Radiocommunicatie: Automatic Reporting and Identification System (ARIS) 1987-2000

ARIS: Automatic Reporting and Identification System (1987 – 2000)

Achtergrond

Rotterdam was in 1956 de eerste haven met een radarsysteem voor de begeleiding van scheepvaart, de walradarketen. Dit (toen moderne) vrij eenvoudige systeem voldeed echter steeds minder door de intensivering van de scheepvaart maar ook door de behoefte van de operators om de identiteit van de schepen uit veiligheidsoverwegingen beter en eenduidiger vast te stellen en te koppelen aan de radarecho’s. Toen daarom begin 70’er jaren besloten werd om het systeem te vervangen kwam de identiteitsvraag aan de orde. Philips Nederland heeft in die jaren een proef uitgevoerd met een secundair radarsysteem. Zendpulsen van dat systeem worden door een speciale ontvanger op het doel(schip) ontvangen. Die wordt daardoor getriggerd en stuurt een (geheime) code terug die door de secundaire radarantenne wordt opgevangen. De proef op zich was succesvol maar de gevolgen van invoering van een dergelijk systeem zou betekenen dat alle schepen die de haven van Rotterdam zouden aandoen een (toen nog vrij grote) kast aan boord moesten hebben om te reageren op de secundaire radarsignalen om daarmee de identiteit uit te zenden. Daarvoor was de tijd nog lang niet rijp. Een ander groot nadeel was dat het wel zou werken om schepen vanaf de wal te identificeren maar voor de identificatie van schepen onderling kon geen sprake zijn omdat radarsystemen aan boord zich niet leenden voor de montage van een extra antenne voor de secundaire radar. Het walradarsysteem in Rotterdam werd derhalve voorzien van automatische radar-extractors. Een radar-extractor maakt het mogelijk om de positie, afmetingen, etc van een schip digitaal te bepalen uit het radarsignaal en te koppelen aan identiteitsinformatie die automatisch uit een computer of manueel door een operator wordt ingevoerd. Dat voldeed vrij goed voor geïsoleerde doelen maar bleek in praktijk een aantal beperkingen te hebben wanneer doelen dicht bij elkaar liggen of elkaar op geringe afstand kruisen. Identiteitsverwisseling of zelfs verlies van identiteit (label) is dan het gevolg. Dat probleem speelde niet alleen in Rotterdam maar bij alle vergelijkbare verkeersbegeleidingssystemen voor de scheepvaart die intussen waren gebouwd.
Aan boord van schepen werd radar intussen gemeen goed om een verkeersbeeld op de brug te krijgen, zelfs bij slechte weersomstandigheden en op open zee. Ook hier kwam de vraag naar voren welke identiteit de in de buurt varende schepen hebben om in onderling overleg tot veilige verkeersafspraken te komen. Daarnaast kwam in groeiende mate elektronische positiebepaling van het eigen schip beschikbaar middels systemen als Decca, Loran-C en het opkomende GPS.

Automatic Reporting and Identification System (ARIS)

In 1985 heeft de International Maritime Organization (IMO) in resolution A.578 Guidelines for Vessel Traffic Services aangegeven dat scheepsidentificatie ondersteund mag worden met technische middelen; met andere woorden de legale basis voor een vorm van transpondertechnologie werd daarmee gelegd. Dat vormde een reden voor het toenmalige Directoraat-Generaal Scheepvaart en Maritieme Zaken (DGSM) van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat (V&W) om TNO-FEL eind 1987 te vragen om een onderzoek in te stellen naar de haalbaarheid van een identificatiesysteem voor de scheepvaart gebaseerd op VHF of UHF radiocommunicatie. Het systeem zou een ondersteuning moeten worden voor operators in een verkeersbegeleidingssysteem. Het systeem zou tevens geschikt moeten zijn voor identificatie van schepen onderling.

TNO-FEL ontwierp vervolgens het ‘Automatic Reporting and Identification System’ (ARIS) in overeenstemming met de WG3 eisen van de IALA-VTS-commissie. Het ARIS concept bestaat uit een relatief eenvoudige transponder aan boord van ieder schip en een walstation dat over radardekking beschikt.
 

