（通信与信息系统专业论文）船载ais系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现代数字通信技术为采用更先进有效的通信方式去实现科学的交通管理提 供了有利的技术条件。作为当今通信技术和计算机技术发展的产物，船舶自动 识别系统( a i s ) 是一种适用于水上船舶信息交换的新型助航系统，可用于海上 船只与船只之间、船只与海上交通管理中心之间的相互识别。 a i s 设备可以向装有a i s 的岸站、其他船舶和航行器自动提供本船的信息， 诸如船舶识别码、船舶类型、位置、航向、速度、航行状态和相关的安全信息； 并且可以接收到其它装有此设备发出的信息。从使用功能一k 来说，它可以自动 地监视和跟踪周围的船只，有利于海岸和港湾的船舶管理及海上船舶的安全航 行。船载a i s 使用v h f 波段，工作在1 6 1 9 7 5 m h z 和1 6 2 0 2 5 m h z ，带宽为2 5 k h z 。 它采用g m s k 调制模式，数据编码方式为n r z i 码，传输速率为9 6 0 0 b p s ，通信 规程则是h d l c 通信链路控制规程。 本论文分为五个部分：首先介绍了a i s 的产生背景和原因、发展现状、主 要功能以及系统框图等。接着，从原理上对a i s 系统中涉及到的关键技术做了 较为详细的论述：说明了s o t d m a 的通信原理、s o t d m a 的时隙预约算法和 相关接入技术；阐述了g m s k 数字调制方式的基本原理和实现方法；分析了 h d l c 通信链路控制技术，并介绍了n r z i 的编码原理及优点。然后提出了一种 船载a i s 系统的具体设计方案。在硬件上，给出了硬件实现框图和电路原理图， 介绍了各个组成部分的功能和接口。在软件上，系统分为两层结构( 底层软件 和应用软件) ，采用了u c o s i i 操作系统。本文还给出了部分应用的示例代码。 最后，本文对所提出的实现方案进行了部分实验论证，结果满足预期要求。 关键词：自动识别系统；自组织时分多址；g m s k ；高级数据链路控制协议 a r m 武汉理工大学硕士学位论文 a - b s t r a c t t h em o d e r nd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys u p p o r t st h ea d o p t i o no ft h e m o r ea d v a n c e da n de f f e c t i v ec o m m u n i c a t i o nm o d et or e a l i z et h ec o n t r o lo fa 1 1k i n d s o f 打棚cw i t hf a v o r a b l et e c h n i c a lc o n d i t o ma st h eo u t c o m eo ft h ec o m b i n a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ea 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 t 勘i sak i n do fn e w - t y p en a v a i da n de q u i p m e n t i t su s e df o r i d e n t i f i c a t i o nb e t w e e ns h i p so rs h i p sa n dv e s s e lt r a f f i cs e r v i c e a i sa r ei n t e n d e dt oa u t o m a t i c a l t yp r o v i d eo w l li n f o r m a t i o ns u c ha ss h i pi d e n t i t y , t y p e ，p o s i t i o n , c o u r s e ，s p e e d , n a v i g a t i o n a ls t a t u sa n ds a f e t y - r e l a t e di n f o r m a t i o n t o a p p r o p r i a t e l ye q u i p p e ds h o r es t a t i o n s ，o t h e rs h i p sa n da i r c r a f t s ，a n da i sa l s oc a n r e c e i v es u c hi n f o r m a t o nf r o ms i m i l a r l yf i t t e ds h i p s t h u sa i sc a na u t o m a t i c a l l y m o n i t o ra n dt r a c en e a r b y 幽p s ，i t sp r o p i t i o u st om a n a g es h i p si nm a r i n ea n ds a i l s a f e t y a i su s e d0 1 1s h i p sa r co p