（交通信息工程及控制专业论文）AIS及其关键技术研究.pdf

上海海运学院硕士论文a i s 及其关键技术研究 中文摘要 ，厂 f 纵观航运技术发展的历史，为了提高船舶航行的安全性，目前主要采取两个 、 方茸措施，一方面是船靠港时依赖于船舶交管系统v t s ，另一方面是船与船操作 时依赖于船舶避碰规则。而雷达一直作为这两个方面主要的观测设备，用来监测 和识别船舶。雷达的性能也不断提高，但始终难以克服自身的局限性。随着通信 技术和计算机技术的飞速发展，为这方面的研究和开发提供了技术上的保证， a i s 就是依托了这些技术发展而成的。 a i s 系统的主要应用领域是船舶避碰和船舶交通管理系统。a i s 系统提供了 前所未有的船舶标识信息和高实时性的精确的船舶运动参数。它与当前的雷达相 比具有提供信息量大，实时性好( 适用于高速船) ，抗干扰能力强和越障碍传输 等优点，a i s 系统将会给海上船舶监视带来革命性的进步。y 国外在a i s 技术方面已经做了大量的研究工作，技术标准不断更新。而国内 在这方面的研究却很少，相关资料缺乏。为了跟踪国际a i s 的发展动态，以及 掌握a i s 技术的应用，本论文将研究a i s 系统的组成实现，重点研究传输协议， 根据国际上发布的a i s 技术特性标准来搭建一个试验仿真系统。该系统可以为 今后a i s 相关技术研究提供实验平台，同时也为今后的产品开发做先期研究。 通过理论研究、分析与实验仿真，得出以下结论： 1 、本论文对a i s 传输协议进行了重点研究，尤其对协议中的一些参数进行 了重点分析，并详细阐述了a i s 的工作流程，其中包括各个参数的变化，这对 今后的产品开发意义重大，产品开发过程中硬件技术相对成熟，而本论文研究的 部分则是产品软件设计部分最重要的内容。 2 、以a i s 技术性能标准为基础搭建的a i s 仿真系统分两部分，船载a i s 系统和服务器程序，船载a i s 系统能模拟船载a i s 工作的多种情况，服务器程 序能分析各种情况下a i s 网络的通信状态，从而确定合适的系统容量，这对a i s 基站建设的基站选址很有意义。 3 、本论文研究设计的仿真系统能为今后a i s 相关技术研究提供实验平台。 如在、厂r s 中a i s 与雷达目标的融合f - 题的研究中，该仿真系统能够提供a i s 的 模拟数据。 关键词： 自动识别系统，自组织时分多址，仿真，开放系统互连，动态链接库 v 丈 。7 圭童塑堡兰堕堡主堡壅 垒! 兰垦茎薹壁垫查婴塞 a b s t r a c t m a k i n gac o m p r e h e n s i v es u r v e yo ft h ed e v e l o p i n gs h i p p i n gt e c h n o l o g yh i s t o r y ，t h e r e a r e m a i n l yt w ow a y st oi n c r e a s et h es e c u r i t yo ft h ev e s s e l s n a v i g a t i n gi n t h es e ar e c e n t l y ：o n ei s d e p e n d i n g o nt h ev r r sw h e ns h i p sa r r i v ea th a r b o r s ；t h eo t h e ro n ei sd e p e n d i n go nt h er o l e so f v e s s e lc o l l i s i o nw h e ns h i p sn a v i g a t i n gi nt h es e a r a d a ri sr e g a r d e da st h em a i n l yo b s e r v a t i o n e q u i p m e n to ft h et w oa p p r o a c h e sw h i c hi s u s e dt os u p e r v i s ea n di d e n t i f ys h i p s a l t h o u g ht h e f u n c t i o no fr a d a rk e e p i n go nb e i n gi m p r o v e d ，i t sd i s a d v a n t a g e sa g es t i l le x i s t w i t ht h er a p i d d e v e l o p i n go ft e c h n o l o g yo fc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e r s ，, m s i sb o r nt ol i v ea n dw i l lb e s t r o n g e ra n ds t r o n g e r t h em a i na p p l i c a t i o nf i e l do f , m si st h ev e s s e lc o l l i s i o na n dv r s m sh a sp r o v i d e dt h e u n p r e c e d e n t