Een eerste prototype van het scheepsrapportagesysteem
Een eerste prototype van het ARIS scheepsrapportagesysteem

De werking van ARIS is eenvoudig uit te leggen. Bij het betreden van het VTS-gebied kan de positie van een schip worden gedetecteerd door radar en worden gebruikt als input voor de ARIS walapparatuur om een ​​identificatieverzoek via de VHF-radioverbinding te starten. Periodiek zal het op de kust gelegen systeem van ARIS het ‘naderingsgebied’ van de VTS ondervragen om schepen te identificeren die nog niet door het radarsysteem zijn gedetecteerd. Op deze manier zullen nieuwe komende schepen automatisch worden overgenomen in het verkeersbeeld zonder handmatige acties van de operator. Daarnaast kan een operator in een Vessel Traffic Services (VTS)-centrum (scheepsverkeerscentrale) als hij/zij een doel wil identificeren dit aanwijzen op een radarscherm (met behulp van een muis of lichtpen). Omdat radar de positie van het schip kent, wordt de positie van het doel in een ARIS bericht uitgezonden. Alle schepen met een ARIS transponder ontvangen dit bericht. Alleen het schip dat met zekere tolerantie voldoet aan de positie zal daarop een bericht terugsturen met de identiteit (naam, call sign) als belangrijkste informatie. Dit mechanisme kan echter ook gebruikt worden om andere aanvullende informatie over te sturen. Denk daarbij aan koers, snelheid, diepgang, bestemming, etc.

De apparatuur aan de wal vertaalt de respons in computergegevens die als leesbare tekst en/of in grafische vorm op de ARIS-monitor kunnen worden gepresenteerd. Weergave van met ARIS uitgeruste schepen op een elektronische kaart of ECDIS is ook mogelijk. Wanneer ARIS is geïntegreerd in het VTS-systeem, kunnen de positiegegevens worden gebruikt om het verkeersbeeld te construeren en kunnen de aanvullende gegevens worden gebruikt in een informatieverwerkingssysteem. Het systeem is bijzonder waardevol in drukke rijstroken (havenmonden) en kan zelfs worden gebruikt in gebieden met een radarstilstand of in kustwateren waar geen geavanceerd VTS-systeem beschikbaar is.

Het door TNO ontwikkelde ARIS-demonstratiesysteem bestond uit een VHF-zender bij een walstation en enkele scheepstransponders. Hiermee zijn een aantal operationele proeven uitgevoerd in IJmuiden, Hoek van Holland en later in Vlissingen. Hiermee was ARIS het eerste maritieme radiotranspondersysteem ter wereld. Het doel van de proeven was om de toegevoegde waarde van de transpondertechnologie in een maritieme verkeersomgeving aan te tonen.

Tijdens de beproevingen zijn een aantal presentaties voor de internationale maritieme gemeenschap gegeven. DGSM heeft hiermee internationaal de discussie geopend binnen IMO en andere organisaties over de invoering van maritieme transponders voor de zeevaart. Discussies binnen IMO over de (verplichte) invoering van een nieuw systeem duren echter altijd lang want er moet met alle lidstaten overeenstemming worden bereikt.

De door TNO-FEL gebouwde experimentele ARIS-eenheid (90's)
De door TNO-FEL gebouwde experimentele ARIS-eenheid (90’s)

 

Schepen met ARIS getoond op het havenscherm van Den Helder
Schepen met ARIS getoond op het havenscherm van Den Helder

 

ARIS data display
ARIS data display

Systeemconfiguraties: de ARIS walgebaseerde apparatuur kan in verschillende configuraties worden geïmplementeerd:

  • ARIS in combinatie met en volledig geïntegreerd in een VTS-systeem (voor operationele acties en de presentatie van ARIS-gegevens).
  • ARIS gecombineerd met een standaardradarsysteem (in een eenvoudige VTS-omgeving). Een doelpositiemarkering wordt getoond op het radarscherm.
  • ARIS als een stand-alone systeem (voor logistiek en planning). De ARIS-monitor toont de gegevens van de antwoorden van de geïdentificeerde schepen.

ARIS was ontwikkeld met een idee, een visie, maar zonder vooringenomen standpunt. Er was niets, geen vrije frequentie voor de uitzending van ARIS berichten, geen communicatieprotocol, geen standaard en een beperkt technisch eisenpakket. Alles werd door TNO-FEL ontwikkeld vanuit de toenmalige stand van de techniek. ARIS kon, met wat beperkingen, ook gebruikt worden in een schip-schip mode. Dat betekent dat schepen ook elkaars identiteit kunnen ondervragen. De meeste schepen hebben echter op dat moment nog onvoldoende mogelijkheden op  hun radar om een ander schip aan te wijzen en de positie in digitale vorm aan de ARIS transponder aan te bieden.

Maar er speelde meer binnen IMO. Voor het “Global Maritime Distress and Safety System” (GMDSS) werd een nieuw digitaal communicatieprotocol ingevoerd dat werkt met analoge modemtechnologie: “Digital Selective Calling” (DSC) genaamd, gebaseerd op de CCIR (tegenwoordig VN / ITU) aanbeveling 825. DSC is ontworpen om informatie uit te wisselen van schip naar land en van schip tot schip. Voor de uitwisseling tussen schip en wal worden drie verschillende soorten informatie onderscheiden:

  • Statische informatie: roepnaam, scheepstype, enz. Deze informatie wordt normaliter geprogrammeerd in de ARIS-apparatuur aan boord van schepen.
  • Variabele informatie: deze informatie omvat belasting, actuele diepgang en bestemming. Het wordt bepaald per reis en is vaak beschikbaar via het computersysteem van het schip.
  • Dynamische informatie: bijvoorbeeld positie en koers. Dynamische informatie moet voortdurend worden aangepast en is toegankelijk via navigatieapparatuur zoals het Global Positioning System (GPS).

