（通信与信息系统专业论文）船舶自动识别系统ais接口数据的研究与应用.pdf

中文摘要 摘要 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 是一种船载的 广播转发器系统，能够自动连续的为其他船只和岸台发送本船信息，也能自主接 收其他船只和岸台广播的信息。a i s 具有能够提供丰富的导航信息，实时性好，抗 干扰能力强和越障碍传输等优点。为了能够充分的利用a i s 信息，对a i s 信息进 行解码，将解码的信息显示在电子海图系统中意义就非常重大。 本文提出一种基于v i s u a lb a s i c 的解码方案，在学习a i s 系统工作原理、技 术指标和通信协议的基础之上，深入研究a i s 接口以及输出数据包格式，详细解 析a i s 报文，给出了a i s 接口r s 4 2 2 和计算机串口r s 2 3 2 的硬件连接设计图，通 过对串口初始化，字符转换等，最终完成a i s 信息的解码。利用v i s u a lb a s i c 语 言编程，设计了一套基于电子海图的a i s 接口信息显示系统，该系统数据库采用 s q ls e r v e r2 0 0 5 ，主要包含主菜单，工具栏，电子海图显示窗口，数据库四个模 块，该系统能够以文字和矢量图两种方式显示本船和其他船舶的动态和静态信息， 给出了船舶避碰测算推理流程图。 测试结果表明：设计的a i s 接口与计算机串口硬件连接是可行的，解码程序 运行有效，能够完成a i s 信息采集。设计的电子海图显示平台能够完成a i s 信息 的连续显示。 关键词：a i s ；接口；电子海图；显示系统 英文摘要 a b s t r a c t t h em a i na p p l i c a t i o nf i e l do fa i si st h ev e s s e lc o l l i s i o na n dv t s a i si sar a d i o r e p e a t e rs y s t e mo nv e s s e l ，i tc a nt r a n s m i ti t so w ni n f o r m a t i o nt oo t h e rv e s s e l sa n d c o a s t a ls t a t i o n sc o n t i n u o u s l y ，i ta l s oc a nr e c e i v ei n f o r m a t i o nf r o mo t h e rv e s s e l sa n d c o a s t a ls t a t i o n s i tc a np r o v i d er i c hn a v i g a t i o ni 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 r a n t i - j a m m i n g ，a n di ta l s oh a so t h e rv i r t u e ss u c hf l st r a n s m i t t i n go v e ro b s t a c l e s i no r d e r t om a k ef u l lu s eo fa i si n f o r m a t i o n ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e c o d ea i si n f o r m a t i o na n d d i s p l a yi ti ne c d i s am e t h o dp r o p o s e di nt h i sa r t i c l ei st h a td e c o d i n ga i sm e s s a g eb a s e do nv i s u a l b a s i c b ys t u d y i n ga i sp h i l o s o p h y , s p e c i f i c a t i o n sa n do ft r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，i td e 印 a n a l y s e so na i s i n t e r f a c ea n dt h ef o r mo fd a t ap a c k e to u t p u t ，a n dc a r r i e so nr e s e a r c ht o a i sm e s s a g e i tp r o v i d e st h eh a r d w a r ed i a g r a mb e t w e e na i si n t e r f a c er s 4 2 2a n d c o m p u t e rs e r i a lp o r tr s 2 3 2 b yi n i t i a l i z a t i o no fs e r i a lp o r ta n dc o n v e r s i o ni nc h a r a