AIS系統(tǒng)介紹教學(xué)內(nèi)容

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。AIS系統(tǒng)介紹-基于AIS的船舶避碰數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AutomaticIdentificationSystem，簡(jiǎn)稱AIS)工作在海上VHF頻段，運(yùn)用SOTDMA方式發(fā)射船舶數(shù)據(jù)，具有補(bǔ)充現(xiàn)有船舶導(dǎo)航存在的缺陷，減少船舶碰撞事故;提高搜救遇險(xiǎn)船舶的速度;增強(qiáng)雷達(dá)，船舶交通管理系統(tǒng)VTS的功能。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國(guó)家之間交流的日益頻繁，航運(yùn)業(yè)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的又一次高峰，航海技術(shù)的提高也越來(lái)越受到重視。上個(gè)世紀(jì)，VHF通信技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于船舶通信領(lǐng)域。雷達(dá)、ARPA具有識(shí)別船舶的

2、功能但是由于它們自身的局限性而無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代航運(yùn)安全的需求;隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，AIS的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)形成，在航運(yùn)界對(duì)助航設(shè)各的要求越來(lái)越高的情況下，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)首先被用于航海避碰。由于雷達(dá)特性的限制，以及不是所有的船都裝備有這個(gè)設(shè)備，因而它首先被用做為一種監(jiān)視與判斷碰撞的危險(xiǎn)度的一種方式。獲得船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)于船舶避碰非常重要。本文對(duì)AIS基本結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、及其輸入輸出接口，輸出信息的幀封裝及解析原理等進(jìn)行了解析。在此基礎(chǔ)上完成了AIS信息采集處理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明所得到的AIS信息準(zhǔn)確可靠。該項(xiàng)技術(shù)的研

3、究，是AIS信息應(yīng)用系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：船舶避碰AISVHFGPS數(shù)據(jù)采集Abstract:AISworksonthemarineVHF,usetheSOTDMA(SelfOrganizedTimeDivisionMultipleAccess)datachainprotocoltotransferdataofships.TheAIScanhelpthelimitsofthecurrentservices,anddecreasethecollidecaseofships,andimprovethevalueofthesafeactioninmarine,andmakethecontentof

4、theradarandtheVTSmorestronger.Withthedevelopmentoftheeconomyofinternationalandthemorecommunicationofthecountries,thenavigationgetsachancetohaveaboomingfuture.Thenavigationtechnologiesaremoreandmoretobeemphasized.Duringthelastcentury,theVHF(VeryHighFrequency)communicationhasbeenappliedintheshipstrans

5、portation,aswellasradarandARPAalsocouldidentifyshipsinthemarine.Buttheycouldntadapttotheneedsofthemodernnavigationbecauseoftheirlimits.Therapiddevelopmentofthedigitalcommunicationstechnology,computertechnologyandnetwaretechnologysupportstheneededtechnologyofAIS(AutomaticIdentificationSystem).Astheai

6、dingserviceofthenavigation,AISisborntoliveandwillbestrongerandstronger.AISisusedinnavigationprimarilyforcollisionavoidance.Duetothelimitationsofradiocharacteristics,andbecausenotallvesselsareequippedwithAIS,thesystemismeanttobeusedprimarilyasameansoflookoutandtodetermineriskofcollision。Gettheinforma

7、tionoftheAisisimportantforcollisionavoidance.Thispaperintroducesthebasestructure、workprinciple、technicalandI/OportoftheAIS,alsopresentsAISsframeencapsulationformatanddecodingencapsulationmethod.Basedontheabovemethod,thesoftwarewasdesignedfortheinformationcollectingandprocessingfromAIS.Theexperiments

8、howedthattheAISinformationobtainedthroughcollectingandprocessinginthiswaywasaccurateandreliable.StudyingonthesetechniquesisthebaseofstudyingtheAISinformationapplicationsysterm.Keywords:collisionavoidanceAISVHFGPSdataAcquisition目錄第1章緒論1.1AIS技術(shù)的來(lái)源與發(fā)展1.1.1AIS的產(chǎn)生背景.1.1.2AIS現(xiàn)狀與其發(fā)展.1.2課題的提出.1.3論文的主要研究?jī)?nèi)容和研

9、究成果.1.3.1研究?jī)?nèi)容.1.3.2研究成果.1.4論文的結(jié)構(gòu).第2章AIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前主要應(yīng)用分析.2.1AIS基本構(gòu)成和工作原理.2.1.1AIS基本組成.2.1.2船載AIS的種類.2.1.3AIS的工作過(guò)程.2.2AIS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn).2.2.1AIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).2.2.2新規(guī)范的AIS技術(shù)特點(diǎn).2.3AIS主要技術(shù)及指標(biāo).2.3.1自組織時(shí)分多址接續(xù)SOTDMA技術(shù).2.3.2AIS工作頻道及調(diào)制方式.2.3.3AIS工作模式。.2.4AIS的協(xié)議.2.4.1AIS的OSI模型.2.4.2HDLG通信規(guī)程.2.5AIS的應(yīng)用.第3章AIS接收機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).3.1系統(tǒng)的功能分析與

10、設(shè)計(jì).3.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).3.3微處理器模塊的設(shè)計(jì).3.3.1嵌入式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì).3.3.2嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)及分類.3.3.3ARM嵌入式微處理器的選擇3.4GMSK解調(diào)模塊方案的設(shè)計(jì).3.4.1基于調(diào)制解調(diào)芯片的GMSK解調(diào).3.4.2基于DSP的GMSK解調(diào).3.5系統(tǒng)其他部分的設(shè)計(jì).3.5.1顯示模塊.3.5.2輸出部分.第4章關(guān)鍵技術(shù)的研究和設(shè)計(jì).4.1嵌入式系統(tǒng)技術(shù).4.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成.4.1.2嵌入式操作系統(tǒng)的選擇.4.1.3嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式.4.2基于S3C2410的ARM9硬件開發(fā)平臺(tái).4.3基于S3C2410的ARM9軟件開發(fā)流程.4.4GMSK基帶信號(hào)的解調(diào)設(shè)

11、計(jì).4.4.1GMSK的理論依據(jù).4.4.2GMSK基帶解調(diào).4.5AIS系統(tǒng)中的同步.4.5.1AIS系統(tǒng)的同步.4.5.2AIS系統(tǒng)的同步技術(shù)分析.4.5.3AIS系統(tǒng)的同步設(shè)計(jì).第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)仿真與解碼顯示.5.1AIS接收機(jī)的軟件設(shè)計(jì).5.1.1AIS數(shù)據(jù)的提取及解包.5.1.2AIS數(shù)據(jù)檢測(cè)、重新打包及輸出.5.2GMSK基帶信號(hào)的仿真.5.3AIS的解碼與顯示.5.3.1AIS信息的報(bào)文格式.5.3.2AIS信息種類.5.3.3AIS解碼及顯示.第6章結(jié)束語(yǔ).第1章緒論本文在分析國(guó)內(nèi)外AIS發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用的前提下，就如何設(shè)計(jì)一種適合于小型船舶和AIS信息采集岸臺(tái)使用的簡(jiǎn)易型A