e dv e s s e l st a gi n f o r m a t i o n a n d h i g h r e a lt i m ea n da c c u r a t ep a r a m e t e ro fs h i p s n a v i g a t i n g i tc a np r o v i d em o r e i n f o r m a t i o n ，b e t t e rr e a lt i m ea n ds t r o n g e ra n i t - j a m m i n gt h a nr a d a r ， a l s oi th a so t h e rv i r t u e ss u c ha s t r a n s m i t t i n go 、e r o b s t a c l e s i naw o r d ，t m sc a nb r i n gt h e r e v o l u t i o n a r yp r o g r e s st ot h es u p e r v i s i o no f t h ev e s s e l sn a v i g a t i n gi nt h es e a i nf o r e i g nc o u n t r i e s ，m a n yr e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nt a k e no nt h ea i st e c h n o l o g y ，s ot h e c r i t e r i o no f ! m sh a sb e e nu p d a t e dc o n t i n u a l l y b u ti no u rn a t i o n ，t h i sa s p e c tr e s e a r c hi ss op o o r a n dt h er e l e v a n ti n f o r m a t i o ni sl a c k i no r d e rt ok e e pu pw i t ht h ei n t e r n a t i o n a l m s sd e v e l o p i n g t r e n d sa n dm a s t e rt h ea p p l i c a t i o n so f ! m st e c h n o l o g y ，t h ea r t i c l ew i l lr e s e a r c ht h ec o m p o n e n t r e a l i z a t i o na n di sf o c u so nt h er e s e a r c h e so ft r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，t h e n a c c o r d i n gt o t h e i n t e r n a t i o n a l l yp u b l i s h e dc r i t e r i o no fa i s ，t h ea r t i c l ew i l le s t a b l i s hat e s t i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ，b y t h ew a yi tw i l ld o p r e p a r a t i v ew o r k s f o rt h el a t t e rp r o d u c t i o n s ，t h r o u g ht h et h e o r i e sr e s e a r c h i n g , a n a l y z i n g a n d t e s t i n gs i m u l a t i o n ，i ti sc o n c l u d e d t h a t ： 1 ，t h ea r t i c l ei sf o c u s i n go nt h er e s e a r c h i n go ft h et r a n s m i s s i o np r o t o c o lo f ! m sa n do ft h e e v e r yp a r a m e t e rc h a n g i n g i nt h e m , s oi ti sg o o df o rt h el a t t e rp r o d u c t i o n s m a n u f a c t u r e ，e s p e c i a l l y f o rt h es o f t w a r e d e v e l o p i n ga s p e c t 、 2 ，t h e ! m ss i m u l a t i o ns y s t e mi sc o m p o s e db yt h es h i p b o m , m sa n ds e r v e ra p p l i c a t i o n t h e s h i p b o m m s c a ns i m u l a t em a n yk i n do f w o r ks t a t u sa