PSNR (2.3)
Trong đó: Ps - công suất tín hiệu có ích, tỉ số này quyết đinh chất lượng tín
hiệu và dung lượng kênh.
2.3. Ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh
Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bi phát trên các kênh liền nhau.
Nhiễu xuyên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bi dich
tần gây nhiễu sang các kênh kề nó; hoặc sự chồng phổ giữa các sóng mang,
thường xuất hiện ở các hệ thống làm việc tại các dải tần kề nhau. Để loại bo
nhiễu xuyên kênh phải có khoảng bảo vệ (Guard band) giữa các dải tần.
Trong phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao, băng
thông truyền được chia thành nhiều kênh nho, và được truyền song song với
nhau. Do đó, giới hạn của ký tự tăng lên và nhiễu xuyên kênh gây ra môi
trường theo thời gian bi loại bo. Tuy nhiên, với những giới hạn ký tự dài hơn,
nhiễu xuyên kênh gây ra bởi hiệu ứng Doppler ở kênh thông tin di động sẽ
tăng lên.
δ 2ta
32
Hình 2.3. Nhiễu xuyên kênh giữa hai sóng mang kề nhau
Hiệu ứng Doppler có ảnh hưởng đến hệ thống đa truy nhập phân chia
theo tần số trực giao. Trong trường hợp này nhận được giới hạn của nhiễu
xuyên kênh, do vậy việc tính toán dễ dàng hơn và hữu ích hơn. Giới hạn bao
gồm cả giới hạn chung và riêng. Giới hạn chung chỉ phụ thuộc vào tần số
Doppler lớn nhất (fd) và thời gian ký tự (Ts). Giới hạn riêng phụ thuộc vào
biến của phổ Doppler.
2.4. Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh
Khái niệm: Nhiễu đồng kênh xảy ra khi hai máy phát cùng một tần số
hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai
tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vi trí của máy thu so với hai máy phát.
Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số cellular (kỹ
thuật cha ô). Trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ băng cách sử dụng lại
tần số. Nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular là nhiễu gây nên do các cell
sử dụng cùng 1 kênh tần số.
Nhiễu đồng kênh liên quan tới việc sử dụng tần số. Có thể ví dụ trong
mạng GSM (Global System for Mobile): Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS
(Base Transceiver Station) được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến. Các
trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp phát các nhóm kênh vô tuyến không
33
trùng với các kênh của BTS liền kề.
Đặc trưng cho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu ( 12I
C dB).
Tỉ số này được đinh nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín
hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nó thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu
mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các BTS khác, tức là I
C
P
P
I
Clog10 ,
trong đó: Pc - công suất tín hiệu thu mong muốn; Pi - công suất nhiễu thu
được.
Để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular:
- Không dùng bộ lọc để loại bo giao thoa này do các máy phát sử dụng
cùng một tần số.
- Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh băng cách thiết kế mạng
cellular phù hợp. Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng
nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau và khoảng cách các cell cùng tần số
phải đủ lớn.
2.5. Ảnh hưởng của nhiễu đa truy nhập
Khái niệm: Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các máy thu
giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ
thống. Hình 2.15 mô tả hình ảnh của nhiễu đa truy nhập.
Phân loại hệ thống đa truy nhập
Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Trong đa truy nhập phân chia theo thời gian là sự giao thoa của các tín
hiệu ở khe thời gian này với khe thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng
bộ gây ra. Như vậy phải có khoảng bảo vệ thời gian (Guard time) để giảm xác
suất người dùng bi giao thoa nhưng cung đồng thời làm giảm hiệu suất sử
dụng phổ.
Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA): Các hiệu ứng Doppler
34
làm dich phổ tần số dẫn đến có sự giao thoa giữa các dải tần để giảm xác xuất
giao thoa giữa các kênh kề nhau, nghĩa là giảm hiệu suất sử dụng phổ.
Đa truy nhập phân chia theo ma (CDMA): Trong đa truy nhập phân
chia theo ma sử dụng tính trực giao của ma nên hầu như không có nhiễu giữa
các máy thu.
Đa truy nhập phân chia theo ma chuỗi trực tiếp (DS CDMA): Theo
những nghiên cứu gần đây, phương thức đa truy nhập phân chia theo ma
chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiplexing
Access) dựa vào việc trải phổ dòng dữ liệu băng cách sử dụng một ma trải phổ
được ấn đinh cho mỗi người sử dụng trong miền thời gian dựa vào tính tương
quan chéo của ma trải phổ. Trong trường hợp truyền đa đường đòi hoi rất khắt
khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ
nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởi tính tự
tương quan của ma trải phổ. Máy thu RAKE có chứa nhiều bộ tương quan,
mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn có khả năng phân giải khác
nhau. Vì vậy hoạt động của hệ thống phương thức đa truy nhập phân chia theo
ma chuỗi trực tiếp DS-CDMA sẽ phụ thuộc nhiều vào số lượng người sử
dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánh được dùng trong máy
thu RAKE.
