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上海海事大学交通运输学院硕士论文基于a i s 技术的航标应用研究 摘要 船舶自动识别系统( m s ) 的出现带来对传统助航和海事管理的新理念，使助航 和海事管理发生两大变化：即船舶方通过a i s 将获取更多的助航信息，对航行安全的 自主作用将更强。从交通管理角度来看，船舶方将从以往被动式的接受监督管理上升 到主动参与管理的格局；二是，海事管理部门将从以往的以监督管理为主的格局，走 向更注重于对船舶提供助航安全信息服务的格局，形成海事管理与为船舶提供助航服 务并重的局面。 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，信息准确，实时性好，抗干扰能力强和越障碍传输等优点。a i s 系统将会 给海上船舶监管带来革命性的进步。 今年5 月我国己在长江口和珠江口组建了 i s 网络，主要用于船舶交通管理系统， 在其他方面的拓展应用还很少。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，本论文分析了a i s 网络、a i s 信息和数据通讯平台的特点，研究了a i s 可作为传统 航标的完善方法和手段，并通过长江i a i s 岸基网络系统的建设和应用迸一步认识到 a i s 对提高航行安全的重要作用。a i s 岸基系统的建设为传统航标带来了巨大的变革， 其技术在航标上的应用同样有着十分广阔和诱人的前景： l 、m s 航标或准a i s 航标通过海事8 7 b 、8 8 b 频道播发航标信息，过往船舶a i s 台的 显示屏可以看到对应位置的航标信息，无疑这种信息的助航距离和效果比传统航标设 施发出的信息要好得多。因此，a i s 航标可以取代和补充传统航标的信息。2 、通过a i s 信息2 1 ，a i s 航标可以将浮标的实际位置直接播发出去。航标主管机构可以接收该航 标的实时位置信息，以监测它们是否在标位上，从而改变和加强航标管理模式。3 、 装有a i s 设备的船舶在接收航标设施上a i s 信息的同时还收到综合航标信息，能在各种 气象条件下远程探测和识别航标。因此，a i s 航标有望补充和取代昂贵的雷达应答器。 4 、由于某些特定的因素影响，临时需要设置而来不及设置实物航标时，可以通过信 息2 1 发送虚拟航标信息。这种没有航标实体的虚拟航标，将自动地标绘在过往船台a i s 设备显示器上。虚拟航标完全建立在a i s 系统平台上，但它对保证船舶在非正常助航 条件下的安全航行具有重要意义。 关键词：自动识别系统，自组织时分多址，航标，助航 上海海事大学交通运输学院硕士论文基于a i s 技术的航标应用研究 a b s t r a c t t h ei n v e n t i o no fa i ss y s t e mb r i n g st h ew h o l en e wj d e aa b o u tt h et r a d i t i o n a i a i d st on a v i g a t i o n ( a t o n ) a n da d m i n i s t r a t i o n o fm a r i t i m ea f f a i r s ，w h i c hc h a n g e s t h e mg r e a t l yi nt w ow a y s d e p e n d i n go na i ss y s t e m ，t h es a i l o r sc a na c q u i r em o r e i n f o r m a t i o na b o u ta i d st o n a v i g a t i o na n dk e e ps a f e rd u r i n gn a v i g a t i o nb y t h e m s e l v e s i nt h et r a f f i cm a n a g e m e n t t h es a i l o r sc a n c h a n g ef r o mb e i n g m a n a g e db ys o m eo n ee l s et op ar t i c i p a t i n gi nm a n a g e m e n ta c t i v e l y ；o nt h eo t h e r h a n d ，t h em a n a g i n gd e p a r t m e n to fm a r i t i m ea f f a i r sc a np a ym u c hm o r ea t t e n t i o no n - g i v i n gt h es h i p sa i d st on a v i g a t i o ni n f o r m a t i o ni ns t e a do fm o n i t o r i n gt h es h i p s i n aw o r d 。