AIS-järjestelmä

AIS-järjestelmä (Automatic Identification System) on laivojen ja VTS-keskusten lähinnä alusten tunnistamiseen ja sijainnin määrittämiseen käyttämä järjestelmä. AIS tarjoaa laivoille keinon vaihtaa läheisten laivojen ja VTS-keskusten kanssa elektronisesti alustietoja kuten tunnistustiedot, sijainti, suunta ja nopeus. Nämä tiedot näkyvät laitteen omalla tai ECDIS:in näytöllä. AIS on tarkoitettu auttamaan aluksen vahtipäälliköitä ja antamaan merenkulkuviranomaisille mahdollisuus jäljittää ja tarkkailla alusten liikkeitä. Se toimii integroimalla standardisoitu VHF-lähetinvastaanotin elektroniseen navigointilaitteeseen, kuten LORAN-C:hen tai GPS-vastaanottimeen, ja muihin aluksen navigointilaitteisiin (hyrräkompassiin, rot-indikaattoriin, tms.)
IMO:n SOLAS-määräysten mukaan AIS täytyy asentaa kansainvälisessä liikenteessä kaikkiin laivoihin joiden bruttovetoisuus on vähintään 300 GT sekä kaikkiin matkustajalaivoihin koosta riippumatta. On arvioitu, että tällä hetkellä yli 40 000 laivassa on A-luokan AIS-laitteisto.
Käyttötarkoitukset ja rajoitukset.
Yhteentörmäysten välttäminen.
AIS:ää käytetään navigoinnissa ensisijaisesti yhteentörmäysten välttämiseen. Radiotekniikan rajoituksista johtuen, ja koska kaikkia aluksia ei ole varustettu AIS:llä, järjestelmää on COLREGS-määräysten mukaan tarkoitus käyttää ensisijaisesti tähystysapukeinona ja yhteentörmäysriskin määrittämiseen, eikä automaattisena törmäyksenvälttämisjärjestelmänä.
Laivan navigoidessa merellä muiden ympäristössä olevien laivojen tunnistaminen ja liikkeiden seuranta on tärkeää, jotta navigoija pystyy tekemään päätöksiä välttääkseen yhteentörmäystä muiden laivojen kanssa ja muita vaaroja (matalikkoja ja kiviä). Tähän tarkoitukseen on perinteisesti käytetty tähystystä (paljaalla silmällä, kiikareilla ja yökiikareilla), äänimerkkejä ja VHF-radiota sekä tavallista tai ARPA-toiminnolla varustettua tutkaa. Tutkan näytöllä olevia kohteita ei kuitenkaan pystytä tunnistamaan nimeltä, ja aikaviiveet ja tutkan muut ympäröivien alusten liikkeiden ja reaktioiden tarkkailuun liittyvät rajoitukset estävät joskus, etenkin vilkkailla merialueilla, yhteentörmäyksen välttämiseksi tehtävän toimenpiteen suorittamisen ajoissa.
AIS:ää koskevissa määräyksissä on pakolliseksi säädetty ainoastaan tekstimuotoisten perustietojen näyttäminen, mutta laite voidaan myös yhdistää elektroniseen karttaan tai tutkaan, jolloin saadaan keskitetyksi navigointiin tarvittavia tietoja yhdelle näytölle.
VTS-keskukset.
Vilkkailla meri- ja satama-alueilla saattaa olla VTS-keskus valvomassa laivaliikennettä. Siellä AIS tarjoaa alusliikennevalvojille lisätietoja liikenteessä olevista laivoista, niiden liikkeistä ja alustyypeistä.
Merimerkit.
AIS kykenee lähettämään muidenkin kohteiden kuin laivojen sijainteja ja nimiä, sitä voidaan nimittäin käyttää myös merimerkkien paikallistamiseen. Nämä voivat sijaita maissa, kuten majakat, tai vedessä joko kiinteästi pohjaan kiinnitettynä tai ankkuroituna. Yhdysvaltain rannikkovartioston mukaan AIS saattaa korvata nykyisin elektronisena merenkulun turvalaitteena käytettävät RACON-radiomajakat.