Cung vì lý do này mà dung lượng của hệ thống sẽ bi hạn chế do nhiễu
nội (self-interference) mà nguyên nhân là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự
tương quan cung như tính tương quan chéo của ma trải phổ. Điều này gây ra
khó khăn cho hệ thống DS-CDMA trong việc sử dụng đầy đủ năng lượng tín
hiệu thu bi phân tán trong miền thời gian.
35
2.6. Kết luận chương 2
Trong chương 2, luận văn đa phân tích tóm tắt ảnh hưởng của các loại
nhiễu cơ bản tác động lên các kênh thông tin của hệ thống tự động nhận dạng
tàu thuỷ AIS. Tuy nhiên, có rất nhiều dạng nhiễu vô tuyến tác động lên kênh
thông tin, trong giới hạn của đề tài chỉ tính toán phân tích cụ thể ảnh hưởng
của nhiễu phản xạ và trình bày cụ thể trong chương 3.
36
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
3.1. Thiết lập mô hình toán
Hệ thống tự động nhận dạng AIS dùng để nhận dạng các tàu và vi trí
của tàu trong vùng kiểm soát của hệ thống dich vụ điều phối giao thông tàu
thuyền, vùng nước hạn chế, vùng hàng hải khó khăn. Hệ thống sử dụng dải
sóng VHF dùng trong hàng hải và hoạt động tự động, liên tục, phù hợp với
trao đổi thông tin giữa trạm “tàu với bờ” và trạm “tàu với tàu”. Một mặt, hệ
thống có thể đối phó trong điều kiện hàng hải có nhiều tàu thuyền hoạt động
với cường độ cao, mặt khác, có thể dùng như một phương tiện tăng cao an
ninh hàng hải và bảo vệ môi trường biển [1, 3, 16, 17].
Mỗi trạm AIS xác đinh lich phát của nó (vi trí ranh thời gian trong
khung). Tốc độ truyền tin của AIS đạt 9.600 bit/giây, sử dụng công nghệ đa
truy cập tự phân chia thời gian trên 2 kênh VHF song song. Cấu trúc tín hiệu
thông tin của AIS: mỗi phút chia thành 2250 ranh thời gian, mỗi ranh thời
gian có độ dài 26,6 ms tương ứng 256 bit. Các bức điện thông tin được gửi đi
trong các slot.
Một trong những vấn đề nâng cao độ chính xác an toàn hàng hải, tức là
nâng cao hệ số tin cậy trong các kênh thông tin khi có ảnh hưởng của nhiễu
vô tuyến (xét trường hợp ảnh hưởng của nhiễu phản xạ). Nói cách khác, là
nâng cao chất lượng tín hiệu nhận được trong mỗi máy thu tín hiệu AIS tàu
biển, góp phần nâng cao hiệu quả làm việc của hệ thống AIS.
37
Hệ số tin cậy này chính là hệ số kênh thông tin bảo vệ - Kbv-AIS [1, 4, 8,
16, 17]. Hệ số Kbv-AIS này phụ thuộc vào diện tích vùng chết (vùng hỏng) của
tín hiệu, đặc tính của kênh thông tin và điều kiện biến dạng tín hiệu của máy
thu. Hơn nữa, hệ số Kbv-AIS là giá tri được tính băng số và đạt giá tri lớn nhất
băng “1”, được tính theo công thức (3.1), không những đặc trưng cho chất
lượng tín hiệu trong kênh thông tin mà còn đặc trưng cho hiệu quả làm việc
của hệ thống tự động nhận dạng AIS [1, 4, 16, 17].
max
ˆ
ˆ1
vc
vcAISbv
S
SK (3.1)
Trong đó: vcS - diện tích vùng chết tín hiệu khi ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến;
maxˆ
vcS - diện tích lớn nhất cho phép của vùng chết tín hiệu, trong
trường hợp có ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến đối với kênh thông tin của hệ
thống AIS và giá tri 441ˆmax vcS (đơn vi diện tích) [7, 17].