n dt h es e v e ra p p l i c a t i o nc a n a n a l y z ea l lk i n d o fs t a t u so ft h e , m sn e t w o r k sc o m m u n i c a t i o nt 0d e c i d et h ea p p r o p r i a t es y s t e m c a p a b i l i t y i th a s g r e a tm e a n i n g t ot h eb a s es t a t i o ns i t es e l e c t i n g 3 ，t h es i m u l a t i o ni nt h i sa r t i c l ew i l lp r o v i d eat e s t i n gp l a t f o r mf o rt h el a t t e r , m sr e l e v a n t r e s e a r c h e s f o re x a m p l e ，i nt h er e s e a r c ho fa m a l g a m a t i o n p r o b l e mb e t w e e n m sa n dr a d a rt a r g e t i n 晤t h es i m u l a t i o ns y s t e mc a np r o v i d ea i ss i m u l a t i o nd a t a k e y w o r d s ：a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，s e l f - o r g a n i z i n gt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， s i m u l a t i o n ，o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ，d y n a m i c l j n kl i b r a r y 上海海运学院硕士论文a i s 及其关键技术研究 图目录 图3 - 1a i s 系统的硬件连接图 图3 2a i s 系统的原理组成框图 图3 3a i s 的o s i 模型 图3 - 4时隙图谱 图3 - 5初始化阶段流程图 图3 - 6网络登录阶段流程图 图3 - 7候选时隙图谱 图3 - 8第一帧阶段流程图 图3 - 9连续操作阶段流程图 图3 1 0改变报告速率阶段流程图 图3 - 1 1指定发射时隙流程图 图4 - 1系统模型图 图4 - 2客户机服务器模型 图4 - 3流套接字流程图 图4 - 4 c s o c k e t 、c s o c k e t f i l e 和c a r c h i v e 的关系 图4 - 5c s o c k e t 和c a r c h i v e 通信流程 图4 - 6时隙同步流程图 图4 - 7信息结构 图4 - 8天线参考点和船舶规模图 图4 - 9r a t d h a 流程图 图4 1 0 电子海图显示 图4 - 1 1a i s 信息文本显示 = 垡! 妻垩兰堕竺主堡茎 a i s 段其关键技术研究 表目录 表3 1台站的报告速率 表4 - 1信息1 的信息结构 表4 - 2s o t d m a 通信状态信息结构 表4 3子信息内容 表4 - 4i t d m a 通信状态信息结构 表4 5 船舶静态和航行相关信息结构 表4 6询问信息结构 表4 7仿真程序测试数据 表4 8测试数据分析表 表4 - 9 a i s 系统容纳各类船舶的数量 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 1 1 研究背景 第一章绪论 纵观航运技术发展的历史，为了提高船舶航行的安全性，目前主要采取两个 方面措旖，一方面是船靠港时依赖于船舶交管系统v t s ，另一方面是船与船操作 时依赖于船舶避碰规则。而雷达一直作为这两个方面主要的观测设备，用来监测 和识别船舶。雷达的性能也不断提高，但始终难以克服自身的局限性。 人们很早就意识到在船上配备一个自动报告设备对于船舶的安全航行和监 控海上航行环境是十分有利的，能够从根本上解决一些雷达局限性和v h f 人为操 作因素带来的问题。在十多年前，这样的一个设备虽然技术上是可行的，但非常 复杂和昂贵。随着g p s 和d g p s 的出现、现代通信技术的完善以及技术可行、价 格适中的收发机出现了，航运界开始着重研究这一技术，通过海上v h f 波段来发 送和接收数据信号，这一技术不断的发展和完善，形成现在的船舶自动识别系统 ( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) ，它是多个国际组织，特别是国际海事 组织( i m 0 ) 、国际助航设备和航标协会( i a l a ) 以及国际电信联盟( i t u r ) 多年来工作的结果。 1 2 研究动机与目的 a i s 作为一项最新技术在最近几年得到了迅速发展，由理论研究阶段进入到 实用阶段。a i s 作为i m o 要求必须配备的助航设备，具有很强的信息传输功能， 有利于港e l 交通管理和船舶航行安全。