12、IS信息接收機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析研究。本章闡述了AIS技術(shù)的產(chǎn)生背景、現(xiàn)狀及發(fā)展，討論了課題研究的現(xiàn)實(shí)意義，說(shuō)明了論文的研究?jī)?nèi)容和論文的結(jié)構(gòu)安排。1.1AIS技術(shù)的來(lái)源及發(fā)展AIS(AutomaticIdentificationSystem)是工作在VHF海上頻段的船舶和岸基廣播數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。它是一種可在船與船之間以及船與岸之間交換數(shù)字信息的新工具。設(shè)置AIS的目的是為了自動(dòng)船舶識(shí)別、避免船舶碰撞、協(xié)助目標(biāo)跟蹤、減少話音報(bào)告、簡(jiǎn)化信息交換并提供附加信息以幫助了解船舶交通狀況。目前，AIS已在越來(lái)越多的海船上配置，作為雷達(dá)的補(bǔ)充，用作船舶之間避碰和自動(dòng)交換信息的重要助航工具。AIS是一個(gè)輔助的船

13、舶航行信息源，利用基站AIS收集和交換船舶航行等有關(guān)信息的功能，可使VTS(VesselTrafficService)改善和加強(qiáng)對(duì)船舶交通的服務(wù)管理功能，可使港航部門獲取有關(guān)船舶的裝載貨物、航行計(jì)劃、實(shí)際位置等信息。此外，AIS還可在航標(biāo)和搜尋救助等方面應(yīng)用。1.1.1AIS的產(chǎn)生背景海上交通是以保障航行安全和航行效率為目的的，航行中，船舶需要掌握彼此的動(dòng)、靜態(tài)信息。目前，近距離航行的船舶，廣泛的應(yīng)用雷達(dá)作為觀測(cè)其它船舶動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的手段，使用雷達(dá)雖然能夠掌握船的存在和動(dòng)、靜態(tài)信息，但無(wú)法識(shí)別其船名、國(guó)籍等信息。IMO和各國(guó)主管部門通過(guò)制定和實(shí)施避碰規(guī)則，規(guī)定強(qiáng)制配備必要的助航設(shè)備，建立VTS、

14、船舶報(bào)告制度等措施來(lái)管理船舶的安全航行，但船舶的碰撞事故還是屢屢發(fā)生。無(wú)論是船舶交通管理系統(tǒng)中的“船岸”通信，還是通航密度較大水域中船舶避碰過(guò)程中的“船船”通信，都迫切需要船舶的標(biāo)識(shí)信號(hào)。為了進(jìn)一步提高船舶安全航行的性能，有關(guān)機(jī)構(gòu)和廠商對(duì)助航設(shè)備進(jìn)行著不斷的研究和開發(fā)，當(dāng)今通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為這方面的研究和開發(fā)提供了技術(shù)上的保證，AIS就是依托了這些技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。1.1.2AIS現(xiàn)狀及其發(fā)展國(guó)際海事組織(IMO-InternationalMaritimeOrganization)航行安全分委會(huì)第45次會(huì)議對(duì)修訂的海上人命安全(SOLAS-SafetyofLifeatSea)公

15、約第五章進(jìn)行了最后一次審議，修訂后的新五章計(jì)劃于2002年7月1日生效。按照SOLAS公約第五章新規(guī)則要求所有在2002年7月1日或以后建造的大于等于300總噸航行于國(guó)際航線的船舶、大于等于500總噸航行于國(guó)內(nèi)航線的貨船和所有客船均須裝配AIS設(shè)備。要求所有于2002年7月1日前建造的從事國(guó)際航運(yùn)的各類船舶必須在2003年7月1日到2008年7月1日前裝配AIS設(shè)備。但在此期限后2年內(nèi)將永久退役的船舶可免裝AIS設(shè)備。在新五章第20條的船載航行系統(tǒng)和設(shè)備的配備要求中，擴(kuò)大了設(shè)備的配備要求，比較受人關(guān)注的就是AIS船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。AIS發(fā)展過(guò)程中較早的一種方法是基于VHF數(shù)字選擇呼叫(DSC-

16、digitalselectivecalling)技術(shù)開發(fā)而成的，稱為自動(dòng)應(yīng)答系統(tǒng)(TransponderSystem)。其基本方法是在70頻道上以DSC方式自動(dòng)發(fā)出詢問(wèn)信息，接收到詢問(wèn)信息的接收機(jī)(裝在船舶或岸臺(tái)上的AIS設(shè)備)根據(jù)詢問(wèn)方要求的頻道，將本船的識(shí)別碼、船名、船位、航向、航速、吃水等信息自動(dòng)傳給詢問(wèn)方，這樣便實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)應(yīng)答功能。AIS作為通信導(dǎo)航系統(tǒng)或設(shè)備，經(jīng)歷了一個(gè)從不完善到逐步完善的過(guò)程，IMO海安會(huì)及其它的國(guó)際組織，不斷制定和補(bǔ)充相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)AIS的研究也在不斷地向前推進(jìn)。以下從AIS國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和AIS的研究現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)明AIS的發(fā)展，下面是AIS系統(tǒng)的發(fā)展歷程:199

17、2年，國(guó)際航道標(biāo)志協(xié)會(huì)向IMO國(guó)際電信聯(lián)盟ITU(InternationalTelecommunicationUnion)提議使用DSC應(yīng)答器系統(tǒng)。同年，IMO航行安全分委會(huì)第38次會(huì)議(NAV38)通過(guò)DSC應(yīng)答器系統(tǒng)提議，并提出對(duì)海上生命安全SOLAS(SafetyOfLifeAtSea)74公約第五章進(jìn)行修改。1995年7月，瑞典、芬蘭聯(lián)合在IMONAV41會(huì)議上首次提出將自組織時(shí)分多址(SOTDMA)應(yīng)用于船舶間和船岸間海上轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的建議提案。同時(shí)，根據(jù)英國(guó)的提案，確定利用VHFCH70的應(yīng)答器性能標(biāo)準(zhǔn)。1996年9月，在IMONAV42會(huì)議上，研討AIS采用兩種信息交換方式(VHF

18、/DSC式和廣播式)，對(duì)未來(lái)的船載AIS必須滿足船舶間和船岸間不斷增長(zhǎng)的信息交換需求得到共識(shí)。1996年12月IMO海安會(huì)MSC67會(huì)議，同意將廣播式信息交換方案引入AIS。1997年，在IMO會(huì)議NAV43會(huì)議上，通過(guò)了關(guān)于通用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)性能標(biāo)準(zhǔn)的建議案，確定通用船載AIS作為未來(lái)全球海上實(shí)施的系統(tǒng)。1997年6月，IMOMSC68會(huì)議，制定通報(bào)容量大的(最小為2000個(gè)報(bào)告/min)AIS性能標(biāo)準(zhǔn)。1997年10月，ITU-R大會(huì)審議M.825號(hào)建議修正案，用AIS擴(kuò)大VTS信息，增加VTS用高速AIS技術(shù)特性提案。1997年，英國(guó)進(jìn)行了DSC應(yīng)答器系統(tǒng)試驗(yàn)。1998年5月

19、，IMO第69屆海安會(huì)以MSC.74(69)號(hào)決議通過(guò)了關(guān)于通用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)性能標(biāo)準(zhǔn)的建議案。1998年7月，NAV44會(huì)議建議2002年起300總噸及以上新船和客輪必須安裝AIS。1998年，ITU-R通過(guò)全球AIS專用兩個(gè)VHF頻道:CH87B161.975MHz;CH88B162.025MHz，從而滿足了AIS需求的頻率條件。1998年11月，ITU-R通過(guò)了“在VHF海上移動(dòng)頻段上使用時(shí)分多址的船用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)的技術(shù)特性，建議案ITU-RM.137101999年11月，在IMONAV45上，確定對(duì)SOLAS74公約第S章進(jìn)行修改，采納ITU提出的海上VHF波段使