g i v i n gt h es h i p ss e r v i c ei sa si m p o r t a n ta sm o n i t o r i n gt h es h i p s t h ea i ss y s t e mm a i n l ya p p l i e si na v o i d i n gc o l l i s i o na n ds h i pt r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m t h ea i ss y s t e mo f f e r st h eh i g hr e a lt i m ei n f o r m a t i o na n d a c c u r a t es h i pm o v e m e n tp a r a m e t e ri n s t a n t l y i tc a no f f e rm u c hm o r ei n f o r m a t i o n p r e c i s e l ya n di n s t a n t l yt h a nt h ec u r r e n tr a d a r s ot h ea i ss y s t e mc a nb r i n ga b o u t t h er e v o l u t i o n a r yp r o g r e s si ns 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 go v e rs e a t h ea i sn e t w o r kw a sb u i l to nt h ec h a n g j i a n ga n dz h u j i a n gi no u rc o u n t r yi nt h e m a yt h i sy e a lm a i n l ya p p l y i n gi ns h i pt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，b u tt h e r ei sl i t t l e a p p l i c a t i o ni no t h e rf i e l d s t of o l l o wu pt h ed e v e l o p m e n to fi n t e m a t i o n a la i s s y s t e ma n dm a s t e rt h ea p p l i c a t i o no f a i st e c h n i q u e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h e c h a r a c t e r i s t i co f a i sn e t w o r k ，a i si n f o r m a t i o na n dd a t ac o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ， s t u d i e sh o wt oi m p r o v et h et r a d i t i o n a ln a v i g a t i o nm a r kb ya i sa n dh o wt oa p p l yt h e a i si nn a v i g a t i o nm a r k a n dr e c o g n i z et h ei m p o r t a n c eo fa i st oi m p r o v et h es a f e t y o fn a v i g a t i o nb y t h ec h a n g j i a n gs h o r ea i sc o n s t r u c t i o n t h ec o n s t r u c t i o no fs h o r e a i ss y s t e mb r i n g sg r e a tr e f o r m a t i o nt ot h et r a d i t i o nn a v i g a t i o nr e m a r k ，a i s ：t e c h n i c a lh a sw i d ea n da t t r a c t i v ep e r s p e c t i v e sb ya p p l i c a t i o ni nn a v i g a t i o nr e m a r k s a sf o i l o w ： 1 ，a i sa t o no rs y n t h e t i ca i sb r o a d c a s t