e r a t e di n1 6 1 9 7 5 m h za n d1 6 2 0 2 5 m h z , a n dt h e b a n d w i d t hi s2 5k h 毛t h es i g n a li st r a n s m i t t e da f t e rg m s km o d u l a t i o na n dn r z i c o d i n g i t sd a t ar o t ei s9 6 0 0 b p s ，a n dt h ei n f o r m a t i o ni sp a c k e di nh d l c f o r m a t t h e r ea r ef i v ep a r t si nt h i sp a p e r ： l 誓t h eb a c k g r o u n d , d e v e l o p i n g - c o n d i t i o n , f u n c t i o na n ds y s t e ms t r u c t u r eo fa i s i si n t r o d u c e d 2 “，d e t i a ld i s c u s s i o no fs e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sr e l a t e dt oa i s ：t h e a n a l y s i so ft h es o t d m ac o m m u n i c a t i n gp r i n c i p l e s o t d m at i m es l o tr e s e r v a t i o n s e l e c t i o na r i t h m e t i ca n dr e l a t e dc o 蚰e c t i o nt e c h n o l o g yo ft h es o t d m a ；t h e i n t r o d u c t i o no f b a s i cp r i n c i p l eo f t h eg m s km o d u l a t i o na n di t sr e a l i z a t i o n ；t h es t u d y o f h d l cf o r m a t ；a n dt h ed i s c u s s i o no f n r z ip r i n c i p l ea n di t ss t r e n g t h 3 ”，h a r d w a r e d e s i g n m e n ti sb r o u g h tf o r w a r d , i n c l u d i n gb l o c kd i a g r a m , c i r c u i ts c h e m a t i c sa n d i n t r o d u c t i o no fe v e r ym o d u l e 4 t h t h e r ea 糟t w os e c t i o n si nt h i sp a r t o si se x p a t i a t e d i nt h ef a s ts e c t i o n , a n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sp r o v i d e di nt h es e c o n d $ d 2 t i o n 1 1 艟 e x a m p l ep r o g r a m s 黜s h o w n i nb o t hs e c t i o n s 5 m ，m cd e s i g no f a i su s e do ns h i pl l a s b e e nt e s t e d ，a n dt h eo u t c o m er e a c ho u rr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：a i s ；s o t d m a ；g m s k ；h d l c ；a r m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 蜘期：上本殳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以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应遵守此规定) 签名 签名：日期：伊，p 、 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 当今社会，船舶在交通、旅游以及运输等方面都扮演着重要角色，船舶自 身也朝着大型化、高速化的方向在发展。船舶的数量、水域的交通密度以及危 险货物的装载量都在不断的增加。世界重要水道显得越来越拥挤，因而海上交 通事故频繁发生，给航行安全和海洋环境造成了巨大的威胁。为了加强海上交 通管制，监视海洋污染和保证船舶航行安全，人们研制和发明了各种各样的设 备用来实现这些目的。在长期的研究过程中，人们认识到船船之间和船岸之间 的信息交换和船舶的相互识别是很重要的，然而现行助航设备和通信设备在这 些方面上都存在着诸多的局限性。