（信号与信息处理专业论文）船舶自动识别系统（ais）的研究.pdf

船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 船舶自动识别系统( a l s ) 的研究 摘要 、国际海事组织( i m o i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ) 决定采 用土种新的海上安全系统一一船载自动识别系统( u a i s 一一u n i v e r s a l s h i p b o r e na 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 ，简称a i s ) ，该系统将于2 0 0 2 年7 月起强制实施。a i s 的实施有助于提高船舶航行安全、提高船舶信息传输和 船舶交通管理系统( v t s v e s s e lt r a f f i cs e r v i c e ) 的工作效率。a i s 设备 在欧美发达国家的一些展览会上已经有产品演示，但在国内，至今尚未对这一 技术进行深入的研究。因此。开发研究自主知识产权的a i s 系统已经迫在眉睫， 将对我国航运业的发展产生深远的影响。丫 本毕业设计是上海市科学技术发展基金项目“船舶现代化装置”的一 个子项目，主要研究a i s 系统的一些关键技术：高级数据链路控制技术( h d l c ) 、 时分多址技术( t d m a ) 、高斯最小移频键控技术( g m s k ) ，并且对a i s 系统的核 心部件信息处理器进行了具体实现。a i s 系统采用o s i 七层协议中的低四 层，信息处理器主要实现a i s 信息传输的低层软硬件支持。 a i s 的数据控制规程使用h d l c ，h d l c 是面向比特的协议，使用位填充来保 证数据的透明性。h d l c 规程具有透明传输、控制简单、可靠性高、传输效率高 的特点，具有极大的灵活性。 根据不同的通信阶段和通信内容，a i s 使用不同模式的t d m a 。在未经报告 的初始网络接入阶段时用的第一个时区或用于只发送一遍信息的时区，使用 r a t d m a ( r a d o mt d m a ) ，r a t d m a 根据传输发生的概率随机选取传输时区。在紧接 着r a t d m a ，采用i t d m a ( i n c r e m e n tt d m a ) 算法，i t d m a 用时区增量来选取随后 的传输时区。在网络连续传输阶段均采用s o t d m a ( s e l f o r g a n i z a t i o n t d m a ) 算法，s o t d m a 算法无须控制台干预能够自主解决通信冲突。f a t d m a ( f i x e dt d m a ) 只归基站或控制台站使用。 a i s 的调制解调采用g m s k ，g m s k 调制方式是在m s k 调制器之前加入个基 带信号预处理滤波，即高斯低通滤波器。由于这种滤波器能将基带信号变换成 高斯脉冲信号，其包络具有无陡峭边沿和拐点的特点，因而可以改善m s k 信号 频谱特性，确保以尽可能窄的频带传输速率尽可能高的信息流。 7 7 ，在信息处理器的设计中，在物理层上实现了g m s k 调制解调和信息的编码解 码。酾s k 调制解调选用c m x 5 8 9 模块，c m x 5 8 9 可以实现9 6 k b i t s 的信息传输率， 为了符合a i s 关于g m s k 调制的带宽系数b t 值为o 4 ( 在2 5 k h z 频道间隔情况下) ， g m s k 解调时b t 值为0 5 ( 在2 5 k h z 频道间隔情况下) 的要求，笔者做了大量的 实验才得以解决。编码解码则采用带h d l c 功能的串行通信控制芯片8 5 c 3 0 来实 现。8 5 c 3 0 经编程控制可自动对输入比特流进行n r z i 编码，捕获训练位及同步 头( 7 e h ) ，自动校验l i d l c 信息，通过串一并移位寄存器将数据移入缓存并通知 c p u 及时将数据从其缓存读走。同样c p u 可将数据输入8 5 c 3 0 的发送缓存器，并 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 拼装成h d l c 格式，经g m s k 调制后输出。以上所述8 5 c 3 0 的所有功能均可通过 c p u 对其控制寄存器编程来实现，并可根据具体要求进行调整。 在数据链路层的m a c 子层上实现t d m a 时区的分配、同步和访问。t d m a 系统 的帧同步是通过比较时区编号来实现的，将当前接收来的其它站的s l o t 编号与 本站的对应的s l o t 编号比较，根据站的优先级别来确定选择哪个站的s l o t 编 号。至于相位同步，则通过捕获信息的起始标志、结鏖标志及同步时钟来实现。 在d l s 子层，主要是通过软件编程来控制信息的收发。卜 在设计过程中，做了大量的实验，设计出成型的电路板及控制程序，借助 于p c 机，可以做到通信过程的演示，基本解决了a i s 系统实现的主要问题，在 此基础上，开发在网络层和传输层上的更多应用程序和接口，便可以研制出完 整a i s 产品。 