st h em e s s a g e sb ym a r i t i m e8 7 b 、8 8 b c h a n n e l v e s s e l ss c r e e nc a ns h o wt h em e s s a g e so fr e m a r kn e a r b y - w h i c hi sb e t t e r o b v i o u s l yt h a nt r a d i t i o nr e m a r ki na i d st on a v i g a t i o nd i s t a n c ea n de f f e c t ，s ot h ea i s a t o nc a nr e p l a c ea n ds u p p l e m e n tt r a d i t i o nr e m a r k sm e s s a g e s 2 ，u s i n gt h ea i sm e s s a g e2 1 ，a i sa t o nm a yb r o a d c a s to w na c c u r a t ep o s i t i o ni n e x i s t e n c e a i d st on a v i g a t i o na d m i n i s t r a t i o nd e p a r t m e n tc a nr e c e i v et h er e m a r k r e a l - t i m ep o s i t i o nm e s s a g e ，m o n i t o n n gi ft h e yl o c a t ei nt h ec o r r e c tp o s i t i o n ，a n d 上海海事大学交通运输学院硕士论文 基于a i s 技术的航标应用研究 r e f o r ma n dr e i n f o r c et h em o d e io fr e m a r ka d m i n i s t r a t i o n 3 。v e s s e l sw i t ht h ea i se q u i p m e n t sc a ng e tc o m p r e h e n s i v er e m a r km e s s a g e s w h i l er e c e i v i n gt h ea i sm e s s a g e sf r o mr e m a r k c a nl o n g - d i s t a n c ed e t e c ta n d d i s t i n g u i s hr e m a r ki na l lk i n d so fc o n d i t i o n s 。a i sa t o nm a yr e i n f o r c ea n dr e p l a c e t h ee x p e n s i v er a c o n 4 ，a i sa t o nc a ns e n dv i r t u a la t o na i sm e s s a g e sb ym e s s a g e2 1i ns o m e - s p e c i a lc o n d i t i o n so rc a n tm a k er e a lr e m a r ki nt e m p o r ar yn e e d t h ev i r t u a la t o n a i sc a nb ea u t o m a t i cp l o t t e do nt h ev e s s e l sr a d a rs c r e e nb u ti ti s n te x i s t i n g v i r t u a l o a t o na i sf o u n do nt h ea i ss y s t e mp l a t f o r m ，w h i c hh a sg r e a ti m p o r t a n c et o n a v i g a t i o ns a f e t yi na b n o r m a la i dt on a v i g a t i o nc o n d i t i o n s k e yw 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 e a c c e s s ，a i d st on a v i g a t i o n z h o ux uy a o ( m t e ) 上海海事大学交通运输学院硕士论文 基于a i s 技术的航标应用研究 图2 - i 图2 - 2 图2 - 3 图3 - i - 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 表2 - i 表2 - 2 表3 - i 表3 - 2 。