Эй, на борту! Перехватываем и разбираем сигнал AIS — системы идентификации кораблей

Введение

AIS была соз­дана дав­но, и ее глав­ная цель — безопас­ное мореп­лавание. В нас­тоящий момент сис­тема выпол­няет сле­дующие фун­кции:

• за­щита от стол­кно­вения судов;
• пе­реда­ча информа­ции о кораб­ле назем­ным стан­циям;
• кон­троль тра­фика судов через пор­ты;
• слеж­ка за судами для помощи в ЧП.

При­мене­ний у сис­темы мно­го. Нап­ример, люди, час­то пла­вающие на сво­их яхтах, покупа­ют маяч­ки AIS, которые могут тран­сли­ровать сиг­нал бедс­твия всем судам вок­руг, если человек ока­жет­ся за бор­том или суд­но попадет в экс­трен­ную ситу­ацию.

AIS поз­воля­ет общать­ся с дру­гими судами для обме­на важ­ной информа­цией. Такая тех­нология помога­ет избе­жать ава­рий. Это осо­бен­но акту­аль­но для боль­ших кораб­лей, которые не могут рез­ко поменять курс или оста­новить­ся.

Для реали­зации AIS нужен тран­спор­тер, работа­ющий в диапа­зоне VHF (134–174 МГц). Исполь­зуя спе­циаль­ную сис­тему раз­делен­ного дос­тупа к каналу, SOTDMA, AIS может переда­вать до 4500 отче­тов в минуту. Про SOTDMA мы погово­рим чуть поз­же.

В реаль­ных же усло­виях кораб­ли не всег­да находят­ся воз­ле берегов и назем­ные стан­ции не всег­да могут получить дан­ные о кораб­лях. Что­бы это испра­вить, в AIS добави­ли интегра­цию со спут­никовой связью. Эта сис­тема называ­ется SAT-AIS, она есть на всех боль­ших кораб­лях и сто­ит очень дорого, что дела­ет ее недос­тупной для обыч­ных судов. Что­бы испра­вить эту проб­лему, люди раз­работа­ли сис­тему, в которой суда без SAT-AIS могут исполь­зовать бли­жай­шие кораб­ли с SAT-AIS для переда­чи дан­ных о себе.

Типы сообщений AIS

В зависи­мос­ти от переда­ваемой информа­ции сооб­щения могут иметь раз­ную струк­туру. Что­бы не запутать­ся, в сис­тему внед­рили типы сооб­щений, пер­вые 6 бит показы­вают тип и, соот­ветс­твен­но, фор­мат даль­нейших дан­ных. Нем­ного углу­бим­ся в фор­маты сооб­щений и раз­берем­ся, какие дан­ные мож­но переда­вать и получать в AIS.

Все­го в AIS 21 основной тип сооб­щений, в будущем этот спи­сок может быть рас­ширен до 63. Сооб­щения име­ют раз­ные фор­маты вре­мен­ного дос­тупа к сис­теме, раз­ный при­ори­тет и наз­начение. Рас­смот­рим все сооб­щения, раз­делив их на клас­сы: сооб­щения передат­чиков клас­са А, сооб­щения передат­чиков клас­са Б, сооб­щения от ATON, бинар­ные сооб­щения AIS с адре­сом, бинар­ные сооб­щения AIS для всех при­емни­ков.

Сообщения передатчиков класса А

Позиция корабля

Со­обще­ния передат­чиков клас­са А с позици­ей переда­ются через рав­ные про­межут­ки вре­мени от 2 до 10 с авто­мати­чес­ки. Они содер­жат дан­ные о текущей позиции кораб­ля, его ско­рос­ти, нап­равле­нии, сос­тоянии инди­като­ров манев­ров, в слу­чае если корабль дела­ет раз­ворот или дру­гой слож­ный маневр. Раз­берем фор­мат сооб­щений типа 1, 2 и 3, которые отве­чают за переда­чу позиции.

