（模式识别与智能系统专业论文）船载自动识别系统的设计与实现探讨.pdf

中固科学技术人学自动化系坝i 。论立 摘篮 摘要 船舶自动识别系统( a i s ) ，是以自组织时分多址( s o t d m a ) 为核心技术，使 用v h f 频段，g m s k 调制方式，开放系统互联的工作模式( o s i ) 及数据链路层遵 循h d l c 通信规程的一种先进数字通信技术。它是整合了g p s 卫星定位，罗经计 程仪等，利用v h f 无线数据通信，在雷达和电子海图上显示等技术的航海、导航， 信息通信的新型航行设备和系统。 在国际电信联盟( i t u ) 国际海事组织( i m o ) 、国际航标协会( i a l a ) 的共 同努力下a i s 已经成为海上船舶航行导航必须安装的设备，随着最新的设备安装 时间表的出台，国内船舶安装该设备已经迫在眉睫，而a i s 所涉及到的核心技术 却一直掌握在少数几个国家手中，为了研发出自主产权的a i s 设备，打破国外产 品的垄断，成为本论文的出发点和最终目的。 本论文首先主要论述了船载自动识别系统的来由和工作原理，对其所涉及到 的相关技术参考国际电信联盟制定的标准i t u rm 137 1 详细分析了a i s 所用到 的0 s i 四层通信模型即物理层、数据链路层、网络层、传输层的功能和层与层之 间的接口内容，并对其中所涉及到的核心内容s t d m a 作了详细论述。 其次论文在前面分析的基础上给出了一种基于西门子的5 1 系列单片机 8 0 c 5 l7 作为控制模块和t i 的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的d s p 作为协议的处理模块的a i s 系 统设计实现方法。详细介各组成部分的具体功能和详细接口，系统的设计内容主 要分成软件和硬件设计部分，硬件设计给出了系统的硬件功能框图，电路原理图。 软件上讲述了软件的结构，开发环境和部分模块的实现源代码。 最后论文对毕业设计作了总结，并对s t d m a 的应用前景作了展望。 关键字：船载自动识别系统：自组织时分多址；全球定位系统；开放式互连 参考；高级数据链路控制 中网科学拙术人学i j 沦义 a b s t r a c t a na u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ( a i s ) i s an e wa d v a n c e d d i g i t a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ed e v i c e sw h i c hu s i n gv h fb a n da n dg m s km o d u l a t i o nf o r t h et r a n s m i s s i o na n d r e c e 。p t i o no f i t sd a t as i g n a l i t sw o r k i n gr e f e rt ot h eo p e n s y s t e m i n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e lf o s i ) a n dh d l cc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st op r o v i d ead e s c r i p t i o no ft h et e c h n i c a la s p e c t so f a i sa n dt op r o v i d es o m eg u i d e l i n e so f ih o wt h i sa d v a n c e dt e c h n o l o g yc a l lb ed e s i g n a n dr e a l i z et oa c h i e v ee f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s si naw i d er a n g eo fs h o r e b a s e d a p p l i c a t i o n s t h e r ea r ef o u rp a r t si nt h i sa r t i c l e ： p a r tli sp r o v i d e dt og i v es o m eb a c k g r o u n do fa i s i ti sw r i t t e nf r o mt h eu s e r s p o i n to fv i e w i te s s e n t i a l l yv i e w st h e a i st r a n s p o n d e ra sat o o l ，a n daf e a s i b l e a n a l y s i si sg i v e n a tt h el a s to f t h