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平成15年度 通信講習用 船舶電気装備技術講座(レーダー、AIS・VDR・GPS編)

 事業名 船舶の電気装備に関する技術指導等
 団体名 日本船舶電装協会 注目度注目度5


第3章 船舶自動識別装置(AIS)
3・1 機器概要及び性能
 今日の船舶を取り巻く環境は1999年2月1日から完全実施されたGMDSS(海上における遭難及び安全に関する世界的制度)化と併せ、船員数の減少や、高齢化が進んでいる。一方、安全や環境保全の意識の高まりと共に効率かつ安全な海上輸送が求められている。
 船舶の情報を定期的に送信し、衝突防止と海上交通管制に活用できる船舶自動識別装置(Automatic Identification System。以下AISという。)について、IMO決議MSC74(69)ANNEX 3船上AIS性能基準が採択された後、ITU-R M.1371の技術要件とIEC61993-2の性能試験基準が作成された。
 また、NAV47にて船上AISの使用上のガイドライン案が作成され、一部修正の上IMO第22回総会で採択された。
 SOLAS条約 第V章19規則で、本設備は、原則としてすべての旅客船及び総トン数300トン以上の国際航海船及び総トン数500トン以上の国際航海に従事しない船舶に適用され、適用時期は、新造船・現存船・船種の別によって2002年7月1日より2008年7月1日まで段階的になっていたが、2002年12月のSOLAS会議において、国際航海船については2004年12月31日を期限とする搭載の前倒しが決定した。(搭載詳細スケジュールは3・1・5項参照
 
3・1・1 概要
 AISは、衝突予防と人命安全という観点から船舶へ搭載が義務化される装置である。AISは、図3・1に示すように各船舶が
・船舶の位置情報や操船情報等の航海情報、船名や積荷等の船舶の固有情報をVHF帯電波で周囲に定期的に送信し、
・他船から送信されたこれらの情報を受信し、
・これらの情報を表示器に表示する
 システムで、主目的はIMO MSC74(69)ANNEX 3にも記述されているとおり、船舶同士の衝突予防、通過船舶とその積荷情報の把握及び船舶運航管理業務支援である。
 
図3・1 AISの概念
 
(1)船舶間の衝突防止
 これまで、他船の行動は、目視やレーダー・自動衝突予防援助装置(ARPA)等による情報収集に基づき把握しているが、他船の行動を素早く検知し、その行動を正確に推定することは困難であった。特に、島や突端の裏側に船舶がいる場合などは極めて危険であるが、船上AISは目標船から送信された位置情報から計算したCPA及びTCPAによって、衝突の危険に関する情報を早く、自動的かつ正確に入手することができ、高い精度で相手船の行動を随時把握でき、衝突の危険が著しく低減することが期待できる。
(2)通過船舶とその積荷情報の把握及び船舶運航管理業務(VTS: Vessel Traffic Service)の道具
 東京湾や瀬戸内海などの船舶の輻輳する海域においては、安全かつ効率的な運航を確保するために海上交通の情報提供と航行管制が行われている(東京湾の観音埼、大阪湾の江崎、瀬戸内海の青ノ山、愛媛県の大浜、関門海峡の門司、名古屋港の金城埠頭の6ケ所)。AISの義務化により、VTS局は必要とする情報(船名、針路・速力、船舶の大きさ・喫水・積荷等各種)を自動的に収集することができるため、船舶との無線通信の減少も期待できる。
 
 AISは基本的に公海周波数(公海で世界的に運用される2つの周波数:CH87B、CH88B)で運用されるが、この周波数が他の用途に使用中でAISに利用できない海域においては、主管庁より別の周波数が地域周波数として割り当てられ、その周波数で運用することとなる。
 なお、AISはVHF電波を使用するため通信可能範囲は、おおよそ20〜30海里の範囲である。また、電波を遮る物体がなければ、湾曲部の周辺や島陰の船から情報を受信できる。
 