Từ công thức (3.1) nhận xét răng, miền giá tri của hệ số Kbv-AIS:
0 ≤ Kbv-AIS ≤ 1,0 (3.2)
và viết dưới dạng hàm số toán học: vcAISbv SfK ˆ
Trong khuôn khổ của đề tài này, tác giả không tiến hành thiết lập mô
hình toán để mô phong diện tích vùng chết tín hiệu thông tin hàng hải trong
kênh thông tin của hệ thống AIS khi có ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến, để từ
đó tìm miền tối ưu của Kbv-AIS. Tác giả ứng dụng kết quả tính toán miền hệ số
tối ưu kênh thông tin bảo vệ trong các kênh thông tin của hệ thống AIS khi
ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến (xét trường hợp nhiễu phản xạ) [1, 16, 17], với
kết quả cụ thể nhận được là:
0,58 ≤ Kbv-AIS ≤ 1,0 (3.3)
Mặt khác, hệ số Kbv có thể xác đinh theo công thức [16, 17]:
1
1
hpgh
gh
AISbvTТ
ТK ,
38
Hay 11
AISbvK
(3.4)
Trong đó: λ - cường độ xuất hiện sự cố; μ - cường độ hồi phục sự cố;
γ - hệ số xác đinh theo công thức: gh
hp
T
T
.
Thp - Thời gian hồi phục khi bi sự cố tín hiệu thông tin hàng hải;
Tgh - Thời gian giới hạn khi bi sự cố tín hiệu thông tin hàng hải.
Xác suất truyền tín hiệu thông tin Pth-AIS trong kênh thông tin của của hệ
thống AIS xác đinh theo công thức:
ghTt
AISbvAISbvAISth eeKKP
1 (3.5)
Trên cơ sở lý luận từ (3.1) đến (3.5), thiết lập mô hình toán, để tính toán
xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải như sau:
151
1
11
0,158,0
1max
iTt
eeKKP
K
K
SfK
S
SK
ghi
Tt
AISbvAISbvth
AISbv
AISbv
vcAISbv
vc
vcAISbv
gh
(3.6)
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
Trên cơ sở mô hình toán (3.6) được thiết lập, sử dụng chương trình tính
toán “Excel” .
Kết quả tính toán cụ thể xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải
trong các kênh thông tin của hệ thống AIS khi có ảnh hưởng của nhiễu vô
tuyến, được đưa ra trong bảng 3.1.
39
Bảng 3.1. Kết quả tính toán xác suất truyền tín hiệu thông tin hàng hải
Кbv-
AIS
11
AISbvK
Pth-AIS
Tgh1 = 1 Tgh2 = 2 Tgh3 = 3 Tgh4 = 4 Tgh5 = 5
0,50 1.0000 2 0.0689 0.0093 0.0013 0.0002 0
0,60 0.6667 1.3333 0.1619 0.0427 0.0113 0.0030 0.0008
0,70 0.4286 0.8571 0.3044 0.1292 0.0548 0.0233 0.0099
0,80 0.2500 0.5000 0.4952 0.3003 0.1822 0.1105 0.0670
0,90 0.1111 0.2222 0.7293 0.5840 0.4676 0.3745 0.2998
0,91 0.0989 0.1978 0.7549 0.6194 0.5082 0.4170 0.3422
0,92 0.0870 0.1739 0.7808 0.6561 0.5514 0.4634 0.3894
0,93 0.0753 0.1505 0.8070 0.6943 0.5972 0.5138 0.4420
0,94 0.0638 0.1277 0.8336 0.7337 0.6458 0.5684 0.5003
0,95 0.0526 0.1053 0.8606 0.7746 0.6972 0.6275 0.5648
0,96 0.0417 0.0833 0.8878 0.8168 0.7515 0.6914 0.6362
0,97 0.0309 0.0619 0.9154 0.8605 0.8089 0.7604 0.7148
0,98 0.0204 0.0408 0.9433 0.9056 0.8694 0.8346 0.8012
0,99 0.0101 0.0202 0.9715 0.9521 0.9330 0.9144 0.8961
1,00 0 0 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000
Từ kết quả tính toán trong bảng 3.1, xây dựng đồ thi mối quan hệ
Pth-AIS = f(Kbv) khi biết thời gian cho phép Tgh, theo hình 3.1.
Trên cơ sở kết quả theo bảng 3.1 và hình 3.1, phân tích kết quả nhận
được trong trường hợp cụ thể, nhận xét răng:
- Đồ thi quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS) có dạng đường thẳng, giá tri hệ số
Kbv-AIS thì xác suất Pth-AIS cung tăng theo.
- Xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS, có mối quan hệ chặt chẽ với giá tri hệ
số Kbv-AIS, mối quan hệ này theo tỷ lệ thuận, cụ thể, xét trường hợp hệ số
Kbv-AIS tăng từ 0,91 đến 0,92 (tức là tăng 1%):
+ Khi Tgh1 = 1 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,7549
đến 0,7808, tức là 2,59%;
40
+ Khi Tgh2 = 2 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,6194
đến 0,6561, tức là 3,67%;
+ Khi Tgh3 = 3 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,5082
đến 0,5514, tức là 4,32%;
+ Khi Tgh4 = 4 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,4170
đến 0,4634, tức là 4,64%;
+ Khi Tgh5 = 5 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,3422
đến 0,3894, tức là 4,72%.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1
Kbv
Pth
Tgh1 = 1
Tgh2 = 2
Tgh3 = 3
Tgh4 = 4
Tgh5 = 5
Hình 3.1. Đồ thi quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS) khi biết thời gian cho phép Tgh.
- Mặt khác, xét thêm trường hợp hệ số Kbv-AIS cung tăng 1%, nhưng khi
Kbv-AIS tăng từ 0,98 đến 0,99:
+ Khi Tgh1 = 1 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,9433
đến 0,9715, tức là 2,82%;
+ Khi Tgh2 = 2 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,9056
đến 0,9521, tức là 4,65%;
+ Khi Tgh3 = 3 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,8694
đến 0,9330, tức là 6,36%;
41
+ Khi Tgh4 = 4 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,8346
đến 0,9144, tức là 7,98%;
+ Khi Tgh5 = 5 µs, giá tri xác suất truyền tín hiệu Pth-AIS tăng từ 0,8012
đến 0,8961, tức là 9,49%.
Để thấy rõ mức độ phụ thuộc tuyến tính của xác suất Pth-AIS theo giá tri
hệ số Kbv-AIS. Từ kết quả bảng 3.1, xây dựng đồ thi (hình 3.2) mối quan hệ
giữa Pth-AIS = f(Kbv-AIS), khi miền hệ số Kbv-AIS biến thiên: 0,91 ≤ Kbv-AIS ≤ 1,0.
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1
Kbv
Pth
Tgh1 =1 Tgh2 = 2 Tgh3 = 3
Tgh4 = 4 Tgh5 = 5
Hình 3.2. Đồ thi quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS) với 0,91 ≤ Кbv-AIS ≤ 1,0
3.3. Kết luận chương 3
Trên cơ sở phân tích cụ thể, chi tiết kết quả nhận được, rút ra kết luận:
- Đồ thi mối quan hệ Pth-AIS = f(Kbv-AIS) có dạng đường thẳng và khi tăng
hệ số kênh thông tin bảo vệ Kbv-AIS thì xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng
hải trong các kênh thông tin của hệ thống AIS cung tăng theo.
- Đặc biệt, khi tăng 1% hệ số kênh thông tin tại các miền khác nhau, thì
xác suất Pth-AIS tương ưng cung tăng theo. Nhưng giá tri xác suất Pth-AIS tăng
mạnh nhất khi hệ số Kbv-AIS trong miền 0,91 ≤ Кbv-AIS ≤ 1,0.
42
Như vậy, một trong những vấn đề đảm bảo an toàn hàng hải, trong
trường hợp này, phải nâng cao xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng hải
trong các kênh thông tin của hệ thống AIS, nghĩa là nâng cao hệ số kênh
thông tin bảo vệ Kbv-AIS. Giá tri hệ số Kbv-AIS tăng nhanh và tăng tiệm cận đến
giá tri băng “1” là tối ưu nhất.
43
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Băng các phương pháp đa sử dụng, đề tài đa đạt được mục đích nghiên
cứu đề ra với các kết quả cơ bản như sau:
1. Phân tích cấu trúc tổ chức, nguyên lý hoạt động, chức năng của hệ
thống tự động nhận dạng tàu thủy AIS và vai trò quan trọng của hệ thống
trong việc góp phần đảm bảo an toàn hàng hải, đặc biệt khi tàu hành trình gần
bờ, khu vực mật độ tàu thuyền đông, khu vực phân luồng,...
2. Ứng dụng miền tối ưu hệ số kênh thông tin bảo vệ - Kbv-AIS của hệ
thống với kết quả cụ thể là: 0,58 ≤ Kbv-AIS ≤ 1,00. Từ đó thiết lập mô hình
toán để tính toán xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng hải trong các kênh
thông tin của hệ thống AIS khi có ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến.
3. Tính toán xác xuất truyền tín hiệu thông tin hàng hải trong các kênh
thông tin của hệ thống AIS khi có ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến, với kết quả
cụ thể và độ tin cậy.