i sc h a p t e r p a r t2i sp r o v i d e dt og i v eam o r ed e t a i l e do nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t i ti sn o t i n t e n d e dt ob eac o m p l e t et e c h n i c a lm a n u a if o rt h ed e s i g no fa i sd e v i c e so rs y s t e m s t h ed e t a i l e dt e c h n i c a ld o c u m e n t sc o n c e r n i n gt h ea i sa r et h er e l e v a n ti n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ( i t u r 1 a n dt h ei n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o nr i e c ) d o c u m e n t s 1 a l aa l s op u b l i s h e st h ei a l ar e c o m m e n d a t i o no n t h ei n t e r p r e t a t i o no fi t u r13 7l - 1 a i sm o d ei sd i v i d ei n t of o u rl a y e r s r e f e rt ot h eo s im o d e a n dt h ef o n rl a y e r1 1 a sb e e nd e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r p a r t3i sp r o v i d e dt og i v ead e t a i l e do dt h es o t d m ap r o t o c 0 1 t h es o t d m a c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li st h ek e m e lt e c h n i q u eo f a i s p a r t4i s p r o v i d e d t o g i v e ad e t a i l e d i m p l e m e n t a t i o nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s j g n m e n t i n c l u d e s o m eb l o c k d i a g r a m a n dc i r c u i ts c h e m a t i c s as o f t w a r e f r a m e w o r kh a sa l s ob e e ng i v e nf o rt h er e a l i z a t i o n a tl a s tg i v eab r i e fs u m m a r yo ft h e d e s i g n m e n t t ot h i sc h a p t e r k e y w o r d s ：a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a i s ) ；g p s ；o s i ；s e l f o r g a n i z i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( s t d m a ) ：h d l c 中周科学技术人学坝f 。沦立 敛谢 致谢 本论文自始至终是在我的导师刘振安教授的关心和执导下完成的。在三年的 学习中，刘老师渊博的知识、严谨的科研态度、开明的工作方式、丰富的实践经 验给我留下了深刻的印象，这一切将使我终身收益。在此向刘老师致以最诚挚的 感谢! 衷心感谢他对的我培养与教育。 感谢北京联微科技公司的总经理唐斌博士，感谢他给了我在公司的学习锻炼 的机会，资助我们完成了论文前期的调研工作，在生活和技术上都给予了我们最 大的帮助，特此在这晕向他表示我最真诚的感谢! 感谢我的同门师兄弟叶7 1 , 1 平1 1 章守信同学，感谢他们在我的三年学习生涯中给 予我的帮助，特别是t - n i l 同学，感谢他与我在北京的日r 夜夜生活学习上的互相 帮助，感谢他与我不辞辛苦出差大连，上海调研和考察。令人难忘的经历，我会 永远记得! 另外还要感谢我的班主任周荷琴老师在生活上对我们的关心，在学习上对我 门的督促。 晟后感谢联微公司的员工们，和所有那些曾经帮助指导过我的同学、朋友、 老师们! 无以为报谨以此文献给你们! 