20、用TDMA的船用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)的技術(shù)特性的建議案。2000年6月，IMO海安會(huì)MSC第73次會(huì)議通過(guò)了新修訂的SOLAS公約第V章關(guān)于強(qiáng)制安裝船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS的決議。2000年12月，IMOMSC73會(huì)議通過(guò)AIS強(qiáng)制性安裝議案。按照SOLAS公約第五章新規(guī)則要求所有在2002年7月1日或以后建造的大于等于300總噸從事國(guó)際航運(yùn)的船舶，大于等于500總噸不從事國(guó)際航運(yùn)的貨船和所有客船均須裝配AIS設(shè)備。要求所有于2002年7月1日前建造的從事國(guó)際航運(yùn)的隔離船舶必須在2003年7月1日到2008年7月1日前裝配AIS設(shè)備。2001年，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)IEC(Internation

21、alElectro-technicalCommission)以IEC61993-2決議案制定了通用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)操作及性能要求、測(cè)試方法和要求的測(cè)試結(jié)果的AIS測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。2001年，IALA頒布通用AIS準(zhǔn)則。2001年，通過(guò)了AIS準(zhǔn)則。2002年，IMO關(guān)于通用AIS的攜帶要求開始。自從VTS中船舶識(shí)別問(wèn)題被重視和AIS的觀點(diǎn)被提出，國(guó)際海事組織對(duì)船舶識(shí)別和AIS的討論、研究、論證、極限測(cè)試、定標(biāo)、推廣等方面的工作研究從未間斷過(guò)每年都要召開多次AIS方面的會(huì)議并做出相應(yīng)的決定。國(guó)際海事組織安全委員還成立了專門的AIS小組，統(tǒng)一協(xié)調(diào)AIS工作和進(jìn)程。AIS方面的研究是一項(xiàng)巨大的工

22、程，其討論、研究、論證、極限測(cè)試、定標(biāo)、推廣等方面的工作需要參與國(guó)際海事組織的各成員國(guó)合作參與，有的測(cè)試、定標(biāo)等工作的部分費(fèi)用是由國(guó)際海事組織支付的，沒有我國(guó)參與這方面工作的報(bào)道。查閱有關(guān)的會(huì)議文件，我國(guó)曾派員參加了有關(guān)會(huì)議，但很少有參與船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)討論和發(fā)表論文。我國(guó)對(duì)AIS方面的研究還是處在相對(duì)貧乏的位置。1.2課題的提出隨著AIS的技術(shù)發(fā)展和其廣闊的應(yīng)用前景受到人們的關(guān)注，AIS不僅在船舶避碰和自動(dòng)識(shí)別方面取得了成功，AIS同樣在VTS領(lǐng)域、內(nèi)河水域及其它環(huán)節(jié)如公路和航空交通等方面引起了人們的重視。因此，研究AIS技術(shù)，來(lái)改變交通安全性問(wèn)題使其得到更廣泛的應(yīng)用具有很大的前途。內(nèi)河水域

23、是我國(guó)重要的黃金水道，同時(shí)交通事故所造成的危害也是巨大的，究其原因是多方面的。一方面，船舶數(shù)量增多，數(shù)以萬(wàn)計(jì)，船速加快，船舶航行管理難度非常大。另一方面，船舶間、船舶與岸上VTS之間的信息通信存在缺陷，不能及時(shí)準(zhǔn)確地了解對(duì)方的信息與意圖，無(wú)法對(duì)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等。而適時(shí)推出的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS是集現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)和信息科技于一體的多門類高科技新型的助航設(shè)備和安全信息系統(tǒng)，適用于水上船舶交通信息交換設(shè)備，能為船舶航行安全提供新的技術(shù)手段。然而，標(biāo)準(zhǔn)的AIS對(duì)內(nèi)河水域的小型船舶而言，存在經(jīng)費(fèi)、頻道管理等方面的問(wèn)題;對(duì)部分岸臺(tái)來(lái)說(shuō)，它們只需接收AIS信息。這就需要設(shè)計(jì)一種適合這種群體的AIS系統(tǒng)。

24、本課題正是在這種形勢(shì)下提出的，具有一定的研究?jī)r(jià)值和使用意義。本文就如何設(shè)計(jì)一種適合于小型船舶和AIS信息采集岸臺(tái)使用的簡(jiǎn)易型AIS信息接收機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析研究。本文將在分析AIS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)AIS接收機(jī)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。目的就是要建立一個(gè)高性價(jià)比的AIS接收機(jī)設(shè)計(jì)方案，來(lái)更廣泛的保證航行安全，提高航行效率。隨著嵌入式ARM技術(shù)的發(fā)展，ARM得到了廣泛的應(yīng)用。ARM具有比較強(qiáng)的事務(wù)管理能力，其優(yōu)勢(shì)主要在控制方面，并且其外設(shè)接口資源比較豐富。基于ARM的特點(diǎn)，在本課題中我們將選用ARM微處理器作為核心處理器。如何將ARM應(yīng)用到AIS的系統(tǒng)中，是我們將要面臨的一個(gè)重要研究。把嵌入式技

25、術(shù)應(yīng)用到船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)具有一定的意義，也是本文的特點(diǎn)。3論文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果1.3.1研究?jī)?nèi)容本課題在分析AIS國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和內(nèi)河水域及部分岸臺(tái)需求狀況的基礎(chǔ)上，著重探討了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:(1)分析AIS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前的應(yīng)用情況，為課題的方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)手段。(2)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能和目的，依據(jù)AIS的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)AIS接收機(jī)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。(3)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要包括以下幾個(gè)方面:嵌入式系統(tǒng)技術(shù)中嵌入式操作系統(tǒng)的選擇、系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺(tái)、基于硬件的軟件開發(fā)流程、GMSK

26、基帶信號(hào)的解調(diào)技術(shù)和AIS系統(tǒng)中的同步技術(shù)。(4)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，在這一部分中我們用SystemView仿真分析平臺(tái)對(duì)GMSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。本課題的特點(diǎn)是把嵌入式微處理器ARM9應(yīng)用到AIS接收機(jī)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中?；鶐盘?hào)解調(diào)后信息的處理將由ARM9來(lái)完成，對(duì)信息進(jìn)行管理和解碼等操作，根據(jù)需要提取出船舶的部分動(dòng)靜態(tài)信息，并利用AR.M9處理器的LCD接口把對(duì)應(yīng)的信息顯示在LCD上。1.3.2研究成果本文主要的研究成果如下:(1)本文對(duì)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的性能標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)特性進(jìn)行了分析，找出了適合本課題研究的標(biāo)準(zhǔn)。(2)在研究系統(tǒng)功能和目的的基礎(chǔ)上，把

