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

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1、 Rap. UIT-R M.2084 1 RAPPORT UIT-R M.2084*Dtection par satellite de messages du systme didentification automatique (2006) 1 Introduction Au dbut des annes 90, lAssociation internationale de la signalisation maritime (AISM) a propos de dvelopper un systme universel embarqu sur des navires pour amlior

2、er la scurit maritime et lefficacit de la navigation et pour contribuer la protection de lenvironnement marin. A la suite de cette proposition, lOMI (Organisation maritime internationale), lUIT et la CEI (Commission lectrotechnique internationale) ont adopt un nouveau systme de navigation visant rem

3、plir ces objectifs, maintenant connu sous le nom de SIA (Systme didentification automatique). Lobjectif premier du SIA est de faciliter lchange efficace de donnes de navigation entre plusieurs navires, dune part, et entre des navires et des stations ctires, dautre part, de faon nettement amliorer la

4、 scurit de navigation et renforcer la matrise et la surveillance des vnements maritimes. La Recommandation UIT-R M.1371 dcrit en dtail les caractristiques techniques du systme SIA actuel qui repose sur des mthodes daccs multiple par rpartition dans le temps (AMRT) dans la bande dondes mtriques attri

5、bue au service mobile maritime. Comme indiqu dans la Recommandation, le SIA, conu pour fonctionner de faon autonome et automatique, permet lchange de messages courts entre des navires, des stations ctires et des systmes daides la navigation dans un rayon de 20 30 milles marins (NM) (27 56 km), en ut

6、ilisant principalement une forme auto-organise de lAMRT. Les messages transportent des donnes telles que lidentification du navire, sa localisation, sa route et sa vitesse. La Convention SOLAS (International Convention for the Safety of Life at Sea/Convention sur la scurit de la vie en mer) impose q

7、ue tous les navires dune jauge brute suprieure ou gale 300 tonneaux qui effectuent des voyages en eaux internationales soient obligatoirement quips du SIA et lutilisent. En 2008, tous les navires dune jauge brute suprieure ou gale 500 tonneaux effectuant des voyages en eaux nationales devront aussi

8、tre quips du SIA. Les quipements SIA conus pour respecter cette prescription obligatoire sont dits de classe A. Une version de plus faible puissance appele classe B, en cours de dveloppement, pourra tre embarque facultativement. Depuis sa mise en oeuvre, le SIA a montr quil remplissait parfaitement

9、les objectifs initiaux fixs par lAISM. Or, un nouveau besoin est rcemment apparu: dtecter et suivre des navires hors de porte des moyens classiques de communication terrestres en ondes mtriques. Ces applications longue porte, qui devraient permettre, entre autres, de mieux grer les cargaisons danger

10、euses, damliorer la scurit et de lutter contre les activits illgales, semblent indiquer quil faudrait dtecter des navires situs 200 NM (370 km) des ctes, voire plus. Le prsent Rapport introduit la dtection SIA par satellite comme lune des mthodes envisageables de dtection des navires loigns. Il abor

11、de la faisabilit technique de cette mthode, tudie les capacits des satellites dans diffrents cas de figure et les moyens qui permettraient damliorer ces *Il convient dappeler lattention de lOrganisation maritime internationale (OMI), de lAssociation internationale de la signalisation maritime (AISM)

12、 et du Comit international radio-maritime (CIRM) sur le prsent Rapport. 2 Rap. UIT-R M.2084 capacits. Le Rapport est organis en huit chapitres, comme suit: caractristiques techniques et oprationnelles du SIA, prsentation gnrale de la dtection SIA par satellite, tude du bilan de liaison, analyse des

13、brouillages intrasystmes (classe A seulement, combinaison de classes A et B, rpartition non uniforme des navires), compatibilit avec les systmes mobiles actuellement en service, techniques damlioration de la qualit de fonctionnement et du partage, rsum. 2 Caractristiques techniques et oprationnelles

14、 du SIA embarqu sur des navires Pour mieux comprendre et dcrire dun point de vue fonctionnel le principe de la dtection SIA par satellite, il faut connatre les caractristiques de base du SIA terrestre conventionnel. Ces caractristiques, dcrites dans la Recommandation UIT-R M.1371, sont rsumes dans l

15、es paragraphes suivants. Le SIA fonctionne comme un systme de communication navire navire et navire cte dans lequel les navires quips du SIA transmettent priodiquement de courts messages AMRT de longueur fixe contenant des donnes telles que lidentification, la localisation, la route, la vitesse et d

16、autres informations de statut. Les rcepteurs SIA des navires et des stations ctires dtectent les informations venant de tous les navires situs leur proximit et crent ainsi une image dtaille de lenvironnement local, qui vient complter les informations fournies par les radars et autres aides la naviga

17、tion. La structure du signal AMRT repose sur une trame dune minute divise en 2 250 intervalles de temps, chaque message occupant, en fonctionnement nominal, un intervalle. En mode normal, les messages didentification sont mis de faon priodique alternativement sur deux canaux maritimes en ondes mtriq