c t e r s ， i tc o m p l e t e st h ei n f o r m a t i o nd e c o d i n g b yu s i n gv i s u a lb a s i c ，i td e s i g n sad i s p l a y s y s t e mb a s e do ne c d i s ，t h i ss y s t e mu s e ss q ls e r v e r2 0 0 5d a t a b a s ea n di n c l u d e sm a i n m e n u ，t o o l b a r , d i s p l a yw i n d o wa n dd a t a b a s e t h i ss y s t e mc a nd i s p l a yd y n a m i ca n d s t a t i ci n f o r m a t i o no fo w ns h i pa n do t h e rv e s s e l sb yt w ow a y s ，o n ei si nt e x tf o r m ，t h e o t h e ro n ei si nv e c t o r t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h eh a r d w a r ed i a g r a mb e t w e e na i si n t e r f a c ea n d c o m p u t e rs e r i a lp o r ti sp o s s i b l e ，t h ed e c o d i n gp r o c e s si sa l s op o s s i b l ea n di tr e a l i z e s g a t h e r i n gi n f o r m a t i o n t h ed e s i g n e dd i s p l a ys y s t e mc a nd i s p l a ya i si n f o r m a t i o n c o n t i n u o u s l y k e yw o r d s ：a i s ；i n t e r f a c e ；e c d i s ；d i s p l a ys y s t e m 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， 撰写成硕士学位论文：龃魈自动迟别丕统( ! 苎2 接旦数量数婴究量廑题：，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。 学位论文作者签名： 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有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权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。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密曰( 请在以上方框内打“”) 论文作者躲一蓦冲师躲压继 日期：年月日 船舶自动识别系统( a i s ) 接口数据的研究与应用 第1 章绪论 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 ma i s ) ，是一种利用现代通 信和信息技术对周围船舶进行识别和对其运动状态进行跟踪的系统。该技术最早 出现在2 0 世纪9 0 年代，由发达国家率先发起，以信息技术为先导，以多门类高 科技为支柱，在后来的发展中，由于几个国际组织的积极参与，特别是国际海事 组织( i m o ) 、国际航标协会( i a i a ) 、国际电信联盟( u r ) 的共同努力与协作， 大力地促进了这项既保证航海安全又提高航运效益的新技术的发展，经过调查研 究、开发试验，制定了一系列国际法规、技术标准。目前此系统各项技术已经成 熟，并在2 0 0 8 年7 月1 日已全面实施1 1 1 。 1 1 船舶自动识别系统( a is ) 的发展 1 9 9 4 年，瑞典等国家提出时分多址无线电自动识别系统方案； 1 9 9 6 年，i m o 接受了广播式和应答式两种a i s 系统； 1 9 9 7 年，i m on a v 4 3 次安委会通过关于全球船载自动识别系统性能标准的 建议案； 1 9 9 8 年，玎u ( 国际电联) 正式通过在v h f 海上移动频段时分多址通用船 载自动识别系统技术特性； 1 9 9 9 年，i m on a v 4 5 次会议通过a j s 强制安装决定； 2 0 0 0 年1 1 月，i m om s c 7 3 次会议通过强制安装a i s 的议案： 2 0 0 1 年6 月，i m om s c 7 4 次会议通过决定采用2 0 0 0 高速航行器代码( 2 0 0 0 h s c 代码) 取代1 9 9 4 高速航行器代码( 1 9 9 4h s c 代码) 。 