27、嵌入式技術(shù)應(yīng)用到方案設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出了適合特殊群體并符合AIS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的高性價(jià)比的方案。(3)對(duì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的流程算法通過(guò)軟件進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，論證了方案的可行性。對(duì)解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了解碼操作，可以提取出船舶的部分動(dòng)靜態(tài)信息，并顯示到LCD上。1.4論文的結(jié)構(gòu)本課題共分6個(gè)章節(jié)，具體結(jié)構(gòu)如下:第1章分析了AIS技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展，說(shuō)明了課題選擇的實(shí)際意義，闡明了論文的研究?jī)?nèi)容和研究成果。第2章對(duì)AIS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前的主要應(yīng)用進(jìn)行分析，為后續(xù)課題的研究提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。第3章根據(jù)AIS接收機(jī)的特點(diǎn)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，給出了AIS接收機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)展開詳細(xì)的分析和討論。第

28、4章圍繞課題的方案設(shè)計(jì)，對(duì)課題的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究和設(shè)計(jì)。第5章分析了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。第6章結(jié)束語(yǔ)，對(duì)課題進(jìn)行總結(jié)，指出存在的不足和需要完善之處，對(duì)以后的研究進(jìn)行展望。第2章AIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前主要應(yīng)用分析本章主要從AIS的構(gòu)成、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用等方面進(jìn)行分析和討論，作為后續(xù)方案設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。2.1AIS基本構(gòu)成和工作原理2.1.1AIS基本組成一般來(lái)說(shuō)，船載AIS由以下幾部分構(gòu)成:鞭狀VHF天線;VHF發(fā)射機(jī);多頻道VHF接收機(jī)，用于頻道管理的70頻道VHF接收機(jī);中央處理單元(CPU);電子定位系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)，用于定時(shí)和提供

29、備份的船位信息;與航向、航速設(shè)備和其他船載傳感器的接口;與雷達(dá)/自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀(ARPA)、電子海圖系統(tǒng)/電子海圖顯示和信息系統(tǒng)(ECS/ECDIS)以及綜合導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的接口:BIIT(內(nèi)置完整性測(cè)試)單元，簡(jiǎn)易鍵盤與顯示器，用于輸入和查詢數(shù)據(jù)。圖2.1為國(guó)際海事組織(IMO)在“船載AIS船上操作導(dǎo)則(A.917(22)中所引用的AIS基本構(gòu)成框圖，設(shè)備制造商生產(chǎn)的AIS設(shè)備應(yīng)基本符合該圖的組成要求，但在功能上各自有所增加，例如，可以增加一些報(bào)警電路等。各部分的基本原理如下:船舶航行數(shù)據(jù)傳感器:包括全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS接收機(jī)(內(nèi)置，還可外接)及天線,外接電羅經(jīng)或磁羅經(jīng)、船速、回旋

30、速率等傳感器。GNSS接收機(jī)現(xiàn)一般采用DGPS接收機(jī)，作為系統(tǒng)同步需要的UTC源:當(dāng)?shù)貌坏酵獠课恢脗鞲衅鲾?shù)據(jù)時(shí)，可作為AIS位置報(bào)告源。VHF通信機(jī):包括天線，1臺(tái)發(fā)射機(jī)，2臺(tái)TDMA接收機(jī)，1臺(tái)調(diào)諧于70頻道的專用DSC接收機(jī)。中央處理單元CPU:留有船舶傳感器和圖形顯示接口，可對(duì)外接的設(shè)備進(jìn)行控制(包括頻道選擇與切換、支持近程與遠(yuǎn)程應(yīng)用等)，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，進(jìn)行TDMA和DSC編碼與解碼，進(jìn)行內(nèi)置完整性測(cè)試等。內(nèi)置顯示器和鍵盤(也可外接):用于輸入和查詢數(shù)據(jù)。圖形顯示接口可與雷達(dá)/自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀ARPA、電子海圖系統(tǒng)ECS/電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS以及綜合導(dǎo)航系統(tǒng)INS相接

31、。船載AIS的基本功能是:可在ECS/ECDIS顯示器上實(shí)時(shí)跟蹤其他配置AIS的船舶:及時(shí)顯示船舶的位置、對(duì)地速度(SOG)、對(duì)地航向(COG)和脂向數(shù)據(jù):記錄航跡歷史:在船舶轉(zhuǎn)向或機(jī)動(dòng)時(shí)，顯示預(yù)計(jì)航跡:對(duì)配置AIS的船舶，可提供其預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間(ETA);可向其他船舶和VTS中心自動(dòng)播發(fā)本船的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和航次相關(guān)等數(shù)據(jù)以及收發(fā)安全相關(guān)短電文等。2.1.2船載AIS的種類在國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-R的建議案M.1371-1種探討了兩種AIS，即ClassAAIS和ClassBAIS。一、ClassAAISClassAAIS是滿足IMO關(guān)于AIS基本性能要求的船載設(shè)備，因此適用SOLAS公約Chapt

32、erV/Reg.19的船舶配備的AIS為該等級(jí)。二、ClassBAISClassBAIS也為船載設(shè)備，其不能完全滿足IMO關(guān)于AIS性能標(biāo)準(zhǔn)的要求。但總體上ClassBAIS與ClassAAIS設(shè)備結(jié)構(gòu)基本一樣，功能存在細(xì)微差別，具體表現(xiàn)在如下方面:報(bào)告速率比ClassAAIS低(如14kn以下的船舶，每30秒發(fā)送一次，而ClassAAIS每10秒發(fā)送一次);不發(fā)送船舶的預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間(ETA)或目的港;不發(fā)送船舶的航行狀態(tài):不發(fā)送安全電文(但應(yīng)能夠接收);不發(fā)送船舶的轉(zhuǎn)向率:不發(fā)送船舶的靜態(tài)吃水;不發(fā)送船舶的識(shí)別碼(但應(yīng)能夠接收)。2.1.3AIS的工作過(guò)程AIS是依靠岸基的VHF岸臺(tái)和移動(dòng)的

33、船舶安裝無(wú)線應(yīng)答器系統(tǒng)來(lái)工作的?；谝粋€(gè)可由控制站操作員調(diào)整的時(shí)間表，基站對(duì)所有的船在70信道上發(fā)出一個(gè)電信號(hào)。這個(gè)信號(hào)可以是廣域的，也可以是局域的。只有安裝了AIS系統(tǒng)的船對(duì)呼叫產(chǎn)生應(yīng)答(不是己經(jīng)登錄到系統(tǒng)的船)。基站在船的移動(dòng)中自動(dòng)獲得信息。AIS電腦將決定在工作信道上進(jìn)入船舶的系統(tǒng)或者是在70信道上監(jiān)視船舶。在70信道上的監(jiān)視要遵守國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電分委會(huì)的最新規(guī)定，而且只能在船臺(tái)沒有容量工作在AIS信道上或者AIS信道無(wú)法操作的時(shí)候。AIS基站將一組數(shù)字和信道按順序分配給船臺(tái)。船臺(tái)就會(huì)切換到AIS信道。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，基站會(huì)將其他所有的船在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通知給船臺(tái)。通過(guò)登錄到系統(tǒng)，所有的船

34、臺(tái)都會(huì)得到新船的信息。隨著船沿著自己的航線距離傳送塔的遠(yuǎn)近不同，船臺(tái)的高低功率也可以自動(dòng)或者手動(dòng)切換。AIS基站可以控制121組用戶，每組用戶可以達(dá)到121艘船。AIS操作者能把船舶在組和組之間調(diào)換，并可以改變每組的時(shí)間間隔。AIS電腦與所有組的所有船在信道70上保持聯(lián)系。系統(tǒng)確認(rèn)70信道必須和國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電分委會(huì)推薦的載入信道相一致。AIS基站將在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間編排船舶報(bào)告的順序。在船舶工作的雙工信道向基站報(bào)告信息的同時(shí)，基站處于重復(fù)模式并同時(shí)將收到的傳播信息，如位置、航線、航速等像發(fā)送船一樣廣播出去。在這種方式下，所有的輪船包括只能在70信道上廣播的船(70信道不能接收工作信道的信息)在工

