基于AIS的船舶监控系统Word文档格式.docx

1、1.1.3 信息显示器41.1.4 VHF收发机部分 41.2 AIS的功能特点 41.3 AIS的网络体系结构 51.3.1 物理层51.3.2 数据链路层61.3.3 网络层61.3.4 传输层62 船载AIS原理72.1 船载AIS的工作原理 72.1.1 TDMA数据链同步72.1.2 AIS时隙接入协议 82.2 自组织通信原理93 AIS接口协议113.1 IEC 61162协议 113.1.1 电气规范113.1.2 语句格式及符号123.2 ITU-R M.1371-1协议134 系统总体设计 144.1 系统功能144.2 系统框架154.3 系统数据164.3.1 数据流程

2、164.3.2 数据存储175 电子海图显示 175.1 电子海图概述175.2 海图信息显示185.3 图像缩放196 系统实现及校验 206.1 串口通信206.2 相关电文解析216.2.1 ITU-R M.1371-1电文解析216.3 信息显示236.4 系统组成246.5 运行结果25前 言近年来，世界范围内的航运市场在飞速发展，港口船舶密度越来越大。尽管现在的航海技术有了长足的进步，但是海上船舶碰撞事故还是经常发生，给海上人命安全及海洋环境造成极在的威胁。产生这种现象的原因主要是由于用于船舶管理及避碰的各种助航仪器设备不能充分满足海上监控及通信的需要。当前航海上用于船舶监控的主要

3、设备是雷达，船舶间为了航行安全而进行通信使用的设备主要是甚高频（VHF）无线电话。雷达设备是根据屏幕上的物标回波来识别目标的，这并不能直接反映目标的大小，在正常情况下，靠雷达回波也不能可靠地估计出目标的航向航速等一些对船舶航行十分重要的参数，特别是当船舶改向机动时，雷达回波会有一定的延时，即便是雷达自动标绘仪也是这样的。此外，目前船舶间通信依靠VHF无线电话，但由于没有有效的手段及时取得对方的标识信息，通信时只能靠通报自己或对方的船位来相互识别，这在船舶密度大的水域或是在船舶处于紧迫局面时是很难实现的1。国际海事组织（International Maritime Organization，IM

4、O）和各国主管部门通过制定和实施避碰规则，规定强制配备必要的助航设备，建立VTS、船舶报告制度等措施来管理船舶的安全航行，但船舶的碰撞事故还是屡屡发生。为了进一步提高船舶安全航行的性能，有关机构和厂商对助航设备进行着不断的研究和开发。船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）就是在当今通信技术和计算机技术飞速发展的背景下应运而生的。AIS实际上是一移动通信系统，它在海上VHF频段采用SOTDMA方式播发船舶的静态数据和动态数据，同时接收其它船舶发出的信息并显示。这将有助于船舶的识别和信息交换，从而提高船舶航行安全和效率。AIS的目的是让所有船舶都

5、安装有自动应答和识别装置，装有这种装置的船舶就可以互相“看得见”。船舶之间“看得见”，意味着不须人为介入便能够连续交换重要的航行数据，包括当前航行状态和其它动态信息。这对航海的安全、海上交通的控制和海事环境的监视是非常有益的。AIS系统的出现对传统的船舶监控带来新的理念，使海上船舶管理发生很大变化，各方通过AIS将获取到所需船舶的动态及静态信息，可以对船舶进行远程、实时的监控。AIS是依靠岸基的VHF岸台和移动的船舶安装无线应答器系统来工作的。基于一个可由控制站操作员调整的时间表，基站对所有的船在70信道上发出一个电信号。这个信号可以是广域的，也可以是局域的。只有安装了AIS系统的船对呼叫产生

