【2019年整理】基于AIS的船舶避碰數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于AIS的船舶避碰數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要AIS ( Automatic Identification System) 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)字信息的工具。本文首先對(duì)AIS及基于AIS船舶避碰系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)介，對(duì)AIS的基本組成、基本功能，AIS的工作過程、通信協(xié)議、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)等進(jìn)行綜述。研究了基于AIS的船舶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從靜態(tài)信息：船長(zhǎng)及寬度、船舶類別及AIS定位儀天線在船舶所處位置等；動(dòng)態(tài)信息：精確及完整的船舶位置對(duì)地航線、對(duì)地速度、船首向和轉(zhuǎn)向速度等；航行相關(guān)信息：船舶吃水、目的 地、計(jì)劃航行路線等

2、；安全相關(guān)的短信息：重要的航行警告或重要的氣象警告等進(jìn)行整體的 研究及分析。本文先對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從本船傳感器提取的信息數(shù)據(jù)主要有DGPS數(shù)據(jù)、Gyro數(shù)據(jù)、Log數(shù)據(jù)等。由DGPS數(shù)據(jù)可以得到船舶對(duì)地航向、對(duì)地航速、GPS位置信息。由Gyro數(shù)據(jù)還可以得到轉(zhuǎn)向率，由Log數(shù)據(jù)可以得到航速。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可進(jìn)一步得到更準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。針對(duì)接收到的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了模塊電路：鑒頻電路的設(shè)計(jì)，采用了互感耦合 鑒頻器。解碼電路的設(shè)計(jì)，用FSK調(diào)制解調(diào)電路進(jìn)行說明，并對(duì)其相關(guān)的原理進(jìn)行了介紹。采用了 C5402DSP芯片，并對(duì)它的功能，模塊流程圖進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本文還采用了 RS-485接

3、口電路和LCD顯示電路的設(shè)計(jì)。最后還進(jìn)行軟件流程的設(shè)計(jì)，并編譯部分相關(guān)的程序。關(guān)鍵詞：船舶避碰；AIS ;數(shù)據(jù)采集AbstractAIS (Automatic Identification System) is a work in VHF marine band radio to ships and shore-baseddata tran smissi on syste m.It is in betwee n vessels and betwee n vessels and shore exchange of digital information tools.This article fi

4、rst AIS and AIS-based collision avoidanee system profile, the basic components of the AIS, the basic fun ctio n, AIS of the work process, com muni cati on protocols, tech ni cal sta ndards, application research of this topic are summarized.Of AIS ship-based data acquisition system, from static in fo

5、rmati on: the captai n and the width of the AIS ship type and ship locator antenna locatio n, etc.; dyn amic in formati on: accurate and complete locati on of the land routes of ships, and ground speed, the bowto speed and steering; navigation information: draft,ships,destination,plannednavigationro

6、utes; security-related short message: importa nt n avigati onal warnings or importa nt meteorological warnings to the overall research and an alysis.This article first an alyzes the structure of the data from the ship sen sor in formatio n data extracted mainly DGPS data, Gyro Data, Log data.DGPS da

7、ta can be obta ined by the ship-to-gro und course, ground speed, GPS locatio n in formatio n.Data from the Gyro can be turned to the rate of speed by the Log data can be obta in ed.Filteri ng of these data, further more accurate and reliable data.For the received data, the desig n of the module circ

8、uit: Kam-frequency circuit design, using a mutual inductanee coupling frequency discriminator.Decoding circuit, with FSK modulation and demodulation circuits are explained, and its related principles were introduced.Used C5402DSP chip, and its function, module flow chart for a detailed description.T

9、his article also uses RS-485 in terface circuit and the LCD display circuit desig n.Fin ally, the software desig n process, and compile some of the releva nt procedures.Keywords: Collisio n avoida nee; AIS; Data Acquisiti on目錄第1章緒論.11.1課題的目的和意義 .11.2課題的提出 .11.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .11.4論文的構(gòu)架 .2第2章AIS簡(jiǎn)介 .32.1 AIS

10、 的由來.32.2 AIS的功能 .32.3 AIS的工作過程 .32.4 AIS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn) .42.5 AIS工作模式 .52.6 AIS 協(xié)議數(shù)據(jù)格式與內(nèi)容 .5第3章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .83.1基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的提出 .83.2基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu) .83.2.1基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的功能 .83.2.2基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) .93.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) .103.4 DSP芯片模塊的設(shè)計(jì) .113.4.1 AIS的關(guān)鍵技術(shù)研究 .113.4.2船舶避碰系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .113.4.3主要模塊劃分 .123.4.4 AIS 信息的采集 .1

11、23.4.5 DSP 和 FPGA的接口設(shè)計(jì).133.4.6 DSP 和FPGA與其他外圍電路的接口設(shè)計(jì) .14第4章模塊電路的設(shè)計(jì) .154.1鑒頻電路的設(shè)計(jì) .154.2 FSK調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì) .164.2.1基本原理 .164.2.2 FSK 信號(hào)調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn) .174.2.3 FSK 信號(hào)解調(diào)方法的實(shí)現(xiàn) .174.3 FSK和DSP接口電路的設(shè)計(jì) .184.4 RS-485 接口電路的設(shè)計(jì) .184.4.1 RS-485 接口標(biāo)準(zhǔn)概述 .194.4.2 RS-485的特性及原理 .194.4.3 RS-485 系統(tǒng)調(diào)試期間出現(xiàn)的問題 .194.5 RS485 與 DSP接 口電路