中冈科学拉术人学坝f 论立 笫一乖绪论 第一章绪论 本章主要介绍了船舶自动识别系统( a i s ) 的产生背景，及其发展的过程， 分析了a i s 在国际和国内的发展状况，并且介绍了a i s 主要涉及到的相关技术 在此基础上最后给出国内自主研发a i s 设备的可行性分析。 1 i 概论 船舶自动识别系统( a i s ) 是诞生在2 0 十1 f ：纪新经济崛起的9 0 年代，由北欧发达国家率 先发起，以信息技术为光导，综合各类现代通信技术的新型航海设备，国际海事组织( i m o ) 和国际航标协会( i a l a ) 抓住这项既保证航海蜜全义提高航运效率的新技术，调南研究，开 发试验，制定了一系列国际法规、技术标准，大力的推1a i s 的发展。 a i s 是整合了卫星定位，罗经计程仪等，通过v h f 无线电通信和其特有的s t d m a 通 信协议完成自动组网，白动通信，在雷达和电子海图上显示等技术的航海、导航、信息通信 的新型行导航没备 l l 系统。它具有可以a 动近续的发出本船的静态消息( 编码船名等) 、 动态信息( 传侮、航速、航向等) 、航次信息和安全消息，同时也白动接收周罔船舶发米的 这些信息。为舟丹舶避碰和航行辅助决策。 1 1 1a i s 产生的背景 随着世界雌舟i 1 数苗的不断增加以及船内白蚰人型化和高速化方向的不断发展，世界重要 水道越米越拥挤，海损书故不断发生，给航行安全和海洋环境造成了巨人的威胁。为了加强 海上交通管制、改善海上航行安全、提高运输效率和保护海洋环境，船舶间以及船岸间的信 息交换量与日俱增。船舶识别也备受重视，这个问题已经引起了全球航海界的关注。在1 9 9 5 年i m o 的n a v4 1 会议上，瑞典利芬兰两国戢合首次提出了以s t d m a ( s e l f - o r g a n i z i n g t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术为核心的4 s ( s h i pt os h i p ，s h i pt os h o r e ) 转发器系统的建议草 案。该转发器系统利h 了由瑞典民航局提山的新概念g p & c ( g l o b a lp o s i t i o n i n g c o m m u n i c a t i o n ) 和新技术s t d m a 。 在1 9 9 7 年n a v4 3 会议上，i m o 通过j 以s t d m a 技术为基础的“通川船载白动识圳 系统( a i s ) ”的| ! ! f ：能标准。国际航标协会( i a l a ) 平国际电信耳j 盟( i t u ) 对a i s 的发展 都给予了极人的关注和支持。国际电信戕成立了专f j 的i 作组，制定了a i s 的技术标准， 弗且在9 7 年世界无线l u 人会上为a i s 分配了全球r 作频率。在9 9 年的i m on a v4 5 会议 上，通过了a i s 的强制装载要求，规定所有海上航行的商船必须在2 0 0 2 年7 月1 日至2 0 0 8 年7 月1 日间分阶段陆续安装a i s 系统。 中国科学技术大学倾i ? 论义 第一章绻论 1 - i 2a i s 的概念和意义 自动识射系统( a i s ) ，也称全球无线电戍答器系统，楚近年来几个国际组织。特别是 国际海事组织( i m o ) 、国际航标协会( i a l a ) 、国际电信联盟( i t i r ) 共同的研究成果。a i s 的目的是使所有船舶都安装无线电应答器系统，使本船可以被其它装有无线电应答器的船舶 ”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 当前航行状态和动态。信息中最重要的数据包括船籍、船位、航线、航速、航向、转向速 度。只有当这些信息可自动、连续地传送给”所有”相关船舶时，a i s 才可称为无线电自动识 别系统。 由于a i s 使用海上移动v h f 波段交换数据，所以a i s 设备的成本相对于雷达设备要低， 然而它的”可视”范l 蔼却儿乎等于雷达。由丁这种特性，a i s 将为船舶提供种有效的避碰措 施，并极人地增强雷达功能。而且，由丁安装a i s 的船舶的航行信息都是在”空中”传橘，因 此当地v t s 站也可以收剑。为处理a i s 信息，v t s 只需配有a i s 基站操作员无须逐个奁 洵船舶，利用a i s 就可以获得所有装有a i s 船舶的完整的交通动态信息。由丁a i s 完全 独立于雷达，也就是说，基于a i s 的v t s 无须安装雷达，田此，a i s 技术对v t s 操作的长 期作用，其效果不可估鼙。 最后，如果将定期航行和崮定航线的船舶的相关信息经常或者按需加在传送信息中， a i s 将成为一种船舶报告系统。这些附加的信息包括船舶呼号、船名、货种、始发港汞i 目的 港以及实际吃水等等。 上述三个应领域组成了a i s 的整体思想，也是i m o 对它的定义的依据： 夺 a i s 是一种船上改善避碰效果的方法。 夺a i s 是一种不川雷达即可使v t m s 获得交通状态的方法。 夺 a i s 是一种制定船舶报告计划的方法。 