关键词：a i s ；h d l c ：t d m a ：g m s k 2 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 as t u d yo fa u t o m a t i oi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a i s ) a b s t r a c t i m oh a sd e c i d e dt oa d o p tan e ws a f e t ys y s t e m ，t h es h i p b o r n e 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 ) ，a n dp u ti ti n t op r a c t i c ei na n da f t e rj u l y 2 0 0 2 ，w h i c hw i l lg r e a t l yi m p r o v en a v i g a t i o n a l s a f e t ya n di n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o na n dt h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo fv t s t h ea i se q u i p m e n t sh a v e b e e np l a c e do ne x h i b i t i o ni nd e v e l o p e dc o u n t r i e sa n dr e g i o n ss u c ha st h e u s a n d e u r o p e h o w e v e r 1 i t t i er e s e a r c hw o r k h a sb e e nd o n e0 1 t h e t e c h n o l o g yi nc h i n aw h e r ei t i se x t r e m e l yu r g e n tt od e v e l o pa i s ，w h i c h w i l le x e r tap r o f o u n di n f l u e n c eo nt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a ss h i p p i n g i n d u s t r y t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yd e a l sw i t hs u c hk e ya i st e c h n o l o g i e sa st d m a ， h d l ca n dg 憋k w h e nt d m ai su t i l i z e di na i s ，t h et e c h n i c a lb a r r i e ri st o a c c o m p l i s h t h e s y n c h r o n i z a t i o n o ft h e s y s t e m ，i n c l u d i n g t h ef r a m e s y n c h r o n i z a t i o na n ds l o tp h r a s es y n c h r o n i z a t i o n t h es y s t e ma c c o m p l i s h e s t h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o nt h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h es l o ts e r i a l n u m b e ro fo t h e rs t a t i o n s 。i tr e c e i v e sw i t ht h es l o ts e r i a ln u m b e ro ft h e s t a t i o n ，a n dt h r o u g ht h es e l e c t e ds l o t s e r i a ln u m b e ro ft h es t a t i o n a c c o r d i n g t ot h es t a t i o n p r i o r i t y m e a n w h i l e ，t h e s l o t p h r a s e s y n c h r o n i z a t i o ni s a t t a i n e do nt h eb a s i so fs t a r tf l a g 、e n df l a g 、 s y n c h r o n o u s c l o c ko ft h ec a p t u r e dm e s s a g e ：a n dg m s ka n dh d l ca r e a t t a i n e dt h r o u g hm a s s i v ei n t e g r a