目前的信息交换通常有三种信息来源：岸基 雷达设备、v h f 无线电话和岸基无线电测向仪。这三种信息来源提供的信息都 很有限，并且其工作会受到气象、海况及地形的影响。比如说，岸基雷达设备 提供的是有关电磁波跟踪的目标，但其探测能力取决于雷达显示器回波的杂乱 程度( 不良海况、气候等) 、到达日标的距离和这些目标的回波特性。因此，有关 所探测目标的船位、航线和航速的信息质量和信息滞后更多地取决于他们在移 动过程中的稳定性和形状大小。在实际操作中，如果航道狭窄或出现不良海况 等情况时，工作人员就不得不借助v h f 人工通话，请船长通报所在船的的船位 等信息，并迸一步传送给其它船舶，而使用v h f 电话时，操作员接收到的仅是 船舶驾驶员根据规则报告的数据，进而粗略判断出报告船的方位，同时由于这 种靠人工操作，低效率的通信方式不能自动获得相遇船标识，难以及时沟通双 方信息和掌握彼此意图，从而实际上难以达成避碰协议，导致因为延误时间或 者不明对方意图采取了不相协调的避让动作而酿成事故【l 】。因此，船舶识别成为 困扰船舶航行安全，船舶交通管理和航海科技发展的一大难题，引起了世界上 各个相关组织的高度重视。 全球船载自动识别系统a i 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 锄) i e 是在上述背 景下以及现代通信发展的基础上应运而生的。它是工作在船载平台上的一种自 动识别系统，由于无论是船与船之间的通信还是船与岸之间的通信，总有一方 武汉理工大学硕士学位论文 是运动的，所以必然要选用无线信道作为数据传输的物理媒介，属于移动通信 的范畴。a i s 会自动连续发出本船的静态信息( 编码、船名等) 、动态信息( 船位、 航速、航向等) 、航次信息和安全短消息。同时也自动接收周围船舶发来的这些 消息，为船舶避碰和航行提供辅助决策。a i s 还可以增强了a r i a 雷达、船舶交 通管理系统、船舶报告的功能，在电子海图上显示所有船舶可视化的航向、航 线、船名等信息，改进了海事通信的功能，提供了一种与通过a i s 识别的船舶 进行语音和文本通信的方法，增强了船舶的全局意识，使航海界进入了数字时 代。 我国是航运大国，同时也是渔业大国，不仅有3 0 0 多家国际航运公司，拥 有近4 0 万艘国际航行船只，还拥有约3 0 万艘渔船，总吨位近5 6 0 万吨，因此 海事部门与渔监和各种船只的协调以及船只之间的协调是非常必要的。随着船 舶自动识别系统( 鲥s ) 配备日期的临近，依照规则购置安装a i s 是目前各船运公 司在船舶通信方面的首要工作，a i s 的安装因此存在着巨大的市场。目前国外 的a i s 设备功能己经比较完善，但价格较高，而国内的相关产品则相对缺乏。 我们自主研制的a i s 设备，能够节省大量的外汇并借此提高我国航运的国际地 位，因而具有巨大的经济效益和社会效益。 1 2 国内外发展现状 a i s 是在这个世纪9 0 年代从北美和西欧的一些国家开始兴起和开发的，在 a i s 的应用中这些国家也是一直走在前列的。从1 9 9 2 年开始至今，在有关国际 组织i a l a ，r r u ，i e c 的努力下，已经正式公布了a i s 的性能标准、技术特性、 测试标准、操作指南及各类船舶限期安装的决议，发展速度十分令人瞩目【2 1 。近 几年来，有关a i s 的国际组织会议审议立法过程如下： 1 9 9 2 年：i a l a 向i m o ，r r u 提议使用d s c 应答器系统，并以i t u - r m 8 2 5 号劝告内容作为国际标准。同年，i m on a v 3 8 会议通过d s c 应答器系统提议， 并提出对s o l a s 第五章进行修改。 1 9 9 4 - 1 9 9 5 年：瑞典、芬兰首次提出“无线电a i s ”的概念。 1 9 9 5 7 ：瑞典、芬兰联合在i m on a v 4 1 会议上首次提出将自组织时分多址 技术( s o t d m a ) 应用于船舶间和船岸间海上转发器系统的建议( 草) 提案。同时， 根据英国提案，确定v h fc h t 0 的应答器性能标准。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 9 6 9 ：在i m on a v 4 2 会议上，研讨a d s 采用两种信息交换方式( v i m d s c 和广播式) ，对未来船载a i s 必须满足船岸间和船舶问不断增长的信息交换需求 得到共识。 1 9 9 6 1 2 ：i m om s c 6 7 会议，同意将广播式信息交换方案引入a i s 。 1 9 9 7 年：i m on a v 4 3 会议通过通用船载a i s 性能标准建议草案。 1 9 9 7 6 ：i m om s c 6 8 会议，制定通报容量大( 最小为2 0 0 0 个报告r a i n ) 的! m s 性能标准。 1 9 9 7 1 0 ：i t u - r 大会审议m 8 2 5 号建议修正案，用a i s 扩大v t s 信息， 增加v t s 用高速m s 的技术特性提案。 1 9 9 8 5 ：i m om s c 6 9 会议采纳了a i s 性能标准草案。 1 9 9 8 7 ：i m o n a v 4 4 会议建议2 0 0 2 年起3 0 0 总吨及以上的新船和客轮必须 安装! m s t 3 1 。 