18、ues attribus pour cet usage. Un dispositif lectronique de dtermination de la position install bord calcule la localisation des navires. La base de temps ARMT est fournie par le rcepteur GNSS intgr la station SIA. Si lon prend en compte les deux canaux, la capacit globale du SIA est de 4 500 messages

19、 dun intervalle par minute. Le SIA est conu selon une configuration daccs appele AMRT auto-organis (ci-aprs AMRTAO). Contrairement aux configurations classiques AMRT assignation fixe, la technique AMRTAO permet au systme de fonctionner sans contrleur ARMT central. En effet, les systmes surveillent e

20、n permanence les signaux SIA de leur environnement local et annoncent le prochain intervalle de transmission quils comptent utiliser. Tous les navires de la zone participent ainsi la coordination du systme et les conflits dutilisation dun mme intervalle de temps sont minimiss. Dautres configurations

21、 daccs AMRT sont galement utilises pour certains types de messages. Le Tableau 1 rsume les paramtres techniques de communication radiofrquence et de transmission des messages du SIA. Comme indiqu dans le Tableau, la longueur de base dun message est de 256 bits, les 24 derniers bits faisant office de

22、 tampon pour prendre en compte les temps de propagation, les retards dans les rcepteurs, la gigue temporelle et les bits supplmentaires de bourrage. Les 20 derniers bits sont habituellement vides. La Recommandation de lUIT ne dfinit pas les caractristiques dantenne et les paramtres de ligne daliment

23、ation correspondants des SIA embarqus sur des navires. Dans un souci de compltude, ces lments sont dcrits ci-aprs. On utilise en pratique principalement deux types dantenne: diple 1/2 et monople 5/8 aliment en extrmit dont les gains sont compris entre 2 et 4,5 dBi. Pour rester prudent, on suppose ic

24、i que le diple 1/2 possde un gain maximum denviron 2 dBi et un diagramme de gain en lvation de forme simple, savoir cosinus carr. Le type et la longueur de la ligne dalimentation varient en fonction de linstallation. Par hypothse, on considre une perte globale de 3 dB, qui tient compte des pertes da

25、ns les cbles et dans les autres lments lis lmetteur SIA du navire. Le Tableau 2 prsente la structure binaire par dfaut du paquet de donnes. Rap. UIT-R M.2084 3 TABLEAU 1 Rsum des paramtres techniques du SIA embarqu sur un navire Paramtres SIA Valeurs Frquences 161,975 et 162,025 MHz Largeur de bande

26、 du canal 25 kHz Plates-formes Navires de classe A, navires de classe B, stations ctires, aides la navigation Puissance 12,5 W (classe A); 2 W (classe B) Type dantenne(1)Diple 1/2 Gain dantenne(1)2 dBi avec un diagramme de gain en lvation verticale de forme cosinus carr Gain minimal = 10 dBi Pertes

27、dans les cbles(1)3 dB (estim) Sensibilit du rcepteur 107 dBm pour un taux derreur de paquet (TEP) de 20% (minimum) 109 dBm pour un TEP 20% (typique) Modulation GMSK 9 600 bit/s Mode daccs multiple AMRT (auto-organis, alatoire, fixe et incrmental) Longueur de trame AMRT 1 min; 2 250 intervalles de te

28、mps Longueur de lintervalle AMRT 26,7 ms; 256 bits (voir Tableau 2) Types de messages 22 types Longueur de message 1 5 intervalles dont un correspondant au type dominant Priodicit des messages Intervalles entre les transmissions de 2 s 6 min (voir Tableau 3) Rapport de protection D/U (signal utile/s

29、ignal indsirable) requis 10 dB pour un TEP = 20%(2)(1)Paramtres typiques, non dfinis dans la Recommandation UIT-R M.1371. (2)Paramtres spcifis dans le document CEI 61993-2. 4 Rap. UIT-R M.2084 TABLEAU 2 Structure binaire par dfaut du paquet de donnes Monte en puissance 8 bits Squence de conditionnem

30、ent 24 bits Ncessaire la synchronisation Fanion de dbut 8 bits Donnes 168 bits Longueur par dfaut Code de redondance cyclique 16 bits Ncessaire la dtection derreur Fanion de fin 8 bits Tampon 24 bits (les 20 derniers bits sont habituellement vides) Ncessaires la prise en compte des bits de bourrage,

31、 des temps de propagation, des retards dans les rcepteurs et de la gigue temporelle Total 256 bits Pour mettre en oeuvre les diffrentes fonctions du SIA, la norme dfinit 22 types de messages, regroups en quatre catgories: 1) dynamique, 2) statique et concernant le voyage, 3) scurit et administration

32、 et 4) donnes. Les messages dynamiques, transmis priodiquement, reprsentent le volume de trafic le plus important dun environnement SIA. Le dbit dmission de ces messages priodiques par les diffrentes plates-formes est une des variables majeures du systme. La norme dfinit une plage dintervalles de te