t e dc i r c u i t sa n ds o f t w a r ec o n t r 0 1 t h ew r i t e rf o c u s e sh e rr e s e a r c ho l lt h em e s s a g ep r o c e s s i n gu n it ( i n c l u d i n gm e s s a g ec o n t r o l 、h d l c 、g m s ke t c ) o fa i s i ti se x p e c t e dt h a t a n i n t e g r a t e da n dp e r f e c ta i sw i l l b eu n d o u b t e d l ye s t a b l i s h e da f t e r f u r t h e re f f o r t s k e y w o r d s ：a t s ：h d l o ：t d 碡a ；g m s k 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 0 前言 随着我国加入w t o ，国际贸易迅速发展，世界海运量急剧扩大，使得海上航 行的船舶数量和种类显著增加，加上船舶向大型化、高速化方向发展，造成海 上交通密度高度集中，航行状态错综复杂，发生海上事故的概率越来越大。为 解决这一矛盾，一方面要求培养高素质的航海人员，另一方面就是改善现行航 行条件，配置高性能的航海设备，船舶自动识别系统( a i s ) 就是为了提高船舶 安全航行性能而发展起来的一种新型助航系统。a i s 系统的使用可以改善船舶避 碰效果、可以获取准确详尽的船舶信息、可以制定船舶报告计划，避免了传统 的依靠雷达来获取信息的局限性。 船舶自动识别系统诞生于2 0 世纪9 0 年代，是由发达国家率先发起的。通 过近几年的开发、研制，系统发展迅速，日趋成熟。国际海事组织( i m o ) 和国际 航标协会( i a l a ) 经过调查研究和科学论证，已采纳了该系统，并对海上人命 安全标准公约( s o l a s ) 的第五章进行了修改，规定自2 0 0 2 年7 月l 目起进入a i s 设备的实施期，要求所有3 0 0 总吨及以上从事国际航行的船舶、所有5 0 0 总吨 以上的船舶、所有客船必须配置一台a i s 。同时，国际电信联盟也对该系统制定 了相应的技术规范。我国是航运大国，从事国际航运的公司有3 0 0 多家，又是 i m o 的a 类理事国，将开始全面履行s o l a s 公约，配备a i s 系统，但在国内尚 无其他研究所、大专院校研制出符合船检局标准要求的a i s 产品，这与我国这 样的航运大国极不相称。因此，走自己的道路、利用自己优势，研制出自主知 识产权的船舶现代化装置a i s 势在必行，借此可以提高我国航运的国际地位。 a i s 的研制成功，将是国内首创，具有国际先进水平，填补了国内空白。另 外，目前国外a i s 的参考价格为1 万一4 8 万美元一台，按较低价格约1 0 万人 民币一台，全国有近4 0 万台a i s 应安装，其产值约为4 0 0 亿元。我们研制自主 知识产权a i s 设备，在保证质量的前提下，可以降低价格达5 0 左右，可节省大 量的外汇，产生巨大的经济效益。 本毕业设计是上海市科学技术发展基金项目“船舶现代化装置”的一 个子项目，主要研究a i s 系统的一些关键技术：高级数据链路控制技术( h d l c ) 、 时分多址技术( t d m a ) 、高斯最小移频键控技术( g m s k ) ，并且对a i s 的核心部 件信息处理器进行了具体系统实现。a i s 系统采用o s i 七层协议中的低四 层，信息处理器主要实现a i s 信息传输的低层软硬件支持。 论文共分三部分。第一部分是概述，介绍了a i s 系统的主要功能、系统组 成并分析了a i s 系统的应用前景。在第二部分中，对a i s 的使用技术h d l c 、 t d m a 、g m s k 进行了详细的分析。论文的第三部分是a i s 系统的实现，对a i s 的 信息处理器进行了设计。 信息处理器提供a i s 的低层软硬件支持。在物理层上实现g m s k 调制解调， m o d e n 模块选用c m x 5 8 9 芯片，c m x 5 8 9 可以实现9 6 k b i t s 的信息传输率。对于 b t 值，为了符合g m s k 调制的带宽系数b t 值为0 4 ( 在2 5 k h z 频道间隔情况下) ， 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 g m s k 解调时b t 值为0 5 ( 在2 5 k h z 频道间隔情况下) 的要求，笔者经反复实验， 观察其眼图波形，测得电容值为6 8 0 p f 时，可保证b t 引脚为高电平时，c m x5 8 9 电路调制输出信号b t 值为0 4 。a i s 的编码和解码用s c cz 8 5 c 3 0 模块来实现。 8 5 c 3 0 很容易与不带多重总线的c p u 建立接口，支持同步比特流的h d l c 协议。 在数据链路层的m a c 子层实现时区的分配、时区同步、时区收发。