安装a i s 的船舶，经a i s 接收的数据将提高值班驾驶员获取信息的质量，增 强通航意识。配备合适的图像装置，船载a i s 通过计算到达最近点( c p a ) 和从 目标船发送的数据，能提供快速、自动和精确的碰撞危险信息，为自动避碰系统 提供了较好的数据源。a i s 从单台仪器向网络方向发展，从单一的提供数据向智能 专家系统发展，与v r r s 结合向新型船舶交管系统方向发展，向互联网( i n t e r n e t ) 发展。目前，a i s 已不是简单的船舶装配的单独航行仪器，它与海岸a i s 网构成 船岸之间航海保证系统，进入互联网，具有广阔的前景。船舶a i s 与电子海图显 第l 章绪论 示( e c d i s ) 技术集成为“新型船舶避碰专家系统”，a i s 与过去基于雷达的v t s 结合集成为“新型船舶交管系统”。a i s 既是航海导航通信设备，又是船舶信息化 的网络系统，利用传统的甚高频水上移动通信频率，采取了自组织时分多通道访 问协议的数字通信技术，以先进的g p s 定位作为船位的基础数据，电子海图显示 为显示终端，因此在海事管理方面有广阔的应用前景，对船舶交通管理具有监督 能力，对运输船队有调度、营运的管理能力，对船舶进出港口具有领航能力，对 船舶遇险有搜救能力，对船舶海上航行有提供航行警告和气象信息的能力，还有 船舶与公司之间信息通信的能力【。 未来，a i s 与卫星通信系统，中高频数据通信系统的融合，就可以通过卫星和 中高频数据通信网络把a i s 信息传送到岸台，岸台的监控范围就会大大扩大，甚 至全球，大大提高对船舶的监管能力。 1 2 实施船舶自动识别系统( a is ) 的影响 a i s 实施后对船舶报告，对船舶避碰，对v ，r s 、a r p a ，对航标，对航行警告 航行通告，对船舶和船舶有关单位，对物流都产生了重大的影响。a i s 的技术指标 比船舶报告的技术指标高很多，有许多功能船舶报告是无法办到的，a i s 系统要比 现行船舶报告系统的准确度、实时性、效益性高出许多。由a i s 系统代替现行船 舶报告中的报告是趋势( 至少是区域性的船舶报告中) ，a i s 必将替代现行船舶报 告中的报告。, m s 系统在没有岸站的情况下同样会自成系统，显示周边船舶的航行 动态。a i s 系统会把对方船的主要数据显示在显示屏上，例如船名，呼号，显示其 目的港的港名和动态等，也可以通过a i s 进行驾驶台与驾驶台的直接通话或文字 上的通信，便于船舶之间的避让和相互沟通，从而排除对其动态判别上的失误而 造成事故。a i s 的使用会对航行安全非常有利的。对v t s 来说，可扩大v t s 的工 作范围，可提高v t s 精度，船舶的识别从无到完善，可提高v t s 工作人员的工作 效率。对a r p a 来说，a i s 实施以后在识别目标和协助船舶避让方面会有长足的 进步，对减少碰撞事故会起到很好的作用。在a i s 系统情况下，电子航标的位置 不受水流的影响而移动，在同样的安全系数的情况下，可以降低对航槽开挖宽度 的要求，降低航槽建设成本；同样，在现行灯标体上安置一台a i s 设备，灯标发 生移位时，移位了的灯标上的a i s 设备就能把移动了的位置报告出来并报警，对 船舶自动识别系统( a i s ) 接口数据的研究与应用 航行安全是非常有好处的；对灯浮的设黄也非常方便，只要轻轻点击鼠标电子航 标就能在瞬间完成，几乎不存在航标重新设置期间的问题。a i s 实施以后，超大型 船舶的长距离拖带的航行警告将被a i s 标识有超大型船舶特殊信号的显示界面所 取代，根据需要，这种超大型船舶特殊信号接近到一定的距离时可被设置为报警， 提醒操纵者重视，其效果要远比现行发布航行警告要好许多。a i s 不但能准确的预 报船舶的动态时间，在需要的情况下，还可自行观察实况，推算船舶的靠码头、 系浮筒的时间，如拖轮可以等待到最佳时间开航迎上去，协助靠码头，使工作顺 利并节约费用。a i s 实施以后能够做到准确的预报并为该类工作节省时间。从船舶 装载运输的货物的角度来讲，对及时提货，及时送达交付运输的货物都有很现实 的意义。a i s 的实施，实时监控的范围可从陆上扩大到海上( 船上) 。对物流的可 信度会大大提高，对货物的交易会有很大的帮助。a i s 实施以后，集装箱船到港靠 码头时间的预报准确度会非常地高，货主根据自己集装箱的装船位置，可以推算 起吊卸船的时间，做到集装箱直接卸到自己派出的集装箱卡车上并直接开往目的 地。仅此一项，就可以节约大量的费用。可见，a i s 的实施，给航海带来了极大的 方便【2 j - 【5 i 。 1 3 课题研究的背景和主要内容 国际海事组织( i m o ) 在“海上人命安全公约( s o l a s ) ”第五章中已经规定：自 2 0 0 2 年7 月2 0 0 8 年7 月1 同所有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，以及不论尺寸大小的客船，须按不同的安装时间段安装船 舶自动识别系统( a i s ) 。