В целом ничего слож­ного, есть тер­мины, которые исполь­зуют­ся толь­ко в корабель­ном деле, но общая суть дол­жна быть ясна. С помощью этих типов сооб­щений стро­ятся кар­ты кораб­лей и отсле­жива­ются их перед­вижения.

Статические данные о корабле

Ста­тичес­кие дан­ные могут вклю­чать в себя позыв­ной, вер­сию AIS, иден­тифика­торы при­емни­ка и передат­чика, тип суд­на, тип гру­за и еще кучу важ­ных деталей. Эти сооб­щения отно­сят­ся к типу 5, рас­смот­рим их струк­туру.

Со­обще­ния со ста­тичес­кой информа­цией тран­сли­руют­ся каж­дые 6 мин.

Широковещательное сообщение

Со­обще­ние типа 27, которое исполь­зует­ся для переда­чи позиции (как в типах 1, 2 и 3), но име­ет мень­шее количес­тво битов — 96 бит вмес­то 168 в типах 1, 2 и 3. Это поз­воля­ет тран­сли­ровать сооб­щение на спут­ники или на более даль­ние рас­сто­яния без проб­лем.

Сообщения передатчиков класса Б

Со­обще­ния передат­чиков клас­са Б соот­ветс­тву­ют фор­матам, опи­сан­ным в клас­се А, но име­ют нем­ного дру­гую бинар­ную струк­туру переда­ваемых сооб­щений. В свя­зи с эти­ми раз­личи­ями сооб­щения этих передат­чиков выделя­ют в отдель­ные типы. За переда­чу позиции отве­чают сооб­щения типа 18 и 19, пос­леднее явля­ется сво­еоб­разным легаси. Сооб­щение типа 24 содер­жит ста­тичес­кую информа­цию о кораб­ле.

Сообщения ATON

Ос­тановим­ся на фор­мате сооб­щений ATON и про­ана­лизи­руем их более под­робно, потому что это доволь­но инте­рес­но. ATON име­ет толь­ко один тип сооб­щений — 27. Переда­ются эти сооб­щения авто­мати­чес­ки через опре­делен­ный про­межу­ток вре­мени.

Как видишь, в сооб­щении мно­го раз­ной инте­рес­ной информа­ции.

Бинарные сообщения

Би­нар­ные сооб­щения име­ют типы 6 для сооб­щений с получа­телем и 8 для широко­веща­тель­ных. Бинар­ные сооб­щения исполь­зуют­ся для переда­чи любой информа­ции, нап­ример сооб­щений дру­гим кораб­лям. Рас­смот­рим струк­туру бинар­ных сооб­щений типа 6, для типа 8 она похожа, прос­то отсутс­тву­ет поле наз­начения.

Типы AIS

У сис­темы мно­жес­тво при­мене­ний, и, соот­ветс­твен­но, есть мно­жес­тво устрой­ств, где она реали­зова­на. Давай пос­мотрим, какие есть основные типы девай­сов и чем они отли­чают­ся друг от дру­га.

Класс А

Это самые популяр­ные передат­чики для кораб­лей. Сиг­нал с позици­ей (тип 1, 2 и 3) авто­мати­чес­ки тран­сли­рует­ся каж­дые 2 с. Вре­мя переда­чи может менять­ся в зависи­мос­ти от кур­са и ско­рос­ти суд­на. Сиг­налы с допол­нитель­ной информа­цией, нап­ример с показа­ниями дат­чиков (тип 5), тран­сли­руют­ся каж­дые 6 мин тоже авто­мати­чес­ки. Передат­чики это­го типа поз­воля­ют кораб­лям обме­нивать­ся тек­сто­выми дан­ными. Так­же сис­темы клас­са А могут при­нимать информа­цию о погоде от назем­ных стан­ций. Боль­ше информа­ции мож­но най­ти в стан­дарте IEC 61993-2.