表3 - 3 、表3 - 4 。表3 - 5 表3 6 表4 - i 图目录 a i s 的组成框图 a i s 的o s i 模型 时隙图谱 航标尺寸 m s 台功能模块图 短信息窗口 识别肇事船舶 现行航标遥测遥控系统构成图 a i s 航标遥测遥控系统图 s a r r d m a 的参数 船舶动态信息更新率 信息2 1 的组成 航标尺寸描述 信息2 l 预留位参数 t d m a 接收机参数要求 b i t t 报警条件 a i s 系统船舶容量的估算 基站信号覆盖距离 表目录 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对士研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名： 固垒垒 日期： 论文使用授权声明 二毋0 4 10 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：里敞导师签龟：本日期： 2 唔n 1 0 上海海事大学交通运输学院硕士论文基于a i $ 技术的航标应用研究 第一章绪论 1 1 研究背景 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 ) 简称a i s 系统。a i s 系统的出现带来对传统助航和海事管理的新理念，使助航和海事管理发生两大变化： 即船舶方通过a i s 将获取更多的助航信息，对航行安全的自主作用将更强。从交通管 理角度来看，船舶方将从以往的被动式的接受监督管理上升到主动参与管理的格局； 二是，鹰事管理部门将从以往的以监督管理为主的格局，走向更注重于对船舶提供助 航安全信息服务的格局，形成海事管理与为船舶提供助航服务并重的局面。因此，a i s 的出现将改变传统助航和海事管理的思维定势，形成一个具有现代信息时代特点的新 型助航和管理体系模式。作为航标主管部门，必须抓住机遇，研讨如何借助新技术提 升航标的效能，完善航标管理，拓展助航服务内容，为航运界提供安全保障。 1 2 研究的耳的 航标是帮助船舶安全、顺利航行而设置的助航设施，在视觉航标中以灯浮、灯塔、 灯船等水上航标的维护管理较困难，因此十多年来我国航标主管机构一直致力于研制 遥控、遥测和遥报的航标遥控系统。航标遥测遥控系统要利用现代网络技术、电子海 图技术、g p s 技术、通信技术和数据处理技术来实现，从而能航标主管部门快捷确定 航标故障，发布航标信息，提高可利用率、减少维护量、提高效率、促进现代化管理 和提高航标服务质量。近年来航标遥测遥控系统建设越来越受到重视，但由于航标工 作环境恶劣，无线电技术的局限，使之成为多年难解的课题。各航标机构曾做过多次 试验，都未能使航标遥测遥控实用化，而兴起的a i s 技术及无线局域网技术为航标遥 测遥控的实现和增强现有航标的服务功能搭建了一个极好的平台。 2 1 世纪是数字信息时代，将数字技术与传统航标相结合，是本世纪航标发展的 一个重要和紧迫的课题。国际航标协会第1 6 次大会( 2 0 0 6 年上海) 已经把“数字世 界的航标”作为大会主题，是为了探索和开创“数字航标”的新纪元，因此，本论文 研究a i s 技术在航标上的应用是有益和非常必要的。 1 3 国内外研究现状 目前，北美、北欧、亚洲的部分国家和地区相继建立了a i s 应用系统并进入了实 用化阶段。瑞典建设了3 5 个基站，组成了世界上第一个基本覆盖全国的a i s 网络。 已建立a i s 网络的还有芬兰，挪威，波兰，新加坡，马来西亚等国家；中国今年5 月底在长江口和珠江口建设7 个基站，两个监控中心组成网络。 作为航标a i s 设备的应用研究，英国和爱尔兰( s o u t h a m p t o n 港口) 在n o r t h 上海海事大学交通运输学院硕士论文 基于a i $ 技术的航标应用研究 g u r n a r d 浮标和n a b 灯塔上进行了“准a i s ”设备试验，这个“准a i s ”单元包括g p s 接收机，测量风速和方向，潮水高度，水和空气温度的传感器，数据经处理器打包后 由无线电终端发送上岸。这些数据由南安普敦港口的v t s 中心接收并转换为a i s 格式， 再播送出去就象来自一个航标的实际a i s 单元。使用这种准a i s 的主要原因是船载 a i s ( u a i s ) 设备需要较大的能耗，而大多数导航浮标是由太阳能供电，因此不能支 持大量额外的负载。 瑞典s a a b 公司也做过类似的试验，日本z e n i 公司推出了专门在航标上应用的 a k a r i a i s4 0 0 设备。目前各国除积极组建a i s 网络外，在与v t s 整合，基于e c d i s 操作软件，水文气象资料发送等方面做了大量的研究。 1 4 研究方法 进行广泛的调研，分析、研究、收集资料，掌握国际a i s 的发展动态和趋势。通 过完成长江口a i s 岸基网络系统项目的建设，进一步掌握a i s 技术的特点，分析和测 试其在航标领域可应用的类型和方式。