我国是i m o 的缔约国，必须在2 0 0 2 年 开始推广实施，各港口部门也要建设或更新、厂r s 系统，建立基于a i s 的更高效 的船舶交通管理系统。我国有众多的国际航运船舶，从事该行业的相关技术人员 有责任研究分析a i s 的使用技术，力争研制开发国产的、高质量的a i s 设备， 节约设备成本，减轻各大航运企业的经济负担。 国外在a i s 技术方面己经做了大量的研究工作，技术标准不断更新。而国内 e 海海运学院硕士论文a i s 及其关键技术研究 在这方面的研究却很少，相关资料缺乏。为了跟踪国际a i s 的发展动态，以及 掌握a i s 技术的应用，本论文将研究a i s 的组成实现，重点研究传输协议，根 据国际上发布的a i s 技术特性标准来搭建一个试验仿真系统。该系统可以为今 后a i s 相关技术研究提供实验平台，如对于在v t s 中a i s 与雷达目标的融合问 题的研究，该仿真系统就可以提供a i s 的模拟数据。同时也为今后的产品开发 做先期研究，为我国在国际海事组织中讨论相关议题提供理论和实验依据。 1 - 3 研究方法与限制 通过进行广泛调研，分析、研究、收集资料，掌握国际、国内a i s 的发展动 态和动向，根据国际海事组织( i m o ) 和国际电信联盟( i t u ) 有关a i s 的国际 标准，搭建一个试验仿真系统。仿真系统程序的开发平台选用微软的v i s u a l c + + 6 0 。 在此研究过程中，遇到了以下限制：在资料收集方面，国内最新a i s 技术标 准的相关资料缺乏，对于国际上a i s 技术资料的获取仅通过网络和图书馆查阅， 一些最新的信息可能无法获得。程序设计方面，该仿真程序只仿真了船载a i s 系统，相互问的操作只是船对船操作，由于时间有限，没有对a i s 岸台进行仿 真。a i s 信息中有关岸台的信息没有进行封装和解析，但为其预留了接1 ：1 ：1 。这对 于整个a i s 系统的完整性来说有所欠缺。对于a i s 的时隙同步问题，由于计算 机无法提供标准的u t c 时间，所以无法按照技术标准来仿真，为了能让系统正 常工作而采用了论文中所提到的时隙同步方法。实际a i s 系统工作在两个信道， 本仿真程序仿真了一条信道的传输，这在测试系统容量时，缺乏一点说服力。由 于本人编程能力有限，程序中可能还存在一些小问题，但对于a i s 系统来说没 有影响。 l - 4 论文架构 本论文主要分三个部分，分别为二、三、四章。第一部分从a i s 的产生、发 展切入介绍，对a i s 的发展趋势和市场前景做了分析。第二部分运用o s i 模型 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 分析了a i s 系统工作的四个层，并着重分析了网络层中的链路管理实体子层， 按照a i s 的工作流程，详细讲述了四种不同的联接方式在数据链上的合作过程。 第三部分提出了仿真程序设计的方案，并对不同的方案进行了比较，然后按照选 择的方案中的整体思路，根据a i s 的性能标准来编程仿真a i s 的工作过程。通 过仿真程序对a i s 系统的一些性能进行测试，分析仿真系统的作用。在论文最 后部分根据测试结果提出结论，并对后续研究提出建议。 3 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 2 1a i s 的产生 第二章系统介绍 i h 0 和相关航运组织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v t s 和船舶报告制度等措旋来提高船舶航行的安全性，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。随着通信技术和计算机技术的飞速发展，为这 方面的研究和开发提供了技术上的保证，a i s 就是依托了这些技术发展而成的。 由于雷达有它的局限性，如精度分辨率有限，易受天气海况干扰和地形影响， 加之提供的信息又十分有限( 船位、速度) 。全球航运界为了进一步改善航行安 全都在提高雷达性能上投入了很多精力，虽然雷达的性能有了很大的改善，但有 些局限性却无法改变。在以往的海上船舶碰撞事故中，出现过多起由于v h f 设 备操作问题和语言交流上存在的问题而不能及时沟通和了解对方船舶的信息与 操船意图，最终导致碰撞事故发生的案例。在限制水域或v t s 作用区域，控制 中心通过无线电话询问或由船舶用无线电话向控制中心报告而获得船舶的信息 后，再用人工方式将船舶信息输入v t s 监控系统以实现对船舶的跟踪管理。由 于采用人工方式向系统输入信息，对船舶来往密度较大的、厂r s 作用区域的控制 中心来说，不仅工作强度大，而且易出现操作上的差错，有时也会因进入雷达的 盲区而丢失目标。针对上述情况，欧美一些国家在9 0 年代前后，着手开展了用 于自动获得船舶信息和航行状态技术的探索和研究。 a i s 系统的核心思想是将船舶的g p s 等信息用甚高频( v h f ) 数字通信广 播给周围的其它船舶，让这些船舶共享这一信息，以实现船舶的自动识别和监视。 a i s 系统也是计算机无线网络技术在航海领域中的应用。 2 2a i s 的发展过程和现状 较早的一种方法是基于v h fd s c 技术开发而成的，称为“自动应答系统 ( t r a n s p n d e rs y s t e m ) ”。其基本方法是在7 0 频道上以d s c 方式自动发 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 出向问信息，接收到询问信息的接收机( 装在船舶或岸台上的a i s 设备) 根据询 问疗要求的频道，将本船的识别码、船名、船位、航向、航速、吃水等信息自动 传给询问方，这样便实现了自动应答功能( 其中船舶识别码和船位信息是必需传 送的，它在设备安装时已存入；船位信息来自g p s ，通过数据接口连接在发射 设备上】。在v t s 作用区域，岸上设备不断向周围区域发出询问信号，区域内的 船舶在接收到询问信号后便自动依次向岸上设备发回各类信息，这些信息自动输 入v 丁s 设备。、厂r s 控制中心通过v h f 将这些信息用广播方式播发，凡配备这 种设备的船舶都可接收到，并可在电子海图上显示出来，驾驶人员可在电子海图 上看到周围船舶的船位、船名、航向、航速等信息。此外，系统还可进行数字通 信和语音通信。由于新技术在v t s 中的运用，增加了系统的功能，使之成为“增 强型v t s ”。与此同时，一种在v h f 频道上，用欧洲数字集群标准的技术来实 现自动应答功能和通信功能的研究也相当成功。在i h o 正式公布a i s 的性能标 准之前，上述系统已在欧美一些国家得到应用。 i h o 很重视这项新技术对安全航行的作用，在1 9 9 5 年1 1 月2 9 目的 7 4 s o l a s 公约政府会议上，通过了一系列决议，其中的决议9 是关于自动船 舶识别应答器收发系统。在该决议中，肯定了这种装置“将极大地提高航行 安全性”，并提出：尽快制定该装置的操作要求和性能标准，审议通过该装置系 统配置的s o l a s 公约修正案；同时请国际电信联盟制定该装置的技术标准和合 适的频率。1 9 9 6 年，在i m 0 航行安全分委会4 2 次会议上，审议了技术小组 提交的使用v h fd s c 技术的船用自动识别系统装置的性能标准草案，并将 该系统简称为“a i s ”；同年，在海事安全委员6 7 次会议上同意把a i s 作为今 后需实行的方案来考虑。1 9 9 7 年i m o 的航行安全分委会举行了4 3 次会议， 会上通过了关于全球船载自动识别系统( a i s ) 性能标准的建议案。这次会议 简报对a i s 的功能作了描述，称该系统“满足以下需要：船对船模式的避碰； 港口国获得船舶和它所运货物的信息；作为v t s 的工具。”1 9 9 8 年i m o 的海安会批准了该建议案。1 9 9 9 年航行安全分委会4 5 次会议最后确定了对 s o l a s 公约第五章的修订( 按程序，“新五章”需在2 0 0 0 年1 2 月海安会的7 3 次会议上通过最后批准) ，并确定了航行于国际航线的3 0 0 总吨以上船舶和公约 国航行于国内航线的5 0 0 总吨以上的船舶，将从2 0 0 2 年7 月1 日起到2 0 0 8 ! 堡塑垩兰堕竺主堡奎 a i s 及其关键技术研究 年7 月1 日分阶段执行配备a i s 设备的规定。 为了规范和统一系统技术标准和频率资源的合理使用，国际电信联盟( i t u ) 曾于1 9 9 2 年出台了建议案r r u r h 8 2 5 。w r c - - 9 7 ( 1 9 9 7 年世界无线电 行政大会) 批准将v h f 8 7 和8 8 频道拆为单工频道，其中的1 6 1 9 7 5 m h z 为 a i s l 频道，1 6 2 0 2 5 m h z 为a i s 2 频道。国际电信联盟无线电通信第八研究 组经过激烈的讨论后，在1 9 9 8 年提出了一份海上v h f 波段使用t d m a 的船 用自动识别系统( a i s ) 的技术特性的建议案，该建议案采用s o t d m a 系统用 于船舶间的航线监督及安全、船舶报告、v t s 应用等，并已被i 卜1 0 所采纳。 从国际上看，由于美国力推d s c 技术而欧洲力推s t d m a 技术的历史原因， 美匡1 人对a i s 的热情不是很高，并且还给a i s 的全球实施制造了一些障碍，据 报道，美国目前只有r o s s 公司推出了a i s 设备。在欧洲，瑞典是a i s 技术的 发源地，它的s m b 公司推出了完整的a i s 船用设备和岸基设备，并进行了大 量的实验，是该项技术的领导企业。在亚洲，日本、韩国还未见有关推出a i s 设备的报道。象日本的j r c 公司，由于其内部产业调整，目前并未推出a i s 的 内核产品。从国内情况看，由于近年来中国计算机产业和微电子产业的迅速发展， 使中国已具备了前所未有的研发船用电子设备的基础；另一方面，由于中国改革 开放2 0 年，经济有了快速增长，资本市场有了空前的发展，目前中国有相当多 的闲置资本想用于高新技术的投资。这也是我国开始从事船用电子设备研发的一 个重要条件。在全国首次a i s 应用技术研讨会上，广州一家公司宣布开始研发 船用a i s 产品，这也是目前有报道的国内唯一一家开发a i s 产品的厂商。 2 3a i s 的发展趋势 a i s 系统的主要应用领域是船舶避碰和船舶交通管理系统( 、厂r s ) 。a i s 系 统提供了前所未有的船舶标识信息和高实时陛的精确的船舶运动参数( 船位、对 地航向、对地航速以及船首向等) 。它与当前的雷达相比具有提供信息量大，实 时性好( 适用于高速船) ，抗干扰能力强和越障碍传输等优点，是雷达系统有益 的补充。a i s 系统能够很好的支持许多自动操作，可以从根本上改变目前船舶间 的避碰方法和v t s 的船舶识别和航道管理方式。a i s 系统将会给海上船舶监视 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 带来革命性的进步。另一方面，a i s 系统提供的类似于当前手机的短消息通信功 能，也是前所未有的。它于v h f 语音通信相比，具有通用性好、效率高、易于 处理和应用面广等优点，为船岸间信息交换开辟了一个全新的方式，特别适合于 当前信息技术的发展和船岸间数据通信的要求。以此为核心构建的全国沿岸a i s 监控网可以实现对中国沿海、重点水道和港口的实时动态监视，可以支持海上救 助、环境监理、交通调度以及岸基“黑匣子”等多项应用。 从信息技术的角度看a i s 系统，可以认为它是计算机无线网络技术在航海领 域的应用，是信息高速公路向海洋的延伸，是航海技术的一项革命性进步。a i s 系统构筑的动态数据网络，为航海技术的发展提供了一个崭新的平台。以其为基 础，可以像互联网那样演变出更多的、难以预计的新系统和新应用，是人类航海 史上的又一里程碑。 从a i s 的基本功能和技术特点看，该系统为船舶航行安全和航行管理提供了 一种新型而有效的手段。据国外有关部门在1 9 9 9 年作的统计和预测，a i s 的发 展虽比e c d i s ( 电子海图显示与信息系统) 起步晚十年左右，但它的发展速度已 大大超过e c d i s ，今后若干年将保持这种发展趋势。由于a i s 具有数据来源的 自主性，数据准确、信息量大，与雷达相比具有更高的可靠性和实用性，以后 a i s 一定会逐步地取代雷达的大部分功能。我相信在不久的将来，随着a i s 的 陆续安装，将给航运界带来一次技术的革新，越来越多的系统和设备将借助于 a i s 来完善其功能。目前，a i s 已在多个方面得以运用，首先是在船舶交通管理 系统( v t s ) 中应用，这也是它最主要应用，船舶一进港，v t s 的就可以自动 收到它的a i s 信息，根据其中的船名、地理位置、航向、航速，将其动态标绘 在e c d i s 上，这样就省去了人工操作的那一部分。其次是船舶间的避碰，a i s 信息除了提供高精度的航行数据外，可以包含船舶的操作意向，这就非常有利于 船舶的避让操作。此外，将来还可以用于搜救行动，通过a i s 弄清求救援的船 舶的存在，并确认船位和遇险状况，特别是可以通装有a i s 的空中救援飞机和 救生艇，在搜救行动中发挥更有效的作用。 主塑堕墨兰堕堡主垒苎 a i $ 及其关键技术研究 2 4a i s 的市场前景 a i s 产品有着极其广泛的市场前景。我们可以从直接市场和潜在市场两个方 面来作进一步分析。根据国际海事组织的规定，3 0 0 总吨及其以上从事国际、 国内运输的货船和所有客船必须白2 0 0 2 年7 月1 日起至2 0 0 8 年7 月1 日止 分阶段装载a i s 系统。据报道，截至2 0 0 0 年的统计我国拥有国内运输客船1 4 8 万艘，国内运输货船1 5 8 4 万艘，加上其它类型的运输船舶，总计为1 8 2 3 万 艘。据不完全统计，我国国际海运船舶为2 5 2 5 艘。在考虑港口、水道作业船和 海监、公安、边防等公务船，预计我国拥有的船舶在2 0 万艘以上。以当前a i s 船台价格7 万元( 人民币) 计算，半数安装，预计市场为7 0 亿元。考虑到我国 加入w t 0 后，更有利于参加国际市场竞争，特别是东南亚市场和上海六国市场， 预计为国内市场的两倍，即1 4 0 亿元。由此可见，在i m 0 强制装载要求的框架 内，我们又可能涉入的市场为2 1 0 亿元。 除此之外，a i s 产品还存在一个更大的潜在市场。这个市场可以分为两个方 面，一是a i s 系统的相关与配套产品市场；二是a i s 系统的自主知识产权市场。 a i s 系统的相关产品是指在i m o 强制要求以外的a i s 产品市场，如a i s 系统 的岸基设备。随着船舶陆续装载a i s 设备，v t s 交管中心、引航站、港口和海 军基地将会逐步安装a i s 岸台设备。我国也有在全国沿海建立a i s 监控网的设 想。另外，一些江河水道，如长江、珠江和鸭绿江等也有可能建立a i s 监控网。 此外，a i s 系统的相关产品还包括在灯塔、灯浮等航标设备上安装的特种a i s 产品。它们主要用于航标识别和维护。a i s 系统的配套产品是指进一步处理a i s 信息的产品。由于国际海事组织没有直接规定a i s 信息的显示界面，只是指定 用e c d i s 作为它的终端。而e c d i s 不是强制装载的设备，因此a i s 的强制装 载必定捆绑着e c d i s 或是其它类型的显示终端设备一道装船。当前一套e c d i s 设备在2 0 万一3 0 万人民币左右，因此预计a i s 产品的直接配套市场也在2 0 0 亿元以上。