35、作信道上都能收到控制區(qū)域內(nèi)其他船舶的相關(guān)信息。如果配備了電子海圖顯示和信息系統(tǒng)(ECDIS)的話，就不但能夠看見控制區(qū)域內(nèi)自己的位置，而且能看到所有其它的船。這就使系統(tǒng)成為了一套避免災(zāi)難發(fā)生的工具。船與岸，船與船，岸與船的信息傳遞己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。操作員以特定的目的輸入一個(gè)空的表格文本信息。AIS電腦從自己的操作員或者船臺(tái)得到發(fā)送指令后會(huì)將信息打包成合適的尺寸和次數(shù)并發(fā)送出去。隨后的信息傳遞都要用到AIS岸塔。在這種方式下，如果船舶在控制區(qū)域內(nèi)，他們能夠互相收發(fā)信息。AIS電腦所決定的打包時(shí)間，對(duì)于船舶報(bào)告位置的過(guò)程來(lái)說(shuō)，有一個(gè)極小的時(shí)間間隔。然而，如果船舶離開了基站的跟蹤區(qū)域，它就會(huì)自動(dòng)利用一個(gè)船

36、一船調(diào)制解調(diào)器來(lái)直接實(shí)現(xiàn)與其他船的通信，而不用通過(guò)岸塔。在這種情況下，信息的傳送不是通過(guò)岸塔來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是直接廣播給其他船，并從其他船接收。AIS控制臺(tái)建立的位置是為了讓經(jīng)過(guò)授權(quán)的岸臺(tái)用戶來(lái)觀察，而不是控制整個(gè)的或任何部分的控制區(qū)域。經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶可以通過(guò)“鏡像”位置看到控制臺(tái)操作員所看到的一切，并能放大或者縮小控制地帶中的任何區(qū)域。被選擇的船舶的所有可能信息都會(huì)在屏幕上顯示出來(lái)。電腦屏幕可以將所有航船的電子海圖信息和圖標(biāo)再發(fā)送出去。操作者自己的信息，跟所有被選擇的船一樣，包括航程、航線的數(shù)據(jù)，在任何時(shí)間都可以提供。如果航線信息已經(jīng)被系統(tǒng)加載，那么系統(tǒng)就會(huì)基于航線和一定的旋轉(zhuǎn)半徑顯示出用戶的位

37、置。這就給船長(zhǎng)或者領(lǐng)航員提供了諸如航線背離信息(CDI)之類的重要指導(dǎo)數(shù)據(jù)。航線背離信息指的是船在航行中偏離中心航線或左或右的距離(屏幕中的在本船偏離中心航道左/右的圖標(biāo)顏色不同)，并作為航行操作比如跨越或者旋轉(zhuǎn)中的倒計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。航線背離信息以英尺或者分米做最小單位來(lái)表示。如果系統(tǒng)接到任何船舶的數(shù)字選擇呼叫(DSC)的求救信號(hào)，它馬上發(fā)出一個(gè)可以聽到或者可以看到的警報(bào)。如果船舶不在系統(tǒng)內(nèi)，它會(huì)自動(dòng)登錄并在信道70上追蹤。一個(gè)災(zāi)難響應(yīng)信號(hào)就這樣產(chǎn)生了。如果AIS系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)IO次循環(huán)呼叫后沒有收到船舶的回應(yīng)位置報(bào)告，這艘船在屏幕上將顯示成黑色。如果再收到位置報(bào)告，那船的顏色再返回正常的顏色。如果船舶

38、超出了行程或者離開了控制區(qū)域，系統(tǒng)將把它們清除。它們的圖標(biāo)將從屏幕上移走，它們的數(shù)據(jù)也從數(shù)據(jù)顯示區(qū)域消失。清除的船舶如果重新回到行程或者控制區(qū)域，將會(huì)在系統(tǒng)下一次輪詢的時(shí)候自動(dòng)登錄到系統(tǒng)。另外，船站所接收的信息在需要的時(shí)候可以被其他媒體轉(zhuǎn)載、保存和重新播放。2.2AIS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)2.2.1AIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在VHF海上移動(dòng)頻段采用時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)的通用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)的技術(shù)特性(簡(jiǎn)稱“AIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”)，是ITUR.M1371-1決議案。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了通用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)。它根據(jù)開放系統(tǒng)互聯(lián)模型(OSI)利用物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層說(shuō)明了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ITU編

39、制建議案充分考慮了如下的要點(diǎn):IMO對(duì)船用AIS的要求是船舶與船舶之間和船舶與陸岸之間的航行數(shù)據(jù)交換，其目的是提高航行安全性能;使用STDMA的系統(tǒng)將適應(yīng)全體用戶并能滿足對(duì)無(wú)線電頻譜有效利用的要求;AIS主要用于船舶之間的安全監(jiān)督、船舶報(bào)告、船舶交通管理等，其次也可用于通信，但不得影響主要功能;AIS是獨(dú)立的航行設(shè)備，要求具有自動(dòng)的和連續(xù)的工作方式，可用于廣播傳播信息的模式，但也可使用TDMA技術(shù)，工作在設(shè)定模式和詢問(wèn)模式;AIS應(yīng)具有足夠的擴(kuò)容能力，能適應(yīng)用戶數(shù)量增加及應(yīng)用多樣化的需要。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了AIS的收發(fā)器特性、調(diào)制解調(diào)方案、數(shù)據(jù)格式、通信和數(shù)據(jù)分組、時(shí)分多址接入和信道管理。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了A

40、IS的全球公海運(yùn)行信道:AIS1(161.975MHz)和AIS2(162.075MHz)。該信道是由1997年10月ITU世界無(wú)線電大會(huì)(WRC)分配，并記入無(wú)線電規(guī)則的附錄S18。2.2.2新規(guī)范的AIS技術(shù)特點(diǎn)下面是新規(guī)范中講述的AIS的技術(shù)特點(diǎn):1)系統(tǒng)工作特點(diǎn):在所有區(qū)域內(nèi)自主和連續(xù)工作;由海事管理部門的交管監(jiān)視中心指配工作信道和模式，以便主管部門控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈g隔和時(shí)隙;數(shù)據(jù)的傳輸響應(yīng)來(lái)自于船舶或主管部門的問(wèn)詢，有輪詢和受控兩種模式。2)系統(tǒng)傳輸?shù)撵o態(tài)信息:IMO編碼(如有)、呼號(hào)和船名、船的長(zhǎng)度和寬度、船的類型、定位天線在船上的位置。3)系統(tǒng)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)信息:船位、國(guó)際協(xié)調(diào)時(shí)、對(duì)地

41、航向、對(duì)地航速、航跡向、航行狀態(tài)、轉(zhuǎn)向率、橫傾角(選用項(xiàng))、縱傾和橫擺(選用項(xiàng))。4)系統(tǒng)傳輸?shù)暮叫邢嚓P(guān)信息:船舶吃水、危險(xiǎn)貨物類型、目的港和預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間、航行計(jì)劃(選用項(xiàng))、簡(jiǎn)明的安全信息。5)技術(shù)特點(diǎn):AIS采用OSI(OpenSystemsInterconnection)工作模型，無(wú)線傳輸?shù)膸挒?5kHz或12.SkHz(見ITU-RM.1084)，調(diào)制采用GMSK方案，數(shù)據(jù)編碼為NRZI方式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍芈蕿?600b/s。6)AIS的功能特性:與DSC兼容允許訪問(wèn)GMDSSA1海區(qū)的海岸站臺(tái)；允許提供簡(jiǎn)單的GMDSSA1海區(qū)的雷達(dá)目標(biāo)確認(rèn)；提供了一種AIS信道管理的方法。與12.

