（通信与信息系统专业论文）通用自动识别系统（ais）的应用研究.pdf

中文摘要 摘要 通用自动识别系统( a i s ) 是诞生于2 0 世纪9 0 年代的一种新型航海设备，是 现代通信技术、计算机技术等多门类高新技术在航海领域的成功应用。a i s 可以使 船舶及时了解周围船舶的动静态信息，同时也可以帮助管理部门掌握其管辖水域 的船舶情况。a i s 的成功应用不仅可以提高船舶航行的安全性，还可以提高船舶管 理的有效性，极大地避免了海上各种交通事故的发生。a i s 系统给海上船舶的监视 和管理带来革命性的进步，是数字化航海必不可少的设备。 本文以a i s 的国际标准为依据，重点研究了a i s 各种数据的获得和编码方法 及a i s 的电文结构和实现方法，同时还对a i s 的串行数据接口和语句进行了详细 地分析和研究，并通过软件实现了a i s 数据的编码及a i s 电文的输入和输出。 在此基础上，本文还结合航海领域的实际情况和需求提出了a i s 在避碰、助 航、搜寻和救助、引航、v t s 等各方面的应用。文中还模拟实现了这些功能，这 不仅为a i s 在各领域的实际应用奠定了理论基础，还为之提供了试验数据。 针对a i s 研究和学习的需要，本文提出了a i s 数据源系统的概念，给出了系 统的总体设计方案，并以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具实现了该系统。a i s 数据源系 统实现了多条船只的动态参数和静态参数的仿真，可以根据研究人员的需要设置 参数并实现各电文的输出。该系统还实现了部分真实a i s 设备未实现的电文( 如 二进制电文) 及自行设计的电文( 如水文气象电文) 。本系统界面友好、操作简单， 是学习、研究和应用a i s 电文和数据的有效工具。该系统的实现为研究通用自动 识别系统的应用提供了初步的仿真基础，为今后的产品开发做了先期准备，同时 对a i s 系统的理论研究也有积极的意义。 关键词：通用自动识别系统；电文；串行数据接口；船舶交通管理系统；a i s 数据 源 英文摘要 t h er e s e a r c ho f 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 ( m s ) a p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o ni d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s ) i so n ek i n do fn e wm o d e ln a v i g a t i o n c q m p m e mo f1 9 9 0 s ，w h i c hi sm a n yh i g ha n dn e wt e c h n o l o g i e ss u c ha sm o d e m c o m m u n i c a t i o na n dc o m p n t c ra p p l i e si n t on a v i g a t i o nf i e l ds u c c e s s f u l l y a i sc a l lm a k e s h i pk n o wd y n a m i ca n ds t a t i cs t a t ei n f o r m a t i o no fv i c i n i t ys h i pi nt i m e ，a l s oc a l lh e l p a d m i n i s t r a t i v ed e p a r t m e n tt og r a s ps h i pi n f o r m a t i o no fi t so w na d m i n i s t e r i n gc o n d i t i o n w a t e ra r e a t h ea p p l i c a t i o no fa i sn o to n l yb e i n ga b l et oi m p r o v es a f e t y , b u ta l s oc a n i m p r o v et h ev a l i d i t yo fm a n a g e m e n t , h a v i n ga v o i d e dt h ev a r i o u sa c c i d e n to fs e a ，i s e s s e n t i a le q u i p m e n to f d i g i t i z a t i o nn a v i g a t i o n t h et h e s i st a k e st h ea i si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da sb a s i s ，s t u d i e st h ea c q u i s i t i o na n d c o d em e t h o do fa i sd a t a ，s t u d i e