Mahdollisuus lähettää merimerkkien sijaintitietoja on myös synnyttänyt käsitteen ”virtuaalinen AIS”, tunnetaan myös ”synteettisenä” tai ”keinotekoisena” AIS:nä. Nämä termit voivat tarkoittaa kahta asiaa. Ensimmäisessä tapauksessa AIS-lähetys kertoo merimerkin sijainnin, mutta itse signaali on peräisin muualla sijaitsevasta lähettimestä. Esimerkiksi, maa-asemalta tuleva lähetys saattaa sisältää kymmenen kelluvan väylämerkin sijaintitiedot, merkkien ollessa liian pieniä, että niissä itsessään voisi olla lähettimiä. Toisessa tapauksessa se voi tarkoittaa AIS-lähetyksiä, jotka ilmaisevat joko fyysisesti olemattoman merimerkin tai näkymättömissä olevan kohteen, kuten vedenalaisen kiven tai hylyn. Vaikka tällaiset virtuaalimerkit näkyisivätkin ainoastaan AIS:llä varustetuissa laivoissa, niiden alhaiset ylläpitokustannukset voivat johtaa niiden käyttöön fyysisten merimerkkien puuttuessa.
Meripelastus.
Meripelastustilanteissa on toiminnan koordinoimisen kannalta tärkeää tietää hädässä olevan laivan tai henkilön läheisyydessä olevien laivojen sijainti ja navigointistatus (kulussa, ankkurissa jne.). Tässä AIS voi tarjota lisätietoja paikan päällä käytettävissä olevista resursseista, vaikkakin AIS:n kantoalue rajoittuu VHF:n kantavuuteen. AIS-standardissa nähtiin mahdollisuus myös käyttöön meripelastushelikoptereissa, ja laitteissa on tähän tarkoitukseen suunniteltu paikkatietosanoma (AIS-sanoma 9).
Binääriviestit.
St. Lawrencen meriväylä käyttää AIS-binääriviestejä (sanomatyyppi 8) tiedon jakamiseen veden korkeuksista, sulutusjärjestyksestä eli slussijärjestyksestä ja alueen säätiedoista.
Verkkopohjaista dataa koskeva kysymys.
Joulukuussa 2004 IMO:n meriturvallisuuskomitea tuomitsi vapaasti saatavissa olevan AIS-datan vastuuttoman julkaisun seuraavalla lausunnolla:
Satamien ja laivojen turvallisuusohjeita käsittelevässä FAQ-artikkelissaan IMO kuitenkin toteaa, että ainut keino rajoittaa AIS:n aiheuttamia turvallisuusriskejä esimerkiksi merirosvojen vaivaamalla alueella on sulkea itse AIS-lähettimet, sillä pahoissa aikeissa olevat tahot voivat vastaanottaa laivojen paikkatiedot itsekin tavallisella kaupallisella AIS-vastaanottimella.
Kuinka AIS toimii.
Yleiskatsaus.
AIS-lähetinvastaanotin lähettää automaattisesti säännöllisin väliajoin tietoa, kuten paikkatieto, nopeus ja navigointistatus, laitteeseen rakennetun VHF-lähettimen kautta. Tieto on peräisin laivan navigointilaitteista, yleensä satelliittipaikannusvastaanottimesta ja hyrräkompassista. Muu tieto, kuten aluksen nimi ja VHF-kutsumerkki, ohjelmoidaan laitteen asennusvaiheessa, ja myös sitä lähetetään säännöllisesti. Näitä signaaleja vastaanottavat muiden laivojen AIS-laitteet sekä maa-asemat, kuten VTS-keskukset. Vastaanotettu tieto voidaan näyttää näytöllä tai karttaplotterilla, jossa muiden laivojen sijainnit näkyvät samaan tapaan kuin tutkan näytöllä.
AIS-standardissa määritellään kaksi AIS-laitteiden pääluokkaa:
Työn alla on muitakin muunnelmia, jotka on tarkoitettu erityisesti maa-asema-, merimerkki- ja meripelastuskäyttöön, mutta nämäkin perustuvat olemassa oleviin standardeihin ja toimivat yhdessä niiden kanssa.
Yksityiskohtainen kuvaus: A-luokan laitteet.