对于安装了a i s 设备的船舶来说，它首先解决了在船舶航 行中避碰时识别对方船舶的问题，通过a i s 显示的信息，包括船舶名称、m m s i 、 位置信息，有了这些信息可以很方便地识别船舶，如果有需要可以用v h f 甚高频 电话与对方协调避碰行动，这是a i s 在船舶中典型应用之一。由于现在有些船舶 已安装了电子海图设备，有些船舶也装设了d g p s 设备，a i s 可以与这些设备综 合使用，可以在电子海图上直接观测到周围船舶的位置，同时再加上a i s 给出的 船舶信息这样就可进一步了解其中某船的具体情况。此外，由于a i s 设备的显示 屏幕较小，存在信号显示不清，如果与电子海图叠加显示，不仅能锁定某一区域 的船舶进行放大显示，还能准确显示某一船舶的具体的动态、静态等信息，不仅 第1 章绪论 为船舶操纵与避碰决策提供了有力的保障，同时也为相关管理部门对船舶的动态 监视提供一个非常好的实例，适合港口对周围的船舶进行监控。 要想完成a i s 信息在电子海图的显示，就要首先解决a i s 的解码问题。本文将 从a i s 的构成和主要工作原理开始着手进行学习，分析a i s 的关键技术，技术指标， a i s 输出数据包格式以及通信协议，从而深入研究计算机串口以及a i s 接口，解析 a i s 报文，完成a i s 设备的r s 4 2 2 接口和计算机r s 2 3 2 接口间的转换电路的设计，完 成a i s 的信息采集，将数据格式转换成应用系统所需的格式进行解码。文章将在 v i s u a lb a s i c 的基础上，研究如何利用v i s u a lb a s i c 设计用户界面，如何充分利 用s q ls e r v e r 数据库，如何将地球坐标转换为屏幕直角坐标，最终设计出一套基 于电子海图的a i s 接口数据显示系统，实现a i s 动态信息以及静态信息连续叠加显 示在电子海图上并实现船舶避碰决策，得到一个更智能化，更可靠的船舶管理系 统和实验室教学平台，给驾驶员决策提供有效依据，给船舶交管提供便利。 船舶臼动识别系统( a i s ) 接口数据的研究与应用 第2 章船舶自动识别系统( a is ) 2 1 船舶自动识别系统( a is ) 的工作原理 通用船载自动识别系统应答器( a i s ) 是一种v h f 海上频段的船载广播式应 答器，它能发出船舶的各种信息，如身份、船位、艏向、船舶类型、船舶长度、 宽度、吃水、所载危险货物信息等。 2 1 1a i8 的构成和主要功能 图2 1a i s 系统构成图 f i g 2 1s t r u c t u r ef o ra i ss y s t e m a i s 系统能够自动连续地向具有适当配置的管理当局的岸台、其他船舶和飞机 提供信息，不再需要船员人工干预。包括船舶识别码、船型、船位、船向、速度、 航行状态和其他与安全有关的信息。自动接收来自具有相同配备船舶、管理当局 及其他来源的上述信息。以适当的更新速率提供船位和操纵信息以便于管理当局 和其他船舶精确跟踪和监视船舶动态。与岸基设施交换数据，以便主管部门指配 工作模式，控制数据传输的时间和时隙，指配工作模式，使用广播发布模式或受 控应答模式。对高优先级的及有关安全的呼叫以最快的速度响应。数据的传输响 第2 章船舶自动识别系统( a i s ) 简介 应有来自于船舶或主管部门的问询，有轮询和受控两种模式。提供国际海事标准 界面，并有人工输入和输出数据的接口【6 1 。 2 1 2a is 的基本工作原理 a i s 工作在v h f 航海频段，国际电信联盟1 9 9 7 年无线电大会指定了 1 6 1 9 7 5 m h z ( 8 7 b 频道) 和1 6 2 0 2 5 m h z ( 8 8 b 频道) 二个v h f 频率作为a i s 频 道。 根据船一一船通信这样的使用条件，a i s 使用了自组织时分多址技术 ( s o t d m a ) 。每分钟可以处理2 0 0 0 个以上报告，数据间隔2 秒可以更新一次。 a i s 对d s c 向下兼容，因此岸基的g m d s s 系统花费不多的费用就可以建立 a i s 行动通道，实现对装备a i s 的船舶的识别和跟踪，最终a i s 将取代d s c 应答 器系统。 不管是在开阔海区，沿岸水区还是内河航道上，a i s 应答器都是工作于自主连 续模式，发射方式是9 6 k bg m s k f m ，带宽2 5 k h z 或者1 2 5 k h z ，数据采用h d l c 包协议。 就完成通信而言，一个无线电频道已经足够了，但是为了防止干扰和转换频 道时造成通信损失，每个a i s 站均同时在二个频道进行收发。 自组织分时技术可以自动解决本台与其他台的竞争问题，即使系统过载、通 信仍能保持完好。 为了实现分时通信，把时间分成小段的时隙，每6 0 秒钟建立2 2 5 0 个时隙即每 个时隙约2 6 6 7 m s ，可传输2 5 6 b i t s ，每个a i s 站的船位报告装入一个时隙。在一 个a i s 站开始发送之前先要对当时信道的使用状态观察一段时间，搞清时隙使用 情况，然后可以选择未占用的时隙，标明需占用的帧数，再发送数据，各a i s 站 持续地保持同步，可避免发送时间重叠，新加入a i s 站也不会发生冲突。 