3・1・2 性能要件
 AISの性能要件の詳細は、ITU-R M.1371及びIEC61993-2で規定されているが、主なものは次のとおりである。
 
(1)通信方式
 AISの主な通信方式は、自己管理型時分割多元接続(Self Organized Time Division Multiple Access; SOTDMA)方式であり、その概念を図3・2に示す。
 1分間を2250個のタイムスロットに分割する。1スロットの長さは26.7msとなり、このスロットに情報を載せて送信するが、AISでは、自船情報とスロットの予約情報を同時に送信することを特長としている。例えば、船舶A、船舶B、船舶Cが通信する場合を想定すると、船舶Aが、自船の情報と次に送信するスロットの予約情報を1パッケージにして送信する。船舶Bは、船舶Aの予約したスロットを避けながら、自船の情報と次に送信するスロットの予約情報を送信する。船舶Cは、船舶Aと船舶Bの予約したスロットを避けながら、自船の情報と次に送信するスロットの予約情報を送信する。これらを次々に繰り返していき、それぞれの船舶が、スロットが衝突しないように、自船の情報とスロットの予約情報を送信しながらお互いに通信する。SOTDMAでは、基地局のようなタイムスロット管理局がなくても、船舶同士だけでTDMA通信ができるユニークな方式である。
 
図3・2 SOTDMAの概念
 
 上記は、1つのチャンネルで説明したが、実際には2つの通信チャンネルで交互に送信する運用形態であるため、スロットの並びが2本あるイメージとなり、タイムスロットの数は4500個/分となる。
 この4500のスロットで通信できる船舶数は約800隻と言われている。もし、スロットが満杯になるほど船舶隻数が増加した場合は、自船から遠く離れている船舶が予約しているスロットを強制的に使用するモード(ITU-R M.1371規格ではスロットの再利用と呼んでいる)で動作するようになる。これは、近くの船舶との通信に支障はないが、遠くの船舶とは通信ができなくなることを意味し、実質的に通信範囲が狭まったことに相当する。スロット再利用モードにより、チャンネルの過負荷が可能になる。
 なお、このようなTDMA通信を行うためには、全ての局がタイムスロットの時刻を正確に合わせなければならない。このため、AISでは衛星航法測位システム(GNSS(注))受信機を内蔵し、その受信信号から正確な1秒パルス(PPS; Pulse Per Second)を取り出し、それに同期するようになっている。
(注):GNSSについての詳細は第5章5・1・1(4)項を参照
 
(2)通信情報
 AISの通信情報には、静的情報、動的情報、航海関連情報及び安全関連のショートメッセージがある。各情報の定義と送信周期は次の通りとなっている。
(A)静的情報(Static information)
 固定又はAISを装備して使用を始める時の情報、これは、船名又は船自体の大きな改造によってのみ変える必要のある情報で、6分毎、データが変更された場合及び要求に応じて送信する。
(B)動的情報(Dynamic information)
 AISに接続されているセンサから自動的に更新される情報で、送信周期は船速、変針状況に応じて表3・2のように2秒から3分の範囲で変化する。
(C)航海関連情報(Voyage related information)
 航海中に手作業で更新する必要がある情報で、6分毎、データが変更された場合及び要求に応じて送信する。
(D)安全関連のショートメッセージ(Short safety related messages)
 安全関連の任意の文字情報で、必要に応じて送信する。
 