为提高航标的助航效能，改变管理方式，提高 社会效益做有益的尝试。 1 5 论文架构 本论文主要分为四部分，第一部分从a i s 的产生、发展入手，分析a i s 的技术特 点及其工作方式。第二部分对a i s 的发展趋势和应用前景做分析。第三部分通过分析 a i s 的性能特点和现有岸基系统的运行状况，提出a i s 在航标上的应用方案。第四部 分介绍长江口a i s 岸基网络系统的建设以及控制中心运行情况。在论文最后部分根据 分析、应用结果提出结论，并对后续研究提出建议。 2 上海海事大学交通运输学院硕士论文基于a i s 技术的航标应用研究 第二章a is 系统及其技术特点 2 1a i s 的产生背景 上世纪9 0 年代初，海上航船的速度提高极快，港口和航道的交通管制显得十分 重要。尽管国际海事组织( i m o ) 和世界各国的政府主管部门采取了制定和实施避碰 规则、建立交管系统v t s 、建立进港船舶报告制度，以及强制配备各类必要的助航设 备、改造和新增各类航标设施等一系列措施，但船舶的碰撞事故还是时有发生。传统 管理中，主管部门通常通过雷达、a r p a 和v h f 频道上的对话末了解来往船舶的信息 及航行状态。在以往的海上船舶碰撞事故中，曾经发生过多起由于v h f 设备操作问题 ( 如守听频道的选择错误) 或语言交流上的问题，使之无法及时了解对方船舶的信息 和操作意图，最终导致碰撞事故发生的案例。人们就认识到，船舶上装一台自动发送 信息装置( 转发器) ，有利于航海安全和海洋环境的监控。随着g p s ( 全球定位系统) 、 d g p s 系统和现代通信技术的出现，提供一个海上转发器是可行的，并且费用不大。 1 9 9 0 年，基于v h f - d s c 概念开发成功的4 s ( s h i pt os h i p ，s h i pt os h o r e ) 海上通 信管理系统在阿拉斯加的威廉王子湾投入使用。国际航标协会( i a l a ) 和国际海事组 织( i m o ) 认为这是解决船舶识别的良好技术，提出对s o l a s 第五章的修改。以后逐 步进入a i s 的试验和标准立法阶段。 2 2a i s 的发展过程和现状 2 2 1 数字选择性呼叫( d s c ) 应答器研究阶段 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 o 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 方式自动发出询问信息， 接收到询问信息的接收机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。作为岸上控制 系统，这种设备自动依次接收v t s 作用区内装有这种设备的船舶信息，而且这些信息 可自动输入v t s 设备并通过v h f 将这些信息用广播方式播发，凡配有这种设备的船舶 都可接收到，并可将这信息在本船配备的电子海图上显示出来，于是周围船舶的船位、 船名、航向、航速等信息便一目了然；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 中运用，增加了系统的功能，使之成为“增强型v t s ”。 2 2 2 、自组织时分多址( s o t 呲) 访问无线电自动识别系统研究阶段 1 9 9 4 - - 1 9 9 5 年，瑞典和芬兰首次提出“无线电a i s ”的概念。德国助航研究与发 展中心完成一项将d s c 或无线电应答器集成到、，t s 中心进行了试验。 加拿大在1 9 9 5 1 9 9 6 年期间，运用当时是被i m o 认可的a i s d s c 技术和 上海海事大学交通运输学院硕士论文 基于a i s 技术的航标应用研究 a i s b r o a d c a s t 技术在圣劳伦河进行了引航试验，其结论是：a i s 帮助船舶交通管理 系统( v t s ) ，扩大了非雷达覆盖区域，提高了远距离船舶的识别能力，减少对雷达的 依赖，减轻了v h f 频道拥挤，降低了v t s 的成本，改进了船舶引航的工作程序和过程。 加拿大的试验得到全世界关注，清楚证明了a i s 完全有能力向航运界和政府管理机构 提供优质的导航服务和航运信息。 1 9 9 6 年9 月，在i m on a v 4 2 次会议上，各成员国代表对a i s 采用v h f d s c 或还 是自组织时分多址s o t d m a ( s e l f - o r g a n i z e dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术 的广播式两种信息交换方式进行了广泛争论。 1 9 9 6 年1 2 月，i m o ( m s c ) 6 7 次会议一致同意将广播式信息交换方案引入a i s ， 把a i s 作为今后需实行的方案来考虑。