根据i m o 的a i s 性能标准对要求船舶报告的容量的要求，系统应有每分钟 2 0 0 0 个时隙，但实际上，系统的设计是每分钟4 5 0 0 时隙。 在数据链负荷超过理论值的9 0 时，新加入的站可以占用距离最远的台的时 隙，从而保证系统有很强的过载能力。 a i s 采用v h f 频段，它的覆盖距离与其他v h f 设备一样，电波直线传播。距 船舶白动识别系统( a i s ) 接口数据的研究与应用 离取决于天线的高度，在海上通常为2 0 海里左右。由于其波长较雷达长，波的绕 射较强，所以视线较雷达要好些，在地面上的障碍物不太高的情况下，能看到 弯道或岛屿背面的a i s 站。借助于中继站，可以显著扩大船台和v t s 站的覆盖范 围阶i s l 。 2 2 船舶自动识别系统( a i s ) 的技术指标 a i s 的技术采用l t u 推荐草案删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 ，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 m h zm s 2 ：1 6 2 0 2 5m h z 工作频段：1 5 6 0 2 5 1 6 2 0 2 5 k h z 频带宽度：2 5 k h z 或1 2 5 k h z 发射功率：l 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：8 6 k b p s 访问协议：t d m a 通信规程：h d l c a i s l 和a i s 2 是供a 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) 。 基站的t d m a 指令自动转换。 船舶在a i s l 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，在新的频道上进行t d m a 通信。 基站的d s c 指令自动转换。 i t u rm 1 3 7 1 建议案附录3 信道管理和d s c 兼容性中a i s 将完成a i s 与 d s c 相关的功能，a i s 应有工作在c h 7 0 的d s c 接收机，不要求d s c 发射机，岸 台用c h 7 0 上发出对所有船舶的d s c 呼叫，确定自己所在的区域边界和区域内a i s 第2 章船舶自动识别系统( a i s ) 简介 使用的区域性频道，也就是由基站指令自动转换频道。 a i s 的v h f 通信机的频道调台有自动转换要求，其转换指令来自a i s 基台或 d s c 岸台1 9 1 。i l o l 。 2 3 船舶自动识别系统( a ls ) 通信协议 船舶自动识别系统( 舢s ) 采用时分多址通信方式，它把每个信道的时间分成 固定的时间时隙，1 帧持续l m i n ，包含2 2 5 0 个时隙，所有这些时隙都可以由工作 在数据链路上的电台使用a i s 的数据链路采用高级数据链路控制( h d l c ) 协议， 报文的结构，时隙以及数据分组和时隙之间的关系如图2 2 所示【1 1 】。 图2 2 数据分组结构图 f i g 2 2s t r u c t u r ef o rd a t ap a c k e t 图2 2 中，最上层表示的数据包中的1 6 8 b i t 用于传输电文，前6 位是消息识别 码，后面是3 0 b i t 的电台标识码，最后是用于数据链路管理的通信状态项信息，报 文分为2 2 种类型，能支持船位报告、安全信息广播和轮询等多种服务，参见表2 1 。 如i d 为1 的船位报告内容参见表2 2 ，i d 为1 2 的安全相关确认内容参见表 2 3 。 船舶自动识别系统( a i s ) 接口数据的研究与应用 表2 i 报文分类简表 t a b 2 1m e s s a g ec a t e g o r i e st a b l e 消息号信息名称信息描述 l 船位报告定时船位报告 2 船位报告 分配定时船位报告 3 船位报告询问船位报告 4 基站报告 目前的位置、时间、时隙 5 1 0 静态、航行相关数据静态和航行相关数据报告 u t c ，日期响应 输出有效的u t c 3 期 l l 1 2 申请安全相关信息安全相关数据通信 1 3 安全相关确认接收安全相关数据的确认 安全广播信息安全相关的广播通信 表2 2 消息1 ，2 ，3 内容 t a b 2 2c o n t e n t sf o rm e s s a g e s1 ，2a n d3 p a r a m e t e r b i t s d e s c r i p t i o n m e s s a g e1 1 3 6 i d e n t i f i e rf o rt h i sm e s s a g e1 ，2o r3 d a t ai n d i c a t o r 2 i n d i c a t e sd a t aa v a i l a b l et ot r a n s m i t u s e r i d3 0 m m s in u m b e r n a v i g a t i o n a ls t a