经济全球化和世界贸易量的增加使国际航运业得到了快速发展。船舶数量、船舶吨位和水上交通密度也在不断增加,导致发生海上事故的可能性随之增加。这是对海洋安全和海洋环境的重大威胁。今天,随着先进技术的发展和应用到航运业,相应地船舶上装备了越来越多的新设备。这些船用设备的性能也在得到不断的完善和增加。AIS是一种自动识别系统,它由岸站和舰载设备组成,是SOLAS公约规定的履约船舶强制配备的导航系统。AIS工作在甚高频段(VHF),使用SOTDMA调制方式将船舶信息发送到其他船舶和岸站,其中的船位信息来自AIS设备内置的GNSS芯片。AIS系统可以有效提高海上安全性,并能够为航行、避碰、海上救援、通信、船舶管理等提供有效的技术支持。本文深入挖掘AIS信息,研究基于AIS信息的船舶避碰与海上安全保障的理论与技术。在AIS现有技术的应用基础上,深入研究如何根据国际海事组织和国际电联的建议对系统的各类信息充分挖掘,研究避碰与预警的理论与关键技术,并在理论研究的基础上,进行实际系统的技术实现。考虑到超出AIS岸站覆盖范围的海上作业船舶和渔船,进行了该海域定位增强技术的研究,以提高定位的准确性,从而确保该船舶密集海域的航行安全。为此,本文进行如下的研究工作:首先,针对在大浪、扰动、大型船舶密集和航道等区域,以及船舶应及时和连续获取AIS信息以提高海上航行安全的问题,通过研究通信信道系统参数中的AIS信号概率,建立存在无线电干扰情况下的发送信号概率数学模型;同时通过评估ITU-R规定的AIS报告间隔,提出对应于接收AIS信号概率的信道保护合理值。这些研究成果对AIS通信信道中海上信号传输概率的计算具有重要的科学和实用价值。在此研究基础上,提出了基于AIS信号感知的海事安全预警概率算法,根据海上事故特征、海上航行的经验知识,通过对船舶避碰过程、原理和避碰规则的分析,能够给出有效的海上航行安全预警信息。本文给出的研究成果可以协助舰桥上的船员利用AIS系统同时结合航海经验以达到安全避碰的目的。其次,针对人为操作造成的船舶碰撞问题,建立检测和预防碰撞系统,通过碰撞评估及时发现并立即发出碰撞风险警告确保海上安全并避免人员伤亡。在本文的研究中,碰撞风险指数(CRI)是该系统的核心,CRI受多种因素影响,其中最近点到达时间(TCPA)、最近点到达距离(DCPA)、距目标船舶的距离和相对方位是最重要的影响因素。另外,DCPA和TCPA的计算采用船载AIS设备加权法,CRI的计算采用神经网络和模糊理论。通过本文的研究,提出了基于AIS信息的船舶避碰算法,在详细分析船舶避碰的行动策略、行动幅度和目标船的会遇态势的基础上,建立了风险评估的数学模型,并利用AIS信息进行了碰撞评估与预警的模拟实验,验证了算法的有效性。第三,根据避碰的数学模型,设计并开发了一种利用AIS信息的新的避碰系统,该系统从AIS系统接收数据并解析AIS报文数据,进行船舶碰撞风险评估。系统软件的设计与实现采用C++语言,该语言分为组件模块。该设备硬件采用工业标准实现。运行结果表明,该系统能够对用户的查询做出反馈,实时提供船舶与目标船舶的动态和静态信息,并在检测到较高的碰撞概率时发出预警,试验结果表明了该系统的实用性。最后,研究了基于AIS的GNSS增强系统,以提高GNSS的定位精度。提出了基于AIS的GNSS增强系统的两种解决方案,即移动船舶转发AIS岸站增强信号和基于AIS船站的增强系统,该解决方案能够在AIS岸站差分增强信号不能覆盖的船舶密集海域,提高船舶的定位精度,增强了海上航行的安全性,实验结果表明了系统的可用性。因此,本论文“基于AIS的船舶航行安全保障理论与关键技术研究”对于有效防止海上船舶碰撞,提高海上船舶航行的安全性具有重要的理论和实际意义。本论文研究在国家自然科学基金重点项目(61231006)的资助下完成。