通过船用自动识别系统的性能标准m s c 6 9 。 2 2 3 、通用船载自动识别系统立法阶段 1 9 9 7 年i 啪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，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：1 ) 船对船模式的避碰；2 ) 沿海国获得船舶和它所运货物的信息；3 ) 作为 v t s 的工具”，确定以自组织通信网络为基础的“通用船载a i s ”作为未来全球海上实 施的系统。 1 9 9 8 年5 月，i m om s c6 9 次会议，批准了关于全球船载自动识别系统( a i s ) 性能标准的建议案。 1 9 9 8 年1 1 月，国际电信联盟( i t u ) 通过a i s 技术标准i t u 建议案i t u r m 1 3 7 1 在v h f 海上移动频率上使用时分多址的通用船舶自动识别系统( a i s ) 的技术特性。 这是a i s 最重要的基本标准，它规定了在v h f 海上移动频率上使用时分多址技术 ( s 0 r r d m a ) 组成的船用自动识别系统( a i s ) 的技术特性，奠定了a i s 实施的基础。 在2 0 0 0 年1 2 月，i m om s c 7 3 会议上通过a i s 强制性安装议案。 2 0 0 1 年1 2 月，国际电工委员会( i e c ) 制订了a i s 测试要求的标准i e c 6 1 9 9 3 - - 2 。 2 0 0 2 年1 2 月，i a l a 通过自动识别系统( a i s ) 岸站与联网服务建议案a - 1 2 4 到目前为止，标准或建议还在不断的修改与完善。 2 2 4 、a i s 应用研究及试验和产品开发阶段 在过去的几年中，欧洲、北美对a i s 发展较活跃，进行了一系列的试验。加拿大 从1 9 9 3 年起，先后对几种a i s 技术进行了评估试验，1 9 9 7 年夏天，加拿大海岸警备 队( c c g ) 和航运界船舶、西海岸v t s 中心、引航员等合作进行了a i s 的试验。 英国研究3 0 0 总吨以上的船载通用a i s 装置的要求。新加坡试验了a i s 在v r s 中的应用，a i s 信息在雷达上显示和a i s 信息如何将不同类型的船舶区别开来等问题。 4 上海海事大学交通运输学院硕士论文 基于, m s 技术的航标应用研究 2 3a i s 的构成原理 a i s 主要组成部分框图如图2 1 所示。由导航传感信息接口电路，信息处理器， 监视器和收发机组成。 同步时间( g p s d g 船位( g p s 航向( c o m p 航速( l o g ) 图2 1 甜s 的组成框图 ( 1 ) 接口电路：将本船的动态信息转化成数字信号输入信息处理机。本船动态信息 主要包括航向，航速，g p s d g p s 提供的船位和同步时间。航向和航速是分别 由罗经，计程仪来提供的。要求提供同步时间信号是因为，广播方式的船舶自 动识别系统要求每条船舶的a i s 设备时间同步而不产生内部干扰，通常a i s 设备的参考时间是协调世界时( u t c ) 。主要时间来源是g p s 时间，但其他来源 只要与u t c 相关也可以使用。 ( 2 ) 信息处理器：是整个系统的核心，主要完成以下操作：存储本船静态信息( 如： 船名，船长，船型等) 和与航行安全有关的信息( 如：船舶吃水、危险货物类 型，选用的计划航线等) ；接收接口电路送来的动态信息并进行处理和存储： 将存储的最新的本船动态信息、必要的静态信息和与航行安全有关的信息进行 编码并送发射机：对接收到的其他船舶信息进行解码，并将解码后的数据进行 存储：将本船和其他船的航行信息送监视器显示出来。 ( 3 ) 监视器：监视系统运行状况，显示各种数据和状态信息。 ( 4 ) 收发机：由信息处理机控制，自动发射本船航行信息和接收其他船舶的航行信 息。通常可用船载甚高频无线电话v h f 作为传输设备，其发射机与接收机工作 在同一频道，采用半双工通信方式，收发共用天线。 2 4 a i s 的o s i 模型 o s i 七层模型称作开放式系统互连参考模型( 简称o s i 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。a i s 就是 采用此模式设计。图2 2 表示了a i s 台站的分层模型( 物理层到传输层) 及各应用层 ( 从会话层到应用层) 【2 1 ： 5 上海海事大学交通运输学院硕士论文基于a i s 技术的航标应用研究 图2 2h i s 的0 s i 樽犁 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一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，即v l f 数据链。