42、SKHz窄帶信道兼容提供了一種引入新的AIS信道的方法;符合窄頻帶前向糾錯(cuò)的發(fā)射需要;與當(dāng)前的25KHz寬帶系統(tǒng)相兼容。與雙工信道兼容協(xié)助雙工的海岸基站的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā);可提供一個(gè)半徑為100海里的廣域覆蓋:在廣域網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，允許船載的自組織的無(wú)錯(cuò)的AIS無(wú)線應(yīng)答器發(fā)射信號(hào);協(xié)助訪問(wèn)岸站的服務(wù)中心和數(shù)據(jù)庫(kù);NOAAPORTS數(shù)據(jù)(潮汐、洋流、天氣等):國(guó)家氣象服務(wù)中心(圖像和文本信息);港口管理服務(wù)中心(引水機(jī)構(gòu)，港口代理，港務(wù)局，海上運(yùn)輸?shù)闹修D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等等)。2.3Ais主要技術(shù)及指標(biāo)2.3.1自組織時(shí)分多址接續(xù)SOTDMA技術(shù)自組織時(shí)分多址接續(xù)SOTDMA(Self-OrganizedTimeDi

43、visionMultipleAccess)技術(shù)可以理解為多個(gè)用戶可以按照時(shí)間分割制度，使用同一個(gè)信道發(fā)送信息而互不干擾的通信技術(shù)。信道時(shí)間被劃分為固定的數(shù)據(jù)幀，一個(gè)數(shù)據(jù)幀包含一定數(shù)量的時(shí)隙。在AIS中，一幀的時(shí)間長(zhǎng)度為一分鐘，被劃分為2250個(gè)時(shí)隙;每個(gè)時(shí)隙為26.67ms，如圖2.2和2.3所示。每個(gè)時(shí)隙可發(fā)布一條不長(zhǎng)于256bit的信息，長(zhǎng)于256bit的信息需增加時(shí)隙。每條船舶會(huì)通過(guò)詢問(wèn)(自動(dòng))選擇一個(gè)與他船不發(fā)生沖突的時(shí)隙來(lái)發(fā)布本船的信息。AIS信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)任何船舶都能自行互不干擾的發(fā)送報(bào)告和接收其他船舶AIS(或岸基AIS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))的報(bào)告。理論上，AIS系統(tǒng)(在同一區(qū)域)能同時(shí)容納

44、200300艘船舶進(jìn)行互相通信，當(dāng)系統(tǒng)超載時(shí)，只有距離很遠(yuǎn)的目標(biāo)才會(huì)被放棄，以保證作為AIS船對(duì)船通信主要對(duì)象的近距離目標(biāo)的優(yōu)先權(quán)。2.3.2AIS工作頻道及調(diào)制方式SOTDMA技術(shù)需要2個(gè)專用VHF頻道。ITU為AIS分配了兩個(gè)專用的VHF頻道，即:Channel87B(AIS1)，Channe188B(AIS2)，161.975MHz162.025MHzo在兩個(gè)頻道上每分鐘共有4500個(gè)時(shí)隙可供使用。一般情況下AIS可以同時(shí)并行地接收兩個(gè)頻道的數(shù)據(jù)，也可以設(shè)定在兩個(gè)頻道之間轉(zhuǎn)換。此外，AIS也可以工作于某地方規(guī)定的海上移動(dòng)VHF頻段上。AIS工作帶寬為25kHz或者12.SkHzo25kH

45、z的帶寬于公海上使用。在地方水域可以根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定使用25kHz或者12.SkHz的帶寬。AIS使用不歸零的反相波進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，采用高斯濾波最小移頻鍵控調(diào)頻(GMSKIFM)，傳輸速率為9600bit/s。最小移頻鍵控MSK是移頻鍵控(FSK)的一種改進(jìn)型。在FSK中，每一個(gè)碼元的頻率不變或者跳變一個(gè)固定值，而兩個(gè)相鄰的頻率跳變碼元信號(hào)，其相位通常是不連續(xù)的。而MSK是FSK信號(hào)的相位始終保持連續(xù)變化的一種特殊方式，它由于頻移小而且相位連續(xù)，因此頻帶利用率優(yōu)于一般的FSK方式。它的抗白噪聲性能比二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)要好，理論上與四相移相鍵控(4PSK)相當(dāng)。GMSK是將數(shù)字基帶信號(hào)先經(jīng)過(guò)一

46、個(gè)高斯濾波器整形后再進(jìn)行調(diào)頻，從而使功率譜高頻分量滾降更快，降低帶外輻射。2.3.3AIS工作模式AIS可以工作在3種不同的通信模式上:自主連續(xù)模式，指配模式和輪詢或受控模式。默認(rèn)模式是自主模式，可根據(jù)主管部門的需要與其他模式相互轉(zhuǎn)換。1)自主連續(xù)工作模式(AutonomousMode)該模式可以在任何區(qū)域工作，不需要船上人員操作。當(dāng)船舶在海上航行時(shí)，AIS將在這種模式上發(fā)送靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。船載AIS應(yīng)答器監(jiān)控兩個(gè)專用AIS頻道，尋找空閑時(shí)隙發(fā)送這些數(shù)據(jù)。VHF電波覆蓋范圍內(nèi)的船載AIS可以接收到這些數(shù)據(jù)。廣播和數(shù)據(jù)的更新率取決于船舶的航速和航向改變的快慢。通過(guò)外界的控制，該工作模式可以與下述

47、兩種模式相互轉(zhuǎn)換。2)指配模式(AssignedMode)指配模式適用于交通主管部門管轄的海區(qū)，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔與時(shí)隙由主管部門遙控:當(dāng)船舶航行于沿岸的船舶密集區(qū)域時(shí)，主管部門可以根據(jù)通信鏈路的負(fù)載情況或其他特殊情況，通過(guò)基站控制該區(qū)域船舶運(yùn)行于指配模式，使這些臺(tái)站使用主管部門的基站所指配的發(fā)送時(shí)間表。指配模式適用于兩個(gè)頻道之間的交替工作，它只對(duì)臺(tái)站發(fā)射位置報(bào)告起作用，對(duì)臺(tái)站的其他工作沒有影響。3)輪詢或受控模式(PolledMode)工作在輪詢模式的臺(tái)站應(yīng)自動(dòng)響應(yīng)來(lái)自船舶或主管部門的詢問(wèn)電文，響應(yīng)應(yīng)當(dāng)在接收到詢問(wèn)電文的頻道上發(fā)送;輪詢工作模式與其他兩種工作模式不發(fā)生沖突。2.4AIS的協(xié)議此小節(jié)