 各情報の詳細は表3・1の通りである。
 
表3・1 通信情報
情報の種類 情報の発生源、形態、特質
静的情報:(Static information)
海上移動業務識別(MMSI) 装備時に設定
もし船主が変わったら修正が必要になると思われる記事
呼出符号及び船名 装備時に設定
もし船主が変わったら修正が必要になると思われる記事
IMO番号 装備時に設定
船舶の長さ及び船幅 装備時又は変更時に設定
船種類 予め用意されたリストから選択
測位装置のアンテナの位置 装備時に設定あるいは双方向船首船又は複合アンテナを装備した船で変わり得る
動的情報:(Dynamic information)
正確度及び精度を示した船位 AISに望続されている測位センサから自動更新
精度指示は、10msより良いか悪いか
UTC表示による位置の時刻印 AISに接続されている船の主測位センサから自動更新
対地針路(COG) もしセンサがCOGを計算するものであれば、AISに接続されている船の主測位センサから自動更新。(ただし、この情報が利用できる場合)
対地速力(SOG) AISに接続されている船の測位センサから自動更新。
(ただし、この情報が利用できる場合)
船首方位 AISに接続されている船の船首方位センサから自動更新
航海状態 航海状態情報は、船橋当直者によって、手作業で入力され、必要あれば変更される
例えば
−エンジンで航行中
−錨泊中
−運転が不自由な状態 NCU(Not Under Command)
−操縦性能の制限状態RIATM(Restricted in ability tomanueuver)
−繋留中
−喫水制限状態(constrained by draught)
−座礁
−漁業操業中
−帆走中
実際にはCOLREGSに関連して、同時に灯や形状を変える必要があるもの。
回頭角速度(ROT) 船のROTセンサあるいはジャイロコンパスから取り出す信号から自動更新。(ただし、この情報が利用できる場合)
航海関連情報:(Voyage related information)
船の喫水 航海の始めに手作業入力。航海の最大喫水を使用し必要あれば変更。
すなわち;入港に先だってバラスト調整の結果
危険貨物(タイプ) 航海の始めに、危険貨物を運搬するかどうか確認した手作業入力。
名称:
−危険物 DG(Dangerous Good)
−有害性物質 HS(Harmful substances)
−海洋汚染物質 MP(Marine pollutions)
積載量の表示は必要ない。
目的地とETA 航海の始めに手作業入力。必要に応じて更新。
航路計画(変針点) 航海の始めに手作業入力。船長の裁量、必要に応じて更新。
安全関連のショートメッセージ:(Short safety related messages)
  手作業入力すると思われる任意様式によるショートメッセージ。特定の相手方か各船及び各海岸局に対する放送。
 
表3・2 動的情報の報告レート
船の種類 報告間隔 備考
ITU-R M.1371-1 IEC61993-2 IMO MSC74(69) ANNEX3
錨泊船で3ノット未満で動いている場合 3分 3分 IMOでは錨泊船として定義している。
錨泊船で3ノット以上で動いている場合 10秒 -  
速度0から14ノット未満で航行中の船(針路変更中の場合を除く。) 10秒 12秒  
速度0から14ノット未満で針路変更中の船 4秒  
速度14ノット以上23ノット以下で航行中の船(針路変更中の場合を除く。) 6秒 6秒  
速度14ノット以上23ノット以下で針路変更中の船 2秒 2秒  
速度23ノットを超えて航行中の船(針路変更中の場合を除く。) 2秒 3秒  
速度23ノットを超えて変針中の船 2秒 2秒  
注1: IMOの規定とITU及びIECの規定とが異なるが、実際の製品設計並びに型式検定試験はITU及びIEC規定にて行われている。
注2: 国土交通省告示第512号に掲げる報告間隔はIMOに準じており、総務省告示第389号に掲げる報告間隔はITU-R及びIECに準じている。
 
(3)使用周波数
 AISは基本的に次の2つの周波数(公海周波数)で運用される。
・CH87B: 161.975MHz
・CH88B: 162.025MHz
 しかし、この周波数が既に他の業務に割り当てられていてAISに使用できない海域においては、主管庁より国際VHFの周波数帯(156.025〜162.025MHz)の中から別の周波数が「地域周波数」として割り当てられる。この場合、公海周波数使用海域と地域周波数海域間で周波数切替が必要となるが、その方法としてITU-R M.1371では次の4通りが規定されている。
・AIS基地局からのコマンドによる自動切替
・DSC基地局からのコマンドによる自動切替
・手動切替
・ECDIS等の船内装置からの切替
 周波数切替の基本的な考え方は、基地局から15分毎に放送されるチャンネルマネージメント情報(地域周波数海域の北東端と南西端座標情報及び運用周波数情報)を受信して自動的に切替え、常に最新性を維持するということである。しかし、基地局がない場合には、地域周波数海域座標情報と周波数情報を手動で入力し切替える必要があるが、IEC61993-2の規格上、入力した情報は5週間を経過した場合及び本船が地域周波数海域から500海里以上離れた場合には自動的に消去される。このため、再入力が必要となる場合があるので十分な注意が必要である。
 
