Необыкновенные приключения AIS в Китае, или как найти корабль в море

Во многих сообществах, интересующихся движением кораблей по морям, недавно появилась новость, что “в Китае запретили AIS” и всё в таком духе. Как обычно, в заголовках больше хайпа, чем на самом деле, но давайте разберёмся, о чём весь шум.

Прежде всего, что такое этот AIS, или Automatic Identification System. Многие люди, знакомые с морской тематикой с суши, думают, что это система, которая сделана для того, чтобы мы могли видеть положение всех кораблей где-нибудь на MarineTraffic. На самом деле, это один из тех случаев, когда не предусмотренный изначально способ использования технологии, пожалуй, превзошёл по важности то, для чего технология AIS изначально была создана.

AIS придумали в 90-х с целью улучшения безопасности навигации и предотвращения столкновений. С 2002 года IMO (International Maritime Organization) SOLAS (Safety of Life at Sea) требует установки AIS на все корабли водоизмещением больше 300 тонн, которые выходят в международные воды. Идея была в том, что до AIS единственным средством предупредить экипаж об угрозе столкновения ночью или в плохую погоду был радар, но радар показывает только, что вон там плывёт какая-то железяка. Понять, что это за железяка, и что она собирается делать, было непросто, и требовало специально обученных людей.

Преимущество AIS в возможности получить информацию не только о координатах другого корабля, но и много других деталей – что это за корабль, его скорость, плывёт ли он прямо или поворачивает, и многое другое. Несмотря на это, AIS не стала, и никогда не станет, основной системой предупреждения столкновений, по очень простой причине – ставить свою безопасность в зависимости от того, есть ли у другого корабля AIS, и передаёт ли она правильные данные – так себе идея.

Хорошо, но как это всё работает? Радио, конечно же. Все AIS транспондеры принимают и передают данные на одной частоте (на самом деле, там два канала, но работают одинаково) в диапазоне УКВ (VHF), примерно 160 МГц. В этом диапазоне радиоволны распространяются примерно по прямой, как обычное FM радио, поэтому дальность определяется кривизной земли и высотой обоих антенн над уровнем моря. Для обычных кораблей это примерно 10-20 морских миль (19-37 километров). Это не значит, что радиоволны не летят дальше – они ещё как летят, но это значит, что на уровне моря их уже не принять.

Дальше начинается интересное. Частота одна, а кораблей вокруг много. Что будет, если несколько транспондеров начнут передавать данные в один и тот же момент? Ничего хорошего, они смешаются, и разобрать что-либо будет невозможно. Для того, чтобы уменьшить вероятность этого, в AIS используется довольно изощрённый протокол – разновидность TDMA (time-division multiple access), когда разные станции стараются передавать свои данные в разные промежутки времени. С учётом того, что в радиусе 10-20 миль обычно не слишком много кораблей, это в основном работает. В худшем случае, когда два транспондера передают одновременно, скорее всего, один будет ближе другого, соответственно, сигнал от него будет мощнее, и более далёкий и слабый сигнал будет подавлен. Очень хорошо для предотвращения столкновений, то, что ближе – важнее. Пока всё хорошо.

Но потом люди додумались, что можно просто принимать все сигналы AIS, и совершенно бесплатно знать всё о движении кораблей. Одна беда – радиус 10-20 миль от антенны. Ситуацию улучшало то, что на берегу можно было поставить антенну выше, и тем увеличить радиус, но всё то, что происходит вдали от берега, оставалось загадкой. Но уже скоро, примерно с 2005 года, люди догадались, что радиоволны летят не только в стороны, но и вверх, начали пробовать ловить их со спутников – и у них получилось! Тут же появились сайты вроде MarineTraffic, которые покажут вам все корабли в любой точке мира. Казалось бы, теперь всем видно всё – но не всё оказалось так просто.

Большинство спутников, которые принимают сигналы AIS, летают на высотах порядка 200-400 километров, и принимают сигналы в радиусе где-то порядка 200 километров. Казалось бы, чем больше – тем лучше? Но есть нюанс, кораблей спутнику видно гораздо больше, и все эти корабли ничего не знают друг о друге, радиовидимость же ограничена 10-20 милями, и передают сигналы одновременно. Хуже того, расстояние между кораблями гораздо меньше расстояния до спутника, поэтому мощный сигнал уже не забивает слабый, а они смешиваются в нераспознаваемый шум. Если такие коллизии случаются относительно редко, проблему до некоторой степени можно решить увеличением количества спутников, не повезло одному – повезёт другому, но если коллизии случаются почти постоянно, то это бесполезно. Поэтому быстро обнаружилось, что в районах оживлённого судоходства, и особенно возле больших портов, спутники работают плохо, и замены наземным приёмникам нет.

Но это ещё не все сложности. Протокол AIS очень экономный, передаётся только то, что нужно для предотвращения столкновений. Координаты корабля передаются с переменной частотой, чем быстрее едешь – тем чаще. Другие данные – например, название корабля, пункт назначения или осадка – передаются в отдельном сообщении, гораздо реже (раз в 6 минут), потому что они редко меняются. Поэтому, чтобы узнать о корабле всё, вам надо принять не одно сообщение, а два. Но если для корабля раз в 6 минут – это не время, то спутники делают полный оборот вокруг Земли за 90 минут или около того, поэтому с приёмом сообщения раз в 6 минут – это уж как повезёт. И ещё у AIS транспондеров есть режим пониженной мощности передачи, который иногда требуется включать в порту или при погрузке-выгрузке. Это тоже может сильно ограничить возможность приёма сигнала со спутника.