在d l s 子层， 主要是软件编程控制信息的收发。 信息处理器是a i s 系统的核心部件，在此基础上便可进步开发高层软硬 件及进行接口处理，研制出完整的a i s 系统。 2 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 1 概述 a i s 系统改变了传统海上信息的传输方法，可以避免因雷达、v h f 等设备的 局限性而产生的船舶识别障碍。它的正确使用可以加强船舶间避免碰撞的措施， 增强a r p a 雷达、船舶交通管理系统( v t s ) 、船舶报告的功能。通过a i s 和雷达、 电子海图、罗经等航海仪器配合使用，船舶之间可以进行详尽的信息交换，在 最大程度上防止船舶碰撞和各类海难事故的发生，为航运界带来了前所未有的 安全感。a i s 的出现标志着船舶间和船岸间的信息交换进入了计算机数字通信时 代。 1 1a is 系统的主要功能 1 1 1 识别船只 系统可以在开航前设置船舶资料，包括船舶识别码、呼号、类型、船舶尺 度以及与航次有关的装载状态、货物类型等静态信息。航行过程中可以将这些 信息连同依靠g p s 、罗经、操舵仪等先进航行设备测定的船位、对地速度、风流 差、相对航向、转向速率和时间间隔等动态信x 息用一定的频率，通过发送器 有规律地进行发送，供他船识别，同时依靠接收装置可以识别周围船舶的相关 信息。v t s 系统可以通过与电子海图系统连接，将系统范围内所有船舶的有关信 息直观、快速、准确地在显示器加以识别。 1 1 2 简化信息交流 航海是一门全球性行业，船员来自世界各地，语音交流存在较大的障碍。 另外，传统的通信方法( 视觉通信、声号通信和v h f 通信) 通信程序复杂、专 业术语难以理解、沟通速度慢、易受周围环境因素的影响造成信息失真等。而 m s 可以在无需人工介入的情况下，主动连续地向具有适当配备的主管当局的岸 台和其他船舶( 或飞机) 提供航行状态和其他与安全有关的信息，从而大大简 化交流程序，快速、全面、准确的获取信息。 1 1 3 协助追踪目标 a i s 能以适当的更新速率提供船位和操纵信息，便于管理当局和其他船舶精 确跟踪和监视船舶动态。v t s 跟踪和监视船舶动态，传统的方法是控制中心通过 v h f 无线电话询问或由船舶用无线电话向控制中心报告而获取船舶的信息后，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。由于人工 方式向系统输入信息，对于船舶来往密度较大的v t 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，有时因出现盲区而丢失目标。采 用a i s 系统后，控制中心就可以完全自动地获取上述信息，从而完全实现控制 的科学化、自动化并保证信息的准确性。 塑堕皇垫堡型墨堑! ! ! ! ! 塑堕塑一 1 1 4 提供其它辅助信息以避免碰撞发生 a i s 的实施不仅可以及时交换船舶信息，而且可以依据来船和本船的运动要 素( 航向、航速、方位、距离、船型尺寸等) 通过计算机精确判断是否存在碰 撞危险，获取碰撞危险的早期警报，尽早达成避让协议，从而避免事故的发生， 保障船舶和财产安全。同时a i s 可以对导航辅助设施如灯塔、灯标进行遥控操 作，保证信息的准确性。 1 2a l s 系统的配备要求 近几年来，i m o 及i t ( i 对h i s 的配备要求和性能标准做了一系列的修订，瑞 典、芬兰等欧洲国家对m s 设备做了大量的试验，取得了良好的效果。我国航 运科技界一直十分关注a i s 的发展，交通部海事总局和上海海事局也为推进a i s 在我国的应用发展作了大量的工作，但对a i s 设备关键技术的研究尚处于起步 阶段。随着强制配备日期的逼近，现在对系统作深入、具体的研究已刻不容缓。 具体配备要求见表卜i 船舶类型a i s 安装时间 2 0 0 2 年7 月1 日后新造的3 0 0 总吨及以上国际航 行和5 0 0 总吨及以上国内海上航行的船舶及不论必须安装 尺寸大小的客船 客船2 0 0 3 年7 月l 目前 2 0 0 2 国际 液货船 2 0 0 3 年7 月1 日后首个 年7 安检日前 月1 航行5 0 0 0 0 总吨及以上货船2 0 0 4 年7 月1 目前 日以 船舶1 0 0 0 0 总吨及以上小于5 0 0 0 0 吨货船2 0 0 5 年7 月1 日前 前建 3 0 0 0 总吨及以上小于1 0 0 0 0 吨货船2 0 0 6 年7 月1 日前 造的 3 0 0 总吨及以上小于3 0 0 0 吨货船2 0 0 7 年7 月1 日前 船舶 国内 航行5 0 0 总吨及以上船舶2 0 0 8 年7 月1 日前 船舶 1 3 h i s 应用前景 表卜l 1 3 1 基于aj s 的新型船舶避碰专家系统 现代船舶朝着大型化、高速化、专业化的方向发展，集装箱船、滚装船、 油船等专业化船舶的货物危险度更高，一旦发生碰撞事故，造成人员伤亡、财 产损失、海洋污染等后果更加严重。尽管i m o 和各国主管当局在强制配备通信 导航设备、建立港口v t s 管理和船位报告系统等方面做了不懈的努力，但碰撞 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 事故仍然时有发生。