1 9 9 8 年：i t u r 通过全球a i s 专用两个v h f 频道：c h 8 7 bf = 1 6 1 9 7 5 m h z ； c h8 9 bf _ 1 6 2 0 2 5 z ，从而满足了a i s 需求的频率条件。 1 9 9 8 1 1 ：i t u r 通过“在v h f 海上移动频段上使用时分多址的船用自动识 别系统( a i s ) 的技术特性”建议案i t u - rm 1 3 7 1 。 1 9 9 9 年：i m on a v 4 5 次会议通过a i s 强制性安装决定，要求在2 0 0 2 年7 月1 日后建造的新船和2 0 0 8 年7 月l 目起在航营运船必须装备! m s 。 2 0 0 0 5 ：d 订om s c 会议未通过上述强制性安装, m s 的议案。 2 0 0 0 1 2 ：i m 0m s c 7 3 会议通过, m s 强制性安装, m s 的议案1 4 l 。按照s o l a s 公约第五章新规则要求，所有在2 0 0 2 z 1 或以后建造的大于等于3 0 0 总吨从事 国际航运的船舶，大于等于5 0 0 总吨不从事国际航运的货船和所有客船均须装 配, m s 设备。要求所有于2 0 0 2 7 1 前建造的从事国际航运的各类船舶必须在 2 0 0 3 7 1 到2 0 0 8 7 1 前装配舢s 设备。但在此期限后2 年内将永久退役的船舶可 被免装, m s 设备。 浏览国内外近年来的相关刊物。在过去的几年中，欧洲、北美对, m s 的发 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, m 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 o o ) 和航运界船舶、西海岸 v t s 中心、引航员等合作进行了, m s 的试验。瑞典等北欧一些国家，在军舰和 商船上应用全球定位和通信系统作了大量工作。 新加坡海事港口局( m p a ) 在1 9 9 9 年进行船舶识别与定位系统( s i p s ) 的试验， 3 武汉理工大学硕士学位论文 采用了s a a bc e l s i u s 公司提供的d a i s 通用a i s 应答器。通过试验，在新加坡 港和新加坡海峡水域配备应答器船舶的静态数据、动态数据、航行信息和短安 全信息能很好显示在岸基的! m s 控制显示器上。试验证明，应用a i s 可以提高 v t s 对船舶的识别、跟踪精度和船舶间航行安全的可靠性，改善v h f 语言环境， 也验证了a i s 技术设备的可靠性和工t u rm 1 3 7 1 规定的数据更新速率的合理 性。 在欧洲，英国船商有限公司( t r a n s a sm a r i n el t d u k ) 和海事数据系统公司 ( m d s ) 合作开发了多个! m s 基站项目，如1 9 9 9 2 0 0 0 年德国基尔港a i s 项目。2 0 0 0 年初，荷兰在d o r d r e c h t 港开工建设“荷兰内河船舶信息显示与监控系统i n d r i s ” 项目，该项目由1 2 个! m s 基站组成，在a i s 基站监控范围内的3 0 条船相应安 装了3 0 个a i s 船站。另外，1 2 个基站中的两个与v t s 系统实现了接口和信息 交换。该系统覆盖了长约3 4 1 a n 的荷兰内河航道。该系统已于2 0 0 2 年6 月投入 了运行，效果非常明显。 我国对a i s 还在起步阶段，仅对外国资料进行阅读和学习，实质性研究、 设备的研制和引进新的试验都进行的不多【5 】。 1 3 本文研究的主要内容 作者参与研究和设计的主要是该系统的部分硬件和部分软件，并对系统的 硬件设计和部分软件进行了测试。 全文共分七章，第一章简要介绍了本课题研究的目的、意义及其发展现状。 第二章分析了船岸a i s 系统的技术标准和整体功能，解析实现船载a i s 设备的 各个关键功能模块。第三章分析了船载! m s 设备中的关键技术，研究船载a i s 系统的协调通信方案、通信调制方式、信息传输格式和编码方式。第四章研究 了船载, m s 设备的硬件实现，研究其硬件的选型、各个硬件模块的组成、连接 以及功用。第五章研究了船载a i s 设备的软件实现。第六章通过测试，验证了 设计的可行性，并提出了可能存在的问题。第七章总结了本文的工作，并对未 来的发展作出展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船载m s 系统概述 2 1a i s 系统定义 a i s 系统是工作在海上v i - i f 频段，采用开放系统互联的工作模式( o s l ) 1 6 1 ， 利用s o n ) m a 通信协议发射和接收船舶的静态数据、动态数据、航行信息以及 安全信息等等的自动识别和管理系统。随着船舶的移动或者某些信息的改变， a i s 系统发射或者接收的信息都在不断的刷新，并以某种方式显示出来( 显示屏 或者打印机) ，从而帮助管理部门监控船只动态或者驾驶人员了解周围船只情 况，采取航行避让措施。 