<参考>日本における地域周波数の使用
 日本の大部分の沿岸では、AISの公海周波数はマリンVHFの海岸局に割り当てられている。このため、その海域では地域周波数を使用することとなる。具体的には下図に示す11の海域が対象で、地域周波数としては、CH2079(161.575MHz)及びCH2081(161.675MHz)を使用する。
 なお、AIS公海周波数を使用しているマリンVHF海岸局は、2004年3月末までに周波数変更を行うことが決定しているため、地域周波数の使用も2004年3月末までとなる。
 
(拡大画面:88KB)
 
(4)機能
 AISでは、2つのチャンネルを使用してTDMA通信を行うため、受信機能として2つのTDMAチャンネルの同時受信機能が要求される。さらに、基地局からの地域周波数情報受信用に、CH70 DSC受信機能も要求されるため、合計3つの受信回路が必要である。
 また、送信部としては2つのTDMAチャンネルでの交互送信機能が要求される他、米国や英国等の一部地域で運用されているCH70でのDSC方式AIS*との運用両立性確保のために、基地局からの問合せ返信としてCH70 DSCで送信する機能が要求されるが、同時送信の必要性がないことから送信回路としては1つあれば良い。
 さらに、TDMA同期用に必要な1秒パルスをGNSS受信信号から生成する必要があり、そのためにGNSS受信機を内蔵することが要求されている。
 
<参考>DSC方式AIS
 AISは当初2つの方式が検討された。1つはGMDSSで使用されているCH70 DSCを使用した方式で、もう1つは放送方式と呼ばれ、TDMA技術を使用した方式である。DSC方式は2値FSKを使用したデータ伝送速度が1200bpsであるのに対し、放送方式はTDMAを使用しデータ伝送速度は9600bpsである。IMOで方式の一本化が行われた際、MSC74(69)ANNEX3で通報数は毎分2000以上と規定されたことから、実質的に放送方式が世界基準となった。この放送方式はユニバーサルAISと呼ばれるものであるが、現在では実質的にAISといえばこの方式を指す。
 なお、AISの性能基準はITU-R M.1371で規定されているが、その中でDSC方式AISとの通信の両立性が要求されており、陸上局からのDSCの情報受信とそれに対する返信の送信が必要となっている。
 
(5)周波数許容偏差
 TDMAチャンネルでの周波数許容偏差は次のとおりである。
・チャンネル間隔が12.5kHzの場合:±3×10-6
・チャンネル間隔が25kHzの場合:±5×10-6
 また、CH70 DSCチャンネルでの周波数許容偏差は、±10×10-6である。
 
(6)変調方式及び伝送速度
 TDMAチャンネルでの変調方式と伝送速度は、GMSK*9600bps、DSCチャンネルでは、2値FSK 1200bpsである。
 
<参考>GMSK(Gausian filtered Minimum Shift Keying)
 MSK(Minimum Shift Keying)変調の一種で、占有帯域を最小限に抑えた変調方式である。
 MSK変調のスペクトルは高いレベルのサイドローブ成分を持ち、隣接チャンネルヘの干渉の原因となる。この干渉妨害を防ぐためには帯域制限が必要である。GMSKでは、伝送すべき”0”と”1”のべースバンド信号をガウス・フィルタによって帯域制限してからMSK変調することで、GMSK変調波を得ている。
 
(7)送信出力
 TDMAチャンネルでの送信出力は、通常12.5W±20%で運用されるが、基地局からの制御信号により2W±20%に低下して運用する場合がある。
 CH70 DSCチャンネルでは、12.5W±20%のみである。







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