对通信导航设备而言，导航雷达、a r p a 在避碰中起到了重 要的作用，但其提供的信息有限，工作易受天气、海况的影响。由于a i s 能够 自动连续地在信息显示器上提供目标船的各种动态、静态信息，不受气象、海 况因素的影响，可以提供比a r p a 的自动标绘更精确、更实时、更可靠的操纵信 息。 1 3 2基于a i s 的新型v t s 船舶自动识别与动态跟踪处理系统 a i s 可以用于v t s 船舶自动识别。广播式a i s 利用国际专用频道，可提供有 效的船一岸通信，来港船舶能够向v t s 快速提供详细、精确的信息，包括船舶 识别码、船名、呼号及静、动态等导航信息，可用于船舶动态跟踪处理。 a i s 的出现，为开发基于a i s 信息的v t s 新型船舶动态跟踪子系统提供重要 的条件，其提供的船舶定位精度高、传送数据可靠、跟踪矢量稳定时间短、作 用距离远。 1 3 3a i s 将成为船舶报告系统的一种支撑系统 船舶装备了a i s 后，广播式a i s 可自动、连续发送船舶航行信息，或按查 询要求插入船舶和航次信息，经无线一有线通信网，送入“报告站”，再转入计 算机中心。计算机中心按系统要求将所有船舶按规定的时间、周期及所需的信 息建立数据库，进行管理。 1 3 4 a l s 与v d r 相结合互通信息 航行记录仪v d r ( v d r - - v o y a g ed a t ar e c o r d e r ) 用于获得和记录预先选择的 数据，记录数据的储存、数据的读出、使用和分析，与a i s 有不可替代的互补 功能。自2 0 0 0 年7 月开始，v d r 在国内船舶上已经开始安装。 1 3 5 a l s 将促成船岸信息联网 基于s o t d m 技术的广播式a i s 具有通信信息可协调同步、抗干扰性能强、 数据传输比特率高、系统容量大、信息更新时间间隔短等诸多优点。a i s 的岸基 站可采用多站布局，力求无缝覆盖沿岸海域，构成完整的海岸网。 1 3 6 利用a i s 的新型航标遥测遥控系统 基于a i s 的新型航标遥测遥控系统仅由自动化航标设备及a i s 应答器两部 构成。这种新型的航标遥测遥控系统与现行系统相比，具有设备少、投入成本 低、建设周期短、功能强大、方便易行等优越性。 1 3 7a i s 与2 1 世纪新型船舶导航系统 a i s 能自主、连续地提供船舶丰富的航行信息，信息之多是现有各种设备之 最。a i s 的出现为建立新型的导航系统准备了充分的信息条件。 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 1 4a i s 系统的基本组成 a i s 在甚高频( v h f ) 频段上收发信息，工作范围约1 0 一1 5 海里( 大功率a i s 设备工作距离可以达到1 5 0 海里左右) ，与卫星导航设备( g n s s ) 、自动雷达标 绘仪( a r p a ) 、电子海图系统( e c d i s ) 、罗经配合使用，实现信息的采集和交换。 1 4 1 组成框图、各组成部分功能介绍 v h f 发射v h f 接收v h f 接收 v h f d s c tt干t ! 船a a厂一 用i i 、 l 兰竺竺竺 i g p s d g p s g n s s + 电 s s 子信 显 通 息 l 电罗经 l 信 处 不广一 理 器 1 l ! 竺! 接嚣 口 【一 l 输入装置 圈卜1 从构成图卜l 可知，a i s 系统由四大部分组成。 1 4 1 1 数据的采集部分( 接口) 数据的采集部分接收来自g p s b g p s 接收机的本船船位经纬度、对地航速、 同步u t c 及来自陀螺罗经的本船对地航向等信号，转换为数字信号并输入信息 处理器，还包括从输入装置中输入的信息。g p s 、陀螺罗经均采用n e m a 0 1 8 3 格式，计程仪一般以2 0 0 个脉冲l 海里，通信接口采用r s 2 3 2 标准。 1 4 1 2 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、船舶 类型等静态信息，存储船舶吃水、危险货类、航线等航行相关信息，处理、存 储本船动态信息。同时可以将存储的本船最新航行数据及必要的静态信息、与 航行相关的其它信息进行编码后送发送机。信息处理器可对接收到其他船舶的 航行数据进行解码并存储解码后的数据，可将本船和其他船舶的航行数据等信 息送信息显示器显示。 信息处理器中包括船舶静态、动态数据库及对信息的处理、管理控制、时 区选择、同步监测、显示等相应软件。为使广播式a i s 系统具有可靠、有序的 6 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 信息通信，要求各船舶a i s 设备时间严格同步，从而避免内部干扰。通常用于 同步的参考时间均采用来自g p s 的u t c ( 世界协调时) ，也可采用与u t c 相关的 时间源。 1 4 1 3 信息显示器 用于显示各种数据及状态信息、监视系统运行情况，实际应用的信息显示 器与雷达、a r p a 及电子海图显示器一体化。 