国际电信联盟( i n 乃在海上v i - i f 频段分配给a i s 两个频道即c h 8 7 b ( a i s l ， 1 6 1 9 7 5 m h z ) 和c h 8 8 b ( a i s 2 ，1 6 2 0 2 5 m h z ) t t 】。这两个频道是由c h 8 7 和c h 8 8 双工频道拆成的单工频道。a i s 系统在这两个频道上同时接收a i s 信息，同时交 替地在c h b 7 b 和c h 8 8 b 频道上，在属于自己的时隙位置信道上发出信息。 a d s 把u t c 时间一分钟作为一信息帧，每帧又划分为2 2 5 0 个时隙，因此每 个a i s 时隙位置占用2 6 6 7 m s 。 2 2 a i s 系统构成 a i s 系统由船载a i s 系统和陆上岸基台站系统两部份构成。当装备a i s 设 备的船舶航行在开阔水域时，a i s 系统的8 7 b 和8 8 b 两个频道同时工作在“船一 船”模式，船台自动播发船位等相关信息并在两个频道上接收v i - i f 覆盖范围内其 他船舶的相关信息，与其他船舶建立通信网络，增强海上避碰功能( 如图2 - - 1 ) 。 当船舶驶向v t s 水域时，a i s 系统的一路接收单元与岸台保持联系，以“船一岸” 模式工作；而另一路接收单元仍工作在“船一船”模式状态，这样船舶既能与v t s 中心进行信息交换又能同时保持与其它船舶间的信息交换【s l ( 如图2 2 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 l 船一船模式 粥 | 粥 l g 阵 v - 图2 2 船一岸模式 2 2 1a i s 岸台系统 a i s 岸台系统【9 1 如图2 - - 3 所示。 6 武汉理工大学硕士学位论文 囤 固j 图2 3a i s 岸台系统框图 ( 1 ) a i s 基站 a i s 基站主要由g p s ，d g p s 接收机、v h f 收发信机和计算机构成。g p s d g p s 为a i s 基站提供精确的定位，因此a i s 基站可以作为特定的a i s 航标给 船舶用做定位和导航。a i s 基站的覆盖范围与其他v h f 设备一样，作用距离取 决与天线的高度，在海上通常为2 0 海里左右。由于其波长比雷达波长，作用距 离比雷达要好一些，在地面的遮挡物体不太高的情况下，能看到弯道和岛屿后 面的a i s 基站，通过a i s 基站中转可以显著扩大a i s 的覆盖范围。在a i s 的覆 盖范围内安装有a i s 船站的船舶都可以接收到基站发射的数据信息。用同一数 据链路a i s 基站可以发布增强c o p s 定位精度的差分纠错信息和航行通告等信息。 同时，在a i s 基站覆盖范围内的船舶也会将自己名称、呼号、类型、速度、 对地航向、危险货物类别等数据对外发送，a i s 基站接收到后，经过计算机的相 关数据打包处理，通过v h f 收发信机的一条数据链路向外广播，通知覆盖范围 内的所有船只。 ( 2 ) a i s 信息中心 a i s 信息中心是a i s 地面网络的核心，管理整个a i s 系统的通信，对所有 参与的船舶、基站之间的路由处理和信息排队处理，决定从数据原发地到目的 地的数据路由和信息接收方在网路中的排列。信息中心可以对服务对象授权、 对不同等级的用户提供不同的信息。把v t s v t i s 的船舶交通管理信息通过a i s 广播发送到船舶a i s 终端。 7 武汉理工大学硕士学位论文 a i s 信息中心也向v t s v l r i s 提供准确的般舶数据。可以弥补基于雷达的 v t s 对目标探测的局限。通过玳t e r n e t ，信息中心可以接入如海事信息网、 船舶报告系统、航运信息网，国际航运中心等。 a i s 信息中心的软硬件配置一般以通用设备为主，便于管理当局的维护和设 备的更新。管制水域的a i s 船舶数据可以直接叠加显示在e c d i s 上。 2 2 2 船载a i s 系统 船载自动识别系统的主要功能是将船舶的标识信息、位置信息、运动参数 和航行状态等与船舶航行安全有关的重要数据，通过v h f 数据链路，广播给周 围的船舶，同时通过v h f 数据链路接收周围船舶的信息，以实现对本海区船舶 的识别和监视。因此，为了支持上述功能的实现，船载自动识别系统的基本组 成包括：卫星定位传感器接口、v h f 数据通信机、信息处理器、船舶运动参数 传感器接口和信息显示器【1 0 1 ，如图2 - - 4 。 匦卿 l 匝巫圃一 匝至刃一 圆一 船 用 电 子 通 信 接 口 a i s 信 息 处 理 器 图2 4 船载a s 系统框图 ( 1 ) 船载a i s 系统的硬件构成 由图2 4 可知，船载a s 系统事实上分为四大组成部分，功能如下： 船用导航设备的通用接口 这是a i s 的数据采集部份。接收来自g p s d g p s 接收机的本船船位经纬度、 对地航速、同步u t c 时钟数字信号；来自电罗经的本船对地航向信号和计程仪 的相对航速、航程信号，并转换成数字信号加到信息处理器。输出a i s 信息给 8 圆圆 一 一 同倒围 武汉理工大学硕士学位论文 电子海图显示系统显示有关信息；以及接收从输入装置中输入的其它信息。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 n m 。