12、設(shè)計(jì) .20第5章基于AIS船舶避碰系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .215.1.引導(dǎo)程序流程設(shè)計(jì).215.2初始化程序設(shè)計(jì).255.3 DSP運(yùn)算主程序 .255.3.1 DSP 中斷服務(wù)子程序 .265.3.2接受數(shù)據(jù)中斷服務(wù)子程序 .285.3.3發(fā)送數(shù)據(jù)中斷服務(wù)子程序 .29小結(jié) .31致謝 .32第1章緒論1.1課題的目的和意義船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，簡(jiǎn)稱AIS )是一種以自組織時(shí)分多址為核心技術(shù)的船與船，船與岸臺(tái)之間通信導(dǎo)航系統(tǒng)。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)工作在海上VHF頻段，運(yùn)用SOTDM方式發(fā)射船舶數(shù)據(jù)，將本船的信息：海上移動(dòng)識(shí)別碼，船名，靜態(tài)信息

13、及 動(dòng)態(tài)信息等，經(jīng)接口電路轉(zhuǎn)換后送信息處理器，經(jīng)處理后的信息通過接口電路通過VHF發(fā)信機(jī)發(fā)送到VHF信道，在此信道守聽的目標(biāo)船就可以接受。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。AIS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)的功能。AIS能自動(dòng)與目標(biāo)船舶/岸臺(tái)建立通信，并保證通信的可靠性，幫助船舶有效導(dǎo)航，改善航行安全，增強(qiáng)對(duì)覆蓋區(qū)域船舶的識(shí)別和監(jiān) 控；為船舶航行提供新的觀測(cè)手段。目前，AIS已在越來越多的海船上配置，作為雷達(dá)的補(bǔ)充，用作船舶之

14、間避碰和自動(dòng)交換信息的重要助航工具。AIS作為一項(xiàng)最新技術(shù)在最近幾年得到迅速發(fā)展，由理論研究階段進(jìn)入到使用階段。AIS作為IMO要求必須配備的助航設(shè)備，具有很強(qiáng)的信息傳輸功能，有利于港口交通管理和船舶航行安全。1.2課題的提出為保證船舶的安全營(yíng)運(yùn)，現(xiàn)代航海技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并保持持續(xù)快速的發(fā)展，如雷 達(dá)ARPA AIS、ECDIS的綜合運(yùn)用；基于高精度定位等各類傳感器技術(shù)的應(yīng)用；基于網(wǎng)絡(luò)的本 船內(nèi)部及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)或近于實(shí)時(shí)的監(jiān)控等等，對(duì)防范船舶碰撞、觸礁、觸淺等海事的發(fā)生發(fā)揮 了重要作用。如何接受并采集到正確的信息數(shù)據(jù)則成為防范船舶碰撞首當(dāng)其沖的問題，這也 是本文針對(duì)這一問題所進(jìn)行的一系列的研究

15、，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案。基于AIS的船舶避碰數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)駕駛員參考到的數(shù)據(jù)有著十分重要的意義，因此這個(gè)問題的提出并設(shè)計(jì)對(duì)航 海有著重大的幫助。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀上個(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)備的要求越來越高的情況下，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

16、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。AIS系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是船舶避碰和船舶交通管理系統(tǒng)。AIS系統(tǒng)提供了前所未有的船舶標(biāo)識(shí)信息和高實(shí)時(shí)性的精確的船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)(船位、對(duì)地航向、對(duì)地航速以及船首向等)。它與當(dāng)前的雷達(dá)相比具有提供信息量大，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)和越障礙傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是 雷達(dá)系統(tǒng)的有益補(bǔ)充。從信息技術(shù)的角度看，AIS系統(tǒng)可以認(rèn)為是計(jì)算機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在航海 領(lǐng)域的應(yīng)用，是信息高速公路向海洋的延伸，是航海技術(shù)一項(xiàng)革命性進(jìn)步。目前研發(fā) AIS產(chǎn)品幸運(yùn)地踏上了四個(gè)前所未有的研發(fā)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航用電子設(shè)備 的機(jī)遇。首先是IMO通過的自2007年7月1日起至2008年7月

17、1日止的AIS設(shè)備強(qiáng)制裝載 規(guī)定。這個(gè)規(guī)定確定了一個(gè)相當(dāng)大的國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，同時(shí)又因?yàn)锳IS技術(shù)涉及面廣、應(yīng)用多，所以它有帶動(dòng)了一個(gè)更大的相關(guān)市場(chǎng)群。其次，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，建立了較好的 信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和資本累積，使我們有條件、有能力開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船用電子設(shè)備。再次， 我國(guó)現(xiàn)在正從航運(yùn)大國(guó)從航運(yùn)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)化，政府大力支持擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船用設(shè)備的開發(fā)， 將有利于中國(guó)船用電子企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)和國(guó)際論壇上爭(zhēng)得和航運(yùn)強(qiáng)國(guó)相稱的一席之地。最后， 研發(fā)AIS設(shè)備在中國(guó)加入 WTC后，有利于我們的產(chǎn)品進(jìn)去國(guó)際市場(chǎng)，保障我們的產(chǎn)品在一個(gè) 較為公平的市場(chǎng)環(huán)境下與國(guó)際產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。1.4論文的構(gòu)架本論文主要分四個(gè)