t u s 4 0 = u n d e r w a y ，l = a ta n c h o r r a mo f t u r n 8 12 7 d e g r e e s r a i n s o g1 0 s p e e do v e rg r o u n di n1 1 0k n o t p o s i t i o na c c u r a c yl l = h i g hl = i o w l o n g i t u d e 2 8 l o n g i t u d ei n1 1 0 0 0 0 r a i n l a t i t u d e2 7 l o n g i t u d ei n1 1 0 0 0 0 r a i n c o g 1 2 c o u r s eo v e rg r o u n d1 1 0 h e a d i n g 9 d e g r e e s ( 0 35 9 ) 9 第2 章船舶自动识剐系统( a i s ) 简介 表2 3 消息1 2 的内容 t a b 2 3c o n t e n t sf o rm e s s a g e s1 2 p a r a m e t e r b i t s d e s c r i p t i o n m e s s a g e 1 1 3 6 i d e n t i f i e rf o rm e s s g e s 6 ，1 2 s p a r e 2 。 n o t u s e d s h o u l d b ez e r o s o u r c ei d3 0 m m s in u m b e r s p a r e 2 n o tu s e ds h o u l db ez e r o d e s t i n a t i o ni d3 0 m m s in u m b e r s p a r e 2 n o tu s e ds h o u l db ez e r o d a t a9 3 6 11 7b y t e sm a x i m u m 2 4 船舶自动识别系统( als ) 数据包格式 2 4 1a ls 的信息内容 ( 1 ) 静态信息 i m o 识别编码( 若无，可不发) ，海上移动业务识别码( m m s i ) 呼号及船名 船长、船宽及船舶类型 定位仪天线在船上的位置( 离船艏距离和中心线左右距离) ( 2 ) 动态信息 船位( 纬度：1 1 0 0 0 0 纬度，经度：1 1 0 0 0 0 经度) 及其精度标示和完好性状态。 世界协调时u t c 时间( 日期由g p s 接收设备产生) 真航向( 1 1 0 度为单位) 对地航速( 1 ，1 0 k n 为单位) 艏向( o 3 5 9 0 ) 航向状态( 例如u n c ，抛锚等，由人工输入) 转向速率( 若无可不发) 选项船舶横倾角( 基本电文中无该数据区) 选项纵、横摇( 基本电文中无该数据区) 外接传感器提供的其它信息的输入项。 ( 3 ) 航次相关的信息船舶吃水 船舶吃水危险货物( 种类) 按管理当局要求目的港及估计到达时间( 船长估计) 船舶自动识别系统( a i s ) 接口数据的研究与应_ i j 选项航路计划( 航路点) ( 基本电文中无此数据区) ( 4 ) 与安全有关的短电文 自主模式下信息的更新速率规定为： 静态信息：6 分钟以及接收到发送要求时 动态信息：按表2 4 。 航次相关信息：6 分钟及数据有变化时和接收到发送要求时 安全相关电文：重要的航行警告或重工的气象警告等与安全相关的信息 安全信息：根据需要【1 1 。 表2 4 动态信息表 t a b 2 4d y n a m i ci n f o r m a t i o nt a b l e 船舶航行状态报告间隔 抛锚船3 分钟 船速卜1 4 节1 2 秒 船速卜1 4 节且改变航向4 秒 船速1 4 2 3 节6 秒 船速1 4 一2 3 节且改变航向 2 秒 船速 2 3 节 3 秒 船速 2 3 节且改变航向2 秒 2 4 2a i s 输出信息结构 a i s 接口通信协议采用i e c l l 6 2 标准，作为通信协议的一部分，a i s 输出信息 的信息结构如图2 3 所示。a i s 的无线数据链路技术是a t d m a 。s t d m a 使用“帧” 的概念，一帧相当于1 分钟，分为2 2 5 0 个时隙，每个时隙包含2 5 6 b i t s 。a i s 中的 信息是通过放置在时隙中的数据包来进行传输的。每个数据包中设置有2 4 b i t s 的 缓冲区，其中有1 2 b i t s 是用于提供对传播距离延时的保护f 1 2 j 。( 1 刀。 信息i d l 导言开始标志数据监测序列( f s c )结束标志缓冲 图2 3a i s 接口输出信息的信息结构 f i g 2 3s t r u c t u r ef o ra i si n t c f f a c ei n f o r m a t i o n 第3 章船舶自动识别系统( a i s ) 接口数据的研究 第3 章船舶自动识别系统( a is ) 接口数据的研究 船舶自动识别系统( a i s ) 提供了以串行方式输出本船及目标船的动态信息的 用户接口，以便其他系统共享a i s 的信息，当用户接口采用r s 4 2 2 通信协议时， 首先必须将信号经过r s 4 2 2 r s 2 3 2 转换器转换，转换后的信号送入p c 机串口， 由p c 机完成信号的采集和处理。 