Класс Б

Стан­ции это­го типа нам­ного сла­бее стан­ций клас­са А, у них мень­ше и мощ­ность, и чис­ло воз­можнос­тей. Стан­ции точ­но так же авто­мати­чес­ки тран­сли­руют свое мес­тополо­жение, но с боль­шим интерва­лом и мень­шей мощ­ностью. Так­же они переда­ют допол­нитель­ную информа­цию, но количес­тво этой информа­ции на порядок мень­ше. Устрой­ства клас­са Б могут получать тек­сто­вые сооб­щения, но не могут их переда­вать. За под­робнос­тями обра­щай­ся к стан­дартам IEC 62287-1 и 62287-2.

Наземные станции

На­зем­ные стан­ции помога­ют син­хро­низи­ровать информа­цию из раз­ных источни­ков и вре­мя переда­чи, а так­же переда­вать судам тек­сто­вые сооб­щения, нап­ример о над­вига­ющем­ся штор­ме. Каж­дые 4 с назем­ная стан­ция отправ­ляет свой уни­каль­ный иден­тифика­тор (MMSI вида 00MIDXXXXX) и дан­ные о вре­мени. Назем­ные стан­ции так­же могут переда­вать дан­ные для сис­тем AIS ATON (AIS Aid to Navigation) и ASM (Application Specific Messages), которая переда­ет точ­ную информа­цию о прог­нозе погоды. Боль­ше информа­ции — в стан­дарте IEC 62320-1.

SART

По­иско­во‑спа­сатель­ные сис­темы, которые исполь­зуют­ся в экс­трен­ных ситу­ациях как маяк для спа­сения. Пос­ле акти­вации тран­сли­рует сооб­щения типа 14 и позицию передат­чика. Все­го переда­ется восемь сооб­щений в минуту. Передат­чики спа­сатель­ного типа мож­но опре­делить по MMSI, который начина­ется на 970, 972 или 974. Передат­чики SART тран­сли­руют по четыре сооб­щения на каж­дой из час­тот AIS, то есть четыре на 161,975 МГц и четыре на 162,025 МГц. Позиция передат­чика опре­деля­ется через встро­енный при­емник GNSS. Под­робнее — в стан­дарте IEC 61097-14.

ATON

На­вига­цион­ная сис­тема AIS Aid to Navigation поз­воля­ет кораб­лям, которые исполь­зуют AIS, получать информа­цию о физичес­ких объ­ектах в водах, нап­ример ска­лах или мел­ководье. Сущес­тву­ет три основных ATON. Пер­вый из них — физичес­кий объ­ект, который тран­сли­рует информа­цию о бли­жай­ших физичес­ких объ­ектах. Вто­рой — син­тетичес­кий, который не тран­сли­рует AIS, а прос­то с помощью све­та показы­вает мес­тонахож­дение объ­ектов. Обыч­но дан­ные о син­тетичес­ких ATON переда­ются с назем­ных стан­ций. Тре­тий тип — вир­туаль­ный, в дан­ном типе информа­ция об объ­ектах переда­ется толь­ко через назем­ные стан­ции или спут­ники. Сис­темы ATON мож­но обна­ружить по MMSI, который начина­ется на 993XXXXX. Под­робнос­ти — в стан­дарте IEC 62320-2.

Подводим итоги

Как вид­но, в AIS мно­го под­систем, которые отве­чают за раз­ные фун­кции — начиная от переда­чи дан­ных меж­ду кораб­лями и закан­чивая спа­сатель­ными объ­екта­ми. Все они переда­ют дан­ные по незащи­щен­ному каналу, кро­ме, конеч­но, Blue Force Tracking, воен­ной сис­темы США и НАТО, которую они исполь­зуют в зашиф­рован­ном виде через спут­ники. Ата­кующий может лег­ко передать дан­ные, нап­ример ATON, и зас­тавить кораб­ли раз­вернуть­ся или запус­тить еще один корабль, который будет идти пря­мо на цель. Все это воз­можно сде­лать с прос­тым SDR-передат­чиком за 200–300 дол­ларов. В этой статье мы не будем углублять­ся в ата­ки на AIS, а толь­ко поп­робу­ем пол­ностью разоб­рать­ся в переда­че, модуля­ции и кодиро­вании.