st h es t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fa i sm e s s a g e t h et h e s i sa l s oa n a l y s e sa n ds t u d i e ss e r i a li n t e r f a c ea n ds e n t e n c e ，c o m p l e t e u sc o d i n g a n do u t p u ta n di n p u ts e n t e n c e t h et h e s i sb r o u g h tf o r w a r da i s a p p l i c a t i o na c c o r d i n gt ot h er e a l i t yc o n d i t i o na n d n e e do fn a v i g a t i o n ，s u c ha sc o l l i s i o np r e v e n t a t i o n , a i dt on a v i g a t i o n , s e a r c ha n dr e s c u e ， p i l o t a g e ，v t sa n ds oo n i nt h et h e s i s ，t h e s ef u n c t i o n sh a v eb e e nc o m p l e t e ，w h i c hn o t o n l ye s t a b l i s ht h e o r yb a s i sb u ta l s op r o v i d ee x p e r i m e n td a t af o ra i sa p p l i c a t i o n s p e c i f i c a l l yf o rt h en e e do fa i ss t u d y , t h et h e s i sb r o u g h tf o r w a r dt h ec o n c e p to f a i sd a t as o u r c es y s t e m ；p r o v i d es y s t e m a t i cd e s i g np l a n ；i m p l e m e n ta i sd a t as o u r c e s y s t e mw i t hv i s u a lc + + 6 0 t h es y s t e mc a np r o v i d ed y n a m i ca n ds t a t i cd a t at h a t b e l o n gt od i f f e r e n ts h i p s ，a l s ob ea b l et oo u t p u ts e n t e n c ea c c o r d i n gt ot h en e e do f s c h o l a r s t h es y s t e ma l s oh a sr e a l i z e ds o m em e s s a g et h a th a v en o tr e a l i z e di na i s e q u i p m e n t ，s u c ha sb i n a r ym e s s a g eo rh y d r o l o g ym e t e o r o l o 百c a lm e s s a g e t h ei n t e r f a c e o fs y s t e mi sa m i c a b l ea n dt h em a n i p u l a t i o ni se f f e c t i v e i ti sa ne f f e c t i v et o o lf o ra i s m e s 翰g ea n dd a t as t u d y t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h i ss y s t e mp r o v i d e st h ep r e l i m i n a r y e m u l a t i o nb a s i sf o rt h ea p p l i c a t i o no f a i s ，a l s oh a sa c t i v em e a n i n gf o r t h et h e o r ys t u d y o f a i s k e yw o r d s ：a u t o m a t i o ni d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ；m e s s a g e ：s e r i a li n t e r f a c e ；v t s ； a i sd a t as o u r c e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：逼旦自麴退剔丕缠! ! s 2 