18、部分，分別為二、三、四、五章。第一部分從AIS的由來、工作過程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)、工作模式及協(xié)議數(shù)據(jù)格式切入介紹。第二部分對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行整體的 方案設(shè)計(jì)，包括總體框圖的設(shè)計(jì)，DSP芯片框圖的設(shè)計(jì)和 FSK調(diào)制解調(diào)電路框圖的設(shè)計(jì)。第三部分提出了各個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)，鑒頻電路采用互感耦合鑒頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)，解碼電路的設(shè)計(jì)， 顯示電路LCD的設(shè)計(jì)以及RS-485接口電路的設(shè)計(jì)，并對(duì)測(cè)試過程可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析。 第五部分提出整個(gè)軟件的流程及各個(gè)部分的模塊設(shè)計(jì)，最后編寫相關(guān)的程序。第2章AIS簡(jiǎn)介2.1 AIS 的由來目前，航運(yùn)事業(yè)發(fā)展迅速。各個(gè)國(guó)家的船舶正朝著大型化、高速化方向發(fā)展，船舶數(shù)量 和水域

19、交通密度及危險(xiǎn)貨物裝載量不斷增加，海損事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅船舶航行安全和 海洋生態(tài)環(huán)境。為了改變這種狀況，瑞典提出了AIS系統(tǒng)。國(guó)際海事組織(IMO)、國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)(IALA)和國(guó)際電信聯(lián)盟(rru)等國(guó)際組織經(jīng)過多次研究和討論，基本確定了船舶自動(dòng)識(shí)別系 統(tǒng)(AIS Automatic Ide ntificati on system)的概念、工作頻率、系統(tǒng)構(gòu)成、信息交換方式和系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)。2.2 AIS的功能(1)系統(tǒng)可在無(wú)人介入的情況下，主動(dòng)連續(xù)地向合適配備的岸臺(tái)、其他船舶或航空器提供 信息，包括船舶識(shí)別、類型、位置、航向、航速、航行狀態(tài)和其他與安全有關(guān)的信息；(2)系統(tǒng)能自動(dòng)接受處理來自

20、他船的操縱和船位信息；(3)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)測(cè)試設(shè)備(BITE)；(4)能與AIS岸臺(tái)交換數(shù)據(jù)；(5)能識(shí)別船只、檢測(cè)和跟蹤船舶；(6)大大簡(jiǎn)化了信息的交流量和交流次數(shù)；(7)提供其他輔助信息以避免碰撞發(fā)生。2.3 AIS 的工作過程AIS是依靠岸基的VHF岸臺(tái)和移動(dòng)的船舶安裝無(wú)線應(yīng)答器系統(tǒng)來工作的?；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

21、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)。通過登錄到系統(tǒng)，所有的船臺(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)

22、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，岸與船的信息傳遞已經(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

23、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)告位置的過程來說，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)船一船 調(diào)制解調(diào)器來直接實(shí)現(xiàn)與其他船的通信，而不用通過岸塔。在這種情況下，信息的傳送不是 通過岸塔來實(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)過授權(quán)的岸臺(tái)用戶來觀察，而不是控制整個(gè)的或任何部分的控制區(qū)域。經(jīng)過授權(quán)的用戶可以通過“鏡像”位置看到控制臺(tái)操作員所看到的一切，并 能放大或

24、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。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 位置。這就給船長(zhǎng)或者領(lǐng)航員提供了諸如航線背離信息之類的重要指導(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 米做最小單位來表示。如果系統(tǒng)接到任何船舶的數(shù)字選擇呼叫（

25、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10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。2.4 AIS的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)在VHF海上

26、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ITU R.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（0SI ）利用物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層說明了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ITU編制建議案充分考慮了如下的要點(diǎn)：IM0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

27、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 AIS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。新規(guī) 范的AIS技術(shù)特點(diǎn)有：（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

28、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)來自于船舶或主管部門的問詢， 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 （ Open Systems Interconnection）工作模型，無(wú)線傳輸?shù)?帶寬為2

29、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?9600b/s。（6） AIS的功能特性：與 DSC兼容允許訪問GMDSSK1海區(qū)的海岸站臺(tái)；允許提供簡(jiǎn)單的 GMDSSK1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. 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)助訪問岸站

30、的服務(wù)中心和數(shù)據(jù)庫(kù)：NOAA PORTS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)?中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等等）。2.5 AIS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 （Autonomous Mode ）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

31、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。通過外界的控制，該工作模式可以與下述兩種模式相互轉(zhuǎn)換。（2）指配模式（Assigned Mode ）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（Polled Mode ）工作在輪詢模式的臺(tái)站應(yīng)自動(dòng)響

32、應(yīng)來自船舶或主管部門的詢問電文，響應(yīng)應(yīng)當(dāng)在接收到詢問電文的頻道上發(fā)送；輪詢工作模式與其他兩種工作模式不發(fā)生沖突。2.6 AIS協(xié)議數(shù)據(jù)格式與內(nèi)容AIS中的航行信息是通過數(shù)據(jù)包來傳輸?shù)?，一幀相?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 ）。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2.1所示。26.67ms一y上升沿對(duì)準(zhǔn)序列開始標(biāo)志數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志緩沖8bit24bit8bit168bit16bit8bit24bit圖2.1單個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)組成下面將根據(jù)圖2.1對(duì)一個(gè)時(shí)隙的各部分?jǐn)?shù)據(jù)作簡(jiǎn)要的說明：上升沿為8bit ,這段