通信接1 2 1 采 用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 4 2 2 标准。 信息处理器 这是船载a i s 系统地的核心部分，用于存储本船识别码、船名、呼号、船 型等静态信息以及船舶吃水、危险货物类型、航线等航行相关信息；处理、存 储本船动态信息；将存储的本船最新航行数据和必要的静态信息以及与航行相 关的其他信息进行编码后送发射机；对接收来自周围其他船舶的航行数据进行 解码并存储解码后的数据；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、动态数据库，对信息的处理、管理及控制， 基于s o t d m a 技术的通讯协议、通讯方式及显示等相关的软件。为使广播式 a i s 系统具有可靠、有序的信息通信，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 。也可采用与 u t c 相关的时间源。 信息监视器 用于显示各种数据和状态信息，监视系统的运行状况，实际应用的信息监 视器可能和雷达a r p a 、e c d i s 、i b s 等监视器一体化，成为多系统公共的综合 信息显示终端。 v h r 收发机 v h f 收发机由系统信息处理器控制，包括一台发射机、两台v h f 接 收机，用c h 9 7 b 和c 1 h 8 8 b 两个国际专用频段自动发射和接收按协议通信方案 规定的己调信号，频带为2 5 k h z 1 2 5 k h z ，采用半双工通信方式。已调信号中 含有本船和他船的航行信息，发送信息的编码和接收信息的解码均由信息处理 器完成。a i s 是同时在两个频率上接收信息，而发射信息则是在两个频率上交替 进行。此外，主管部门还可以指配a i s 的区域性使用频率。使a i s 可工作于一 组频率，并具有频道选择和切换手段。既可以工作于近程，也可工作于远程。 ( 2 ) 船载a i s 系统的软件构成 船载a i s 系统的软件可分为三个部份； 网络软件 按照国际电信联盟( i j ) 的技术标准，控制自组织无线数字移动通信网的运 行。 9 武汉理工大学硕士学位论文 系统控制软件 控制a i s 全系统各部份的协调工作。 接口软件 提供a i s 接口信息的处理和控制功能。 a i s 系统在上述的硬件平台上，通过软件来实现由i m o 规定的a i s 系统的 性能标准。这些功能可以概括为船舶识别、监视、导航和通信四个方面。a i s 系 统通过网络软件进入s o t d m a 网络系统，从接口软件中得到包括船舶识别 ( m m s i ) 、船舶运动参数、船舶动态参数以及与航次和安全有关的等等信息，由 系统控制软件决定怎么发送这些信息，以什么样的形式发送这些信息，同时接 收来自其他船舶的信息，并将该信息反馈给接口软件。 2 3 船载a i s 的主要功能 ( 1 ) 应能满足下列性能要求【i l l ： 以船对船的模式用于避碰； 作为沿海国家获取船舶及其货物信息的工具； 作为一种v t s 工具，从而帮助船舶有效导航，改善航行安全，改善环境 保护以及改善水上交通管理系统( v t s ) 的运彳亍。 ( 2 ) 具体的功能要求： 越s 应能够自动连续地以要求的精度和频率向船舶和主管当局提供来自 船舶的信息，以便于他们精确跟踪。数据发送应当做到船上人员的干预最少而 且可用性水平高。包括船舶识别码、船型、船位、航向、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。 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。 高优先级的以及有关安全的呼叫以最快的速度响应。 数据的传输响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。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 船载a i s 系统传输的信息内容 ( 1 ) a i s 传输的静态信息 i m o 船舶识别码( m m s i ) 、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、g p s 天线在船上的位置。 ( 2 ) a i s 传输的动态信息 船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航行状态、转向率、 横倾角( 选用项) 、纵倾和横摆( 选用项) 。 ( 3 ) a i s 传输的航行相关信息 船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划( 选用项) 、简明的 安全信息。 2 5 船载a i s 系统的技术特点及要求 a i s 采用自组织时分多址联接s o t d m a 工作模式进行数据信息传输。 s o t d m a 中信道帧长为1 分钟，每一帧又被分为2 2 5 0 个时隙，每个时隙包含 2 5 6 b i t 。 每一个船位报告的广播报文在数据链上只占用一个时隙，其它信息传送根 据信息的具体情况可以占用更多的时隙。s o t d m a 技术的最大特点就是在广播 当前船位信息的同时，为将来的信息发送预约时隙，这样构成系统的时隙状态 表。