1 i 3a i s 的发展和现状 美国罗斯r 程技术公司在推出了世界上首批商t v h fd s c 无线电台后丁1 9 9 0 年又 首先提山了a i s 的概念。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 ，船舶白动识别系统。罗斯公司在 此基础上研发出了基于d s c 技术的第一代a i s 产品- - d s c s 0 0 与g p s 接收机、e c d i s 电子 海图显示和信息系统单元以及陀螺仪共同完成a i s 功能。这套系统被安装在阿拉斯加的威 廉姆王子湾的v t s 中心，最初是在”爱克森- 瓦尔德兹”号溢油事故以后，海岸警备队迫于9 0 海上环保法的压力，为了加强该区域的火j 哩油轮的航行安全管理而建设的。 这套系统也被美国海岸警备队称为a d s s ，即自相关监视系统。其基本j ：作方式是在 7 0 频道上以d s c 方式臼动或手动发出淘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) 根据陶问方要求的频道，将本船的识枷码船名、船位、航向、航速、吃水 2 中国科学技术大学倾i j 论文 第一章绪论 等信息白动传给啕问方，这样便实现了自动麻答功能( 其中船舶识别码平船位信息是必需 传送的，它在设备安装时己存入：船位信息米白g p s ，通过数据按1 3 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山询问信号，区域内的船舶在接收到洵问信号 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 t s 设备。v t s 控制中心通过 v h f 将这些信息刚j “播方式播发，凡配有这种设备的船舶都可接收到，井可在电子海图上 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 m s ”。虽然这套系统轮询的时间略显缓慢而且系统的容量不是特别大 ( 2 0 0 条船) 。但是由于它是通过软件来实现轮询和自动识别，所以它的成本非常低廉。这 套系统至今仍活跃在美国阿拉斯加州的威廉于子湾的海岸警备队的v t s 系统中，并且其功 能在不断改善。 i m o 很重视这项基丁d s c 技术的白动识别系统( a i s ) 对安全航行的作h 4 在1 9 9 5 年 1 1 月2 9e t 的7 4 s o l a s 公约缔约国政府会议上，通过了一系列决议，其中的第九决议案就 是关于自动船舶识别应答器收发系统。在该决议中，岢定了这种装置”将极大地提高航 行安全性”，井提山：尽快制定该装置的操作要求和性能标准，审议并通过了关于该装置系 统配置的s o l a s 公约修止案：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 o 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，在海安会 的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； 港口国获得船舶干它所运货物的信息：作为v t s 的“5 1 ：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 玖会议最厉确定了对s o l a s 公约第五章的修 订f 按群序，“新五章”已在2 0 0 0 年1 2 月海安会的7 3 次会议上通过最斤批准) ，井确定了航 行丁国际航线的3 0 0 总吨以上船舶币i 公约国航行_ = ；_ 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 年7 月1 日分阶段执行配备a i s 设备的规定。 1 9 9 5 年，瑞典的g p & c 公司研发t d m a 技术取得成功并获得了国际认可的知识产权。 包括美国罗斯公司在内的几家高科技公司遂开发出了基于t d m a 技术的第一二代a i s 产品。 这套设备的轮询和白动识别是通过在加装基js o t d m a 的无线应答器来实现的。它的轮询 刷新速度和信息容量有了很大的提高，缺点是成本较高。 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i t u r m 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l 频道，其中的1 6 1 9 7 5 m h z 为a i s i 频道，1 6 2 0 2 5 m h z y , ja 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币，在1 9 9 8 年提出了一份海上v h f 波段使俐 t d m a 的船川自动识别系统( a l s ) 的技术特性的建议案i t u - r m 1 3 7 1 ，该建议案提议采用 中国科学技术二k = 学颂 j 论文 第一章绪论 基于s o t d m a 的麻答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，并己被 i m o 所采纳。 