33、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 NRZI(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)來說，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:L= 24 - 9600 X 1000=2.5ms(2-1 )即對(duì)準(zhǔn)序列將持續(xù) 2.5ms。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

34、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，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)

35、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。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

36、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：位填充：Obit，是指在輸出比特流中有超過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-3bit，從而保證了 TDMA數(shù)據(jù)鏈的完整性。(168/256)X 100%=65. 6(2-2)A

37、IS信息傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)塊中的信息內(nèi)容是最為關(guān)鍵的信息碼，它可以幫助船舶了解本船周圍的其它船舶動(dòng)、靜態(tài)信息。根據(jù)前面所敘述的信息數(shù)據(jù)塊中的信息標(biāo)志情況，可以了解 到信息數(shù)據(jù)塊中的信息內(nèi)容分為四種類型，這四種類型的信息內(nèi)容分別是：靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài) 信息、與航行有關(guān)的信息和簡(jiǎn)明的安全信息。每次船載AIS設(shè)備只傳送一種類型的信息內(nèi)容。靜態(tài)信息IMO編號(hào)、船名（呼號(hào)）、船長(zhǎng)及寬度、船舶類別及 AIS定位儀天線在船舶所處位置等；動(dòng)態(tài)信息精確及完整的船舶位置、UTC時(shí)間、對(duì)地航線、對(duì)地速度、船首向、航行狀態(tài)和轉(zhuǎn)向速度等;與航行相關(guān)信息船舶吃水、危險(xiǎn)貨物、目的地、計(jì)劃航行路線等；與安全相關(guān)的短信息重要的航行警告

38、或重要的氣象警告等。在上述各類信息內(nèi)容中，有些信息內(nèi)容不僅包含數(shù)據(jù)信息，還包含文字或字母與數(shù)字的 組合。計(jì)算機(jī)在處理這些含有文字或字母與數(shù)字的組合的信息時(shí)將不是以二進(jìn)制形式而是以 字符碼形式傳輸?shù)?，這就需要在計(jì)算機(jī)中有一套每個(gè)字符都有固定長(zhǎng)度比特的數(shù)據(jù)代碼，每 個(gè)字符需要由一串比特來代表?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理字符最為廣泛的是使用美國(guó)國(guó)家信息交換標(biāo) 準(zhǔn)碼（ASCI I）。標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼是7個(gè)比特長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn) ASCII碼最多可以代替 128個(gè)不同字符。 由于標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼被廣泛用于各種通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和終端中，因此在 AIS傳輸?shù)男畔?shù)據(jù) 塊中，以字符碼形式傳輸?shù)男畔⒉捎脴?biāo)準(zhǔn)ASCII碼形式。在靜態(tài)

39、信息、與航行有關(guān)的信息和簡(jiǎn)明的安全信息中，都存在以字符碼形式傳輸?shù)男畔?，因此這些信息內(nèi)容要采用標(biāo)準(zhǔn)的 ASCII碼形式。如果在一次傳輸中信息量過大，如靜態(tài)信息和航行安全信息占用416比特，可采用兩個(gè)或更多連續(xù)時(shí)隙傳輸 （最多為5個(gè)連續(xù)時(shí)隙）。動(dòng)態(tài)信息是 AIS傳送的主要信息，它 更新速度快，要求信息傳輸簡(jiǎn)潔、明了。由于動(dòng)態(tài)信息，均是數(shù)字或狀態(tài)信息，可采用二進(jìn) 制形式傳輸。在 AIS傳輸?shù)男畔⒅?，一般來說動(dòng)態(tài)信息是通常所需要的，其它信息用于實(shí)現(xiàn) 可靠穩(wěn)定的傳輸。動(dòng)態(tài)信息量為168比特，一個(gè)數(shù)據(jù)包占用256比特。故AIS的信息傳輸效率見公式2-2。第3章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1基于AIS船舶避碰

40、系統(tǒng)的提出船舶的海上航行安全的一個(gè)主要任務(wù)是對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)的識(shí)別和對(duì)危險(xiǎn)信息的判斷，目前主 要靠船載雷達(dá)作為掌握其他船舶動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息的手段。但雷達(dá)信號(hào)是屬于模擬信號(hào)，易受 天氣、海況、地形及周圍噪聲的影響。雷達(dá)的覆蓋范圍小，目前雷達(dá)的量程只能達(dá)到幾十海 里。雷達(dá)的精度也不高，并且雷達(dá)不可能識(shí)別出目標(biāo)船的船名、國(guó)籍等信息。雖然使用雷達(dá) 能夠獲得目標(biāo)的存在和動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，但由于其存在抗外界干擾能力差、精度不高等這些主 缺點(diǎn)，使得雷達(dá)在日益繁忙的海上交通，特別是在港口、沿海水域航行方面的應(yīng)用有很大的 局限性。另外，為了溝通和了解對(duì)方船舶的信息和操船意圖，岸船、船舶之間的通信現(xiàn)在仍然依 靠高頻無(wú)線電話（