的廛旦硒究：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： ：孑d 砷 年月日 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 论文储躲寺唧翩签韬i 值 日期：年月曰 通用自动识别系统( a i s ) 的应用研究 第1 章绪论 1 1 通用自动识别系统简介 通用自动识别系统( 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 ，简称a i s ) 是一种新兴的 船舶和岸基广播助航系统，它采用自组织时分多址链接技术，在海事v h f 频段无 需人工干预的情况下连续自动地播发本船静态、动态、与航次相关信息及安全短 消息，同时也能自动接收周围船舶发出的这些消息，并与海岸基站进行信息交换。 以自组织时分多址技术为核心的通用自动识别系统是在高精度卫星定位技术及甚 高频无线数传技术发展的基础上产生的，是传统的经验航海向数字航海跨越的一 个里程碑。a i s 系统的主要功能是船舶识别、监视、通信和状态报告，该系统为船 船及船岸间的信息交换提供了新的手段。a i s 的应用不仅增强了船舶在海上航行中 的相互识别能力，为实现海上交通安全的信息化管理提供了重要保障，而且使海 事主管机关能够借助于岸基a i s 电台提供的船舶信息及时掌握所辖海域交通状况， 有助于加强海上交通管制并提高海域安全管理效率。从表面上看a i s 系统仅仅是 实现了船舶的自动识别功能，但实质上它还能实现诸如导航、监视、通信、控制、 状态报告等其他功能，并能进一步推广出更多的实际应用。通用自动识别系统的 提出与应用给移动目标的监视技术带来了一个全新的概念，给移动系统的现代信 息技术领域带来革命性的进步。 1 2 通用自动识别系统的目的和效能 i 2 1 通用自动识别系统的目的 实施a i s 的主要目的： ( 1 ) 船舶自动识别； ( 2 ) 帮助跟踪目标； ( 3 ) 简化和促进信息交换； ( 4 ) 为避免碰撞提供辅助信息； ( 5 ) 减少口头的强制船舶报告，通过a i s 的使用可以降低v h f 话音通信”。 1 2 2 通用自动识别系统的效能 a i s 是一个辅助的助航信息源，它支持但不能代替雷达目标跟踪和v t s 系统， 第1 章绪论 a i s 可以提供的功能和益处包括1 】： ( 1 ) 准确度高，a i s 可以提供比雷达范围更远、位置更精确的交通监管； ( 2 ) 实时地提供信息，瞬时显示位置以及对地航速和对地航向等动态信息： ( 3 ) 在e s c e c d i s 显示上实时跟踪所有配置a i s 的船舶，并能瞬时显示目标 航向的变更； ( 4 ) 不受目标变换的影响； ( 5 ) 不受目标杂波干扰的影响； ( 6 ) 不受目标由于快速操纵而失去的影响； ( 7 ) 对障碍物后的船只可见，通过a i s 可以识别弯段周围和岛屿后面的船舶； ( 8 ) 通过对船舶交通安全的协调可减少船舶碰撞危险及对环境的破坏； ( 9 ) 提供更精确的导航建议； ( 1 0 ) 提供气象水文信息； ( 1 1 ) 提供航路点和航行计划信息、目的港名称及预计到港时间和附近地区航 行的船舶尺度和吃水等信息； ( 1 2 ) 提供安全信息； ( 1 3 ) 提供自动报警功能，如气象警报、偏航警报等； ( 1 4 ) 通过a i s 信息可以统计整个水域中船舶交通流量情况，并以此为基础实 现航标的建立和管理； ( 1 5 ) 提供历史航迹记录，当发生事故时可以通过航迹自动记录的数据实现事 故重演； ( 1 6 ) 辅助搜救系统的管理。 1 3 国内外发展及研究状况 1 3 1 国外a i s 发展及研究状况 a i s 从酝酿到标准的制定历时十余年，目前a i s 正处在实施和进一步发展成 熟阶段。国际海事组织对a i s 给予了充分的肯定，i m o 、i t u r 、i e c 等组织相继 出台了支持该系统的性能、技术、测试等标准，s o l a s 公约也已经对船舶的安装 做出了具体的要求，许多国家的港口和水域也都引进了a i s 岸站，a i s 技术正在 全球范围内迅速地发展和广泛地应用t 2 1 。 通用自动识别系统( a i s ) 的应用研究 1 9 9 8 年，美国海岸警备队( u s c g ) 与r o s s 公司合作，以新开发的s o t d m a 技术为基础，在交通密集的佛罗里达州的坦帕港( t a m p a , f l a ) 和路易斯安那州密 西西比河下游的新奥尔良( n e wo d e a n s ，l o i s ) 建立了新一代& i s 的示范站点。坦 帕港的系统主要是为了测试a i s 在船岸间的通信情况，而新奥尔良的系统是全美 港口和水路安全系统( p a w s s - u s c g 策划并建立的一套覆盖全美东西海岸主要港 口和水路，采集、处理和发布相关海事环境和水上交通管理信息的系统) 的一个 测试和示范工程，该系统为相应船舶和当地引水站配备了5 0 套& i s 设备，同雷达 和v t s 结合，实现大范围的监视。经过不断的调试和改进，目前已成为世界上最 先进的和操作最有效的系统之一。