6、应答（不是已经登录到系统的船）。基站在船的移动中自动获得信息。AIS电脑将决定在工作信道上进入船舶的系统或者是在70信道上监视船舶。AIS基站将一组数字和信道按顺序分配给船台。船台就会切换到AIS信道。在适当的时间，基站会将其他所有的船在系统中的数据通知给船台。船和岸、船和船、岸和船的信息传递已经实现了。操作员以特定的目的输入一个空的表格文本信息。AIS电脑从自己的操作员或者船台得到发送指令后会将信息打包成合适的尺寸和次数并发送出去。经过授权的用户可以通镜像位置看到控制台操作员所看到的所有一切，并能放大或者缩小控制地带中的任何区域。选择的船舶的所有可能的信息都会在屏幕上显示出来。电脑屏幕可以将

7、所有航船的电子海图信息和图标再发送出去。操作者自己的信息，跟所有被选择的船一样，包括航程、航线的数据，在任何时间都可以提供。1998年10月IMO NAV（航行安全技术分委会）第45次会议，对将于2002年7月1日生效的SOLAS公约第v章第20条（船载航行系统和设备的配各要求和运行标准）中，扩大了设备系统配备要求范围，其中较为重要的自动化航行设备有“通用船载自动识别系统（AIS）”和“航行数据记录仪（VDR）”，提交2000年5月IMO MSC大会通过。我国对AIS研究工作与国际先进的国家相比开展的比较晚，但后续的发展速度很快，有相当多的关于AIS的文章发表，交通部海事局也于2000年开始组

8、织有关人员开展对AIS的研究工作，编写了AIS应用技术研究报告和中国海事AIS配布方案，各科研单位、相关院校和海事部门也在积极开发基于AIS的船舶监控系统，有些系统已投入使用并且在不断完善之中。随着我国AIS岸台网络系统的逐步建设完善，在研究利用AIS进行的船舶远程及实时监控时，为了对船舶进行有效监控，必须利用AIS设备通过串口对船舶所发的动静态信息进行接收，目前，PC机一般都有串行接口，所以要利用Visual c+60开发一个串行通信类，并在此基础上编写对AIS协议的解析程序。通过串行接口接收的数据是按照AIS的IEC61162标准封装的二进制数据。必须对这些数据进行解析，才能知道具体的通信

9、内容。把解析后的数据存储到数据库中，是这部分需要完成的任务，而且希望对它的改动不会影响到整个系统。因此，本部分程序做成了动态链接库的形式，对它的调用不受编程语言和调用程序的影响。为了对接收到的AIS船舶动静态数据进行存储，本文设计了AIS数据接受和发送两个数据库，分别存储接收到的其他站台信息和本船信息及本船发送给其他台站的信息。为了直观地监控船舶的动向，就要把接收到的数据实时显示在电子海图上。系统通过调用相应的电子海图，把收到的船舶当前经、纬度，转换成设备坐标，在屏幕上画出船舶的位置。并且，设计一个界面，用来察看船舶详细信息和发送消息，以及显示历史信息。 随着我国AIS在船舶监控领域的发展，必

10、将加快海事管理现代化的进程，同时将带动我国相关行业的技术进步和经济发展。1 船载AIS的结构与功能AIS采用专用的国际频道，按规定的通信方式和运行模式，在其信号覆盖区域内，自动向邻近的岸台和其他船舶播发本船的呼号和船名、船长和船宽、船舶与货物类型、船位、航向和航速等航行状态及安全信息。同时，能自动接收来自配备AIS设备的船舶所播发的上述信息，以及岸台AIS播发的相关信息。1.1 AIS的构成AIS的基本构成包括：数据的采集部分、信号处理与系统控制器、信息显示器、VHF收发机部分等。如图1.1所示：图1.1 AIS的结构组成1.1.1 数据的采集部分 接收来自GPS接收机的本船船位、对地航速、同