Jokainen AIS-lähetinvastaanotin koostuu yhdestä VHF-lähettimestä, kahdesta VHF TDMA-vastaanottimesta ja yhdestä VHF-DSC-digitaaliselektiivikutsulaitteesta, ja on yhteydessä laivan sisäiseen näyttö- ja sensorijärjestelmään merenkulun tavanomaisten elektronisten tiedonsiirtojärjestelmien (kuten NMEA 0183 eli IEC 61162) kautta. Ajoitus on ensiarvoisen tärkeää A-luokan laitteessa tarkan synkronisoinnin ja aikahahlojen sijoituksen takia. Tämän takia jokaisessa laitteessa on pakollista olla sisäinen satelliittipaikannusvastaanotin (esimerkiksi GPS). Tätä sisäistä vastaanotinta voidaan käyttää myös paikannukseen. Paikkatieto otetaan yleensä kuitenkin ulkoisesta vastaanottimesta kuten GPS:stä, LORAN:ista tai inertiasuunnistusjärjestelmästä, ja sisäistä vastaanotinta käytetään vain varajärjestelmänä. Mahdollinen muu AIS:n lähettämä tieto kerätään elektronisesti aluksen navigointilaitteista merenkulun tavanomaisten tietoyhteyksien kautta. Kaikki AIS:llä varustetut laivat lähettävät yleensä tiedot keulasuunnasta sekä suunnasta ja nopeudesta pohjan suhteen. Lisäksi voidaan lähettää muita tietoja, kuten kääntymisnopeus (rate of turn), kallistuskulma, rullaustiedot (pitch and roll) sekä määräsatama ja arvioitu saapumisaika (ETA).
AIS-laitteen toiminta tapahtuu tavallisesti itsenäisessä ja tauottomassa tilassa riippumatta siitä, onko se avomerellä, rannikolla vai sisämaassa. Lähetykset tapahtuvat kahdella taajuudella, VHF:n meriliikennetaajuuksilla 87B (161,975 MHz) ja 88B (162,025 MHz), ja niissä käytetään 9 600 bit/s GMSK-modulointia 25 tai 12,5 kHz kanavavälillä HDLC-tietoliikenneprotokollan avulla. Vaikka ainoastaan yksi radiokanava on välttämätön, jokainen yksikkö lähettää ja vastaanottaa kahdella radiokanavalla häiriöiden välttämiseksi ja mahdollistaakseen kanavien vaihdon ilman yhteyskatkoja muihin laivoihin. Tämän järjestelmän johdosta yksiköiden välillä on automaattinen kilpavaraus, ja yhteys säilyy eheänä ylikuormitustilanteissakin.
Jotta VHF-lähetykset eri yksiköistä eivät menisi päällekkäin, signaalit aikakanavoidaan SOTDMA-tekniikalla (Self-Organized Time Division Multiple Access). Tämä tekniikka on patentoitu, ja AIS-järjestelmien valmistajat kiistelevät patentin haltijan kanssa tekniikan käytöstä SOLAS-aluksilla. Jotta käytettävissä oleva kaistanleveys käytettäisiin mahdollisimman tehokkaasti, ankkurissa olevien ja hitaasti liikkuvien alusten lähetykset tapahtuvat harvemmin kuin nopeammin liikkuvien ja kääntymässä olevien. Nopeasti kääntyvien alusten tietojen päivitysnopeus on sama kuin perinteisessä merenkulkututkassa. Aikareferenssi saadaan navigointijärjestelmästä.
Jokainen yksikkö määrittelee oman lähetysajankohtansa (hahlon), mikä perustuu tietoyhteysliikennehistoriaan ja tietoon muiden yksiköiden tulevista toimista. Yhden AIS-yksikön paikkatietoilmoitus mahtuu yhteen 2 250 aikahahlosta, jotka luodaan 60 sekunnin välein kullakin taajuudella. AIS-yksiköt synkronisoivat jatkuvasti toimintaansa keskenään välttääkseen hahlolähetysten päällekkäisyyksiä. AIS-yksikkö valitsee satunnaisen hahlon määrätyltä ajanjaksolta, ja merkitsee siihen satunnaisen taukoarvon (timeout-parametri) 0:n ja 8:n lähetysjakson väliltä. Kun yksikkö muuttaa hahlovalintaansa, se ilmoittaa sekä uuden sijainnin että taukoarvon tälle sijainnille. Tällä tavoin alukset saavat aina tietoa uusista yksiköistä, mukaan lukien yhtäkkiä muiden alusten kuuluvuusalueelle tulleet yksiköt.