41、VHF進(jìn)行通信聯(lián)系。這種通信方式由人工來完成，效率不高，有時(shí)還會(huì)因 為設(shè)備操作及語(yǔ)言交流上存在的問題而不能及時(shí)溝通和了解對(duì)方船舶的信息和操船意圖，造 成行動(dòng)不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致海事的發(fā)生。在船舶日益大型化、高速化的今天，海上交通特別是 港口水域交通狀況也日益繁忙和復(fù)雜。基于雷達(dá)及VHF的船舶識(shí)別和通訊已日益顯示其局限性，難以滿足未來船舶航行安全的需要，例如：（1）當(dāng)遇到雨雪、大風(fēng)浪等惡劣天氣時(shí)，雷達(dá)的反饋信號(hào)可能會(huì)受到干擾而出現(xiàn)雜波或 丟失目標(biāo)等問題。AIS盡管在強(qiáng)雷、暴風(fēng)雨的天氣也可能會(huì)受到干擾，但由于其工作原理的不同，受惡劣天氣的影響較雷達(dá)來說還是小的多，并且在AIS的覆蓋區(qū)，不會(huì)因?yàn)槟繕?biāo)距離

42、的遠(yuǎn)近、大小、形狀而產(chǎn)生信號(hào)差異。加之AIS傳輸?shù)男畔⒘枯^大，因而有助于船舶在實(shí)施避讓行動(dòng)前，對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和對(duì)避碰局面的判斷。（2） 當(dāng)船舶行駛于多島礁、 航道的彎頭等遮蔽水域時(shí)，雷達(dá)將肯定無(wú)法探測(cè)到這些目標(biāo)， 而AIS在這些障礙物的高度不影響無(wú)線電波傳輸?shù)那闆r下，仍能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，這可以使航行于 遮蔽水域的船舶及早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，避免突然出現(xiàn)目標(biāo)使船舶一下子陷入十分窘迫的局面中，進(jìn)而提咼在該水域中船舶的航行安全。（3 ）為了提高海上航行安全，避免船舶碰撞，長(zhǎng)期以來人們對(duì)船舶自動(dòng)避碰系統(tǒng)進(jìn)行了 大量的研究，但一直沒有完全解決這個(gè)問題。AIS能自動(dòng)、連續(xù)地提供船舶靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的信息，這可以解決采集目標(biāo)信息

43、的問題，同時(shí)可以快速、準(zhǔn)確的建立通信鏈路，加之AIS具有發(fā)送短信息的功能，因而又可將避讓意圖發(fā)給具有碰撞危險(xiǎn)的船舶及周圍其他船只，以了解 避讓意圖，提高避讓動(dòng)向的有效性，進(jìn)而提高船舶的海上航行安全。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) AIS的出現(xiàn)，為上述問題的解決帶來了新的希望。AIS不僅能夠解決原來雷達(dá)所提供的數(shù)據(jù)信息，而且能夠另外提供許多與船舶有關(guān)的靜態(tài)信息和轉(zhuǎn)向率、航跡向 等目標(biāo)動(dòng)向意圖信息。與自動(dòng)標(biāo)繪雷達(dá)一ARPA利用雷達(dá)作為信息源一樣，可以直接利用AIS信息來完成類似 ARPA的功能，且響應(yīng)時(shí)間短精度高。這就是基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)。3.2基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)3.2.1基于AIS船舶避

44、碰系統(tǒng)的功能利用本船傳感器提供的信息以及由AIS接收機(jī)接收到的他船信息，基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)可以完成以下主要功能：（1）本船的船位、航向、航速等船舶動(dòng)態(tài)信息是由安裝在本船的GPS羅經(jīng)、計(jì)程儀等傳感器收集的。為了提高這些信息的可靠性和準(zhǔn)確度，可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)它們進(jìn)行濾波 處理后，作為本船動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和傳輸。（2）接受、存儲(chǔ)并顯示他船的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息。（3） 利用本船的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，再結(jié)合AIS接收機(jī)接收到的他船的動(dòng)態(tài)信息，計(jì)算出本船與目標(biāo)之間的相對(duì)航向、相對(duì)航速等數(shù)據(jù)，進(jìn)而解算出TCPA CPA等重要的避碰參數(shù)。（4）計(jì)算出的TCPA CPA等參數(shù)與設(shè)定的安全值相比較，若超出設(shè)定的數(shù)值，

45、則優(yōu)先顯 示危險(xiǎn)目標(biāo)的船名、呼號(hào)等信息，并發(fā)出碰撞危險(xiǎn)警告，同時(shí)了，往危險(xiǎn)目標(biāo)發(fā)送危險(xiǎn)告警，即把危險(xiǎn)目標(biāo)的船名、呼號(hào)等靜態(tài)信息和危險(xiǎn)類型按一定的格式編碼，通過AIS發(fā)送通道廣播發(fā)送。322基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。從圖上可以看出，基于 AIS的船舶避碰系統(tǒng)主要由通訊模塊、接口電路、控制電路及信 息處理模塊等部分組成。圖3.1基于AIS的船舶避碰系統(tǒng)的框圖（1 ）通信模塊：針對(duì) AIS采用的STDMA技術(shù)的特點(diǎn)，通訊模塊包含一個(gè)TDMA接收信道和一個(gè)TDMA發(fā)送信道。接收信道負(fù)責(zé)接收其他船舶播發(fā)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息和附加的一些危險(xiǎn) 告警信息等；發(fā)送信道

