AIS信息采集方式的研究

AIS信息采集方式的研究摘要:通過(guò)對(duì)AIS信息結(jié)構(gòu)的分析,提出了AIS信息的采集方式,設(shè)計(jì)了AIS信息采集的軟、

硬件的流程，同時(shí)，對(duì)AIS信息的傳輸方式進(jìn)行了探討與研究。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS(AutomaticIdentificationSystem)作為一種新型的船舶導(dǎo)航通信設(shè)備，在船舶導(dǎo)航、船舶避碰、船舶通信、船岸通信中發(fā)揮著重要作用，是集現(xiàn)代通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)于一體的新型助航系統(tǒng)和海上安全信息系統(tǒng)。國(guó)際電信聯(lián)盟ITU在海上VHF頻段分配給AIS兩個(gè)頻道即CH87B(AIS1,161.975MHz)和

CH88B(AIS2,162.025MHz)。AIS在這兩個(gè)頻道上使用22種報(bào)文以自組織時(shí)分多址SOTDMA

為核心技術(shù)來(lái)發(fā)射和接收他船發(fā)出的信息，并顯示在雷達(dá)顯示屏幕或電子海圖以及專(zhuān)用的液

晶顯示屏上。另外，AIS可支持優(yōu)于當(dāng)前雷達(dá)/ARPA性能的船舶監(jiān)視功能以及與船一船間、

船一岸間的短消息通信等服務(wù)功能。AIS信息的結(jié)構(gòu)根據(jù)IMO要求，AIS提供的靜態(tài)信息、與航行有關(guān)的信息和與安全有關(guān)的短電文是以字符碼形式存在的，采用標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼形式進(jìn)行傳輸。如果靜態(tài)信息和航行安全信息占用416bit,信息量過(guò)大，可采用兩個(gè)或更多連續(xù)時(shí)隙傳輸，最多為5個(gè)時(shí)隙；而動(dòng)態(tài)信息均是數(shù)字或狀態(tài)信息，是AIS傳輸?shù)闹饕畔ⅲ滤俾士?，要求信息傳輸?jiǎn)潔、明了，故可采用二進(jìn)制形式傳輸。AIS的信息結(jié)構(gòu)如圖1所示。MSGID:信息類(lèi)型，6bit(范圍是0-63),通過(guò)ID識(shí)別特殊信息的三個(gè)字符;USERID：海上移動(dòng)識(shí)別碼MMSI,30bit；Message:具體信息;

Communicationstate：通信狀態(tài)包括時(shí)隙分配所用的信息，同步狀態(tài)、子信息(接收電臺(tái),

時(shí)隙編號(hào)、UTC時(shí)間等)；數(shù)據(jù)包符號(hào)的含義如表1示。表1數(shù)據(jù)包符號(hào)的含義符號(hào)位說(shuō)明RU8加載時(shí)間，上升時(shí)間T3(TrainIngSequence)24位同步序列，由交替的0和1(01010101??)組成的比特位，用于收發(fā)兩端時(shí)鐘對(duì)齊，不遵守比特填充SF(StartFlag)8起始標(biāo)記，8比特HDLC幀標(biāo)志(01111110)，用于檢測(cè)發(fā)射數(shù)據(jù)包的開(kāi)始，起始標(biāo)記不遵守比特填充Data168信息數(shù)據(jù)，是真正傳輸信息的內(nèi)容FCS(FrameCheckSequence)16幀檢驗(yàn)序列,米用循環(huán)冗余校驗(yàn)作為信號(hào)序列的差錯(cuò)控制EF(EndFlag)8結(jié)束標(biāo)記，8比特HDLC幀標(biāo)志(01111110)表示信息結(jié)束，與開(kāi)始標(biāo)記相同Buf(Bufferingbit)24緩沖區(qū)，包括4bit填充，12bit距離延遲，2bit轉(zhuǎn)發(fā)器延遲及6bit同步抖動(dòng)，以使系統(tǒng)保持同步總計(jì)256AIS信息的采集2.1典型的AIS船臺(tái)由1臺(tái)VHF發(fā)射機(jī)、2臺(tái)VHFTDMA接收機(jī)、1臺(tái)VHFDSC接收機(jī)、1臺(tái)帶有標(biāo)準(zhǔn)的船用電子通信接口(IEC61162/NMEA0183/2000)的信息處理控制裝置以及各種必要的傳感器組成，如圖2所示［1］。數(shù)據(jù)的采集部分包括：

GPS/DGPS/GNSS:提供本船船位經(jīng)緯度、同步UTC(UniversalTimeCoordinated)時(shí)鐘數(shù)

字信號(hào)、對(duì)地航向COG和對(duì)地航速SOG(經(jīng)進(jìn)一步推算得出的)；陀螺羅經(jīng)：通過(guò)傳感器向信息處理器傳遞可靠的本船對(duì)地船首向(航向)信號(hào)；計(jì)程儀：提供本船對(duì)地航向COG、對(duì)地航速SOG信號(hào)(直接測(cè)出的)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，