美国的这套系统，对于其他海岸线较长的国家 水上通信设备的基础建设具有积极的借鉴意义。 1 9 9 9 年，新加坡海事港务局( m p a ) 在新加坡海峡进行了船舶识别与定位系 统( s i p s ) 的实验，该实验的目的是为了评估基于i m o 标准的a i s 应答器的操作 和技术性能以及a i s 应答器在新加坡海峡和港口水域跟踪船舶的能力。s i p s 系绕 包括一个岸基控制台、一个基站和1 0 个a i s 应答器。这次实验的结果显示a i s 应 答器是可靠的，数据更新速率是满足标准的，a i s 应答器提供的船舶动静态信息可 f 以在岸基应答器控制台显示出来，同时也验证了有关航行和安全信息的正确性和 可用性。实验证明通用自动识别系统可以提高s 对船舶的识别和跟踪能力，有 利于船舶的安全航行，同时也改善了v h f 语言环境【3 】。 ， 2 0 0 0 年初，荷兰在d o r d r e n c h t 港开工建设“荷兰内河船舶信息显示与监控系 统( 玳d r j s ) ”项目，该项目由1 2 个a i s 基站和3 0 个a i s 船站组成，1 2 个基站 中有两个与v t s 系统实现了接口和信息交换。该系统覆盖了长约1 3 0 千米的荷兰 内河航道，实时监控3 0 多艘船舶的状态，可以读取和存储交通信息，利用& i s 信 息进行航线设计，与e c d i s 接口，并可将雷达厂v t s 捕捉的动态目标用“广播”方 式转发给安装& i s 的船舶。该系统已于2 0 0 2 年6 月投入运行，效果很好f 4 】。 h e l s i n k i 委员会( h e l c o m ) 2 0 0 5 年7 月1 日宣布波罗的海& i s 海上公共交 通监控系统全面投入使用。该系统是波罗的海h e l c o m 成员国按协议建立的覆盖 波罗的海岸a 1 海区的岸基a i s 系统。各成员国负责各自沿岸的岸基& i s 网络的 建设，并将各自的a i s 系统与其他成员国的& i s 系统相连接，以保证沿岸国主管 机关能够监控船舶交通状况并向h e l c o m 秘书处提供详实韵& i s 数据系统资料。 一3 一 第1 章绪论 该系统的a i s 数据在网上发布并作为历史信息向缔约国的主管机关开放。这些历 史信息将以h e l c o ma i s 数据统计报告的形式发布，发布的a i s 信息是风险分析、 海事调查、设置新的助航设施、改变船舶定线措施、设置通航标志和引航服务的 重要工具。h e l c o ma i s 网络除了能够监控海上交通状况外，还可以分析进出波 罗的海船舶的交通构成和使用航路的情况并对船舶交通流量构成和货物流量进行 统计，因此可提供风险评估和额外安全措施。 1 3 2 我国a l s 发展及研究状况 中国国海事主管机关一直非常关注a i s 系统的发展，早于2 0 世纪9 0 年代就 开始跟踪国际a i s 动态，参与国际a i s 相关会议，研究我国a i s 系统的建设、规 划与发展。我国海事局将a i s 定位为一种新型的信息化助航系统，其依托由g p s 构建的数字空间平台，通过e c d i s 、现代信息网络等先进手段实现船船，船岸的 信息沟通，实现信息的可视化、多维化，它将成为我国沿海数字航标、数字航海 的一个重要基础平台，将丰富我国海事管理的手段，是构筑我国海上智能交通系 统的重要组成部分。中国海事局已制定了中国沿海a i s 基站配置规划，在短期内 迅速实现我国重点水上交通控制区域“四区一线”a i s 覆盖，以重要水域、港口、 海峡等航行密集区域，水上交通重点管制区域、沿海经济发达地区( 如长江口、 珠江口、渤海湾、琼州海峡、台湾海峡等) 为a i s 配置重点地区，充分利用现有 海事基础设施，形成与水运发展战略和港口、航道的发展布局相适应的沿海a i s 网络框架，建立多个地区级网络及国家级网络中心，最终将建成国际级a i s 网络， 其信息资源将向社会公众开放。我国沿海的a i s 系统的建设和应用不仅可以促进 我国海上经济贸易的快速发展、促进海上交通安全服务与管理水平的提升、促进 海上智能交通的实现，同时还可以满足行使国家主权，维护我国海洋权益，保护 海洋环境的需要【5 1 。 上海市长江口水域a i s 岸基网络系统于2 0 0 3 年底开工，是由一个指挥中心和 四个基站组成的岸基网络系统，经过研发和建设等阶段于2 0 0 4 年5 月2 7 日起顺 利联网并进入试运行。长江口水域a i s 岸基网络系统由位于花鸟山、大戢山、横 沙、无淞四个a i s 基站和位于上海航标处的一个a i s 中心组成，网络覆盖了整个 长江口水域。该工程本着采用先进成熟的技术、网络化结构、信息开放的原则， 通用自动识别系统( a i s ) 的应用研究 经过有关专家论证，最终选择瑞典s a a b 公司产品。该公司是全球最早研发和制 造a i s 船台、基站系统的厂商，全球已建立的a i s 基站大约有3 0 0 多个，其中有 2 5 0 多个使用的是s a a b 公司的产品，占有国际a i s 基站市场8 5 的份额，其产 品在先进性、成熟性方面具备优势。长江口a i s 网络具有世界先进水平，是我国 推广a i s 建设的示范工程。 