采用有共同参考时 间的时分多址t d h i 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 ) ：控匍 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，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h i s 专用频道供全球范围内远海及其他海区 6 上海海事大学交通运输学院硕士论文 基于, m s 技术的航标应用研究 使用，这两个频道为：a i s l ( 信道8 7 b ，1 6 1 9 7 5 瑚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，m 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 t t 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。 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 t i 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。 o s i 模型顶部三层用于描述具体应用时交换a i s 有关数据的过程，也提供m s 相 关的支持功能。模型底部四层描述用于连接两个或多个a i s 装置的最基本过程并控制 信息的出错情况。 。 2 5 a i s 中的t d m a 协议 时分多址( t d m a ) 技术是继g s m 等数字通信技术之后发展起来的新型数字访问技 术，它利用数字传输方法，大幅度地提高了频率利用率，信道分配合理，访问灵活， 具有容量大、覆盖范围广、各船台可以根据需要提高动态信息的发送率。 自组织时分多路访问( s o t d m a ) 的优点是用于船舶移动站在自主和连续模式下的 7 上海海事大学交通运输学院硕士论文基于a i s 技术的航标应用研究 操作。如果因用户增加或信息增多， i s 超负荷时，自动时分多路访问可自身减少 i s 电台的数量，保证最近的船舶能够接收。协议的用途是提供一种在无需控制站干涉的 情况下可快速解决冲突的访问算法。 2 5 1t d m a 信号的同步 t d m a 的同步可由基于同步状态的算法来实现。s o t d m 通信状态中和i t d m a 通信状 态中的同步状态标志指示了某一站点的同步状态。 l r r c 直接：某一可访问需要精度范围内的u t c 的站点将自己的同步状态设置为u t c 直接。 u t c 间接：某一不能直接访问到u t c 但可按收到其他指示为u t c 直接的站的站点 可与这些站点同步，同时还必须将自己的同步状态设置为u t c 间接。这一状态适用于 任何不同类型的间接同步。 与基站同步( 直接或间接) ：不能获得直接或非直接u t c 同步，但可接收到来自 基站的传输数据的移动站可与其中拥有最多接收站数的基站同步，并通过同步状态反 应这一情况。这一状态对任何问接访问基站的情况均正确。 接收到的站的数目：某一个不能获得u t c 直接或u t c 间接同步的站，必须与接收 到最多的其他站的站同步。当某一站正在接收几个其他的站，且这些站所接收到的站 数相同，则这一站必须与删s i 最低的站同步。此m i d i s 最低的站点变成为同步的信号 站。 当某一站接收到的几个基站拥有同样多的接收站数，则与m m s i 最低的基站同步。 2 5 2 时隙阶段和帧同步 协议中使用了帧的概念，其中一个t d m a 帧等于1 分钟，并被分为2 2 5 0 个时隙。 当u t c 可用时，信道访问必须与u t c 分一致。当不可用时，则采用时隙阶段和帧同步 的方法。 i 时隙阶段同步 时隙阶段同步是一种通过使用来自其他站或基站的消息使自身同步的方法，由此 具有较高的同步可靠性，确保消息边界不会相互重叠而破坏消息。 对时隙阶段同步的判决必须在接收到结束标志和有效的f c s 后进行( 状态t 3 ) 。 在t 5 时，站点根据t s 、t 3 和t 5 重置其“时隙阶段同步定时器”。 2 帧同步 帧同步是一种使某一站点使用其他站点或基站的当前时隙号，即把接收到的时隙 号采纳为自己的当前时隙号的方法。 3 同步一发送站 8 上海海事大学交通运输学院硕士论文基于a i s 技术的航标应用研究 基站将在探测到1 个或更多的缺乏u t c 直接同步的站点时才真正工作。它将增加 它的更新速率到每3 秒传送一个周期报告。 当移动站发现自己为信号站时，它就使用每2 秒一个报告的速率。同时，它还将 交替发送计划位置报和包含当前时隙号的u t c 回复消息。 4 同步一接收站 对于可直接或间接访问到u t c 的站点，它的传送将持续与u t c 源保持同步。 