3 1 船舶自动识别系统( ais ) 接口信息采集硬件的研究与设计 3 1 1 串行接口标准 ( 1 ) r s 2 3 2 串行接口标准 目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被 定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传 输方式，即所谓单端通信，如图3 1 所示。 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 1 4 图3 1r s 2 3 2 引脚结构图 f i g 3 1s t r u c t u r ef o rr s 2 3 2p i n r s 2 3 2 适合本地设备之间的通信。其有关电气参数参见表3 1 。 州 啾溺吣默张鲫 坞堙n墙98765432i 船舶自动识别系统( h i s ) 接口数据的研究与应用 表3 1r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 电气参数 t a b 3 1e l e c t r i c a lp a r a m e t e r sf o rr s 2 3 2 ，r s 4 2 2 规定 r s 2 3 2r s 4 2 2 工作方式单端差分 节点数1 收、1 发1 发1 0 收 最大传输电缆长度5 0 英尺4 0 0 英尺 最大传输速率 2 0 k b s1 0 m b s 最大驱动输出电压 十，- 2 5 vo 2 5 v + 6 v 驱动器输出信号电平 负载 七| s + | - 、s n十- 2 0 v ( 负载最小值) 驱动器输出信号电平 ( 空载最大值) 空载 十- 2 5 v七l 毒n 驱动器负载阻抗( q ) 3 k 7 k 1 0 0 摆率( 最大值) 3 0 v ，hsn 浚 接收器输入电压范围 + - 】5 v1 0 v + 1 0 v 接收器输入门限 + 3 v+ - 2 0 0 m v 接收器输入电阻( q ) 3 k 7 k 4 k ( 最小) 驱动器共模电压 3 v + 3 v 接收器共模电压 7 v + 7 v ( 2 ) r s 4 2 2 串行接口标准 r s 4 2 2 与r s 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它 使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b ，如图3 2 所示。 a b c 图3 2 r s 4 2 2 数据信号 f i g 3 2d a t as i g n a lf o rr s 一4 2 2 r s - 4 2 2 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性 ，它定义了接口电路 第3 章船舶自动识别系统( a i s ) 接口数据的研究 的特性。图3 4 是典型的r s 4 2 2 四线接口。实际上还有一根信号地线，共5 根线。 图3 3 是其d b 9 连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 r s 2 3 2 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接1 0 个节点。即一个主设备( m a s t e r ) ，其余为从设备( s a l v e ) ，从设备之间不能通信， 所以r s 4 2 2 支持点对多点的双向通信。接收器输入阻抗为4 k q ，故发端最大负载 能力是1 0 x 4 k + 1 0 0q ( 终接电阻) 。r s 4 2 2 四线接口由于采用单独的发送和接收 通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方 式( x o n x o f f 握手) 或硬件方式( 一对单独的双绞线) 实现。 t xb6 r xb 7 8 + 9 v9 1 g n d 2t xa 3r xa 4 5 g n d 图3 3d b 9 引脚 f i g 3 3d b 9p i n g - - 发送驱动嚣 r 一接收器上一值每地 i i r 一保护地或戛l 箍地 g w g 一电源地 r s 4 2 2 有关电气参数见表3 1 所示。 图3 4 r s 4 2 2 接口 f i g 3 4r s 4 2 2i n t e r f a c e 3 1 2 接口转换电路的设计 a i s 提供了r s 4 2 2 接口，计算机提供了r s 2 3 2 串口，要想完成两者通信，就 要完成两者之间的电路转换。a i s 信息采集系统的硬件框图如图3 5 所示。 