广东省珠江口水域a i s 岸基网络系统于2 0 0 3 年底开工，2 0 0 4 年5 月2 2 日经 过研发和建设等阶段顺利联网并运行成功。珠江口a i s 是由一个指挥中心和三个 基站组成的岸基网络系统，网络覆盖了整个珠江口水域。这是我国首次采用国际 先进的a i s 岸基网络技术在沿海港口进行船舶交通管理的系统，凡航行于珠江口 水域安装了a i s 的船舶在海事部门的电子海图信息屏幕上均可清晰、自动、快速 地显示其静态信息和动态信息，海事部门可以通过这些数据信息对船舶实旌有效 监管。 北方海区的a i s 岸基系统建设工作由天津海事局承担，天津港一期工程已王 2 0 0 4 年1 1 月1 6 日建成并投入使用，取得了良好效果。二期工程重点构建北方海 区a i s 岸基系统，主要突出渤海湾内几个亿吨大港，天津港也是其中之一。北方 海区a i s 岸基系统计划于2 0 0 6 年全部建成并投入使用，建成后将形成“大统一模 式”，即将所有信息包括交管中心、全球海上遇险搜救系统等整合到一起，统一分 析处理，这在目前世界范围内已建成的a i s 系统中尚属首例【6 1 。 我国台湾高雄港及平安港的船载自动识别系统于2 0 0 3 年开始实施，2 0 0 4 年初 建成并正式投入使用。采用南非m a r i n e d a t a 公司的系统，安装了2 个a i s 基站。 a i s 可掌握辖区内水域船舶的动态与静态信息，能提供船东及船舶管理部门完整的 服务，提高了船舶航行安全及港埠营运效率1 7 1 。 目前，a i s 正处于快速发展阶段，各国都在广泛安装和应用, m s ，国际组织也 针对a i s 提出了不少标准。虽然a i s 提高了船舶航行的安全性，增强了管理部门 的监管能力，但还有很多其他的功能并未得到实现或是广泛的应用。国际海事组 织正在进一步完善a i s 可提供的服务项目并制定相应的国际标准，而各国管理部 门也都积极地针对其管辖水域的具体情况增加a i s 的功能。我国a i s 的建设和应 用已走在世界前列，但也存在着一些问题。目前我国岸基a i s 网还没有充分发挥 其作用，如将a i s 应用在v t s 中，为v t s 的信息服务和助航服务提供信息的功能 第1 章绪论 目前就没有实现。a i s 的数据链路也没有得到充分地利用，如利用a i s 数据链提 供水文气象信息、港口情况等信息也未得到广泛的应用。还有一些功能电文在实 际的设备上还没有充分利用，如航标a i s 电文。而且目前我国所使用的a i s 设备 大多为国外产品，虽然我国可以自主生产a i s 设备，但由于其功能和性价比等原 因而未能得到广泛使用。 1 4 论文主要研究内容及整体结构框架 本课题以“烟大铁路轮渡船港无线通信系统”项目为背景，以a i s 为主要研 究内容，以国际海事组织( i m o ) 和国际电信联盟( i t u ) 有关a i s 的国际标准为 主要参考依据，对a i s 的电文、数据、串行数据接口及语句进行了详细地分析和 研究。在此基础上分析了a i s 在避碰、航标、搜救、d g n s s 修正、询问及应答、 水文气象及引航等各个方面的应用，实现了这些电文数据的模拟仿真及电文的输 出。文中重点研究了a i s 在v t s 中的应用，以现有的v t s 及岸基a i s 网为基础， 通过对目前a i s 在v t s 中应用情况的分析提出了将a i s 应用在v t s 中的一套方 案，并实现了该方案的仿真。论文中还提出了a i s 数据源的概念，这是一个以便 于学习和研究a i s 为主要目的而设计的具有模拟a i s 各种数据并输出a i s 各种电 文功能的系统，本文设计并实现了a i s 数据源系统。 全文共分5 章，其具体结构如下： 第1 章为绪论，主要介绍了通用自动识别系统及其目的和效能，同时还介绍 了国内外a i s 发展和研究状况。 第2 章内容为m s 的相关技术原理，主要介绍和分析了a i s 的自组织十分多 址技术和a i s 数据的格式及获得方法，研究了, m s 的标准电文和串行数字接口。 第3 章分析了a i s 在避碰、航标、搜救、引航、远程等各方面的应用，并模 拟实现了这些应用中所涉及的电文。根据国际标准的设计规定自行设计了目前没 有国际规定的应用电文，同时也模拟实现了电文的输出。 第4 章提出了a i s 在v t s 中的应用，是本文的一个重点。将a i s 应用在v t s 中不仅可以为v t s 提供一种全新的助航服务手段，而且可以丰富v t s 所提供的信 息种类，增强v t s 的交通组织服务功能，降低v t s 管理人员的工作强度。本章分 析了a i s 在v t s 中的各种应用，模拟实现了v t s 利用a i s 提供辅助航行数据、 通用自动识别系统( a i s ) 的应用研究 计划航线和航路点数据、扩展数据的功能，为a i s 在v t s 中的应用提供了一定的 理论和试验基础。 第5 章介绍了a i s 数据源系统，该章是本文的另一个重点。a i s 数据源是本 文针对, m s 应用而提出的全新概念，它的主要功能就是模拟a i s 的数据、实现a i s 电文的输出、根据需要输入和输出a i s 串行数据接口语句，为学习和研究a i s 提 供方便。