当某一站点发现它自己的时隙号与信号站的时隙号相同时，它已实现了帧同步并 将保持时隙阶段同步。 其他可作为时隙阶段和帧同步的基础的同步源如下： 拥有u t c 时间且具有信号站特性的站点 具有信号站特性的基站 与基站同步的其他站点 具有信号站特性的移动站 2 5 3a i s 的操作模式 a i s 共有3 种操作模式。缺省模式为自主模式并可根据管理机构的需要在其他模 式间切换。 自主和连续模式：某一进行自主操作的站必须自己计划传输位置并自己解决与其 他站的冲突问题。 分配模式：这时站可以使用由管理机构的基站或中继站所分配的传输计划。 轮询模式：此时站点只响应来自某一船舶或管理机构的问询。轮询模式下的操作 不可以与其他2 种模式下的操作冲突。 2 s 4 数据链路的访问 协议共有四种协议用于控制对数据传输介质的访问。应用和操作模式决定了所使 用的协议。这四种协议是： 自组织时分多路访问( s o t d m a ) ，增加型时分多路访问( i t d m a ) ，随机时分多路 访问( 1 i a t d m a ) 和固定访问时分多路访问( f a t d m a ) 。 用于传输的时隙从候选时隙中选取。至少必须从4 个候选时隙中选取。候选时隙 基本上是从自由时隙选择而来。当从候选时隙中选择1 个时隙时，任何候选时隙不任 状态如何都有相同的被选的优先级。 协议的用途是提供一种在无需控制站干涉的情况下可快速解决冲突的访问算法。 使用s o t d m a 的消息具有可重复的特性且被用于向数据链路中的其他用户提供连续可 更新的监视图像。s o t d m a 用于移动站在自主和连续模式下的操作，其参数见表2 - 1 。 上海海事大学交通运输学院硕士论文 基于a i s 技术的航标应用研究 符号名称描述最小值最大值 n s s标称开始时隙它为第1 个被站点用于在数据链路o2 2 4 9 中宣布自己的时隙。其他可重复的传 输在选择时通常将参考n s s 。 n s标称时隙标称时隙作为中心，其周围的时隙被o2 2 4 9 选择用于传输位置报告。对于一帧中 的第1 次传输，n s s 和n s 是相等的。 任何n s 都符合以下公式：n s = n s s + ( n + n i ) ；( o 2 3 节且改变航向2 秒 表2 2 船舶动态信息更新率 2 6 2a i s 信息类别 包括信息摘要、信息描述；在信息描述中详细有位置报告、基地台报告、船舶静 态和航行有关数据报告、船舶类别报告、使用全球导航卫星系统( g n s s ) 位置报告、 安全信息报告、广播信息、世界协调时查询、差分g n s s 信息、数据链的管理信息和 信道管理信息等。共有2 2 种报文。 2 7a i s 的无线传输参数 h i s 的技术采用i t u 推荐草案“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”，技术参数如下： 通用工作频率：v h f 8 7 和8 8 频道 m s l ：1 6 1 9 7 5 删zh i s 2 ：1 6 2 0 2 5 m h z 工作频段：1 5 6 0 2 5 1 6 2 0 2 5 m h z 频带宽度：2 5 k h z 或1 2 5 k h z 发射功率：i w 2 5 w 工作模式：o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 调制方式：g m s k f m 数据编码方式：n r z i 传输通率：9 6 k b p s 访问协议：t d 姒 通信规程：h d l c h i s l 和h i s 2 是供h i s 在全世界范围内使用的通用频道，还可以工作在区域性频 道，区域性频道由下列三种指令指配： 手动输入指令( 手动转换) 。 上海海事大学交通运输学院硕士论文 基于a i s 技术的航标应用研究 基站的t d m a 指令自动转换。船舶在a i s i 和a i s 2 频道上接收频道指配指令 后，当进入指令中规定的区域时，自动切换到该区域性频道，在新的频道上 迸行t d m a 通信。 基站的d s c 指令自动转换。 上海海事大学交通运输学院硕士论文基于a i s 技术的航标应用研究 第三章基于a i s 技术的数字航标 3 1a i s 的发展趋势和应用前景 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( v t s ) 。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( 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。它与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，为船岸问信息交换 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