1 4 1 4v h f 收发机部分 v h f 收发机由系统信息处理器控制，用v h fc h 8 7 b ( 1 6 1 9 7 5 心z ) 、c h 8 8 b ( 1 6 2 0 2 5 m h z ) 两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的g m s k 信号。 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，主管部门还可以指配a i s 的区域性频率，使a i s 工作于一组频率，并具 有频道选择和切换手段，既可工作于近程，也可工作于远程。典型的a i s 系统 包含一个v h f 发射机，两台v h f 接收机，一台v h f d s c 接收机。需要指出的是， 该v h f 收发机与现存的v h f 收发机有一定的性能上的区别，它应具有对短脉冲 快速响应的要求，这需要对现在v h f 设备作相应的研究和改进。 1 4 2 工作模式 a i s 系统可有以下几种工作模式： 1 ) 自主连续的工作模式( a u t o n o m o u s ) ：此方式可以工作在所有水域，自主 连续发射信息。 2 ) 指定模式( a s s i g n e d ) ：工作在一个水域，此水域是有授权的主管部门所 负责检测的水域，其数据传输间隔及时区可以由此主管部门遥控指令。 3 ) 查询模式( i n t e r r o g a t i o n p o l l e d ) ：此模式是受到船舶或某一授权主管 部门问询信息的触发才会发射。 7 船舶自动识别系统( m s ) 的研究 2a i s 系统的关键技术分析 根据i t u 的建议草案i t u r m 8 x x a ( 全球船载自动识别系统在海事移动 频段使用时分多址访问的技术特性) ，a i s 通信采用o s i 七层工作模型中的低四 层。o s i 七层协议工作模型如下： h p p l i c a t i o nl a y e r p r e s e n t a tio rl a y e r s e s s i o nl a y e r t r a n s p o r tl a y e r n e t w o r kl a y e r c h a n n e l lc m a n n e l 2 l i n kl a y e rl m e l i n kl a y e rl m e l i n kl a y e rd l sl i n kl a y e rd l s l i n kl a y e rm a cl i n kl a y e rm a c p h y s i c a ll a y e rp h y s i c a ll a y e r r x lt x2r x 2 系统在物理层上采用v h f 无线传输，v h f 频道为1 6 1 9 7 5 m h z ( c h 8 7 ) 和 1 6 2 0 2 5 m h z ( c h 8 8 ) ，v h f 收发机带宽为2 5 k h z 或1 2 5 k h z 。调制方式用高斯最 小移频键控( g m s k f m ) ，g m s k 调制器的带宽时间乘积b t 为0 3 ( 窄带1 2 5 k h z ) 、 0 4 ( 宽带2 5 k h z ) ，g m s k 解调器b t 值为o 3 或o 5 ( 窄带1 2 5 k h z ) 、0 5 ( 宽带 2 5 k h z ) 。数据传输速率为9 6 0 0 b i t s s ，使用非归零反转码( n r z i ) 编码。a i s 工 作时，发射阻塞时间不能超过l 毫秒，发射关掉后，发射机的释放时间同样不 能超过1 毫秒，发射功率为2 w 一1 2 5 w 。 数据链路层主要定义数据的组包方式，以用于校验数据和数据的同步收发。 该层可分为三个子层：m a c 、d l s 、l m e 。m a c 子层提供数据传输媒质；d l s 解决 数据链路启动和释放、数据传输、错误检测和控制；l m e 也称为链路管理层，主 要负责对d l s 子层、m a c 子层及物理层操作的控制。在该层上，l m e 将为数据传 输分配时区( s l o t ) ，同时根据其工作模式来控制数据通信。 a i s 数据传输采用t d m a ( 时分多路) 技术，按帧来传输信息。1 帧定义为1 分钟，分成2 2 5 0 个时区( s l o t ) ，每个时区为2 6 6 毫秒，数据必须在规定的时 区内完成一帧信息。为了达到这一目的，m a c 子层提供了对时区同步和帧同步的 支持，使数据传输建立在同一时间基准上并能反映时区的状态( 被使用或未被 使用) ，避免时区间的相互干扰，t d m a 主要解决同步的问题。a i s 的数据通信规 程采用面向比特的高级数据链路控制协议( h d l c ) 。 基于m a c 予层上的d l s 子层功能为监听时区的使用情况，并建立或取消数 据通信链路。s l o t 有4 种状态，由d l s 子层负责标注，4 种状态如下： 塑塑鱼垫望型墨笙! 竺! ! 塑堑塑 a 、空闲状态：可被分配使用； b 、内部分配：已被系统分配使用； c 、外部分配：己被其他m s 站使用i d 、可使用：已被系统作用域以外的a i s 分配，但作用域内可被使用。 网络层负责将两个终端系统经过网络中的结点用数据链路连接起来，组成 通路，实现该两个终端系统之间的数据透明传送，亦即为网络两端用户提供一 条信道。