本章提出了a i s 数据源系统的总体方案并实现了该系统的基本功能。 最后在结论部分对课题进行了总结，指出其中有待提高和完善之处，对下一 步将要研究的内容进行了展望。 1 5 本章小结 本章简单地介绍了通用自动识别系统及其目的和效能，重点介绍了通用自动 识别系统在国内外的发展、研究和应用的状况及存在的问题，同时还给出了本论 文的主要研究内容和总体结构。本章说明了本论文的选题范围，提出了所要解决 的问题。 第2 章a i s 相关技术原理 第2 章a l s 相关技术原理 2 1 a i s 工作模式和频道访问协议方案 2 1 1 工作模式 a i s 有三种工作模式：自主( 连续) 模式，指配模式和轮询( 受控) 模式。默 认模式是自主模式，可根据主管部门的需要与其他模式相互转换。单工转发器只 有自主和指配两种工作模式，没有轮询模式。 ( 1 ) 自主模式 自主模式适用于所有海区。以自主模式工作时，系统可自行确定其位置信息 的发射时间表，自主解决与其他台站在发射时间上的冲突。 ( 2 ) 指配模式 指配模式适用于交通主管部门管辖的海区，数据发送间隔与时隙由主管部门 遥控。当船舶航行于沿岸的船舶密集区域时，主管部门可以根据通信链路的负载 情况或其他特殊情况，通过基站控制该区域船舶运行于指配模式，使这些台站使 用主管部门的基站所指配的发送时间表。指配模式适用于两个频道之间的交替工 作，它只对台站发射位置报告起作用，对台站的其他工作没有影响。 ( 3 ) 轮询模式 工作在轮询模式的台站应自动响应来自船舶或主管部门的询问电文，响应在 接收到询问电文的频道上发送：轮询工作模式与其他两种工作模式不发生冲突。 2 1 2 频道访问协议方案 a i s 系统中有增量t d m a ( 1 1 r i ) m a ) 、随机访问n ) m a ( r a t d m a ) 、固定访 问t d m a ( f a t d m a ) 、自组织t d m a ( s o t d m a ) 四种频道访问协议方案，这 些协议同时存在并且可同时工作于t d m a 信道中【引。当进入数据链网、周期报告 率临时改变与切换期间或预告安全相关电文时使用r r d m a 。凡姐1 d m a 一般用于 用户第一次在数据链中进行数据传输时选择时隙，或者用于不重复发送的信息传 输。f a t d m a 只用于基站或者交管中心重复的信息广播。工作在自主( 连续) 模 式或指配模式的移动站采用s o t d m a 寻址协议进行位置广播以及识别和接收附 近用户发送的信息唧。s o t d m a 提供了在没有控制台介入情况下解决寻址冲突的 一8 一 通用自动识别系统( a i s ) 的应用研究 方法，用于传输最重要的信息或者不断更新的信息，是a i s 系统中最重要的寻址 方式【l o l 。 s o t d m a 是9 0 年代在t d m a 技术基础上发展起来的一种新型的、用于航海 和航空交通管理的新型数字通信技术。该技术是面向比特的通信协议，是不需要 地面处理和管理设施，支持各种地空、空空数据链通信的应用，是目前数据链通 信系统中唯一能够实现和提供空空之间直接通信的系统。该寻址方式具有系统容 量大，通信效率高，可靠性高，组网容易等特点，是国际海事组织的a i s 系统和 国际民航组织c n s a t m 系统中的通信系统解决方案，在全球范围内获得了极大的 重视，并取得了一定的研究成果【1 1 l 。我国航海、航空等相关部门也很重视s o t d m a 数据链系统的研究和开发并开展了一系列的工作。 s o t d m a 和一般t d m a 技术间最大的区别在于其时隙的自组织预约方式。 s o t d m a 网络中各台站根据先验知识和智能算法来确定其自身的发送时间表而不 需要主控台分配时隙，这样不仅可以尽量避开数据链路的冲突，还可以为新信息。 一 的传送和选择保留时隙。由于不需要一个基站来对频道资源进行分配和管理，所 以也没有主站和从站之分，所有用户均通过时隙选择协议自主选择所使用的时隙 t ”o a i s 的这种白组织数据播发模式允许系统数据链局部过载达4 0 0 5 0 0 时，彼此 靠近8 1 0nm i l e 及以内的船舶之间的数据传输仍可达到1 0 0 的通过量，此时远 处船舶播发的数据可被滤除，而a i s 用做船舶避碰的功能不会受到影响1 2 1 。 2 2a i s 数据 2 2 1a i s 数据包格式 a i s 系统的数据传输采用面向比特的协议，该协议以i s o i e c 3 3 0 9 ，1 9 9 3 数 据包结构定义规定的高级数据链路控制为基础。a i s 所采用的数据包组成如图2 1 所示。数据包自左向右发送，除训练序列外，这一结构同普通的h d l c 结构完全 一样【1 3 】。 图2 1a i s 数据包格式 f i g 2 1f o r m a to f a i sd a t ap a c k e t 第2 章a i s 相关技术原理 a i s 系统采用帧的概念，一帧等于1 分钟，分为2 2 5 0 个时隙，数据传输速率 为9 6 0 0b i t s ，每一时隙为2 5 6b i t ，时间为2 6 6 7m s 。