其次，a i s 岸台也需要一个与互联网连接的网桥和网关设备，这也是 a i s 岸基设备配套必不可少的重要环节。a i s 的自主知识产权市场是指中国完全 掌握其技术内核的a i s 产品市场。首先考虑军用船只，出于国家安全和战争的 需要，军用a i s 产品必须是中国自己的产品，而且还要对现有的a i s 系统功能 进行修改和加强，以适应军队特点和海军对海上船舶的监视要求。其次，考虑到 8 - 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 a i s 系统的安装越广泛，全系统的效能越高的特点，各国在i m o 强制装载范围 以外的船舶( 如：渔船等) 中强制装载是完全必要的和完全可能的。有自主知识 产权就可以根据国情需要适当调整现有a i s 系统的功能，以便降低成本，推广 实施。据2 0 0 0 年统计资料，中国有海上作业渔船2 8 万艘，这也是一个非常大 的潜在市场。 目前研发a i s 产品幸运地踏上了四个前所未有的研发我国自主知识产权的 船用电子设备的机遇。首先是i m o 通过的自2 0 0 2 年7 月1 曰起至2 0 0 8 年7 月1 日止的a i s 设备强制装载规定。这个规定确立了一个相当大的国际、国内 市场，同时又因为a i s 技术涉及面广、应用多，所以他又带动了一个更大的相 关市场群，这是以前所有强制装载的船舶设备所不能及的。其次，是中国改革开 放2 0 年，经济高速增长，建立了较好的信息产业基础和资本积累，使我们有条 件、有能力开发自主知识产权的船用电子设备。再次，是我们时逢我国现在正从 过去的航运大国向航运强国转化的机遇。政府将大力支持拥有自主知识产权的船 用设备的开发，这势必将有利地支持中国船用电子企业在国际市场和国际论坛上 争得与航运强国相称的一席之地。最后，研发a i s 设备恰逢中国加入w t 0 的 大好时机。这将有利于我们的产品进入国际市场，有利于保障中国产品在一个较 为公平的市场环境中与国际产品竞争。 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 第三章a i s 技术特性分析 a i s 系统的构成可以分为硬件构成和软件构成二个方面。a i s 系统在硬件上 由四部分组成，硬件连接图见图3 1 ，具体说明如下： i 、 v h f 数字通信通道：它工作于海上v h f 信道，主要用于转发和接 收广播的g p s 等船位信息： 2 、 信息处理与控制器：它是一个嵌入式微处理器系统，是全机的控制 中心： 3 、 g p s 接收机：提供船舶的运动参数和精确的时间基准： 4 、 船桥设备接口：主要用于收集和输出信息。 图3 - 1a i s 系统的硬件连接图 a i s 系统的信息处理工作都是由其内部固化的软件实现的。a i s 系统的软件 可以分为三个部分，说明如下： 1 、 网络软件： 按国际电联技术标准，控制自组织无线数字通信网运行； 2 、 系统控制软件：控制全系统各部分协调工作； 3 、 接口软件：提供接口信息处理和控制功能。 a i s 系统在上述的硬件平台上，通过软件控制来实现由i m on a v 4 5 规定 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 的a i s 系统的性能标准。这些功能可以概括为船舶识别、监视、导航和通信四 部分。a i s 系统能够在s t d m a 数据链路上，使用2 2 种报文来传输包括船舶识 别( m m s i ) ，船舶运动参数、船舶静态参数、以及与航次有关、和与安全有关 的信息，可以支持优于当前雷达( 或a r p a ) 性能的船舶监视和当前还未见过的 船一船间以及船一岸间的短消息通信。其原理组成框图见图3 2 ： 报警电路 电源接入 图3 2a i s 系统的原理组成框图 在进行程序仿真之前，首先要对a i s 的性能标准进行充分地理解。从收集的 资料中选择最新的i a l a 关于1 3 7 1 1 的建议案1 作为研究对象，在本章中将详 细分析a i s 的软件部分工作过程。 1t e c h n i c a lc l a r i f i c a t i o n so fr e c o m m e n d a t i o ni t u rh 1 3 7 1 一l ( e d i t i o n1 2 ) 一1 1 上海海运学院硕士论文a i s 及其关键技术研究 3 1a i s 的o s i 模型 本标准对开放系统互联模型的第一至第四层( 物理层、链路层、网络层、传 输层) 提出了要求。图3 - 3 表明t a i s 台站各层模型及其他各层模型： 图3 - 3a i s 的o s l 模型 物理层 物理层负责比特流往数据链上的转移。在该层主要定义了以下这些参数： 带宽：a i s 的运行带宽应为2 5 k h z 或1 2 5 k h z ，在公海采用2 5 k h z 带宽，在 领海应根据当地管理部门的要求使用2 5 k h z 或1 2 5 k h z 的带宽。 调制方式：采用根据带宽进行调整的调频高斯滤波最小频移键控g m s k f m 。 数据传输比特率：9 6 0 0 b p s + 5 0 p p m 。 数据编码：采用不归零倒置( n r z i ) 。 