据最新消息：近前。i t u - r 刚刚通过了i t u rm 1 3 7 1 - 2 关于海上v h f 波段使用 t d m a 的船j _ i j 白动识别系统( a i s ) 的技术特性的决议案，同时i e c 也刚刚通过了i e c 6 1 9 9 3 2 关于通_ 【_ ja i s 的技术测试标准的决议案，这样，所有关于a i s 的相关的 国际标准和公约都已经相继出台完毕，各个国家的海上安全管理机构也都开始积极着手进行 相关的建设，迎接海上通信导航的新纪元。 船舶通信较甲的一种方法是基于v h f 数字选择呼叫( d 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 ) ”。其基本方法是在固定频道上以d s c 方式自动发出 询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) 根据询问方要求的频道， 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 域发山询问信号区域内的船舶在接收剑海问信号后便自动依次向岸上设备发同备类信息， 这些信息自动输入v t s 设备。v t s 控制中心通过v h f 将这些信息川j “捅方式橘发，凡配有 这种设备的船l | 自都可接收到，并可在电子海剀上显示出来，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平语音通信。由_ 新技术在v t s 中的运刖，增加了系缆的功能，使之成为“增强型v t s ”。与此同时，一种在 v h f 频道上，川欧洲数字集群标准的技术米实现自动应答功能和通信功能的研究也相当成 功。在i m o 止式公布a i s 的性能标准之前，上述系统已在欧美一些国家得到廊用。 i m o 很重视这项新技术对安全航行的作川，在1 9 9 5 年11 月2 9 日的7 4 s o l a s 公约缔 约国政府会议上，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“将极人地提高航行安全性”并提出：尽决制定该装置 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 公约修止案：同时谛国际电信 联盟制定该装置的技术标准利合适的频率。1 9 9 6 年，在i m o 航行安全分委会4 2 次会议上 审议了技术，l , t h 提交的使州v h fd s c 技术的船_ l _ i 自动识别系统装置的性能标准草案， 井将该系统简称为”a i s ”：同年，在海安会的6 7 次会议上同意把a i s 作为今后需实行的方 案米考虑。1 9 9 7 年i m o 的航行安全分委会举f f t4 3 次会议，会上通过了夫于全球船载 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r 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) ，井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 爿1 日起到2 0 0 8 年7 月1 臼分阶段执行配备a i s 设备的规定。 4 - 中国科学技术大学坝i ：论立第一章绪论 为了规范羊l 统一系统技术标准和频率资i i 5 1 的合理使j = i j ，国际【乜信联盟( i t u ) 曾于1 9 9 2 年 出台了建议案i t u r m 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 b 和 8 8 b 频道拆为单j 二频道，其中的1 6 1 9 7 5 m h z 为a i s t 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 的船刚自动识别系统( a l 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，劳己被i m o 所采纳。 1 1 4a i s 的发展趋势 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利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，但它的发展速度己大大超过e c d i s ，今后若干年将保 持这种发展趋势。从i m o 的方面看，a i s 的强制配备要求将先于e c d i s ，新的s o l a s 公 约修正案己在2 0 0 0 年底被正式通过，这就意昧着2 0 0 2 年的7 月1 日将进入配备a i s 设备 的实施期。 7 4s o l a s 公约的8 8 年修正案对公约的第四章( 无线电通信) 作了重大修正，提山了 航运界人所皆知的g m d s s 计划。