由于将一次数据传输所需要 的时间预设为一个时隙，所以默认数据包占一个时隙，其比特分配情况如表2 1 所 示【1 4 1 。 表2 1 数据包比特分配情况 t a b 2 1b i ta s s i g n m e n ts i t u a t i o no f d a t ap a c k e t 上升阶段 8b i t 施加射频电源时间 训练序列 2 4b i t 同步需要 开始标志 8b i t 根据h d l c 要求( 7 e h ) 数据 1 6 8b i t 默认 循环冗余校验 1 6b i t 根据h d l c 要求 结束标志 8b i t 根据h d l c 要求( 7 e h ) 缓冲 2 4b i t 比特填充、距离延迟，转发器延迟和同步抖动 总计 2 5 6 b i t ( 1 ) 上升阶段 上升阶段占8b i t ，使用时间为o 8 3 2i n $ ，主要是为发射机启动提供时间。发 射机启动时间指当对发射机施加射频( r f ) 电源后，从发射机信号接通( t x - o n ) 至r f 功率达到标称电平( 稳定值) 的8 0 的时间。所以发射机r f 启动时间不应 超过1m s ，同时发射机射频功率必须在发射机终止发射后1m s 内关闭，如图2 2 所示。 ( 2 ) 训练序列 训练序列又称为位同步码或比特同步码。采用训练序列的目的是为了对v h f 接收机进行同步调整，其作用是把收发两端时钟对准，使码位对齐，以给出每个 码元的判决时刻。训练序列是由交替的0 和1 ( 1 0 1 0 1 0 ) 组成的比特波形，用反 向不归零( n r z i ) 编码，且以0 作为结束码。训练序列占2 4b i t ，信息长度厶为： 厶：旦1 0 0 0 ：2 5 1 0 0 0 25 m s ( 2 1 )厶= 二=( 2 1 ) 9 9 6 0 0 通用自动识别系统( a i s ) 的应用研究 所以训练序列将持续2 5m s 。按照i m o 规定的性能要求，个时隙的时间宽 度为2 6 6 7m s ，对准序列的时间宽度与每个时隙的时间宽度相比，其所占用时隙的 时间资源仅为一个时隙的9 4 ，这为后面的航行信息编码及同步硬件设备的时间 响应留有充分的余地。因此当船舶自动识别系统通过v h f 接收机检测出0 、l 交 替的序列时，可以很快建立位同步【1 5 1 。 r f 功率 j i 时晾开始 时隙开始 1 0 0 8 0 厂 、 爵 f l m s l m s 图2 2 上升阶段示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cf i g u r eo f r i s es t a g e 间 ( 3 ) 开始标志和结束标志 开始标志又称为字同步或帧同步码，它表示信息的开始位，用于检测一个发一 射数据包的开始。作为信息起始的时间标准，其功能是为了能在接收端实现正确 区分码字、码句或码帧。帧同步一般是在位同步的基础上实现的。a i s 的开始标志 由8 比特标准的h d l c 标志0 1 1 1 1 1 1 0 ( 7 e h ) 组成。尽管起始标志有连续6 个1 ， 但不用比特填充。 结束标志用于表示信息传输结束，与开始标志相同，也是由标准的h d l c 标 志0 1 1 1 1 1 1 0 ( 7 e h ) 组成。 ( 4 ) 数据 数据是收发双方所需要的有用信息，默认发射数据包的数据部分长为1 6 8b i t ， 但是有的信息数据多于1 6 8b r ，a i s 允许长发射包，一个站一次连续发射有可能最 多占据5 个相继时隙。在长发射数据包中除数据外其他项( 上升阶段、训练序列、 开始与结束标志、f c s 、缓冲) 只需发射一次，长发射包的长度不应超过要传输数 第2 章a i s 相关技术原理 据的必要长度。a i s 信息数据的详细介绍见2 2 节及2 _ 3 节。 ( 5 ) 帧校验序列 在a i s 系统中数据链路层负责数据传输的纠错，保证传输数据的正确性，它 利用生成多项式为1 6 阶的循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，简称c r c ) 码进行校验f 1 6 1 。c r c 是纠错能力相当强的一种误码检测技术，由于c r c 漏检率低， 容易实现，所以在实际中得到了广泛的应用。c r c l 6 校验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 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1 7 ) ( 1 9 l 。 ( 6 ) 缓冲 默认数据包的缓冲部分为2 4 b i t ，包括比特填充、距离延迟、转发器延迟和同 步抖动四项。 比特填充 比特填充是在输出比特流中有超过5 个连续的l 时就插入一个0 。对固定长度 电文数据字段所有可能的比特组合的统计分析表明，有7 6 的组合最多用3b i t 填 充，考虑到其他可能的组合，这类电文有4b i t 填充足够。