11、步UTC以及来自电罗经的本船对地航速等信号，转换成数字信号并输入信息处理器，还有包括从输入装置中输入的信息。接口电路对所采集的GPS及其它传感器数据进行转换处理，并输入信息处理器。1.1.2 信号处理与系统控制器此为AIS的核心部分，通常是一个嵌入式微处理系统，用于存储本船识别码、船名、呼号、船型等静态信息以及船舶吃水、危险货物类型、航线等航行相关信息；处理并存储本船动态信息；将存储本船最新航行数据和必要的静态信息以及与航行相关的其它信息进行编码后送至发射机；对接收来自周围其他船舶的航行数据进行编码并存储解码后的数据；将本船和其他船舶的航行数据等信息送至信息显示器显示；信息处理器中包括船舶的静

12、、动态数据库以及对信息的处理、管理控制、时隙选择、同步监测、显示等相应软件。系统控制器控制VHF收发机在VHF的CH87B（161.975MHz）、CH88B（162.025MHz）两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的GMSK信号。GMSK调制方式可改善MSK信号频谱特性，确保以尽可能窄的频带传输尽可能高的信息流。AIS的工作方式有自主连续模式（Automatic and Continuous）、分配/指配模式（Assigned）和轮询/受控模式（Polled or Controlled）。1.1.3 信息显示器顾名思义，用于显示各种数据及状态信息，监视系统运行状况。通常与雷达、ARP

13、A及电子海图显示器融为一体。1.1.4 VHF收发机部分 VHF收发机由系统信息处理器控制，按照IEC61162协议，用VHF的CH87B（161975MHz），CH88B（162025MHz）两个国际专用频道自动发射和接收通信协议方案规定的高斯滤波最小频移键控（GMSK）信号，已调信号中含有本船和他船和航行信息，AIS同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个频率上交替进行。此外，主管部门还可以指配AIS的区域性频率。1.2 AIS的功能特点系统工作特点：在所有区域内自主和连续工作，由交管监视中心指配工作模式，以便于主管部门控制数据传输的间隔和时隙，数据的传输响应来自于船舶或主管部门的

14、询问，有轮询和受控两种模式。系统传输的静态信息：IMO编码（如有）、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、定位天线在船上的位置。系统传输的动态信息：船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航行状态、转向率、横倾角（选用项）、纵倾和横摆（选用项）。系统传输的航行相关信息：船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划（选用项）、简明的安全信息。技术特点：AIS采用自组织时分多址联接（SOTDMA）工作模式，无线传输的带宽为25KHz12.5KHz，FMGMSK调制方式和NRZI数据编码方式，数据传输的比特率为9600bs。1.3 AIS的网络体系结构开放系统互联（OSI），是IS0

15、推荐给计算机网络通信的参考模型，其从高层到低层的一共有七层。OSI七层模型称作开放式系统互连参考模型（简称0SI模型）。其原本开发的目的是为了基于计算机的系统间建立可相互理解和辅助发展数据连接而提供一个通用结构，它可以在众多不同的数据和通信协议间建立起符合国际标准的系统。AIS作为VHF无线通信网络，引入OSI概念，其采用了OSI的低四层结构，即物理层、数据链路层、网络层、传输层。表1.1表示了AIS的分层模型。表1.1 AIS的OSI模型应用层表达层会话层传输层信道A 网络层 信道B链路管理实体数据链路数据链路服务媒体访问控制物理层接收机A发射机A/B接收机B1.3.1 物理层物理层涉及到通

16、信在信道上传输的原始比特流。主要处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。AIS中的物理层负责比特流传输、VHF收发机的功率控制、控制收发机和信道时序等工作，其性能参见表1.2所示：表1.2 物理层性能参数参数名数值比特率9600bit/s数据编码方式NRZI（反相非归零）无级传输带宽25KHz/12.5KHz调制方式DMSK（高斯最小键控）/FM1.3.2 数据链路层数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路。它要解决由于帧的破坏、丢失和重复所出现的问题。要解决的另一个问题就是防止高速的发送方的数据把低速的接收方“淹没”，因此需

17、要流量调节机制。该层又分成三个分层：媒体访问控制（MAC）；数据链路服务（DLS）；链路管理（LME）。媒体访问控制（MAC）提供联接VHF数据链的方法，向上面的子层提供透明的服务。主要功能可以分为TDMA信道同步、时隙状态的判别和处理、信道访问等。同时，MAC子层还采用一定方法对从物理层接收到的数据进行CRC校验处理。AIS系统以UTC时间为基准，将UTC时间的1min作为一帧，并将其分为2250个时隙。AIS台互相之间连续同步，避免了时隙发射的重叠。数据链路服务（DLS）的作用是数据链路的激活和释放、数据传输及误差检测与控制。数据链的激活和释放功能是基于MAC层，DLS层侦听、激活或释放数

18、据链，根据时隙识别的结果，若当前时间段被标注为空闲或外部分配状态时，表明设备处于接收模式，并负责侦听数据链上其它用户的情况。数据传递，采用面向比特的协议，该协议基于高级数据链控制（HDLC）。误差检测和控制的处理运用CRC多项式计算求和。链路管理（LME）的功能是控制DLS、MAC层和物理层的运行。包括AIS台的三种工作模式、数据链的连接、接入算法的确定。包括信道访问时的各种参数的确定、报告速率的指定、发射时隙的指定、信息结构和信息类别等。1.3.3 网络层网络层的主要作用是信道管理，建立和保持信道发射信息包的分配和数据链拥塞的解决等。其功能有：（1）建立和维护信道连接；（2）信息优先分配的管

19、理；（3）信道间传输组的分配；（4）解决数据链阻塞的问题，当数据链的负荷达到危害信息发射的程度时，可以使用Robin Hood准则来解决。1.3.4 传输层这一层负责将数据转换成大小正确的发射信息包、数据分组排序和与较高层的接口规程。发射信息包的定义是最终能与外部系统进行通信的信息内部表述法，有尺寸大小并遵从数据传输规则。其来源是位置传感器，如GPS。AIS的信息是通过信息数据包来传输的，一帧为1min，分为2550个时隙，每个时隙还有256bits。如图1.2所示：图1.2 AIS数据帧组成对准序列也称同步码，它把收发两端时钟对准，并使码位对齐，以给出每个码元的判断时刻。开始标记称字同步，它

20、表示信息的开始位，作为信息起始的时间标准。信息数据是所需传输的信息内容，它分为信息标志和信息内容。信息标志表示信息类型、信息数量、优先级和路径。信息内容既通信双方所需求的数据。帧校验序列用于检测传输的数据是否正确，其采用循环冗余校验（CRC）。结束标记表示信息传输结束。2 船载AIS原理2.1 船载AIS的工作原理 AIS采用时分多址（TDMA）通信方式，它把每个信道的时间分成固定的时隙，而TDMA技术需要所有电台保持时间上的同步。2.1.1 TDMA数据链同步在AIS中，共同的时间参考基准是协调世界时，主要的时间源是GPS时间。当然，其它与UTC相关的时间也可以作为AIS的时间源。因此，AI

21、S的TDMA数据链路上的每一帧与协调世界时的每一分钟同步。AIS采用以下4中方法来产生对UTC时间的估计：（1）直接与UTC同步装备了GPS接收机的用户能够自己估计UTC时间（GPS时间）。这是使AIS独立于岸站的主要时间参考。（2）间接与UTC同步当一个电台不能从GPS接收机中得到UTC时间，但能接收到与UTC同步的其他电台的信号时，这个电台将与他们中的一个同步。（3）与岸台同步（直接或间接）若船台不能用以上的方法同步，但能接收到岸台的信号，这个台将同于接收的岸台中能接收到的台站数量最多的那个台站。当船台能接收到几个接收台数量相同的岸台发送的信息时，应选用海上移动业务识别（MMSI）最小的岸台。（4）与一个移动台同步当某个海区的移动台都丢失了UTC时间基准，并且接收不到岸台的信号时，这些台将同步于它们之中能接收到的台站数