IMO:n suorituskykystandardin mukaan laivan ilmoituksilta vaadittu minimikapasiteetti on 2 000 aikahahloa minuutissa, vaikkakin järjestelmässä on mahdollisuus 4 500 aikahahloon minuutissa. SODTMA-lähetysmuodossa järjestelmä voi olla 400–500-prosenttisesti ylikuormitettu hahlojen jakamisesta ja tuottaa silti lähes sataprosenttisen suoritustehon korkeintaan 8–10 meripeninkulman etäisyydellä olevien alusten välisessä lähetystilassa (ship to ship mode). Järjestelmän ylikuormituksen tapahtuessa ainoastaan kauimmaiset kohteet putoavat pois antaen etusijan lähemmille kohteille, jotka ovat tärkeämpiä vahtipäällikölle. Käytännössä järjestelmän kapasiteetti on lähes rajaton, ja se pystyy palvelemaan suurta määrää laivoja samanaikaisesti.
Järjestelmän kantama on samankaltainen kuin muissa VHF-laitteissa ja riippuu oleellisesti antennin sähköisestä pituudesta ja korkeudesta, mutta on hieman parempi, koska siinä käytetään analogisen VHF:n sijaan digitaalista. Suuremmasta aallonpituudesta johtuen aallot etenevät tutka-aaltoja paremmin, joten on mahdollista ”nähdä” käännösten ja saarten taakse, jos maakerrokset eivät ole liian korkeita. Tyypillinen kantama merellä on nimellisesti 20 meripeninkulmaa (37 km). Välitysasemien avulla sekä laiva- että VTS-yksiköiden peittoaluetta pystytään parantamaan huomattavasti.
Järjestelmä on takaperin yhteensopiva digitaaliselektiivikutsulaitteiden kanssa, joten GMDSS-maa-asemat pystyvät edullisesti avaamaan AIS-kanavia ja tunnistamaan ja seuraamaan AIS:llä varustettuja aluksia. Järjestelmän on tarkoitus korvata täysin olemassa olevat DSC-pohjaiset lähetinvastaanotinyksiköt.
AIS-verkon maa-asemia rakennetaan nykyisin ympäri maailmaa. Yksi suurimmista toiminnassa olevista reaaliaikaisista täyden yhteyskapasiteetin järjestelmistä on Kiinassa. Tämä järjestelmä rakennettiin vuosina 2003–2007, ja sen toimitti Saab Transponder Tech.Koko rantaviivan peittävät noin 250 maa-asemaa, joiden hot-standby-järjestelmä sisältää 70 tietokonepalvelinta kolmella pääalueella. Sadat maissa olevat käyttäjät, mukaan lukien 25 VTS-keskusta, ovat yhteydessä verkkoon ja pystyvät paitsi näkemään merikuvan myös kommunikoimaan laivan kanssa SRM-sanomilla (Safety Related Messages). Kaikki tieto on reaaliaikaista. Se on myös suunniteltu SOA-arkkitehtuurin mukaan, yhteys on socket-pohjainen ja järjestelmä käyttää standardoitua IEC AIS -protokollaa yhteyksissä VTS:n käyttäjiin. Maa-asemilla on hot-standby-yksiköt (IEC 62320-1), ja verkosto on kolmannen sukupolven verkostoratkaisu.
Vuoden 2007 alussa AIS-maa-asemille hyväksyttiin uusi maailmanlaajuinen standardi IEC 62320-1. Vanha IALA:n suositus ja uusi IEC 62320-1 -standardi ovat joissakin toiminnoissa yhteensopimattomia, ja tästä syystä verkostoratkaisuja täytyy päivittää. Tämä ei vaikuta käyttäjiin, mutta järjestelmän rakentajien täytyy päivittää ohjelmistoa tähän sopivaksi. AIS-maa-asemia koskevaa standardia on odotettu pitkään. Tällä hetkellä on olemassa useita A-luokan laitteilla varustettuja ad hoc -verkkoja. Maa-asemat pystyvät kontrolloimaan AIS-sanomaliikennettä alueella, mikä tulee toivottavasti vähentämään pakettien törmäyksiä.
Lähetettävä informaatio.
AIS-lähetinvastaanotin lähettää seuraavat tiedot aluksen nopeudesta riippuen 2–10 sekunnin välein aluksen ollessa kulussa, ja kolmen minuutin välein aluksen ollessa ankkuroituna. 
Lisäksi kuuden minuutin välein lähetetään seuraavat tiedot: