AIS系统介绍教学内容.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。AIS系统介绍-基于AIS的船舶避碰数据采集系统设计摘要：船舶自动识别系统(AutomaticIdentificationSystem，简称AIS)工作在海上VHF频段，运用SOTDMA方式发射船舶数据，具有补充现有船舶导航存在的缺陷，减少船舶碰撞事故;提高搜救遇险船舶的速度;增强雷达，船舶交通管理系统VTS的功能。随着全球经济的发展、国家之间交流的日益频繁，航运业迎来了蓬勃发展的又一次高峰，航海技术的提高也越来越受到重视。上个世纪，VHF通信技术被广泛地应用于船舶通信领域。雷达、ARPA具有识别船舶的功能但是由于它们自身的局限性而无法适应现代航运安全的需求;随着计算机技术、数字通信技术以及网络信息技术的飞速发展，AIS的技术基础已经形成，在航运界对助航设各的要求越来越高的情况下，船舶自动识别系统应运而生。船舶自动识别系统首先被用于航海避碰。由于雷达特性的限制，以及不是所有的船都装备有这个设备，因而它首先被用做为一种监视与判断碰撞的危险度的一种方式。获得船舶自动识别系统发送的数据对于船舶避碰非常重要。本文对AIS基本结构、工作原理、技术特点、及其输入输出接口，输出信息的帧封装及解析原理等进行了解析。在此基础上完成了AIS信息采集处理的系统设计。试验表明所得到的AIS信息准确可靠。该项技术的研究，是AIS信息应用系统研究的基础。关键词：船舶避碰AISVHFGPS数据采集Abstract:AISworksonthemarineVHF,usetheSOTDMA(SelfOrganizedTimeDivisionMultipleAccess)datachainprotocoltotransferdataofships.TheAIScanhelpthelimitsofthecurrentservices,anddecreasethecollidecaseofships,andimprovethevalueofthesafeactioninmarine,andmakethecontentoftheradarandtheVTSmorestronger.Withthedevelopmentoftheeconomyofinternationalandthemorecommunicationofthecountries,thenavigationgetsachancetohaveaboomingfuture.Thenavigationtechnologiesaremoreandmoretobeemphasized.Duringthelastcentury,theVHF(VeryHighFrequency)communicationhasbeenappliedintheship'stransportation,aswellasradarandARPAalsocouldidentifyshipsinthemarine.Buttheycouldn'tadapttotheneedsofthemodernnavigationbecauseoftheirlimits.Therapiddevelopmentofthedigitalcommunicationstechnology,computertechnologyandnetwaretechnologysupportstheneededtechnologyofAIS(AutomaticIdentificationSystem).Astheaidingserviceofthenavigation,AISisborntoliveandwillbestrongerandstronger.AISisusedinnavigationprimarilyforcollisionavoidance.Duetothelimitationsofradiocharacteristics,andbecausenotallvesselsareequippedwithAIS,thesystemismeanttobeusedprimarilyasameansoflookoutandtodetermineriskofcollision。GettheinformationoftheAisisimportantforcollisionavoidance.Thispaperintroducesthebasestructure、workprinciple、technicalandI/OportoftheAIS,alsopresentsAISsframeencapsulationformatanddecodingencapsulationmethod.Basedontheabovemethod,thesoftwarewasdesignedfortheinformationcollectingandprocessingfromAIS.TheexperimentshowedthattheAISinformationobtainedthroughcollectingandprocessinginthiswaywasaccurateandreliable.StudyingonthesetechniquesisthebaseofstudyingtheAISinformationapplicationsysterm.Keywords:collisionavoidanceAISVHFGPSdataAcquisition目录第1章绪论1.1AIS技术的来源与发展1.1.1AIS的产生背景.1.1.2AIS现状与其发展.1.2课题的提出.1.3论文的主要研究内容和研究成果.1.3.1研究内容.1.3.2研究成果.1.4论文的结构.第2章AIS技术标准和当前主要应用分析.2.1AIS基本构成和工作原理.2.1.1AIS基本组成.2.1.2船载AIS的种类.2.1.3AIS的工作过程.2.2AIS的技术标准及特点.2.2.1AIS技术标准.2.2.2新规范的AIS技术特点.2.3AIS主要技术及指标.2.3.1自组织时分多址接续SOTDMA技术.2.3.2AIS工作频道及调制方式.2.3.3AIS工作模式。.2.4AIS的协议.2.4.1AIS的OSI模型.2.4.2HDLG通信规程.2.5AIS的应用.第3章AIS接收机系统硬件设计.3.1系统的功能分析与设计.3.2系统方案设计.3.3微处理器模块的设计.3.3.1嵌入式系统发展现状及趋势.3.3.2嵌入式系统特点及分类.3.3.3ARM嵌入式微处理器的选择3.4GMSK解调模块方案的设计.3.4.1基于调制解调芯片的GMSK解调.3.4.2基于DSP的GMSK解调.3.5系统其他部分的设计.3.5.1显示模块.3.5.2输出部分.第4章关键技术的研究和设计.4.1嵌入式系统技术.4.1.1嵌入式系统的组成.4.1.2嵌入式操作系统的选择.4.1.3嵌入式系统开发模式.4.2基于S3C2410的ARM9硬件开发平台.4.3基于S3C2410的ARM9软件开发流程.4.4GMSK基带信号的解调设计.4.4.1GMSK的理论依据.4.4.2GMSK基带解调.4.5AIS系统中的同步.4.5.1AIS系统的同步.4.5.2AIS系统的同步技术分析.4.5.3AIS系统的同步设计.第5章系统软件设计仿真与解码显示.5.1AIS接收机的软件设计.5.1.1AIS数据的提取及解包.5.1.2AIS数据检测、重新打包及输出.5.2GMSK基带信号的仿真.5.3AIS的解码与显示.5.3.1AIS信息的报文格式.5.3.2AIS信息种类.5.3.3AIS解码及显示.第6章结束语.第1章绪论本文在分析国内外AIS发展现状及其应用的前提下，就如何设计一种适合于小型船舶和AIS信息采集岸台使用的简易型AIS信息接收机的设计问题进行分析研究。本章阐述了AIS技术的产生背景、现状及发展，讨论了课题研究的现实意义，说明了论文的研究内容和论文的结构安排。1.1AIS技术的来源及发展AIS(AutomaticIdentificationSystem)是工作在VHF海上频段的船舶和岸基广播数据传输系统。它是一种可在船与船之间以及船与岸之间交换数字信息的新工具。设置AIS的目的是为了自动船舶识别、避免船舶碰撞、协助目标跟踪、减少话音报告、简化信息交换并提供附加信息以帮助了解船舶交通状况。目前，AIS已在越来越多的海船上配置，作为雷达的补充，用作船舶之间避碰和自动交换信息的重要助航工具。AIS是一个辅助的船舶航行信息源，利用基站AIS收集和交换船舶航行等有关信息的功能，可使VTS(VesselTrafficService)改善和加强对船舶交通的服务管理功能，可使港航部门获取有关船舶的装载货物、航行计划、实际位置等信息。此外，AIS还可在航标和搜寻救助等方面应用。1.1.1AIS的产生背景海上交通是以保障航行安全和航行效率为目的的，航行中，船舶需要掌握彼此的动、静态信息。目前，近距离航行的船舶，广泛的应用雷达作为观测其它船舶动态、静态的手段，使用雷达虽然能够掌握船的存在和动、静态信息，但无法识别其船名、国籍等信息。IMO和各国主管部门通过制定和实施避碰规则，规定强制配备必要的助航设备，建立VTS、船舶报告制度等措施来管理船舶的安全航行，但船舶的碰撞事故还是屡屡发生。无论是船舶交通管理系统中的“船岸”通信，还是通航密度较大水域中船舶避碰过程中的“船船”通信，都迫切需要船舶的标识信号。为了进一步提高船舶安全航行的性能，有关机构和厂商对助航设备进行着不断的研究和开发，当今通信技术和计算机技术的飞速发展，为这方面的研究和开发提供了技术上的保证，AIS就是依托了这些技术而发展起来的。1.1.2AIS现状及其发展国际海事组织(IMO-InternationalMaritimeOrganization)航行安全分委会第45次会议对修订的海上人命安全(SOLAS-SafetyofLifeatSea)公约第五章进行了最后一次审议，修订后的新五章计划于2002年7月1日生效。按照SOLAS公约第五章新规则要求所有在2002年7月1日或以后建造的大于等于300总吨航行于国际航线的船舶、大于等于500总吨航行于国内航线的货船和所有客船均须装配AIS设备。要求所有于2002年7月1日前建造的从事国际航运的各类船舶必须在2003年7月1日到2008年7月1日前装配AIS设备。但在此期限后2年内将永久退役的船舶可免装AIS设备。在新五章第20条的船载航行系统和设备的配备要求中，扩大了设备的配备要求，比较受人关注的就是AIS船载自动识别系统。AIS发展过程中较早的一种方法是基于VHF数字选择呼叫(DSC-digitalselectivecalling)技术开发而成的，称为自动应答系统(TransponderSystem)。其基本方法是在70频道上以DSC方式自动发出询问信息，接收到询问信息的接收机(装在船舶或岸台上的AIS设备)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。AIS作为通信导航系统或设备，经历了一个从不完善到逐步完善的过程，IMO海安会及其它的国际组织，不断制定和补充相应的标准，同时对AIS的研究也在不断地向前推进。以下从AIS国际、国内标准和AIS的研究现状来说明AIS的发展，下面是AIS系统的发展历程:1992年，国际航道标志协会向IMO国际电信联盟ITU(InternationalTelecommunicationUnion)提议使用DSC应答器系统。同年，IMO航行安全分委会第38次会议(NAV38)通过DSC应答器系统提议，并提出对海上生命安全SOLAS(SafetyOfLifeAtSea)74公约第五章进行修改。1995年7月，瑞典、芬兰联合在IMONAV41会议上首次提出将自组织时分多址(SOTDMA)应用于船舶间和船岸间海上转发器系统的建议提案。同时，根据英国的提案，确定利用VHFCH70的应答器性能标准。1996年9月，在IMONAV42会议上，研讨AIS采用两种信息交换方式(VHF/DSC式和广播式)，对未来的船载AIS必须满足船舶间和船岸间不断增长的信息交换需求得到共识。1996年12月IMO海安会MSC67会议，同意将广播式信息交换方案引入AIS。1997年，在IMO会议NAV43会议上，通过了关于通用船载自动识别系统(AIS)性能标准的建议案，确定通用船载AIS作为未来全球海上实施的系统。1997年6月，IMOMSC68会议，制定通报容量大的(最小为2000个报告/min)AIS性能标准。1997年10月，ITU-R大会审议M.825号建议修正案，用AIS扩大VTS信息，增加VTS用高速AIS技术特性提案。1997年，英国进行了DSC应答器系统试验。1998年5月，IMO第69届海安会以MSC.74(69)号决议通过了关于通用船载自动识别系统(AIS)性能标准的建议案。1998年7月，NAV44会议建议2002年起300总吨及以上新船和客轮必须安装AIS。1998年，ITU-R通过全球AIS专用两个VHF频道:CH87B161.975MHz;CH88B162.025MHz，从而满足了AIS需求的频率条件。1998年11月，ITU-R通过了“在VHF海上移动频段上使用时分多址的船用自动识别系统(AIS)的技术特性，建议案ITU-RM.137101999年11月，在IMONAV45上，确定对SOLAS74公约第S章进行修改，采纳ITU提出的海上VHF波段使用TDMA的船用自动识别系统(AIS)的技术特性的建议案。2000年6月，IMO海安会MSC第73次会议通过了新修订的SOLAS公约第V章关于强制安装船舶自动识别系统AIS的决议。2000年12月，IMOMSC73会议通过AIS强制性安装议案。按照SOLAS公约第五章新规则要求所有在2002年7月1日或以后建造的大于等于300总吨从事国际航运的船舶，大于等于500总吨不从事国际航运的货船和所有客船均须装配AIS设备。要求所有于2002年7月1日前建造的从事国际航运的隔离船舶必须在2003年7月1日到2008年7月1日前装配AIS设备。2001年，国际电工技术委员会IEC(InternationalElectro-technicalCommission)以IEC61993-2决议案制定了通用船载自动识别系统(AIS)操作及性能要求、测试方法和要求的测试结果的AIS测试标准。2001年，IALA颁布通用AIS准则。2001年，通过了AIS准则。2002年，IMO关于通用AIS的携带要求开始。自从VTS中船舶识别问题被重视和AIS的观点被提出，国际海事组织对船舶识别和AIS的讨论、研究、论证、极限测试、定标、推广等方面的工作研究从未间断过每年都要召开多次AIS方面的会议并做出相应的决定。国际海事组织安全委员还成立了专门的AIS小组，统一协调AIS工作和进程。AIS方面的研究是一项巨大的工程，其讨论、研究、论证、极限测试、定标、推广等方面的工作需要参与国际海事组织的各成员国合作参与，有的测试、定标等工作的部分费用是由国际海事组织支付的，没有我国参与这方面工作的报道。查阅有关的会议文件，我国曾派员参加了有关会议，但很少有参与船舶自动识别系统讨论和发表论文。我国对AIS方面的研究还是处在相对贫乏的位置。1.2课题的提出随着AIS的技术发展和其广阔的应用前景受到人们的关注，AIS不仅在船舶避碰和自动识别方面取得了成功，AIS同样在VTS领域、内河水域及其它环节如公路和航空交通等方面引起了人们的重视。因此，研究AIS技术，来改变交通安全性问题使其得到更广泛的应用具有很大的前途。内河水域是我国重要的黄金水道，同时交通事故所造成的危害也是巨大的，究其原因是多方面的。一方面，船舶数量增多，数以万计，船速加快，船舶航行管理难度非常大。另一方面，船舶间、船舶与岸上VTS之间的信息通信存在缺陷，不能及时准确地了解对方的信息与意图，无法对船舶进行实时监控等。而适时推出的船舶自动识别系统AIS是集现代通信、网络和信息科技于一体的多门类高科技新型的助航设备和安全信息系统，适用于水上船舶交通信息交换设备，能为船舶航行安全提供新的技术手段。然而，标准的AIS对内河水域的小型船舶而言，存在经费、频道管理等方面的问题;对部分岸台来说，它们只需接收AIS信息。这就需要设计一种适合这种群体的AIS系统。本课题正是在这种形势下提出的，具有一定的研究价值和使用意义。本文就如何设计一种适合于小型船舶和AIS信息采集岸台使用的简易型AIS信息接收机的设计问题进行分析研究。本文将在分析AIS国际标准的基础上，对AIS接收机的方案进行设计和论证。目的就是要建立一个高性价比的AIS接收机设计方案，来更广泛的保证航行安全，提高航行效率。随着嵌入式ARM技术的发展，ARM得到了广泛的应用。ARM具有比较强的事务管理能力，其优势主要在控制方面，并且其外设接口资源比较丰富。基于ARM的特点，在本课题中我们将选用ARM微处理器作为核心处理器。如何将ARM应用到AIS的系统中，是我们将要面临的一个重要研究。把嵌入式技术应用到船舶自动识别系统具有一定的意义，也是本文的特点。3论文的主要研究内容和研究成果1.3.1研究内容本课题在分析AIS国内外发展现状和内河水域及部分岸台需求状况的基础上，着重探讨了以下几个方面的内容:(1)分析AIS的技术标准和当前的应用情况，为课题的方案设计提供理论依据和技术手段。(2)分析系统设计的功能和目的，依据AIS的国际标准，对AIS接收机系统的总体方案进行设计，并对各个功能模块进行了分析和设计。(3)根据系统的设计方案，对系统设计的关键技术环节进行研究和设计，关键环节主要包括以下几个方面:嵌入式系统技术中嵌入式操作系统的选择、系统的硬件开发平台、基于硬件的软件开发流程、GMSK基带信号的解调技术和AIS系统中的同步技术。(4)对系统的设计方案进行验证，在这一部分中我们用SystemView仿真分析平台对GMSK信号的调制解调算法进行实验仿真，并对结果进行了分析。本课题的特点是把嵌入式微处理器ARM9应用到AIS接收机系统的方案设计中。基带信号解调后信息的处理将由ARM9来完成，对信息进行管理和解码等操作，根据需要提取出船舶的部分动静态信息，并利用AR.M9处理器的LCD接口把对应的信息显示在LCD上。1.3.2研究成果本文主要的研究成果如下:(1)本文对船舶自动识别系统的性能标准和技术特性进行了分析，找出了适合本课题研究的标准。(2)在研究系统功能和目的的基础上，把嵌入式技术应用到方案设计中，设计出了适合特殊群体并符合AIS国际标准的高性价比的方案。(3)对系统总体方案设计的流程算法通过软件进行了验证和分析，论证了方案的可行性。对解调后的数据进行了解码操作，可以提取出船舶的部分动静态信息，并显示到LCD上。1.4论文的结构本课题共分6个章节，具体结构如下:第1章分析了AIS技术的现状及其发展，说明了课题选择的实际意义，阐明了论文的研究内容和研究成果。第2章对AIS的技术标准和当前的主要应用进行分析，为后续课题的研究提供了理论和现实依据。第3章根据AIS接收机的特点，进行方案设计，给出了AIS接收机系统的总体设计方案，对各模块的设计展开详细的分析和讨论。第4章围绕课题的方案设计，对课题的关键技术进行了分析研究和设计。第5章分析了系统的软件设计及仿真实验，并对结果进行了讨论。第6章结束语，对课题进行总结，指出存在的不足和需要完善之处，对以后的研究进行展望。第2章AIS技术标准和当前主要应用分析本章主要从AIS的构成、技术标准和应用等方面进行分析和讨论，作为后续方案设计的理论依据和标准。2.1AIS基本构成和工作原理2.1.1AIS基本组成一般来说，船载AIS由以下几部分构成:鞭状VHF天线;VHF发射机;多频道VHF接收机，用于频道管理的70频道VHF接收机;中央处理单元(CPU);电子定位系统、全球卫星导航系统(GNSS)接收机，用于定时和提供备份的船位信息;与航向、航速设备和其他船载传感器的接口;与雷达/自动雷达标绘仪(ARPA)、电子海图系统/电子海图显示和信息系统(ECS/ECDIS)以及综合导航系统(INS)的接口:BIIT(内置完整性测试)单元，简易键盘与显示器，用于输入和查询数据。图2.1为国际海事组织(IMO)在“船载AIS船上操作导则(A.917(22)"中所引用的AIS基本构成框图，设备制造商生产的AIS设备应基本符合该图的组成要求，但在功能上各自有所增加，例如，可以增加一些报警电路等。各部分的基本原理如下:船舶航行数据传感器:包括全球卫星导航系统GNSS接收机(内置，还可外接)及天线,外接电罗经或磁罗经、船速、回旋速率等传感器。GNSS接收机现一般采用DGPS接收机，作为系统同步需要的UTC源:当得不到外部位置传感器数据时，可作为AIS位置报告源。VHF通信机:包括天线，1台发射机，2台TDMA接收机，1台调谐于70频道的专用DSC接收机。中央处理单元CPU:留有船舶传感器和图形显示接口，可对外接的设备进行控制(包括频道选择与切换、支持近程与远程应用等)，对各类数据进行综合处理，进行TDMA和DSC编码与解码，进行内置完整性测试等。内置显示器和键盘(也可外接):用于输入和查询数据。图形显示接口可与雷达/自动雷达标绘仪ARPA、电子海图系统ECS/电子海图显示与信息系统ECDIS以及综合导航系统INS相接。船载AIS的基本功能是:可在ECS/ECDIS显示器上实时跟踪其他配置AIS的船舶:及时显示船舶的位置、对地速度(SOG)、对地航向(COG)和脂向数据:记录航迹历史:在船舶转向或机动时，显示预计航迹:对配置AIS的船舶，可提供其预计到达时间(ETA);可向其他船舶和VTS中心自动播发本船的静态、动态和航次相关等数据以及收发安全相关短电文等。2.1.2船载AIS的种类在国际电信联盟ITU-R的建议案M.1371-1种探讨了两种AIS，即ClassAAIS和ClassBAIS。一、ClassAAISClassAAIS是满足IMO关于AIS基本性能要求的船载设备，因此适用SOLAS公约ChapterV/Reg.19的船舶配备的AIS为该等级。二、ClassBAISClassBAIS也为船载设备，其不能完全满足IMO关于AIS性能标准的要求。但总体上ClassBAIS与ClassAAIS设备结构基本一样，功能存在细微差别，具体表现在如下方面:报告速率比ClassAAIS低(如14kn以下的船舶，每30秒发送一次，而ClassAAIS每10秒发送一次);不发送船舶的预计到达时间(ETA)或目的港;不发送船舶的航行状态:不发送安全电文(但应能够接收);不发送船舶的转向率:不发送船舶的静态吃水;不发送船舶的识别码(但应能够接收)。2.1.3AIS的工作过程AIS是依靠岸基的VHF岸台和移动的船舶安装无线应答器系统来工作的。基于一个可由控制站操作员调整的时间表，基站对所有的船在70信道上发出一个电信号。这个信号可以是广域的，也可以是局域的。只有安装了AIS系统的船对呼叫产生应答(不是己经登录到系统的船)。基站在船的移动中自动获得信息。AIS电脑将决定在工作信道上进入船舶的系统或者是在70信道上监视船舶。在70信道上的监视要遵守国际电信联盟无线电分委会的最新规定，而且只能在船台没有容量工作在AIS信道上或者AIS信道无法操作的时候。AIS基站将一组数字和信道按顺序分配给船台。船台就会切换到AIS信道。在适当的时间，基站会将其他所有的船在系统中的数据通知给船台。通过登录到系统，所有的船台都会得到新船的信息。随着船沿着自己的航线距离传送塔的远近不同，船台的高低功率也可以自动或者手动切换。AIS基站可以控制121组用户，每组用户可以达到121艘船。AIS操作者能把船舶在组和组之间调换，并可