Alle drie de informatietypes kunnen gelijktijdig worden gebruikt om een ​​duidelijke identificatie te verkrijgen.
 
De maritieme gemeenschap vond het wenselijk om het toekomstige transpondersysteem in te voeren met het DSC protocol als basis. Dat was geen probleem, het tastte niet de functionele werking van de transponder aan. Daarom werd er een internationale standaard opgesteld voor de nieuwe transpondertechnologie gebaseerd op DSC. Dan beginnen de onderhandelingen tussen de lidstaten over wereldwijde invoering, een proces dat zomaar 10 jaar kan duren. In Scandinavië, erg bezig met de invoering van GSM, komt men op het idee dat de daarbij onderliggende techniek wel eens heel aantrekkelijk kan zijn voor de transpondertechnologie, maar dan zonder netwerk, zonder service provider. En zo wordt het idee geboren voor de “Self Organised Time Domain Multiple Access” (SOTDMA) techniek als communicatiestandaard. Ook hier blijft de functionele gedachte achter ARIS in stand, namelijk identiteit koppelen aan positie.

Parallel aan deze ontwikkelingen heeft TNO-FEL in 1994/95 de technische specificaties voor het Rotterdamse HAvenNAderingsSysteem (HANAS) opgesteld. HANAS, een systeem voor de loodsen van het Loodswezen werd operationeel in 1997 en was gebaseerd op differential GPS (DGPS). HANAS was de opvolger van het op Decca gebaseerde Brown Box-systeem.

Automatic Identification System

Zo wordt het idee van het “Automatic Identification System” (AIS) geopperd. En, na jarenlange discussie, ook door IMO in 2000 aanvaard, waarbij de doelstelling was om AIS vanaf 2002, gefaseerd tot 2008, op zeeschepen verplicht te stellen. Maar dat betekende dat het idee verder ontwikkeld moet worden van een globale omschrijving naar een specificatie. Er moest een internationale standaard komen, er moesten afspraken komen voor het vrijmaken van frequenties binnen de International Telecommunication Union (ITU), er moesten richtlijnen komen over het gebruik en installatie aan boord en heel veel meer.

V&W klopte weer bij TNO-FEL aan want daar was het begonnen en was de technische kennis aanwezig om in internationale werkgroepen van de International Association of Maritime Aids to Navigation and Lighthouse Authorities (IALA), de International Electrotechnical Commission (IEC) en ITU namens V&W actief mee te werken met de verdere ontwikkeling en het operationeel maken van AIS. Hierbij moesten natuurlijk de Nederlandse belangen een plaats krijgen. IALA zou uiteindelijk de leidende rol in deze ontwikkeling gaan spelen, ook omdat daar de link wordt gelegd tussen de scheepvaart en de wereld van de verkeersbegeleiding.

Dan komt 9/11/2001 waarna identificatie van schepen een dominante plaats krijgt in de samenleving. Alles moet versneld worden. Per 1 januari 2005 moet ieder zeevarend koopvaardijschip verplicht AIS aan boord hebben. AIS is niet langer alleen een bijdrage aan de ‘safety’ maar is ook een ‘security’ verplichting geworden.

Voorkant ARIS promotiefolder
Voorkant ARIS promotiefolder

AIS blijkt een succes: zie www.marinetraffic.com of de AIS pagina van Scannernet. Die pagina’s tonen de huidige posities en bewegingen van grote zeeschepen over de hele wereld. Na de transponders voor de zeeschepen en walstations zijn er speciale AIS versies ontstaan voor de recreatievaart en de binnenscheepvaart. Ook zien we transponders ontstaan voor gebruik op vuurtorens, boeien en andere maritieme objecten (denk aan het markeren van wrakken, booreilanden en windmolenparken op zee). Speciale transponders voor SAR-vliegtuigen (Search And Rescue), transponders voor satellietwaarneming, voor gebruik op reddingsmiddelen en man-over-boord, kortom AIS speelt een niet meer weg te denken rol in de maritieme gemeenschap.

TNO’s rol in  AIS is nu uitgespeeld, maar TNO heeft aan de basis van deze internationale ontwikkeling gestaan, de eerste steen gelegd, en in internationaal verband een belangrijke bijdrage geleverd aan deze succesvolle ontwikkeling.