Kiến nghị
Đề tài đưa ra kết quả tính toán cụ thể, rõ ràng xác xuất truyền tín hiệu
thông tin hàng hải khi có ảnh hưởng của nhiễu vô tuyến, theo quan điểm sử
dụng hệ số Kbv-AIS, kết quả nhận được sẽ thuyết phục hơn, nếu được kiểm
chứng.
Tuy nhiên kết quả của đề tài có ý nghĩa khoa học, hơn nữa có thể ứng
dụng trong quá trình đào tạo nâng cao, đào tạo chuyên ngành hẹp và giảng
dạy tại trường Đại học, Viện nghiên cứu có các chuyên ngành về Điều khiển
tàu biển, Bảo đảm an toàn hàng hải, tự động hóa điều khiển, thông tin hàng
hải, hệ thống vệ tinh, hệ thống nhận dạng tàu thủy,...
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang (Chủ biên), PGS. TS. Đinh Xuân Mạnh
(Tham gia). Lý thuyết độ tin cậy hàng hải. Nhà xuất bản Hàng hải, 2014.
2. KS. Bùi Đức Hiền. Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự động nhận dạng
AIS nâng cao hiệu quả quản lý vùng neo Hòn Gai - Quảng Ninh. Luận
văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2010.
3. KS. La Văn Hải. Nghiên cứu ảnh hưởng xác suất truyền tín hiệu thông tin
hàng hải trong các kênh thông tin của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu
GLONASS góp phần nâng cao độ chính xác an toàn hàng hải. Luận văn
thạc sỹ kỹ thuật. Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2011.
4. KS. Mạc Thành Kiên. Đánh giá hiệu quả làm việc của hệ thống tự động
nhận dạng tàu thuỷ AIS theo hệ số kênh thông tin bảo vệ khi có ảnh
hưởng nhiễu đa truy nhập. Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Trường
Đại học Hàng hải Việt Nam, 2011.
5. KS. Phạm Trung Đức. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống tự
động nhận dạng AIS và phương thức khai thác hệ thống đạt hiệu quả
cao. Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Trường ĐH Hàng hải VN.
6. Tài liệu.VN (2009), Các loại nhiễu trong thông tin vô tuyến, 2006.
http://www.tailieu.vn/.../cac-loai-nhieu-trong-thong-tin-vo-tuyen.
7. KS. Trần Ngọc Tú. Nghiên cứu thiết lập hệ thống nhận dạng tự động AIS
cho hệ thống báo hiệu hàng hải luồng Hòn Gai- Cái Lân. Luận văn thạc
sĩ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2007.
8. TS. TTr. Phạm Kỳ Quang, KS. La Văn Hải, KS. Lại Thế Việt. Lựa chọn
chỉ tiêu tối ưu hệ số điện từ trường bảo vệ trong kênh thông tin của các
hệ thống vệ tinh GLONASS và INMARSAT góp phần nâng cao độ chính
xác an toàn hàng hải. № 5/2011, Tạp chí Giao thông vận tải, Hà Nội.
45
10. VISHIPEL. Tìm hiểu về hệ thống nhận dạng tự động AIS. Tạp chí Hàng
hải Việt Nam, No 10, 2011, trang 59.
11. www.iala-aism.org (2002). IALA Guidelines on the Universal Automatic
Identification System (AIS), Volume 1, Part I- Operational Issue, Edition
1.1. France.
12. www.iala-aism.org (2002). IALA Guidelines on the Universal Automatic
Identification System (AIS), Volume 1, Part II- Technical Issue, Edition
1.1. France.
13. www.iala-aism.org (2003). IALA Technical Clastification on ITU
Recommendation ITU-RM. 1371-1, Edition 1.4. France.
14. www.iala-aism.org (2003). IALA Recommendation A-124 On Automatic
Identification System (AIS). Shore Station and Networking Aspect
relating to the AIS Service, Edition 1.1. France.
15. www.iala-aism.org (2003). Technical charateristics for a universal
shipborne automatic identification system using time division multiple
access in the maritime mobile band. France.
16. Фам Ки Куанг. Исследование влияния электромагнитной
защищённости информационных каналов широкозонных
дифференциальных подсистем на точность мониторинга и
управления движением судов. Санкт-Петербургский
государственный университет водных коммуникаций (СПГУВК),
2010, 169 c.
17. Ю.Г.Вишневский., А.А.Сикарев. Поля поражения сигналов и
электромагнитная защищённость информационных каналов в
АСУДС. - М.: СПб «Судостроение», 2006. - 356 с.