对于可变长度电文，需 要更多的比特填充。 距离延迟 距离延迟占1 2b i t ，大约为1 0 0 海里左右。 在a i s 系统中，由于传播时延的存在可能会使接收方所接收的来自不同船台 的子帧相互重叠而造成干扰。为了解决由于传播延迟而产生的干扰问题，通常会 在一个时隙末尾( 或开头) 设置一定的保护时间，在保护时间内不发送信息。如 图2 3 所示，图中吒为用户m s 2 的传输时延，当用户m s l 的传输时延l 小于等于 距离延迟保护时间时，子帧1 和子帧2 的重叠并不会对子帧2 的正确接收产生干 扰，如图中接收子帧1 所示；而当m s i 的传输时延l 大于距离延迟保护时间时， 子帧1 和子帧2 的重叠就会对子帧2 的接收造成干扰，从而导致不能正确接收， 如图接收子帧2 所示。a i s 数据包中的距离延迟比特就是为解决上述因传播时延造 成的子帧重叠问题而设置的，它为距离延迟提供了保护时间。 通用自动识别系统( a i s ) 的应用研究 接收子帧重叠 图2 3a i s 系统接收时隙重叠 f i g 2 3r e c e i v e ds l o to f a i ss y s t e mo v e r l a pe a c ho i l i e r 设移动站距接收站的距离为r ，光速为c ，则移动站发射的电波传播到接收站 的时延r 为 r f = 一 c 为了不因距离时延产生的子帧重叠影响子帧数据的正常接收，延迟保护时间 珏应满足 矗2 f ( 2 3 ) 由缓冲区距离延迟1 2b i t 和信息传输速率9 6 0 0b 彬s 可得a i s 系统距离延迟保 护时间矗为 矗= 蒜= 1 2 5 ) 因而允许的最大距离延迟时间为 ( 2 4 ) = 碌= 1 2 5 ( m s ) ( 2 5 ) 由此得到允许的最大传播距离差( 最近移动站与最远移动站距离) 第2 章a i s 相关技术原理 = c = 2 0 2 4 8 ( n m i l e ) ( 2 6 ) 考虑到a i s 的各种工作模式，由1 2b i t 距离延迟提供保护的最大传播距离差应 为1 2 届。，即1 0 0 n m i l e 左右。 根据i t u - rm 1 3 7 1 建议案附录2 ，当特殊环境要求时，对准序列使用3 2b i t ( 一般为2 4b i t ) ，此时用减少距离延迟( 8b i t ) 来补偿。相应的传播时延保护时间 将变小为 耳：黑：0 4 1 6 ( m s ) 1 2 万丽2 ( 2 7 ) 此时最大传播距离差为 墨。= 6 7 5 ( n m i l e ) ( 2 8 ) a i s 实际传播距离应在j 乙。的范围内。标准a i s 船台之间实际可达到的最大传 输距离一般在2 0nm i l e 左右，远小于足。，所以不会出现传播时延造成的接收交 叠干扰。对于岸台和船台之间的a i s 数据传输，应根据最大传播距离适当设计岸 台天线高度，使系统实际传播距离在此最大传播距离之内，以保证距离延迟比特 可以提供足够的延迟保护时间。 转发器延迟 转发器延迟为2b i t ，该延迟为双工转发器提供转换时间。 同步抖动 同步抖动占6b i t ，允许每个时隙有一次抖动的时间，从而保证了s o t d m a 数 据链的完整性。发射定时误差应在同步源的+ 1 0 4 9 s 之内。由于定时误差是累加的， 累计总的定时误差可达到+ 3 1 2 9 s 。 2 2 2 动态数据的获得 a i s 具有位置、船首向和转向率( r o t ) 传感器接口，由a i s 发射的传感器 信息应与船舶导航使用的信息相同。位置、对地航向( c o g ) 和对地航速( s o g ) 由位置传感器获得，位置数据采用w g s8 4 测地基准，可用i e c6 1 1 6 2d t m 语句 进行设置。船首向信息由罗经提供，它是a i s 必须的输入传感器，如果船舶的罗 经不提供i e c6 1 1 6 2 输出，则需要一个转换单元将罗经信息转换成i e c6 1 1 6 2 语句 通用自动识别系统( a i s ) 的应用研究 再连接到a i s 上。a i s 可以和船舶航行状态灯连接，也可由操作人员将船舶的航 行状态信息输入到a i s 中。转向率传感器不是a s 必须的输入传感器，如果船舶 安装了转向率传感器并有符合i e c6 1 1 6 2 的接口，则将其与a i s 连接。如转向率 信息不能从转向率传感器上得到，可从船首向信息中获得。转向率数据不应从对 地航向信息中取出。如果无转向率信息可用，a i s 应标明，详见表2 2 【1 9 1 。 表2 2r o t 参数说明 t a b 2 2p a r a m e t e re x p l a n a t i o no f r o t 转向率参数内容 优 位置传感器状态、 先 级 o + 1 2 6 = 右转最大7 0 8 度，分或更高； 0 一1 2 6 = 左转最大7 0 8 度份或更高。 0 7 0 8 度分间的值按公式 1 使用转向率指示器 r o t a m = 4 7 3 3 r o e 聃s 傀度分编码， r 0 1 函s 是外部转向率指示器输入的转向速 率，r o t 矗是进位至最