46、負(fù)責(zé)探測(cè)存在的空閑時(shí)隙，在本船需要播發(fā)信息的時(shí)候，選出空閑時(shí) 隙進(jìn)行播發(fā)。每個(gè)信道的時(shí)隙與外部嚴(yán)格同步，參考時(shí)間是協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTQ。主要時(shí)間來源是GPS時(shí)間，但其他來源只要與 UTC相關(guān)也可使用。另外，通訊模塊還包含了一個(gè)VHFDSC接收信道。（2） 接口電路：主要是完成信息處理器與外圍設(shè)備的連接，包括DGPS羅經(jīng)、計(jì)程儀等傳感器接口以及收發(fā)信道的接口，所有數(shù)據(jù)接口為符合美國(guó)國(guó)家航海電氣協(xié)會(huì)NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)的船用導(dǎo)航設(shè)備通用接口。傳感器接口將本船的動(dòng)態(tài)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)輸入信息處理器。本船的動(dòng)態(tài)信息主要包括對(duì)地航向、對(duì)地航速及船位等，可分別由GPS/DGPS羅經(jīng)、計(jì)程儀來提供。為了便于

47、信息處理器的處理，信息收發(fā)信道的接口還具有一定的數(shù)據(jù)緩沖功能，可 以緩沖鎖存一楨的數(shù)據(jù)。（3）控制電路：根據(jù)外圍設(shè)備的狀態(tài)及信息處理器的指令，控制電路可以控制外圍設(shè)備 的工作，并把一定的信息反饋到信息處理器。（4） 信息處理器：信息處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，配合控制電路，它主要完成以下操作： 存儲(chǔ)本船的靜態(tài)信息（如：船名、船長(zhǎng)、船型等）和與航行安全有關(guān)的信息（如：船舶吃水、 危險(xiǎn)貨物類型、選用的航線計(jì)劃等）；接收接口電路送來的本船動(dòng)態(tài)信息并進(jìn)行濾波處理，進(jìn)一步提高精度和可靠性，然后存儲(chǔ)；將存儲(chǔ)起來的最新的本船動(dòng)態(tài)信息、必要的靜態(tài)信息和 與航行安全有關(guān)的信息按標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行編碼送發(fā)射機(jī)；對(duì)接收到的其

48、它船舶信息進(jìn)行解碼， 并將解碼后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來；利用接收到的他船信息和本船信息，解算出TCPA CPA等避碰參數(shù)，并判斷是否存在碰撞危險(xiǎn)；若存在碰撞危險(xiǎn)，則判別危險(xiǎn)目標(biāo)，將危險(xiǎn)信息集成到發(fā) 送的信息中去（危險(xiǎn)目標(biāo)的船名、呼號(hào)等），并在本船發(fā)出危險(xiǎn)警告；將本船和其它船的航行信息以及危險(xiǎn)目標(biāo)信息送監(jiān)視器顯示出來。（5）信息顯示模塊：監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀況，顯示各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。信息顯示模塊包括一個(gè)信息顯示器和 IBS、ECDIS等接口，即可以在本系統(tǒng)顯示，又可以通過IBS、ECDIS等接口送往ECDIS雷達(dá)顯示屏等按規(guī)定格式顯示。3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)基于AIS船舶避碰系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程大致可以

49、分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送三 個(gè)階段，其數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3.2所示。本船數(shù)據(jù)主要包括 GPS接收機(jī)接收的位置數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)、經(jīng)數(shù)字化后的Gyro航向數(shù)據(jù)、 數(shù)字化的Log航速數(shù)據(jù)等。為了便于有效的利用硬件資源，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，基于AIS船舶避碰系統(tǒng)先對(duì)外部的 AIS數(shù)據(jù)和內(nèi)部的各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，組成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包。 從接收到的AIS數(shù)據(jù)包中提取的主要信息有：靜態(tài)信息：IMO編碼、呼號(hào)和船名；動(dòng)態(tài)信息：具有精度顯示和完整狀態(tài)的船位、協(xié)調(diào)世界時(shí)間（UTQ、對(duì)地航向、對(duì)地航速、航行狀態(tài)、轉(zhuǎn)向率；基于AIS船舶避碰系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行分類整理，將接收到的AIS數(shù)據(jù)和本船的數(shù)據(jù)分

50、別提取出來。再對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，提高數(shù)據(jù)的精度和可靠性。利用這些處 理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)距離、相對(duì)航向、相對(duì)航速、CPA TCPA等的解算，并進(jìn)行遇險(xiǎn)判斷。最后把這些數(shù)據(jù)按照通用 AIS的標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)送。從本船傳感器提取的信息數(shù)據(jù)主要有DGPS據(jù)（包括UTC經(jīng)緯度等）、Gyro數(shù)據(jù)、Log數(shù)據(jù)等。由DGPS據(jù)可以得到船舶對(duì)地航向、對(duì)地航速、GPS位置信息。由Gyro數(shù)據(jù)還可以得到轉(zhuǎn)向率，由 Log數(shù)據(jù)可以得到航速。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可進(jìn)一步得到更準(zhǔn)確、 可靠的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總框圖如圖3.2所示。圖3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總框圖3.4 DSP芯片模塊的設(shè)計(jì)3.4.1 AIS 的關(guān)鍵技術(shù)研