这个时间状态表就是所有参与船舶对时隙动态使用的依据，从而实现各用 户对信息时隙的自行管理。由于这时的时隙资源是由用户自行管理。而不需要 基站的参与，所以被称为自组织时分多址。 a i s 属于数字移动通信系统，其网络体系结构采用开放系统互联参考模型 ( o p e ns y s t e mi n t e r e o n n e e t i o nm o d e l ，o s i ) ，数据链路层协议采用高级数据链路 控制技术( h i g h 1 e v e ld a t a l i n kc o n t r o l ，h d l c ) ，系统定时采用直接u t c ( 由g p s 获得) 或间接u t c ，无线传输的带宽为2 5 k h z 1 2 5 k h z ，调频f m 高斯滤波最小 频移键控( g a u s s i a nm i n i m u ms h i f tk e y i n g ，g m s k ) 调制方式和不归零倒置 ( n r z i ) 数据编码方式，数据传输的比特率为9 6 0 0b i t s 。具体技术要求如下【1 2 1 。 1 对通用接口的技术要求： 1 ) 通讯接口采用r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 4 2 2 标准； 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 信息处理器与显示器采用i e c 6 1 1 6 2 标准； 3 ) 电罗经接口采用n e m a 0 1 8 3 格式； 4 ) g p s 接口采用n e m a 0 8 1 3 格式； 5 ) 计程仪采用脉冲量海里格式； 6 ) 重要设备信息的输入，输出，采用模数转换方式，经r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ，4 2 2 传输。 2 对v h f 通讯设备的技术要求： 1 ) 工作频率：v h f c h 9 7 b 8 8 b 频道，a i s l ：1 6 1 9 7 5 m h z ，a i s 2 ：1 6 2 0 2 5 m h z ； 2 ) 工作频段：1 5 6 0 2 5 - - - 1 6 2 0 2 5 m h z ； 3 ) 频带宽度：2 5 k h z 或1 2 5 k h z ： 4 ) 发射功率：5 w 2 5 w ； 5 ) 调制方式：g m s 删； 6 ) 数据编码方式：n r z i ： 7 ) 传输速率：9 6 0 0b p s ； 8 ) 访问协议：t d m a ； 9 ) 通信规则：h d l c 。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章实现船载a i s 系统的关键技术 3 1 协调通信技术 船载a i s 系统，无论是进行船岸还是船船之间的通信，都是通过无线信道 来进行的，属于移动通信范畴，因而建立一套协调通信制度是十分必要的，否 则极有可能造成严重的信息冲突，例如，当某两船都处在发射状态，则其它船 将同时接收到这两船发来的信号，这样一来，两路信号将互相干扰，造成无法 接收。因此，a i s 实施的关键问题之一就是如何解决协调通信的问题。 a i s 系统中采用的通信协议s o t d m a ( s e r f - o r g a n i z e dt i m ed i v i s i o n a c c e s s ， 自组织时分多址) ，是在t d m a ( 时分多址技术) 的基础上建立起来的一套通信协 议。该通信协议的特点是，没有主站和从站之分。每个移动用户可以自己选择 射时隙；而在t d m a 系统中，每个移动用户要在基站分配的时隙固定发射。 1 ) 时分多址( t d m a ) 技术原理 在无线通信中，系统是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用 户进行工作。许多同时工作的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通 信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动 通信环境的电波覆盖区内。如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入 方式的问题，解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。 从移动通信网的构成可以看出，大部分系统都有一个或几个基站和若干个 移动台。基站要和许多移动台同时通信，因而基站通常是多路的。有多个信道， 而每个移动台只供一个用户使用，是单路的。许多用户同时工作，以不同的信 道分隔，防止相互干扰，各用户信号通过某些特定的方式进行信道的复用，以 实现双边通信的联接称多址联接。多址联接方式是移动通信网体制范畴，关系 到系统容量、小区构成、频谱和信道利用效率以及系统复杂性。 基站以怎样的信号传输方式接收、处理和转发移动台来的信号，基站又以 怎样的信号结构发出各移动台的寻呼信号，并且使移动台从这些信号中识别出 武汉理工大学硕士学位论文 发给本台的信号就是多址联接方式问题，即多址接入方式的问题。当以传输信 号存在的时间不同来区分信道和建立多址接入时，称为时分多址方式 m a ) 【1 3 l 。 