图3 5a i s 信息采集系统硬件构成框图 f i g 3 5 h a r d w a r ed i a g r a mf o ra i si n f 0 咖a t i o ng a t h e f i n g r s 2 3 2 r s 4 2 2 接口转换电路结构图如图3 6 示。r s 4 2 2 与计算机之间采用串口 船舶自动识别系统( a i s ) 接口数据的研究与应用 r s 2 3 2 异步通信方式。串口通信使用3 根线：地线、发送线、接收线。本系统中， ， 将r s s 4 2 2 的发射端、接收端、接地端分别与计算机r s 2 3 2 串口的接收端、拔射 端、接地端相连接。 图3 6r s 4 2 2 - r s 2 3 2 接口转换电路结构图 f i 9 3 6 i n t e r f a c ec i r c u i tf o rr s 4 2 2t or 8 2 3 2 这里r s 2 3 2 采用+ 5 v 单电源供电，由7 、8 、9 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3 、1 4 脚构成 两个数据通道。其中1 3 脚( r l i n ) 、1 2 脚( r 1 0 u t ) 、l l 脚( t l i n ) 、1 4 脚( t 1 0 u t ) 为第一数据通道。8 脚( r 2 i n ) 、9 脚( r 2 0 u t ) 、l o 脚( t 2 i n ) 、7 脚( 他0 u t ) 为第二数据通道。t f l c m o s 数据从t i l n 、t 2 i n 输入转换成r s 2 3 2 数据从 t 1 0 u t 、t 2 0 u t 送到电脑d p 9 插头；d p 9 插头的r s 2 3 2 数据从r i i n 、r 2 i n 输 入转换成t t l c m o s 数据后从r i o u t 、r 2 0 u t 输出。三极管q l 起到开关的作 用，控制r s 4 2 2 的收发，当9 脚( r 2 0 u t ) 处于高电平时，q 1 导通，4 2 2 处于收 状态，当9 脚( r 2 0 u t ) 处于低电平时，q 1 截止，4 2 2 处于发的状态。对于r s 4 2 2 ， 一般终端匹配采用终接电阻方法，r s ，4 2 2 在总线电缆的远端并接电阻，终接电阻 可以取1 0 0q ，相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约 在1 0 0 1 2 0q 。 第3 章船舶自动识别系统( a i s ) 接口数据的研究 3 2 船舶自动识别系统( ai s ) 接口信息解码的研究 3 2 1 船舶自动识别系统( a i s ) 报文分析 系统参照i e c 6 11 6 2 和i e c 9 1 9 9 3 - 2 标准中规定的a i s 数据格式协议将保存在 数组中的字符正确的解读出来。在这里提供实验室采集到的a i s 信息，其接口的 传输速率为3 8 4 0 0 b i t s ，1 个起始位，8 个数据位，1 个停止位，实际采集到的部分 数据如表3 2 所示。 表3 2 a i s 输出电文信息 t a b 3 2a i so u t p u tm e s s a g e ! ai vd o ，l ，1 ，1 6 8 幻0 0 0 0 0 8 ；md ：ap i t h0 6 r f 0 0 0 0 ，0 * 2 5 la d o ，l ，l ，1 6 8r o0 0 0 0 0 8 ；mp ：ap i t h0 6 r j 0 0 0 0 。0 * 2 9 la i v d o ，l ，l ，1 6 8r o0 0 0 0 0 8 ；m d ：a p i t h 0 6 r l 0 0 0 0 ，0 * 2 f lai vd 0 ，1 ，l ，1 6 8r o0 0 0 0 0 8 ；mp ：ap i t h0 6 r n 0 0 0 0 ，0 * 2 d la i vd o ，l ，1 ，1 6 8r o0 0 0 0 0 8 ；md ：ap i t l l0 6 r n 0 0 0 0 ，0 * 2 d ! a i vd m ，l ，l ，a ， 7 0 ，4 * 2 3 a i s 信息报文分为明码和暗码，明码虽易读，但使用了过多的字符；如果信息 更新很快，就会减少整个系统的数据容量，所以i e c 对明码有明确的字符限制， 同时推出了数据封装的暗码，暗码则是封装的信息包，以“l ”开头，其格式为 ! a i v d m ，a ，b ，c ，d ，e - e ，f * h h ( c r ) 皿f ) 其中a i vd m ( a i sv h fd a t a - l i n km e s s a g e ) ，含有船舶动态和船舶静态信息、 航行相关信息，a i vd o ( a i sv h fd a t a - l i n ko w n - v e s s e lr e p o r t ) ，该旬含有本船动 态信息，a ，b ，c 分别表示发送这一信息需要的句子总数( 1 - - 9 ) 、本句的句子序 数( 1 - - 9 ) 和连续信息的识别( 0 9 ) ；d 表示a i s 信道号；e e 为封装信息；f 表示填充的b i t 数，因为封装的字符需要是6 的整数倍，若不满足，