48、重要分析AIS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議的傳輸規(guī)程。2.4.1AIS的OSI模型AIS通信設(shè)備是一個(gè)現(xiàn)代電子系統(tǒng)，國(guó)際電信聯(lián)盟制定的ITU-RM.1371-1協(xié)議采用如圖2.4所示的OSI(OpenSystemInterconnection)模型。根據(jù)框圖以顏色區(qū)分可以看出AIS臺(tái)站的層次模型(物理層到傳輸層)以及應(yīng)用層次(對(duì)話層到應(yīng)用層)。下面將對(duì)AIS通信設(shè)備總體結(jié)構(gòu)上的每一層的工作做一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明。I)物理層(PhysicalLayer):負(fù)責(zé)位流從始發(fā)者到數(shù)據(jù)鏈上的傳輸。2)數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer):在物理層基礎(chǔ)上提供可靠的數(shù)據(jù)幀傳送，并且可以檢測(cè)和校正某些發(fā)生在物理層上的差錯(cuò)。

49、它包括三個(gè)子層:介質(zhì)接入控制(MAC):MAC層次提供準(zhǔn)許接入數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)的方法，即VHF數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)(DLS):主要為數(shù)據(jù)鏈激活與釋放、數(shù)據(jù)傳輸、檢錯(cuò)與控制等操作提供方法。鏈路管理實(shí)體(LME):LME控制DLS,MAC和物理層的運(yùn)行。3)網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer):負(fù)責(zé)建立并維護(hù)從一個(gè)信息源到一個(gè)信息宿的信道鏈接，信道之間傳輸分組的分配，解決數(shù)據(jù)鏈阻塞的問(wèn)題;它執(zhí)行路由選擇、信息流控制以及分段/合并段的功能。4)傳輸層(TransportLayer):主要管理在收發(fā)信息交換過(guò)程中，在兩個(gè)末端節(jié)點(diǎn)之間的連接。它提供了在兩個(gè)終端用戶應(yīng)用之間的信息的透明傳送，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成大小正

50、確的傳輸分組以及將數(shù)據(jù)分組排序，這樣，由于提供了可靠的數(shù)據(jù)傳送，把上面幾層從不必要的事務(wù)中解脫出來(lái)。5)會(huì)話層(SessionLayer):主要負(fù)責(zé)管理在協(xié)作應(yīng)用之間的連接，建立會(huì)話關(guān)系。它主要管理鏈路終端和再啟動(dòng)過(guò)程這類事件。6)表示層(PresentationLayer):將傳送的信息轉(zhuǎn)換成彼此同意的格式來(lái)處理，主要解決在兩個(gè)終端用戶之間有關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)的語(yǔ)法表達(dá)問(wèn)題。7)應(yīng)用層(ApplicationLayer):這一層直接連接到應(yīng)用程序的進(jìn)程中，并在進(jìn)程中完成通用的應(yīng)用服務(wù)，它直接支持在收發(fā)數(shù)據(jù)通路兩端的應(yīng)用程序之間的信息交換，但這一層并不產(chǎn)生信息或使用信息的操作。根據(jù)此模型可以看出，在A

51、IS的通信設(shè)備中上三層是用來(lái)說(shuō)明交換AIS有關(guān)信息的專用處理以及所需要的AIS有關(guān)的支持功能，AIS通信設(shè)備中下面四層說(shuō)明鏈接兩個(gè)或以上AIS設(shè)備并控制信息流無(wú)差錯(cuò)、無(wú)信息損失、無(wú)信息重復(fù)所需要的最基本的流程。所以，用OSI模型來(lái)分析和理解ITU-RM.1371-1協(xié)議是比較合適的。2.4.2HDLC通信規(guī)程AIS中的航行信息是通過(guò)數(shù)據(jù)包來(lái)傳輸?shù)模粠喈?dāng)于一分鐘，分為2250個(gè)時(shí)隙，其中每個(gè)時(shí)隙包含256比特(約26.67ms)8。數(shù)據(jù)打包格式采用簡(jiǎn)化的HDLC(高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制)協(xié)議。數(shù)據(jù)包即一幀的組成結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。下面將根據(jù)圖2.5對(duì)一個(gè)時(shí)隙的各部分?jǐn)?shù)據(jù)作簡(jiǎn)要的說(shuō)明:上升沿為8bi

52、t，這段時(shí)間是用于射頻模塊進(jìn)行功率建立的時(shí)間，大約為800ms。對(duì)準(zhǔn)序列稱為位同步碼(或比特同步碼)占24bit，其作用是把收發(fā)兩端時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)，使碼位對(duì)齊，以給出每個(gè)碼元的判決時(shí)刻。對(duì)準(zhǔn)序列應(yīng)為交替的0和1組合的位模式，采用N1tZI(反向不歸零)編碼，并以0作為對(duì)準(zhǔn)序列的結(jié)束碼。對(duì)于船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)傳輸速率為9600bps，對(duì)準(zhǔn)序列的信息量為24bits時(shí)，對(duì)準(zhǔn)序列信息長(zhǎng)度L如式(2.1):即對(duì)準(zhǔn)序列將持續(xù)2.Sms。若按照IMO規(guī)定的性能要求，通報(bào)容量為2250個(gè)報(bào)告/分鐘時(shí)，一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間寬度為26.67ms。對(duì)準(zhǔn)序列的時(shí)間寬度與每個(gè)時(shí)隙的時(shí)間寬度相比，對(duì)準(zhǔn)序列所占用時(shí)隙的時(shí)間資源

53、僅為一個(gè)時(shí)隙的9.4%。這為一個(gè)時(shí)隙內(nèi)后面的航行信息編碼留有余地，并且對(duì)準(zhǔn)序列的信息量為24bits時(shí)，其時(shí)間寬度對(duì)于碼同步硬件設(shè)備的時(shí)間相應(yīng)也留有余地。因此當(dāng)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)VHF接收機(jī)檢測(cè)出0,1交替的序列時(shí)，將很快建立碼位同步。開始標(biāo)志稱字同步，占8bit，它表示信息的開始位，由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)HDLC標(biāo)記組成。為了能在接收端正確的區(qū)分碼字、碼句、碼幀，需要在信息傳輸中設(shè)置幀同步。AIS的幀同步碼為8比特長(zhǎng)，由標(biāo)準(zhǔn)的HDLC標(biāo)志01111110(7Eh)組成，用于檢測(cè)一個(gè)發(fā)射數(shù)據(jù)包的開始，作為信息起始的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。在預(yù)設(shè)傳輸分組中，數(shù)據(jù)部分長(zhǎng)度為168比特，信息數(shù)據(jù)是真正所需要傳輸?shù)男畔?nèi)容。

54、它分為兩個(gè)部分:信息標(biāo)志和信息內(nèi)容。信息標(biāo)志是用來(lái)表示信息類別、信息數(shù)量、優(yōu)先級(jí)和路徑的;信息內(nèi)容是通信雙方所需求的數(shù)據(jù)，對(duì)于AIS而言，主要指航行信息。幀校驗(yàn)序列采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)16比特多項(xiàng)式來(lái)計(jì)算中所定義的校驗(yàn)和，用于檢測(cè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤。在CRC計(jì)算開始時(shí)應(yīng)將CRC碼元預(yù)設(shè)為1,CRC計(jì)算中應(yīng)該只包括數(shù)據(jù)部分。CRC碼常用于串行傳送的輔助存儲(chǔ)器與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，是目前通訊系統(tǒng)中被廣泛采用的一種編碼方法，主要用在同步通訊上。結(jié)束標(biāo)志為8bit，結(jié)束標(biāo)志表示信息傳輸結(jié)束，它與開始標(biāo)志相同，也是由標(biāo)準(zhǔn)的HDLC標(biāo)志組成。緩沖碼的長(zhǎng)度一般為24bit，其用途如下所示:

55、位填充:Obit，是指在輸出比特流中有超過(guò)5個(gè)連續(xù)的“1”時(shí)，則需要插入一個(gè)“0。對(duì)固定長(zhǎng)度信息的數(shù)據(jù)區(qū)所有可能的位組合的數(shù)據(jù)分析表明，其中76%的組合將用3比特或更少比特用于比特填充，加上邏輯上可能的位組合，對(duì)這些信息4比特就足夠了。距離延遲:12bit，為不同距離的電臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)提供保護(hù)時(shí)間。轉(zhuǎn)發(fā)器延遲:2bit，為雙工轉(zhuǎn)發(fā)器提供轉(zhuǎn)向時(shí)間。同步抖動(dòng):6bit，允許每個(gè)時(shí)隙有一次抖動(dòng)的時(shí)間，相當(dāng)于士3b，從而保證了TDMA數(shù)據(jù)鏈的完整性。2.5AIS的應(yīng)用AIS的基本設(shè)計(jì)功能是為了實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)識(shí)別，減少和避免船舶之間的碰撞。隨著AIS在船上的普遍裝載，AIS的技術(shù)發(fā)展及其廣闊應(yīng)用前景越來(lái)越

56、受到人們的重視。一方面，AIS所提供的在航船舶的數(shù)據(jù)，具有很高的完整性和可用性;另一方面，AIS為船一船和船一岸之間提供了一個(gè)數(shù)字傳輸通道。AIS的這些突出特點(diǎn)，使之不僅可作為船用助航設(shè)備，在船舶航行避碰中發(fā)揮重要作用，而且可作為在航船舶的數(shù)據(jù)源，在岸基船舶交通監(jiān)視管理、海上搜救、海上防污、數(shù)字航標(biāo)、航運(yùn)管理和物流等系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。下面將對(duì)AIS功能的使用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析:一、AIS在船舶避碰信息交換中的應(yīng)用目前，船舶所配有的用于船舶避碰的得助航設(shè)備所提供的目標(biāo)船的信息過(guò)于簡(jiǎn)單，不能完全滿足船舶的需要，尤其在狹窄水域、通航密度較大的水域，這類由于目標(biāo)船提供的信息不足而造成的避碰決策困難或采

57、取避碰行動(dòng)不當(dāng)?shù)葐?wèn)題尤為突出。AIS的強(qiáng)制裝載和使用給船舶間避碰信息交換提供了新的手段，它能夠自動(dòng)、快捷、全面地提供有助于避碰的信息。通過(guò)AIS可獲得諸如識(shí)別碼:MMSI;船舶靜態(tài)信息:船名、呼號(hào)、船長(zhǎng)、船寬、總噸、船舶類型、吃水等:船舶動(dòng)態(tài)信息:帶有精度指示的船位、對(duì)地船速和航向、船首向、轉(zhuǎn)向角速度等航行狀況信息;甚至可以獲得目標(biāo)船的轉(zhuǎn)向點(diǎn)信息和目標(biāo)船將要采取的避碰措施信息等，這將從根本上解決避碰信息不足的問(wèn)題。同時(shí)，由于這些信息能自動(dòng)更新，因而系統(tǒng)本身可對(duì)附近海區(qū)船舶實(shí)施監(jiān)視并能自動(dòng)計(jì)算目標(biāo)船舶的CPA和TCPA，能對(duì)碰撞危險(xiǎn)給出警告。二、AIS提高海上搜尋與救助能力AIS的安裝提供了船舶

58、安全航行的保障條件，改善了對(duì)水域安全航行環(huán)境的監(jiān)控力度，提高了海事部門對(duì)船舶遇險(xiǎn)救助的指揮和決策能力。在渤海海峽和瓊州海峽提前安裝AIS基站就是基于這些原因。當(dāng)船舶遇險(xiǎn)時(shí)，海上搜救中心可以通過(guò)岸基AIS很快找到離船舶遇險(xiǎn)地點(diǎn)最近的最合適的船舶前往救助。例如:煙臺(tái)海事局于2005年2月對(duì)“番蓮油19”輪和“沽源”輪的救助過(guò)程中，AIS發(fā)揮了重要的作用。三、AIS提高交通管制的效率據(jù)資料顯示世界各國(guó)海事主管機(jī)關(guān)己經(jīng)或正在將AIS融入當(dāng)?shù)氐腣TS系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)VTS覆蓋區(qū)內(nèi)船舶的自動(dòng)識(shí)別，減少VTS操作人員與船舶駕駛員的VHF通信時(shí)間，彌補(bǔ)了以前單純靠雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行人工識(shí)別的不足，也使VTS人員在

59、任何時(shí)候都能全面迅速地掌握區(qū)域內(nèi)船舶交通狀況，提高了交通管制的工作效率。四、AIS發(fā)布海上安全信息和識(shí)別助航設(shè)備海事部門可以實(shí)時(shí)通過(guò)AIS系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)布最新的航行瞥告、潮汐和氣象等航行安全信息，大大提高了船舶航行的安全系數(shù)。將AIS安裝在水上浮標(biāo)等各種助航設(shè)施上，不僅有利于船舶駕駛員對(duì)它們進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)也有利于航標(biāo)管理部門和海事部門監(jiān)控它們的狀態(tài)。五、AIS監(jiān)控船舶排污活動(dòng)和幫助協(xié)查肇事逃逸船舶岸基AIS設(shè)備能夠儲(chǔ)存其覆蓋區(qū)內(nèi)船舶的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，海事主管機(jī)關(guān)如果需要可調(diào)取某一有違章嫌疑的船舶在特定時(shí)間段內(nèi)的航行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以便核實(shí)其是否違章。以下是發(fā)生的一些案例:上海海事局2004年8月22

60、日對(duì)違反規(guī)定向海域排污的兩艘外籍輪船進(jìn)行了處罰，罰款13萬(wàn)元;2003年5月28日22時(shí)左右后，在福建泉州圍頭外海域，一個(gè)大型集裝箱船舶C輪與“閩X”漁船擦碰，C輪逃逸，最后被查出。在以上的案例中正是AIS數(shù)據(jù)為有關(guān)部門提供了可靠的證據(jù)。此外，AIS具有全球聯(lián)網(wǎng)實(shí)施動(dòng)態(tài)船舶監(jiān)控的潛能，AIS采用開放式系統(tǒng)互聯(lián)的工作模式，使該系統(tǒng)具有很大的兼容性，而它的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特性為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的和動(dòng)態(tài)的海事管理提供技術(shù)平臺(tái)。目前，各國(guó)正在探討AIS的組網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，將來(lái)會(huì)建成無(wú)縫覆蓋世界各沿岸海域的岸基網(wǎng)。第3章AIS接收機(jī)硬件總體方案設(shè)計(jì)本章研究基于AIS和嵌入式系統(tǒng)的AIS接收機(jī)的構(gòu)成方案和技術(shù)設(shè)計(jì)方法，并通