g m d s s 计划的实施带给航运界和各管理部门的影响是巨 大的。将要实施的a i s 计划中，设备的规模和费用上虽比不上g m d s s ，但其对船舶航行安 全和航行安全管理的作h 却是十分重要的。 而a i s 的岸上敬备麻该是由海域沿岸的管理部门，建设一套可实现无缝覆盖的具备 a i s 、d s c 以及g m d s s 功能的v h f 基站链这些基站不仅能实现前面所提及的安全、遇 险救助、船舶导航信息以外，还应该提供般的v h f 的语音莆l 文本通信，以及与公众电信网 络的连接，还有能够实在该海域航行的船舶可以接受关丁二岸站所提供的诸如航行警告、气 象预报、港口管理莆卜f t 理操作、船公司对船舶的管理和调皮、货物运输及中转等有关所有 船舶航行的信息。冈此该系统的建立不仅可以加强主管部门对管辖海域内行航行安全的需 要，同时还可以实现a 1 海区与陆地低成本的商用通信的需要。这无疑为发展海上通信 事业开辟了一条新的思路。 综上所述，a i s 系统是一套应用于船= = 岸和船一船的海事安全导航雨i 通信的重要技术。 鉴丁i m o 、i e c 、i t u r 所分别制订的各项芙 _ ：a 1 s 国际标准的全部出台，在船上及岸上安 装a i s 设备成为人势所趋。 1 1 5a i s 的安装时间表 根据2 0 0 2 年1 2 月刚刚t e ；f 开的i m os o l a s 公约缔约国海上保安外交大会通过的s o l a s 公约修正案， a i s 检验指南中的a 1 s 的配备要求已做了相应的修改，具体内容如。f ： 所有3 0 0 总吨及以上的国际航行船舶和5 0 0 总吨及以上的非国际航行船舶，以及不 5 中固科学技术大学坝i 论文第一章结论 论尺度大小的客船，应按r 列要求配备一台臼动识别系统( a i s ) ： 1 )在2 0 0 2 年7 月1 日及以后建造的船舶，建造时配备； 2 ) 在2 0 0 2 年7 月t 日之前建造的国际航行船舶： 3 1 客船不迟7 - 2 0 0 3 年7 月1 日； a ) 液货船不迟于2 0 0 3 年7 月1 日以后的第一个安全设备检验日； b )除客船和液货船外，5 0 ，0 0 0 总吨及以上的船舶，不迟于2 0 0 4 年7 月1e t ； c )除客船和液货船矫，3 0 0 总吨及以上但小于5 0 ，0 0 0 总吨的船舶，不迟子2 0 0 4 年7 月le l 以后的第一次安全设备检验日或在2 0 0 4 年1 2 月3 1 日之前，以较 甲者为准： 4 ) 在2 0 0 2 年7 月1 日之前建造的廿国际航行船舶。不迟于2 0 0 8 年7 月1 日。 5 )若船问自在( 2 ) 和l ( 3 ) 所述实施日期2 - 后两年p , j 永久退役，则经主管机关同意可以免除 这些船舶安装配备a i s 。除国际协议、规范或标准规定要保护航行信息外，所有 a i s 的船舶应使a i s 始终保持运行状态。 1 1 6 与a i s 相关的国际标准 a i s 设备所涉及到许多国界标准和会议珧议，其中最主要的协议为： 1 国际海上人命安全公约( s o l a s 的五章修行草案，使a i s 成为船舶强制安 装的航行设备。) 2 通刚船舶1 3 动识别系统性能标准( 简称a i s 性能标准，协议来1 3i m o 决 议m s c ，7 4 ( 6 9 ) 跗件3 ) 。 3矗v h f 海上移动频率上使川时分多址的船舶自动识j = i j 系统( a i s ) 的技术 特性( 简称a i s 技术特眭，即i t u 0 rm 1 3 7 l 建议案，是一个重要的技术标准。) 4 通删船舶自动识别系统( a i s ) 运行及性能要求、测试方法要求、及测试结 果( 简称a i s 测试标准印i e c 6 1 1 9 3 2 ) 。 6 中国科学技术大学顺f j 论史 第一章绪论 1 2 开发自主产权a i s 的必要性与可行性分析 a i s 不是孤立的船舶设备，它有着厂泛的应用前景，下图是a i s 系统的在我国海事部门 的应用范围( 参见图1 1 ) ，按其使用范围主要可以分为船用a i s 设备和岸台a i s 相关系统 船舶设备除了满足船舶间的信息交换外，还为岸台上的a i s 中心提供相关的信息，便于岸 台对于船舶的统一调度和管理。 幽fj a i s 的心用范例 1 2 1a i s 对我国v t s 的支持 我国航海事业发达，航运是我国国际贸易的主要运输方式，对外贸易的9 0 都是通过 航行完成已经挤身丁海运大国之列，成为i m o 的a 类理事园，2 0 0 6 年国际航标大会还将 在我国上海举行，为了履行国际义务和权利，构建海事a i s 基地台平海事a i s 网，是适应 我国航运大国的地位的需要。 我国航运事业发达，同时也存在许多问题，主要就是船舶交瑶事故的频发，利船舶交通 管理系统的混乱，虽然我国已经建设了十儿座v t s 中心，雷达站多达四十多个，但仍然不 能满足交通管理的需要，加之现行的系统存在没备陈1 日，技术落后功能不全，更不适应当前 海上交通安全管理的需要。 