所谓透明性指能够传送所有数据而不改变任何数据内容或结构的一种 性能，其功能为寻址、选择路由以及处理物理连接的建立、保持和释放等。庙 于有了该层提供的服务，可使其上一层无需了解网络中的数据传输和交换技术。 网络层负责建立和维持信道的连接( 选用无线电频道) 、控制信道上的数据流向、 优化信道的使用。h i s 发送的信息依据一定的优先级别排序发射：链路管理信息 为最高优先级信息( 用代码l 表示) ；与船舶安全相关的信息为最高优先业务信 息( 用代码2 表示) ；指定、问询及应答信息为第三优先级别( 用代码3 表示) ； 其他属于最低优先级别的信息( 用代码4 表示) 。 传输层主要处理来自对话层、网络层、g n s s 等定位导航仪器的信息。其主 要功能是将h i s 数据包转换成其他设备能识别的传输层数据包格式、控制传输 层数据的传输、实现与o s i 高三层协议的接口。h i s 传输层数据接口采用i e c 6 1 1 6 2 接口协议，此接口为目前船舶电子设备通用串行通信接口，有利于与外 界设备接口与通信。 2 1h d c 通信规程 a i s 的数据控制规程使用h d l c ( 高级数据链路控制) ，i - i d l c 是面向比特的协 议，使用位填充来保证数据的透明性。h d l c 规程具有透明传输、控制简单、可 靠性高、传输效率高的特点，具有极大的灵活性。h d l c 规程要素是整个h d l c 规程的核心，它由5 个部分组成：数据链路信道状态、操作方式和非操作方式、 控制字段的功能、命令和应答的具体内容、异常情况的报告和恢复。h d l c 为通 信系统之间进行数据、命令、响应的传送定义了信息结构。信息结构如图2 一l 所示。 1 开始标志f 地址字段l 控制字段l 信息帧校验i 结束标志i l ! ! 坠!llll ! ! 坠!i 图2 一l 开始标志字段和结束标志字段包含0 1 1 1 1 1 1 0 ( 7 e h ) 位序列，它指明了h d l c 的开始和结束。 地址字段在多终端线路的情况下，可用来区别各个终端。一般包含从站的 地址，通常是8 位。但可能因为多点连接( 包括许多不同的地址) 而扩展地址字 段。在这个字段中还可以插入广播地址，从而可以把消息发往多点连接上的命 令站点。 控制字段指明信息帧中的信息是数据、命令还是响应，主站发送命令而从 站发送响应。控制信息可以是应答、重发请求、传输挂起请求和其它一些命令 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 以及响应。信息帧校验字段f c s ( 校验和) ，采用c r c 冗余校验算法，它具有很强 的检错能力，能够检测出帧内任何三个比特以内的差错、全部奇数个比特的差 错、连续1 6 个比特以内的差错以及随机或连续的差错，并可以检查出标志字节 的丢失。 h d l c 是x 2 5 分组交换网的数据链路层控制的基础。它包括三个子集：s d l c 、 l a p b 和l a p d 。s d l c 称为同步数据链路控制协议，是i b m 公司提出的一种协议。 l a p b 用于x 2 5 协议，l a p d 用于i s d n 网络。 2 1 1 位填充 a i s 比特流应受位填充控制，这表明一旦发现输出位流中出现5 个以1 时， 应插入1 个0 。 2 1 2 a l s 信息帧结构 a i s 数据发送基本依照h d l c 协议的规定。信息结构如图2 2 i 训练序列开始标志数据 f c s结束标志缓冲区 i ( 7 e h ) 信息通信 i d状态 图2 - 2 分组应自左向右，除训练序列外，这一结构同普通h d l c 结构完全一样， 预设的分组的总长度为2 5 6 b i t s 。 1 ) 训练序列采用训练序列的目的是为了载波的同步，训练序列一般有 2 4 b i t s 或3 2 b i t s 。 2 ) 开始标记： 开始标记的长度应为8 b f t s ( 7 e h ) ，由一个h d l c 标记组成。其作用是标识 一个传输分组的起始。h d l c 标记由一个位组合组成，该标记尽管包含6 个连续 的l ，但不受位填充的影响。 3 )数据 在预设传输分组中，数据部分的长度为1 6 8 b i t s 。信息i d 为6 比特长，范 围是0 6 3 ，用于信息类型的标识，也就是标识发送台的模式。通信状态包括同 步类型及子信息等。 4 ) 校验序列( f c s ) f c s 采用循环冗余校验( c r c ) 1 6 b i t s 多项式来计算。c r c 计算包含位填充在 内的数据部分。 5 ) 结束标志同开始标志一样，同为7 e h 。 6 ) 缓冲区缓冲区通常有2 4 b i t s ，用于比特缓冲、距离延时、重复延时等。 总体比特分配见表2 - 1 。 1 0 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 t x 一0 n 8b i t s发射启动 训练序列 2 4b i t s同步必须的训练序列 开始标志 8b i t s7 e h 数据 1 6 8b i t s缺省 循环冗余码 1 6b i t s h d l c 规定 结束标志 8b i t s 7 e h ( h d l c 规定) 缓冲 2 4b i t s 比特缓冲等 合计 2 5 6b i t s 2 2t d m a 各种模式的信息结构 t d m a 采用时区区分地址，系统中各台站可以使用相同的射频，不存在f d m a 方式的互调问题，频带几乎可以全部利用。