33、mps entre les comptes rendus pour diffrents types de plates-formes en fonction de paramtres dynamiques du navire tels que la vitesse et la route. Le Tableau 3 rcapitule les intervalles entre les comptes rendus pour diffrentes plates-formes. On montre dans la suite du document que lintervalle entre l

34、es comptes rendus est un paramtre important de la qualit de dtection SIA par satellite. Comme lindique le Tableau 3, lintervalle entre les comptes rendus des navires de classe A varie considrablement en fonction du statut dynamique du navire; il est compris entre un compte rendu toutes les 2 seconde

35、s et un compte rendu toutes les 3 minutes. Pour dterminer un intervalle dmission moyen des navires de classe A sur une longue dure, il est donc ncessaire de faire une estimation de la rpartition des navires en fonction des diffrents statuts dynamiques. Le Tableau 4 recense les catgories des diffrent

36、s statuts, les valeurs correspondantes dintervalle entre les comptes rendus et une estimation du pourcentage de navires situs dans chaque catgorie un moment donn. A partir de ces donnes, on a fait une estimation globale de lintervalle entre les comptes rendus. Rap. UIT-R M.2084 5 TABLEAU 3 Intervall

37、es entre les comptes rendus du SIA Plate-forme SIA Intervalle entre les comptes rendus Informations dynamiques: Station ctire De 3 1/3 10 s (valeur nominale = 10 s) Navire de classe A De 2 s 3 min (environ 7 s en moyenne) (voir Tableau 4) Navire de classe B De 5 s 3 min (valeur nominale = 30 s) Aron

38、ef de recherche et de sauvetage 10 s Aide la navigation 3 min Informations statiques et relatives au voyage 6 min Messages de scurit et dadministration En fonction du besoin Message de donnes En fonction du besoin TABLEAU 4 Intervalles entre les comptes rendus pour les quipements mobiles des navires

39、 de classe A Conditions dynamiques du navire Intervalle nominal entre les comptes rendus Pourcentage du total Navire lancre ou au mouillage et ne se dplaant pas plus de 3 noeuds 3 min 28 Navire lancre ou au mouillage et se dplaant plus de 3 noeuds 10 s Navire 0-14 noeuds 10 s 30 Navire 0-14 noeuds e

40、t changeant de route 3 1/3 s 12 Navire 14-23 noeuds 6 s 30 Navire 14-23 noeuds et changeant de route 2 s Navire plus de 23 noeuds 2 s Navire plus de 23 noeuds et changeant de route 2 s Moyenne sur tous les navires Intervalle de 7 s 3 Dtection SIA par satellite Le principe de la dtection SIA par sate

41、llite serait dutiliser un ou plusieurs satellites en orbite terrestre basse (ci-aprs OTB) pour recevoir et dcoder des messages SIA et transmettre les rsultats du dcodage par liaisons de connexion satellitaires des stations terrestres situes des emplacements bien choisis. Les satellites OTB sont habi

42、tuellement situs une altitude comprise entre 600 et 1 000 km. Il nexiste actuellement aucun systme de dtection SIA par satellite en exploitation et les paramtres techniques et oprationnels dun tel systme nont pas encore t fixs. 6 Rap. UIT-R M.2084 Il convient par consquent dans la prsente tude de pr

43、endre pour hypothse des paramtres plausibles et techniquement recevables. Le premier systme sur lequel repose notre dmonstration consiste en un satellite unique (OTB) en orbite polaire une altitude de 950 km. On prvoit que les futurs systmes en exploitation seront constitus de constellations de sate

44、llites OTB relativement petites, do une couverture satellitaire non continue pour un navire un emplacement donn. Pour obtenir une couverture mondiale complte avec un nombre modeste de stations terrestres, il faudra donc utiliser des techniques du type enregistrement et retransmission des donnes SIA

45、reues. Cependant, dans le cas de la dtection et du suivi de navires situs jusqu plusieurs milliers de milles marins au large des ctes, lempreinte au sol du satellite est suffisamment grande pour permettre un tlchargement en temps rel des donnes pendant la dure de visibilit du satellite. La dtection

46、SIA par satellite se distingue de la dtection SIA conventionnelle de navire navire et de navire cte par des facteurs techniques essentiels, en particulier la sensibilit du rcepteur, le diagramme de gain dantenne et les exigences de fiabilit. Les mesures effectues sur des rcepteurs SIA bord de navire

47、s montrent que les rcepteurs du commerce sont gnralement plus sensibles que ne le prvoient les spcifications du SIA. Il est possible en outre daugmenter la sensibilit des rcepteurs SIA des satellites grce des amplificateurs faible bruit (AFB) et des stratgies de dtection optimises. Cependant, ces am

48、liorations sont limites par la ncessit dutiliser une largeur de bande plus importante que la largeur optimale, qui prend en compte des dcalages Doppler pouvant aller jusqu 3,5 kHz environ. Au vu de ces contraintes, on considre dans la prsente tude un rcepteur SIA satellitaire dont les sensibilits de rfrence sont les suivantes: -118