时分多址( t d m a ) 是在一个宽带无线载波上，把时间分别成周期性的帧，每 一帧再分割成若干个时分信道( 时隙) ，所有的帧或时隙部是互不重叠的，每一用 户一次通信占用一个时隙，并根据一定的时隙分配原则，只能在每一帧内按指 定或选择的时隙收发信号，如图3 一l 。 1 11 。 2 2 2 nnr 12 k i2 k l厂 一 一时隙 ( - - - 帧叫 图3 1t d m a 系统工作图 t d m a 采用时隙区分地址，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。其显著的优点是抗干扰能力 增强，频率利用率有所提高，系统容量增大，基站复杂性减小。t d m a 可以用 不同的时隙来发射和接收，因此不需要双工器。当然也可以在同一个时隙里采 用频分复用的方式，收发同时进行。由于在t d m a 中移动台是不连续地突发式 传输，所以切换处理对一个用户单元来说是很简单的。因为它可以利用空闲时 隙监测其它基站，这样越区切换可在无信息传输时进行。因而没有必要中断信 息的传输，即使传输数据也不会因越区切换而丢失1 1 4 1 。 在t d m a 系统中，每个帧中的时隙结构设计通常要考虑三个主要问题：一 是控制和信令信息的传输；二是信道多径的影响；三是系统的同步。 为了解决上述问题，通常采用的主要措施有以下几点：一是在每个时隙中， 专门划出比特用于控制信息和信令信息的传输；二是为了便于接收端利用均衡 1 4 一一一 武汉理工大学硕士学位论文 器来克服多径引起的码间干扰，在时隙中要插入自适应均衡器所需的训练序列， 训练序列对接收端来说是确知的，接收端根据训练序列的解调结果，就可以估 计出信道的冲击响应。根据冲击响应就可以预置均衡的抽头系数，从而可消除 码间干扰对整个时隙的影响；三是在上行链路的每个时隙中要留出一定的保护 时隙，即每个时隙中传输信号的时间要小于时隙长度，这样可以克服因移动台 至基地台距离的随机变化，而引起移动台发出的信号到达基地接收机时刻的随 机变化，从而保证不同移动台发出的信号在基地台处都能落在规定的时隙内， 而不出现相互重叠的现象；四是为了便于接收端同步，在每个时隙中还要传输 同步序列。同步序列和训练序列可以分开传输，也可以合二为一。 t d m a 通信方式的主要特点是：该系统中各台站只在规定的时隙内以突发 的形式发射它的己调信号，这些信号在时问上是严格依次排列、互不重叠的。 在一个系统中，一般设一个基站，它的任务是发射“基准突发”信号，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。 不同的系统其帧结构可能有很大的不同。但一般而言，它的每一个时隙内 的信号由载波恢复信号、比特定时恢复信号、独特码、消息码等组成。 载波恢复信号和比特定时恢复信号是接收端同步检测所必需的，用以实现 载波同步和比特同步。同步是t d m a 方式的一个关键问题，这涉及一个台站开 始发射突发信号时，怎样保证此突发信号正确地进入指定的时隙，而不会误入 其它时隙造成干扰。也就是所谓初始捕获问题。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。为保证完整精确地检出发送方的信息，还要达到系统的比特同步。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。 独特码是一种不容易为随机比特所仿造而造成错误检测的码组，以此作为 该突发信号弹的时间基准。 消息码传送的是各通信台站发给其它台站的消息信号。 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 发在时问上发生重叠。为避免此现象，突发之间要留有一定时间空隙作为保护 时问。 2 ) 自组织时分多址( s o ，i d m a ) 技术原理 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，称为自组织时分 武汉理工大学硕士学位论文 多址技术，它是在t d m a 技术基础上发展起来的一种新型的、用于未来航海和 航空交通管理的数字通信技术，是全球定位及通信系统的核心。用其组成的通 信网络是自组织通信网的一种。自组织通信网是由若干带有无线收发信机的节 点构成的具有自组织功能的通信网络。它具有以下特征： 网络的自组性。自组织网可以在任何时刻任何地点同时产生多个这样的 网络环境支持移动协同计算，而不需要现有无线网络环境下常用的基站支持。 因此协同用户可以不受时间和地点限制进行协同工作。 动态的拓扑结构。由于网络中的节点可以以任意速度和任意方式移动， 加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰因素、地形等综合 因素影响下，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构可以随时发生变化。 分布式控制网络。这使自组织网有别于常规移动通信网和无线局域网， 因为后两者需要有中心站来进行控制。在自组织网中，网络控制功能分散配置 到各节点，网络的建立和调整是通过各节点的有机配合实现的，从控制能力上 看，各节点没有重要和次要之分，从而可以防止一旦控制中心被坏而引起的全 网瘫痪的危险。 生存