51、究AIS配合全球定位系統(tǒng)將船舶對(duì)地的速度、位置、目的地、對(duì)地的航向及航向改變率等船 舶動(dòng)態(tài)參數(shù)，和船舶的名稱、類型、呼號(hào)、吃水及危險(xiǎn)貨物等船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)，由甚高頻頻道 向附近水域的船舶及岸臺(tái)的廣播，使鄰近的船舶及岸臺(tái)能夠及時(shí)掌握附近海面所以船舶的動(dòng) 靜態(tài)信息，以便迅速互相通話協(xié)調(diào)，采取必要的避讓行動(dòng)。AIS系統(tǒng)的硬件主要由四部分組成：通信模塊：利用甚高頻數(shù)字通信通道轉(zhuǎn)發(fā)和接收廣播 的GPS等船位信息；信號(hào)采集部分：將接收到的信息經(jīng)過解碼，轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號(hào)；信息處理部分：采用一個(gè)嵌入式微處理器系統(tǒng)，構(gòu)成整機(jī)的控制中心，存儲(chǔ)、更新本船的動(dòng)靜態(tài)信息， 將必要的信息送去發(fā)射，將部分信息送到顯示器；顯示部分

52、：顯示重要的參數(shù)和信息，便于 監(jiān)視。3.4.2船舶避碰系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文是在AIS提供信息的基礎(chǔ)上，采用DSP和FPGA設(shè)計(jì)船舶避碰系統(tǒng)。其中高速浮點(diǎn)DSP 作為AIS數(shù)據(jù)接收、船舶避碰算法和系統(tǒng)控制的微處理器。一塊容量合適的FPGA集成船舶避碰系統(tǒng)所需其他的I /O功能，實(shí)現(xiàn)外圍輸入輸出接口如其他串行口、ADC數(shù)據(jù)采集緩存等硬件電路，使部分?jǐn)?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信的I /O任務(wù)由DSP和 FPGA協(xié)同承擔(dān)，從而使 DSP減輕負(fù)擔(dān)，可以更專注于避碰的復(fù)雜算法。FPGA還可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示接口和鍵盤接口。通常液晶顯示器帶有液晶顯示控制器，可以方便地與微處理器接口連接。液晶顯示接口減少了DSP的外設(shè)訪問

53、時(shí)間。根據(jù)船舶避碰系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：AIS信息經(jīng)解碼、電平轉(zhuǎn)換進(jìn)入DSP串口，由于DSP芯片計(jì)算量大，需要存儲(chǔ)擴(kuò)展。其他傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)理及補(bǔ)償之后， 經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入FPGA GPS雷達(dá)等輸出的串行數(shù)據(jù)由DSP通過FPGA內(nèi)串行口采集；系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)則由FPGA內(nèi)的液晶顯示接口送到液晶顯示控制器；為方便系統(tǒng)調(diào)試，在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)4X4小鍵盤接口；另外 DSP和FPGA內(nèi)各模塊需要進(jìn)行通信。A/D模塊D/A模塊鍵盤LED模塊AIS信息解碼DSP顯示模塊PC串口-4FPGA其他串行通信模塊圖3.3 船舶避碰系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)343主要模塊劃分本方案中DSP主要用于AIS信號(hào)接收

54、、船舶避碰參數(shù)運(yùn)算和系統(tǒng)控制。所以選擇C5402作為CPU它可以根據(jù)需求工作在不同的模式下，主要用MP/ MC的電平來決定，當(dāng) MP/ MC為高電平時(shí)，DSP工作在微處理器模式，此時(shí)接收來自AIS的數(shù)據(jù)，當(dāng)MP/MC為低電平時(shí)，DSP工作在微計(jì)算機(jī)方式，用于避碰參數(shù)運(yùn)算和系統(tǒng)控制。3.4.4 AIS 信息的采集AIS信息經(jīng)過鑒頻、解調(diào)電路、RS485電平轉(zhuǎn)換以后進(jìn)入微處理器。此處主要由軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)初始化程序、串口中斷程序、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)顯示程序等。系統(tǒng)的初 始化包括串口初始化、變量定義、文件設(shè)置、數(shù)據(jù)庫(kù)的生成及處理等；串口中斷程序主要完 成AIS數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)處理程序主要完

55、成將AIS輸出的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為其他基于AIS信息的系統(tǒng)所需的格式，在數(shù)據(jù)處理過程中必須進(jìn)行AIS數(shù)據(jù)的校驗(yàn)判斷，以確保采集數(shù)據(jù)的可靠性；數(shù)據(jù)顯示程序主要完成AIS數(shù)據(jù)的顯示。其中信息解碼的程序流程圖如圖3.4所示。圖3.4 AIS信息解碼應(yīng)用程序流程圖345 DSP和FPGA的接口設(shè)計(jì)比較Altera公司的多個(gè)系列的 FPGA產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)選取Cyclone n系列的芯片 EP2C35F672 它主要具有以下特性：嵌入式存儲(chǔ)資源支持各種存儲(chǔ)器應(yīng)用和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）實(shí)施的要求，引腳數(shù)量充裕有160個(gè)，可提供100個(gè)I /O用戶引腳，且I / O具有三態(tài)緩沖、總線狀態(tài) 保持等功能，該芯片由12