我国现有的v t s 系统大部分都是从国外引进由于国外对技术的封锁，所以在别人的 中国科学技术大学硕 ：论文第一章绪论 基础上开发软件平【i 硬件十分困难，如果对现有系统进行升级，必须依靠国外厂商，其费用也 不比重新安装新的系统便宜多少。现行的v t s 中心之间不能联网使得资源不能共享也不 能实现v t s 中心的远程传输。 因此我国改造、新建现有v t s 时引进a i s 技术和设备可以在识别目标船名、加快对船 舶的跟踪速度减少误跟踪和提高远距离跟踪能力上完善v t s 的功能。 1 2 2a i s 对中国船舶报告制的支持 船舶报告制度是指进入船舶报告系统的船舶应通过无线电通信，定时按规定的格式报 告船舶动态信息。而广播式的a i s 就可以自动连续的发送船舶航行信息，将其接入有线一 无线通信网，再送入船舶报告系统的计算中心，由中心按系统要求对所有船舶按规定的时间、 周期及所需的信息建立数据库，并结合中心拥有的船舶数据静态数据、电子海图及气象数据 等按用户要求进行分析、处理，为搜索部提供船舶信息及搜索决策服务信息。为各船舶公 司提供转发服务。可见，a i s 融入船舶报告系统，可作为沿岸国获取船舶及货物资料的一种 手段。 中国船舶报告制( c h i s r e p ) 晟重要的问题是报告站的数据采集，在报告数据中义 以开航报和抵港报最为难采集。建立a i s 站之后，在进出港船舶的a i s 中，白动采集两项 报告数据对c h i s r e p 是晶佳的补充平i l 完善。 1 2 3 弥补全球海上安全和遇险系统的不足 g m d s s 是s o l a s 第四章主要内容，1 9 9 2 年全面实施的。但g m d s s 是十几年前提出 的技术它的技术不组现在己经显露出来了。 传统的d s c 误报率很高，根据国外的经验，在每1 2 0 0 次的遇险报告中，只有两次是真 报警，误报警比例高达9 9 。i m o 通信与搜救分委会委员进行多次讨论为d s c 报警问题 作了很多i ：作，但是收效甚微。搜救协调中心的i ：作不堪负担，分散了真正的遇险救助l 。作 的精力。 a i s 是由v h f d s c 发展而来，但技术卸有了很人的进步，在a i s 的“技术特性”附录 三“信道管理平数字选抒性呼叫( d s c ) 兼窬的功能规定a i s 将完成一些与a i s 相关的d s c 操作，为了完成这些操作，a i s 设备包含有调谐到c h 7 0 上接收所有船舶的d s c 呼叫，可见 a i s 要具有d s c 的功能，补充了g m d s s 的不足。 a i s 具有数据通信平语音通信的功能，对崴质量比一般的v h f 无线电话有明显的提高。 此外a s i 还可以用丁船舶安全和遇险通信，及常规话音通信，为船舶遇险搜救服务。 8 - 中国科学技术大学坝卜论文 笫一章绪论 1 2 4 国内自主开发a i s 产品的可行性 a i s 是新兴技术，国外已经有几年的开发经验，并且已经有许多成功的应用实例，但是 在i m o 颁布标准之前a i s 的核心技术只掌握在少数几个设备制造公司手中，由于各个设 备制造商之间相互封锁技术所以产品之问的兼容性问题很大，通常存在的问题就是可以实 现自己设备之间的相互通信，而无法和其他制造商的a i s 设备通信，为此i m o 召集几个主 要的设备供应商，让他们相互协商，制定统一的技术标准和严格的产品检测规范，满足产品 之间相互兼容冈此对人多数航海l 攻各制造商而言a i s 也是一个新技术产品尤其是a i s 使用的s t d m a 通信协议，对国内来说儿乎是一片空白。而对于a i s 使用的其他通信技术 例如g p s 信号提取、g m s k 调制技术、h d l c 通信规程、c r c 数据校验等，都是移动通信 中广泛使用的技术，应川实例也比较多，国g , j 已经积累了丰富的这方面的研发经验，不存在 技术上的不可行，因此国内自主开发a 1 s 的关键问题最终就归结为s t d m a 通信协议的研 究，能否开发山具有自主产权的s t d m a 专刖通信协议控制芯片，将最终决定国内能否制造 出自主产权的a i s 设备。本论文的最终目的也在于此。 - 9 中国科学技术大学硕卜论文第二章h i s 系统的构成 第二章a i s 系统的构成 本章主要讨论了a i s 的系统结构，功能和所涉及到的涉及规范，协议等相 关的a i s 知识，其目的主要是为设计a i s 系统提供技术参考。 2 1a i s 系统构成框图 由图2 1 可见，一台典型的a i s 系统由一台v h f 发射机，二台v h ft d m a 接收机， 一台d s c 接收机( 可选) ，一台带有标准船用电子通信接口，船舶与定时信息通常由g p s 接收机提供。