链路层 链路层详细说明了如何将数据分组，以完成数据传输过程中的错误检测和纠 - 1 2 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 正。其包括三个子层： 媒体访问控制( m a c ) ：提供数据发送媒体的方法，b p v h f 数据链。采用有共同 参考时间的时分多址t d h a 接入。 数据链路服务( d l s ) ：为数据链的启动和复原、数据发送、错误检测和控制提 供方法。 链路管理实体( l m e ) ：控锚j d l s 、m a c 和物理层的运行。在该层中定义了四种 不同的联接方式，以及这四种方式如何在数据链上合作1 ，从而完成在整个物理 数据链上连续、平行地运行。 网络层 该层主要完成以下工作：建立并维护信道连接、信息优先分配管理、信道之 间传输组的分配和解决数据链阻塞问题。 建立并维护信道连接： 无线电规则附录s 1 8 中指定了2 个a i s 专用频道供全球范围内远海及其 他海区使用，这两个频道为：a i s l ( 信道b 7 b ，1 6 1 9 7 5 m h z ) 、a i s 2 ( 8 8 b ， 1 6 2 0 2 5 m h z ) 。正常预设运行模式为双信道运行模式，在这种状态中，a i s 同 时在2 个平行的频道上接收信息，a i s 收发器应包含2 个t d m a 接收机，在2 个平 行信道上的接入都是彼此独立的。 信息优先分配管理： 一级( 最高的优先等级) ，保证链路运行的关键性的链路管理信息，包括位 置报告信息；二级( 最高的服务优先等级) ，安全信息，这类信息应尽可能快地 发射出去；三级，分配信息、询问信息以及对询问信息的答复；四级( 最低优先 等级) ，所有其他信息。 信道之间传输组的分配： 在a i s 内部为台站接收的所有用户在建立地址目录，其中包括m m s i 识别码、 方位和距离、速度等；船位报告应分配到显示接口，台站本身位置报告给显示接 口并经v h f 数据链传输，在有必要进行信息排队等候时，应排定信息的优先等级， 将接收到的g n s s 修正信息输出到显示接口。 1 详细合作过程见3 2 节 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 解决数据链阻塞问题： 当数据链的负荷达到了威胁安全信息传输的程度时，采取以下方法解决： 台站重复使用时隙的方法： 当候选时隙不足4 个时隙时，台站应选择重复使用被其它船载台站使用过的 时隙，以使得候选时隙达到4 个，重复使用的时隙应从选择间隔中距离最远的台 站中选取。当一个远距离台站已被选作重复使用的时隙时，在接下来的一帧中不 应再次选作重复使用的时隙。 采用指定报告速率的方法： 基地台可以为船载台站指定报告速率，从而保护v h f 数据链的正常工作。 传输层 该层负责将数据转换成大小正确的传输分组以及将数据分组排序。 3 2a i s 技术参数说明 在分析a i s 工作流程之前，先对其中的一些参数和名词作解释如下： 数据链访问： 增量时分多址i t d m a ( i n c r e m e n t a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ： 通过代替分配s o t d m a 的时隙或通过r a t d m a 分配一个新的未经预宣布的时 隙进行发射。 自组织时分多址s o t d m a ( s e l f - o r g a n i z i n gt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ：移动台在自主连续操作阶段使用，其信息具有重复特性，为数据链其 它用户提供连续更新监督画面。 随机接入时分多址r a t d m a ( r a n d o ma c c e s st i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ：当电台需要分配一个未经预宣布的时隙时使用。 固定接入时分多址f a t d m a ( f i x e da c c e s st i m ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ：只有基地台和控制台能使用，在已分配的时隙中发射重复信息。 这四种协议在物理数据链上的访问操作是连续、平行的，他们都遵从t d m a 规则，不同的操作模式决定使用不同的访问协议。 上海海运学院硕士论文 a i s 及其关键技术研究 i t d h a 参数： 时隙增量( i t i n c ) 时隙数量( i t s l ) 保持标志( i t k p ) s o t d m a 参数： 下一个预分配的时隙与当前发射时隙的偏移量。如 果等于零，表明i t d h a 分配结束。 当前发射占用的连续时隙数量，由信息长度包决定。 表明该时隙是否在下一帧保留使用。 标称开始时隙( n s s ) 电台用来宣布自己在数据链上的第一个时隙。它是 标称时隙选择的一个参照值。 标称时隙( n s ) 标称增量( n i ) 报告速率( r r ) 选择间隔( s i ) 发射时隙( n t s ) 时隙暂停( t m 0 ) r a t d m a 参数： 优先级( r t p r l ) 开始概率( r t p s ) 导出概率( r t p l ) 当前