От­метим основные пун­кты:

• Дан­ные о позиции AIS получа­ет по GNSS.
• Дан­ные о дру­гих кораб­лях сис­тема получа­ет либо с назем­ных стан­ций, либо непос­редс­твен­но от дру­гих кораб­лей.
• Есть раз­ные типы передат­чиков.
• Ти­пы передат­чиков мож­но уста­новить по MMSI.
• Не­кото­рые кораб­ли могут работать с AIS-SAT, а некото­рые нет.
• Сис­тема не име­ет шиф­рования, кро­ме как для воен­ных час­тот.
• AIS работа­ет на двух час­тотах или каналах (VHF): 161,975 МГц и 162,025 МГц с шириной в 25 кГц.

Изу­чить, как выг­лядит AIS, мож­но на офи­циаль­ном сай­те сис­темы.

Демодуляция

Пе­рей­дем к более инте­рес­ной сос­тавля­ющей статьи. В этом раз­деле изу­чим модуля­цию сиг­нала и основные фор­маты дан­ных.

Частота

AIS работа­ет на двух основных час­тотах. В некото­рых источни­ках их называ­ют канала­ми. Это 161,975 МГц и 162,025 МГц, каналы же соот­ветс­твен­но называ­ются 87b и 88b. Все это находит­ся в диапа­зоне VHF, который вклю­чает в себя мет­ровые вол­ны от 1 до 10 м. Ради­освязь на этом диапа­зоне, как пра­вило, воз­можна на рас­сто­яние до нес­коль­ких десят­ков километ­ров, а при сов­падении фак­торов иони­зации и отра­жения и до тысяч километ­ров — при наличии мощ­ного передат­чика. VHF отлично под­ходит для свя­зи в городе и на мес­тнос­тях с пря­мой видимостью, какой воды и явля­ются.

Модуляция

Для модуля­ции исполь­зует­ся GMSK — это один из видов час­тотной модуля­ции, который переда­ет дан­ные, изме­няя час­тоту при изме­нении бита. Нап­ример, если 1 — это 10 Гц, а 0 — 20 Гц, то в зависи­мос­ти от исходных дан­ных сиг­нал будет иметь раз­ные час­тоты в раз­ных вре­мен­ных про­межут­ках.

GMSK — это улуч­шенная вер­сия час­тотной модуля­ции. Так как боль­шое количес­тво передат­чиков не дол­жны мешать друг дру­гу, GMSK име­ет минималь­ную ширину спек­тра и хорошую ско­рость переда­чи. Это поз­воля­ет эко­номить мес­то в полосе, при­чем слож­ность передат­чиков и при­емни­ков не слиш­ком воз­раста­ет.

В осно­ве такой модуля­ции лежит гаус­сов­ский филь­тр ниж­них час­тот, а индекс модуля­ции, который зада­ет раз­ницу меж­ду час­тотами для 0 и 1, минима­лен (0,5). Все это поз­воля­ет получить минималь­ную ширину спек­тра. Если хочешь под­робнее изу­чить, как работа­ет GMSK, можешь начать с мо­их ста­тей про FSK, MSK и CPFSK.

Здесь же мы углу­бим­ся в час­тотную модуля­цию, что­бы луч­ше понимать, что имен­но мы будем демоду­лиро­вать.

GMSK

Рас­смот­рим нес­коль­ко при­меров работы GMSK-модуля­ции. Нач­нем с прос­того — с того, как модули­рует­ся сиг­нал. Нач­нем с FSK. Это самая прос­тая час­тотная модуля­ция, которая без какой‑либо обра­бот­ки перек­люча­ет час­тоты в зависи­мос­ти от вход­ного сиг­нала. Обыч­но в схе­ме модуля­ции FSK есть два генера­тора с раз­ными час­тотами и ключ.