在实际系统中，g p s 接收机往往与a i s 做成一体，但有些船舶自身已经配备 g p s 导航设备，所以g p s 设备也可以分立整个系统可以分为硬件系统和软件系统，现分 别说明如下： 图2 ia i s 系统结构图 硬件系统是其核心部分，按其功能可以划分为以下几个主要部分 1 0 - 中国科学技术大学烦l 论文第一二：牵= a i s 系统的构成 夺信息处理器： 夺通信控制器： 夺g p s 接收机： 夺船舶设备接口 核心控制部分； 全机的通信协s t d m a 的控制中心； 提供船舶的运动参数和精确的时间基准 主要用于收集利输出信息。 a i s 系统的信息处理工作都是由其内部剐化的软件实现的。a i s 系统的软什可以分为三 个部分说明如f ： 夺通信协议软仆：按国际电联技术标准，控制自组织无线数字通信网运行 夺系统控制软件：控制全系统各部分协调工作； 夺接口软件：提供接口信息处理和控制功能。 2 1 1 信息处理器 信息处理器是a i s 的核心部分，用于存储本船识别码、船名、呼号、船型等静态信息 与船舶吃水、危险货类、航线等航行相关的信息：处理、存储本船动态信息：将存储的本船 晟新航行数据及必要的静态信息与航行相关的其他信息进行编码斤送发射机：对接收米白其 他船舶的航行数据进行解码并存储解码厉的数据：将本船与其他船舶的航行数据等信息送信 息显示器显示。信息处理包括船舶静态、动态数据库及对信息的处理、管理控制、显示等相 应的软件。为使广= | | 式a i s 具有可靠、有序的信息通讯，要求各船舶a i s 设备时间同步而 避免内部干扰，通常州丁同步的干扰时间都采用g p s 的u t c ，也可采州u t c 相关的时间 源。关于时间同步的问题后面还有更为详细的论述。 2 , 1 2 通信处理器 信息处理部分能够i ：作于组海上频率，具有频道选择及切换手段，即可i 作丁近科也可 工作于远程。 v h f 收发机由系统信息处理器控制州v h fc h n 8 7 b 、8 8 b 两个国际专心 ! i i 道自动发 射并和接收按协议通信方案规定的己调号频带为2 5 k h z t 己调信号中含有本船和它船航 行信息。 a i s 是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。此外还 可以指配a s 的区域性频率，可以在指配的区域性频率上： 作a 中国科学技术大学硼，l 论文 第二章a i s 系统的构成 2 1 3 信息显示器 信息显示器_ | = 丁显示各种数据和状态信息，监视系统运行状态。实际应用的信息显示器 可能与雷达、a r p a 及电子海图显示器一体化。即将a i s 获得的信息替加在其上一同显示。 由于i m o 没有将显示装置作为必备，也没有对显示装置作统一的规定所以a i s 显示设备 出现了多样化的趋势，人致可分为三种类型：其一是将船舶在小型的液晶显示屏上用简单的 图形符号表示出，见图2 2 ，船舶间的位置使_ l f j 以己船为中心的相对位置，这种显示方式较 为简单，最大的优点是殴备简单，可以和a i s 设备设计为一体，缺点是不能较为形象显示 地形，海洋环境的信息。这种方法适合一些中小船舶使用，第二种显示类型是使用将数据传 输给计算机，再由计算机将船舶信息与电子海图结合起来，参见图2 3 ，这种显示方法优点 是可以从全局上清楚、形象显示海洋上的船舶信息，还可以看到船舶的实际位置，非常准确、 有效，能够较好的发挥a i s 的特性，缺点就是显示设备，需要单独配备计算机而且所配 备的计算机必须适合在海上的特殊环境使h 】，造价相对较高，适合大型的船舶使用。最后一 种显示方法是将a i s 信息叠加到现有的船舶的雷达显示屏上显示，这种方法因为不许要另 外添加任何设备造价较小，但是海上雷达设备较为复杂，对丁不通雷达显示设备其接口平 显示可能需求不通，对于殴计米说，无法给u5 统一标准，相对麻烦。 显示设备不是s o l a s 对a i s 规定的必备设备，所以也没有统一的标准可以参考，可以 想像，处于成本的考虑将米一些中小船舶很可能会配备一些不带显示设备的a i s 。 图2 2 液晶硅1 i 设备 2 1 4 其它传感器数据自动输入装置 幽2 3f b 予海翻最示设备 其他传感器数据白动输入装置包括接收米白g p s d g p s 接收机的本船船仿经纬度同 步世界时以及米白陀螺罗经的本船对地航向，来白记科仪的本船对地航述等信号，转换为数 字信号并输入信息处理器。 2 1 5 人工输入、取出数据的装置 人：i j 输入的功能如f ： 1 输入本船静态数据 夺本船的船名和n 乎号 夺本船i m o 编发的海上移动业务识别码( m m s i ) 1 2 中国科学披术大学坝十论文 第二帝a i s 系统的构成 夺船长和船宽 夺船舶类型 十g p s 天线位置 夺船载货物类型 夺航行状态 2 查询动态数据 查淘其他船舶的信息数据；这些数据从与动态数据库孛查晦，与显示器上数据应该一致 为更好明细其他任何船的数据。 3 设备命令参数 指定设备j 二作频率。发射功率等设备相关的技术参数。 中国科学技术大学坝i 论文笫= 章a i s 系统的构成 2 2a i s 系统的设计要求 2 2 1a i s 的技术特点 i 系统功能 对于a i s 系统的功能1 m o 最初在m s c 7 4 ( 6 9 ) 决议案中描述为 夺在船对船的i ：作模式