56、8 MB FLASH內(nèi)存和8 MB SSRAM存儲(chǔ)區(qū)和兩個(gè)串口。它可以滿足本系 統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集控制和串行口復(fù)用等功能。接口電路如圖3.5所示。數(shù)據(jù)總線f -L 一DSP地址總線EP2C35F672控制總線INT1其他串口INTOV -鍵盤中斷口圖3.5 DSP與FPGA的接口設(shè)計(jì)在上述設(shè)計(jì)中 AIS信息的串口直接接到 DSP芯片上，是為了避免直接應(yīng)用多串行口中斷 共享方式可能會(huì)不可靠。原因是假如在服務(wù)串行口A時(shí)上一次檢測(cè)過的串行口B發(fā)生了中斷,此時(shí)中斷服務(wù)程序如果直接退出，則中斷B就未被服務(wù)。這種情況下，CPU可能會(huì)再次進(jìn)入中斷服務(wù)程序，多次進(jìn)出中斷必然造成處理器資源的浪費(fèi)。更糟糕的是退出中

57、斷服務(wù)程序時(shí)， 由于DSP中斷標(biāo)志位已經(jīng)被清除且DSP中斷引腳保持高電平，此時(shí)中斷就不會(huì)再被標(biāo)志，造成中斷死鎖導(dǎo)致外部中斷根本無(wú)法繼續(xù)工作。為確保DSP芯片及時(shí)接收到 AIS信息，為 AIS單獨(dú)留下專用串口。346 DSP和FPGA與其他外圍電路的接口設(shè)計(jì)船舶避碰系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于同一片F(xiàn)PGAh的液晶顯示接口和鍵盤接口，使避碰系統(tǒng)具有更強(qiáng)的功能。鍵盤接口利用FPGA內(nèi)的硬件資源設(shè)計(jì)，在不影響DSP進(jìn)行船舶避碰算法運(yùn)算的條件下，用于船舶避碰系統(tǒng)的調(diào)試和控制。同時(shí)完成了 A/D D/A模塊的接口設(shè)計(jì)。模擬信號(hào)經(jīng)過前置濾波、放大，再通過多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 FPGA A/D

58、D/A模塊與DSP的接口電路如圖3.6 所示。圖3.6 A/D, D/A 模塊與DSP的接口平籲豆龍型鑒相器圖中,為fo程器又稱福斯特 J級(jí)回路參數(shù)相同,i-C0加為調(diào)頻信號(hào)的中頻載R，tI-: / / tA-Z-. . I IZ丄人爭(zhēng)“為其典型電路。LA?匸匕絡(luò)為耦合回路。,幾=r2 = r ,k= M / L,_1是經(jīng)過限幅放大后的調(diào)頻頻信號(hào)，它一方面經(jīng)U2。檢波器電壓1經(jīng)互感VD1、在次全部加在次級(jí)回路的中心抽頭夕卜2和兩個(gè)C、R_如接地點(diǎn) 改接在下端(圖中I Jk厶 Z_A. 第4 章模塊冃的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)1互感耦合相位鑒頻器的工作原理可分為移動(dòng)相網(wǎng)絡(luò)的頻率-相位變換、加法器的相位 -幅度變

59、換和包絡(luò)檢波器的差分檢波三個(gè)過程。(1)頻率-相位變換頻率-相位變換是由圖4.2所示的互感耦合回路完成的。圖4.2互感耦合回路口1L1 _圖4.1互感耦合相位鑒頻電路O-八丄 -1U-J-Q相位-幅度變換反相器相加器FSK信號(hào)圖4.3圖4.1的簡(jiǎn)化電路(3)檢波輸出在理想情況下，鑒頻特性不受耦合回路的幅頻特性的影響，調(diào)頻信號(hào)通過耦合回路移相 后得到的是等幅電壓，鑒頻特性形狀與耦合回路這一移相網(wǎng)絡(luò)的相頻特性相似，但實(shí)際上， 鑒頻特性受耦合回路的幅頻特性和相頻特性的共同作用，可以認(rèn)為是兩者相乘的結(jié)果。在頻 偏不大的情況下，隨著頻率的變化，和U2幅度變化不大而相位變化明顯，鑒頻特性近似線性；當(dāng)頻偏較

60、大時(shí)，相位變化趨于緩慢，而和u2幅度明顯下降，從而引起合成電壓下降。鑒頻器對(duì) DGPS數(shù)據(jù)(包括UTG經(jīng)緯度等)、Gyro數(shù)據(jù)、Log數(shù)據(jù)等進(jìn)行鑒頻，檢波 然后進(jìn)行解調(diào)。4.2 FSK調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)4.2.1基本原理在中、低速異步傳輸用調(diào)制解調(diào)器常用FSK信號(hào)調(diào)制方式，其原理如圖 4.4所示：FSK信號(hào)調(diào)制又稱數(shù)字調(diào)頻，它是用兩種不同的載頻W!，w2來代表脈沖調(diào)制信號(hào)1和0而載波的振幅和相位不變。如果載波信號(hào)采用正弦型波，則可表示為：S(t)= Um coswt，圖4.4中G(t)為1時(shí)FSK信號(hào)S(t)的頻率為f! ； G(t)為0時(shí)FSK信號(hào)S(t)的頻率為f2將S(t)信號(hào)分解為S,