采用t d m a 方式能更充分、方便和有 效地使用各种数字技术，在预分配或按申请分配方面具有更大的灵活性。 t d m a 通信方式使得a i s 系统中各台站只在规定的时区内以突发的形式发射 它的已调信号，这些信号在时间上是严格依次排列、互不重叠的。一个重复周 期称为一帧，每帧又分为若干时区。在一个系统中，一般设一个基站，它的任 务是发射“基准突发”，标志一帧的开始，并作为各通信站的定时基准。有时， 基站也可由某一通信站兼任。 同步是t d m a 方式的一个关键问题，这涉及一个台站开始发射突发时，怎样 保证此突发正确地进入指定的时区，而不会误入其它时区造成干扰，保证完整 精确地检出发送方的信息，也就是所谓初始捕获问题，即时区相位同步。当正 常工作时，每隔一帧时间发一次，又怎样保证各分帧之间维持精确的时间关系， 也就是所谓分帧同步问题。针对不同系统的不同传输速率、不同的性能要求， 相应有不同的同步方式。由于系统定时不精确，各个台站之间距离变化等原因， 会使各个台站的突发在时间上发生重叠。为避免此现象，突发之间要留有一定 时间空隙作为保护时间。 在a i s 工作中，使用四种模式的t d m a ：s o t d m a ( s e l f - o r g a n i z a t i o n t d m a ) 、 i t d m a ( i n c r e m e n tt d m a ) 、r a t d m a ( r a d o mt d m a ) 、f a t d m a ( f i x e dt d m a ) 。 s o t d m a 联接为自主、连续运行的移动台所用，用于发送需重复发送的数据；i t d m a 算法用于选取台站发送不需要重复信息的时区或台站处于数据链路网络接入阶 段。当一个台站需要分配一个事先未经报告的时区，例如当台站初始接入网络 时用的第一个时区或用于只发送一遍信息的时区均采用r a t d m a 。f a t d m a 只归基 站或控制台站使用。a i s 的信息结构可参见h d l c 的信息结构图( 图2 2 ) ，其采 用不同的t d m a 模式，信息的通信状态不同。 2 2 1it d m a 的信息结构 通信状态结构如表2 2 所示： 船舶自动识别系统( a i s ) 的研究 参数比特数说明 同步状态 2o 直接u t c ； 1 间接u t c ： 2 基地电台； 3 接收到的电台的数量。 时区增量 1 3 下一时区使用的偏移量，如果不再有发射，则为 o 。 时区数3分配的连续时区数量( 0 = 1 个时区，1 = 2 个时区， 3 = 4 个时区，4 = 5 个时区) 。 保持标志 1 如另外有一附加帧保留，则设为“t r u e ” ( t r u e = 1 ) 2 2 2 s o t d m a 信息结构 s o t d m a 通信状态结构如表2 - 3 所示 表2 - 2 参数比特数说明 同步状态 2 0 直接u t c ； l 间接u t c ： 2 基地电台； 3 接收到的电台的数量。 在选择时区之前，提示剩余的帧 时区暂停 3o 在此时区中，这是最后的发射： 卜7 在时区改变之前，分别有卜7 帧剩余。 子信息 1 4 该子信息是依据如下表所述的时区暂停所对 应的当前数值。 子信息内容如表2 - 4 所示 表2 - 3 时区暂停子信息说明 3 、5 、7 接收到的电台本电台当前接收到的电台数量( o 一1 6 3 8 3 ) 2 、4 、6 时区数用于该发射的时区数( 0 2 2 4 9 ) 1 u t c 小时和分钟 如果电台能对准u t c ，将在该子信息中指示 小时和分钟，小时( 0 - 2 3 ) 编码为子信息的 1 3 9 比特位( 比特1 3 为m s b ) ，分钟( 0 - 5 9 ) 编码为8 2 比特位。 0 时区偏移量 如果时区偏移为0 ，则在发射之后，将重新 分配该时区。 表2 - 4 船舶自垫望型墨堕! 坐! ! 塑婴塞一 一一 2 2 3r a t o m a 和f a t d m a 信息结构 r a t d m a 和f a t d m a 的信息结构由信息i d 来决定，没有统一的规定。 2 3t d m a 同步 ( u t t c 叭) 饿蒙蒙雯区u t c 譬u 和t c 糍，时a i 黑s 凝荔黼粱，假如本系统无 或不准确， 司根据系统以外阴l 司步佰思狮术 校对同步，可能的同步源按级别由大到小如下： a 、有u t c 和精确时标信息的a i s 站； b 、有时标信息的基站： c 、任何不带u t c 但已经与基站同步的a i s 站： 0 、慧罂孺曼繁嚣嚣薯酶时段完成2 5 6 比特位数据的发射并即时( 在1 驯鬟i煞器鬈霉嘉盆配竽塞璧篇嚣25箔凳薯莩鬻发射一荆”嗣征2-310rf s l o t 毫秒内) 关闭射频发射端 ，避免对相邻 的无线电十伉， r f p rs 峨s t 曩ns i 吐s t i a o 厂l 。 l im s 1m s 帧的开始和结束在u t c 可获取的情况下与u t c 的分钟一致。1 少哆相当于1 分钟，可分为2