Из всего сказанного выше следует один простой вывод – в порту, там, где много кораблей, нужен наземный приёмник. И вот тут случилось то, что случилось в Китае три недели назад. Были приняты новые законы про данные - Data Security Law (DSL) и Personal Information Protection Law (PIPL), и вдруг выяснилось, что предоставление иностранцам данных AIS из китайских портов, скорее всего (хотя это не точно), подпадает под эти ограничения. Желающих выяснить это точно на себе нашлось немного, и внезапно весь мир перестал видеть, что происходит в китайских портах. Повторюсь, сам AIS никуда не делся, просто китайские компании, которые принимали сигналы в местных портах, перестали продавать эти данные иностранцам.

На этом моменте любители подсматривать за чужими кораблями задумались, что делать. В интернете можно найти много интересных идей, и нередко бывает, что люди, далёкие от физики, думают, что вот она, серебряная пуля, которая решит все проблемы – но ограничения, налагаемые законами физики, штука упрямая. Давайте разберёмся.

Для начала, была попытка решить проблему на уровне протокола AIS. Специально для приёма спутниками, был добавлен новый тип сообщения №27 (Position report for long range applications). Оно короче, чтобы уменьшить вероятность коллизии, и передаётся реже. Это несколько улучшило приём данных в морях, но мало повлияло на порты.

Дальше начались эксперименты со спутниками. Можно поставить на спутник более узконаправленную антенну – но тогда придётся сильно увеличивать количество спутников, чтобы обеспечить нужную частоту покрытия. К тому же, более узконаправленная антенна может не поместиться на CubeSat (а много дешёвых спутников для приёма AIS сделаны по этому стандарту). В общем, очень дорого. Ещё одна идея – изощрённая обработка сигналов. За счёт эффекта Допплера сигналы впереди спутника, прямо под ним, и позади, будут иметь несколько разную частоты. Достоинство этого метода – нужен только более мощный процессор. Но и эффект будет довольно ограниченный. Ни с одним из этих методов больших успехов пока не видно.

Хорошо, что ещё можно сделать? Есть оптическое наблюдение – но оно ограничено освещением и погодой. И потом, хорошо, вы увидели корабль – но какой именно? Иногда у кораблей прямо на палубе большими буквами написан его идентификатор, так называемый IMO – но чтобы увидеть его со спутника, нужно разрешение существенно лучше одного метра на пиксел, а таких спутников мало и дорого.

Есть радары (например, Capella Space). Железяку на поверхности воды видно хорошо, но опять же, как её зовут? Это может быть неважно, если ваша цель – разпознать авианосец в ордере, но для анализа грузоперевозок надо знать точно. Если очень заморачиваться, почти на военном уровне, про SIGINT (Signal Intelligence, разведка сигналов), можно собрать базу сигнатур разных кораблей, но этого будет достаточно только для определения типа (например, это VLCC танкер), но не для точной идентификации.

Есть способы определять местоположение кораблей, у которых AIS вообще выключен, по радиопереговорам в диапазоне УКВ. Этим занимается компания HawkEye 360. Для того, чтобы точно определить координаты, они запускают спутники по 3, чтобы по разнице времени распространения сигнала сделать мультилатерацию и определить координаты. Этот метод тоже не без проблем. Во-первых, надо больше спутников. Во-вторых, это хорошо работает с незаконным рыболовством посреди Тихого Океана, где сигналов немного, но где-нибудь в Шанхае шансов мало. И в третьих, идентификация тоже является проблемой. Если корабли при радиообмене используют технологию DSC (Digital Selective Calling, цифровой селективный вызов), тогда повезло – там MMSI (идентификатор радиостанции) передаётся (если он настоящий, конечно). А если DSC не используется – то никакой идентификации не получится без корреляции с какими-то другими данными, тем же AIS.

Ну и на сладкое остаются совсем шпионские страсти – отслеживание звонков телефонов Inmarsat, или даже сотовых телефонов. С этим вообще куча проблем. Во-первых, это, скорее всего, просто незаконно. Во-вторых, нужно как-то привязать ID телефона к кораблю (телефон 12345 принадлежит Васе, который в настоящее время работает капитаном на яхте "Беда"), и поддерживать эту базу данных в актуальном состоянии. Ну и технически непросто тоже.

Ну и последняя идея – если у вас есть свой флот, то вы можете невозбранно слушать AIS вокруг и передавать услышанное в штаб-квартиру через спутник, но если у вас есть свой флот, то кто я такой чтобы вам что-то советовать :)

На этом современные идеи о том, что делать с проблемой приёма сигналов AIS, поиска и идентификации кораблей в море, пока заканчиваются. Очевидно, что непредусмотренное использование технологии имеет свои физические пределы, и с этим сложно что-то поделать. Радикальное решение – сделать свою специальную систему глобального трекинга, с блэкджеком и куртизанками, и через IMO обязать всех её использовать. Что интересно, в Китае эта идея, похоже, уже реализована. Их навигационная система Бейдоу является не только аналогом GPS или Глонасс, но и позволяет через спутник отправлять обратно координаты приёмника. Но Китай этой информацией, конечно, не поделится ни с кем. Возможно, когда-нибудь весь остальной мир тоже придёт к китайской модели, но это не точно.

Всем семи футов под килем и безопасной навигации.

А через несколько дней после публикации появилась заметка от компании Kpler про то, как они решают эту проблему.