其精度由計(jì)程儀本身的精度決定；雷達(dá)/ARPA:提供目標(biāo)船的相對(duì)位置信息；電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS：輸出AIS信息給電子海圖顯示系統(tǒng)顯示有關(guān)信息；船舶數(shù)據(jù)記錄儀VDR：獲得和記錄本船和目標(biāo)船的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并讀出數(shù)

據(jù)(一般保留2年)和分析數(shù)據(jù)并傳送給AIS。通過(guò)AIS發(fā)送給陸上基站、周?chē)癆IS應(yīng)答

臺(tái)或通過(guò)INMARSAT-B呼叫；(7)接收從輸入裝置中輸入的其他信息。AIS信息采集與處理的軟、硬件設(shè)計(jì)基于AIS信息的自動(dòng)避碰系統(tǒng)、電子海圖顯示系統(tǒng)、航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)和船位報(bào)告系統(tǒng)等都

必須解決AIS信息的采集(提取)問(wèn)題［2］。AIS信息的采集，首先解決對(duì)其數(shù)據(jù)包的解碼技

術(shù)，即把AIS輸出信息的定義、格式進(jìn)行研究和解碼，然后將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成應(yīng)用系統(tǒng)所需

的格式。

AIS信息采集的硬件設(shè)計(jì)AIS提供了以串行方式輸出本船及目標(biāo)船的靜、動(dòng)態(tài)信息的用戶接口，以便與其他系統(tǒng)共享AIS信息。當(dāng)用戶接口采用RS422通信協(xié)議時(shí)，必須將信號(hào)經(jīng)過(guò)RS422/RS232轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送入PC機(jī)串口，由PC機(jī)完成信號(hào)的采集和處理。接口的輸出采用RS422通信協(xié)議。采集AIS輸出信息的硬件連接圖如圖3示。AIS信息采集的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)ITU-RM,1371和IEC61162-100協(xié)議，AIS接口輸出的信息是6bitASCII碼，需將其編

碼為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。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(guò)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［3］。AIS信息的傳輸SOTDMA通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)傳輸是基于HDLC(High-levelDataLinkControl)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的同步系統(tǒng)，采用普通的無(wú)糾錯(cuò)編碼的8比特字符。AIS設(shè)備將發(fā)射的數(shù)據(jù)通過(guò)接口輸入，接收的數(shù)據(jù)應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的接口輸出［4］。AIS接口的通信協(xié)議采用IEC61162標(biāo)準(zhǔn)，此數(shù)據(jù)流的

格式和規(guī)程符合國(guó)際電工委員會(huì)IEC指定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)即為全雙工和不要求硬件握手;通信界面用RS233和RS485/422標(biāo)準(zhǔn)、通信速率為38400bps。由于幀結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)塊的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為168比特，因此，當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)168比特時(shí)必須分幀,分在若干個(gè)連續(xù)時(shí)隙上傳輸［5］，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按HDLC幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行編排即為數(shù)據(jù)組幀。數(shù)據(jù)組幀如圖5所示：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一信息塊一計(jì)算狡驗(yàn)碼|-零插入TS束S5數(shù)垢組幀的框圖采集或提取要發(fā)送的數(shù)據(jù)并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)專(zhuān)換成6位ASCII碼;按要發(fā)送的信息類(lèi)型的信息、結(jié)構(gòu)進(jìn)行編排，形成信息塊；計(jì)算循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼CRC(CyclicRedundancyCheck)校驗(yàn)碼，并將校驗(yàn)在置于信息塊的后面；進(jìn)行零插入；加入幀起始標(biāo)記、結(jié)束標(biāo)記、訓(xùn)練比特和緩沖序列。5結(jié)束語(yǔ)AIS提供的信息不會(huì)由于語(yǔ)言不通，誤解對(duì)方船舶的操船信息和意圖而造成避碰行動(dòng)不協(xié)調(diào);AIS比雷達(dá)/自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀ARPA(AutomaticRadarPlottingAid)提供的信息量大，在狹水道、航道彎曲處、島嶼的后面、船舶密度大的水域以及遭遇惡劣氣象、海況環(huán)境時(shí)，能夠探測(cè)到和跟蹤目標(biāo)［6］；另外，在某些限制水域和船舶交通管理系統(tǒng)VTS(VesselTrafficSystem)的作用區(qū)，船舶密度較大，通過(guò)無(wú)線電詢(xún)問(wèn)或船舶主動(dòng)向控制中心報(bào)告獲得船舶信息并由人工輸入VTS系統(tǒng)不僅勞動(dòng)強(qiáng)度增大，而且操作上容易出現(xiàn)差錯(cuò)［7］。AIS提供的信息能滿足各種避碰策略中急需的避讓操船意圖,并作出相應(yīng)處理功能的一種“避碰專(zhuān)家系統(tǒng)”因此，研究AIS信息的采集、處理與傳輸具有較大的理論與實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)［1］劉功臣，王金付等?國(guó)際航標(biāo)信息［M］?上海：上海海事局，2001，(1)：227-231［2］方祥麟.VTS當(dāng)前發(fā)展未來(lái)展望與AIS技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國(guó)航海，2000，(1)：95-99［3］黃麗卿，胡穩(wěn)才等.AIS輸出數(shù)據(jù)包的解包技術(shù)研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，

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