船載自動識別系統信息解碼淺析

楊正峰 楊 磊

（上海海事大學，中國 上海 201306）

0 引言

船載自動識別系統（AIS）是船舶新一代的通信導航系統，依托自組織時分多址（SOTDMA）技術，實現對海上交通安全和船-岸、船-船間的自動識別、通信導航等功能。AIS概念自1994年瑞典等國首次提出到國際海事組織（IMO）、國際航標協會（IALA）、國際電信聯盟（ITUR）共同強力推廣，要求船舶強制安裝AIS，前后僅僅經歷了十年左右的時間，足以說明AIS系統對于船舶運行及其監管的重要性，AIS的出現是航海史上的一個里程碑。由于海上交通環境復雜多變，AIS的出現使船舶航行安全和海上交通安全有了保障[1-2]。AIS數據在ECDIS，ARPA，VTS，航行警告、通告，船舶監控管理系統等諸多系統中有著廣泛的應用。對于AIS信息的準確獲取和解碼是船載自動識別系統能夠充分發揮作用的基礎和前提。

1 AIS系統介紹

1.1 AIS 系統構成

AIS的主要構成如圖1所示：

圖1 船載自動識別系統主要構成

AIS做為助航系統，通過VHF的兩個頻道 （87B161.975MHz和88B162.025MHz）進行收發同一信道上的船舶信息和安全相關信息，船和岸、船和船之間通過基站形成的通信網絡，實現相互之間的數據通信。通信接口可以接收來自GPS/DGPS的導航定位信息，電羅經提供的本船對地航向COG，計程儀提供的本船對地航速SOG，同時，能夠將AIS信息一同集成到電子海圖ECDIS，自動雷達標繪ARPA以及VDR中[3]。用戶接口為RS422通信協議，通過RS422/RS232轉換器轉換后的信號傳送到PC機的串口，實現AIS信息的采集。采集的部分信息如下：

1.2 AIS通信協議

盡管AIS通信過程中會根據不同的操作模式采用不同的通信協議，分別是 FATDMA、RATDMA、ITTDMA、SOTDMA，但是 AIS 系統在連續運行時主要采用SOTDMA通信協議。自組織時分多址SOTDMA技術原理是將信道時間分割成固定的時間間隔，使得同一個信道發送的信息相互不干擾[4]。AIS網絡中將1分鐘做為一幀，一幀分為2250個時隙，每個時隙長度為26.67ms，每個時隙能夠容納小于256bit的一條消息，對于大于256bit的消息會占用2個及以上的時隙。每一幀的開始和結束均以衛星提供的世界時UTC時間為標志。

1.3 AIS 信息構成

AIS報文消息的主要由船舶向基站和其他船舶播發的消息，岸臺管理中心向船舶播發的信息。其基本可以分為以下幾種類型[3]：

1.3.1 靜態信息：海上移動業務識別碼（MMSI），呼號，船名，船長，船寬，船舶類型，船上定位天線的位置等。

1.3.2 動態信息：具有精度指示和完整性狀態的船位，對地速度（SOG），對地航向，航行狀態，轉向率，UTC時間等。

1.3.3 航行信息：船舶吃水，目的港，預到時間，危險貨物類型等。

1.3.4 安全信息：有關船舶航行相關的安全信息。

根據ITU-R M.1371規定，AIS信息總共分為22種不同的信息報文，具體報文類型如表1：

表1 22種報文的類型

2 AIS信息解碼

AIS報文是整個船舶自動識別系統的數據交換和傳輸單位，包含豐富的船舶動態、靜態以及和安全相關的數據信息，AIS報文解析是將接收到的無法直接識別的暗碼數據解析成操作或者監管人員能夠直接識別的明碼信息。信息解碼是AIS中關鍵技術之一。信息解碼主要分為以下幾個步驟：串口接收AIS報文、6bit二進制序列轉換、幀校驗正確、解析數據并顯示。

2.1 AIS 報文結構

根據ITU-RM.137121和IEC6116222協議，AIS報文信息分為明碼和暗碼兩種類型。 明碼以 “$” 字符開始，如：$OSNT,1,2008,09,30,21,53,00，明碼報文內容可以直接讀取，此明碼報文給出了接收的報文廣播的具體時間。但是由于明碼占用了更多的空間資源，IEC對明碼的字符做了限制（少于等于82個字符）。

暗碼則以“！ ”開頭，基本格式：！ XXYYY，A，B，C，N，Data，V*HH。其中各部分相對應的內容見表2：

表2 AIS封裝報文中各部分表示的內容

其中的校驗部分采用的是循環冗余校驗CRC的方法來確保通信的可靠性，CRC是一類在通信領域廣泛地用于差錯控制的方法，編解碼簡單且糾錯能力強。AIS信息幀為高級數據鏈路控制規程HDLC的幀，其校驗序列中使用CRC-32進行校驗，其生成多項式為

2.2 AIS信息解碼算法

為了將報文解析成明文信息，基本方法有兩種：一、檢索比對，將報文數據與表3中進行一一比對，轉換成相應的6bit的二進制序列；二、根據表中數據間的相互關系，通過數學算法將8bit的報文信息轉換成對應的6bit的二進制序列，算法流程圖如圖2所示[5－6]。鑒于AIS通常的數據量巨大，且圖中的數學算法容易實現，采用第二種方法將報文轉換成相應的二進制序列。

表3 8bit轉6bit二進制表

圖2 ASCⅡ碼轉換6bit二進制序列算法流程圖

2.3 AIS 信息解碼

以接收到的其中一條報文為例：

!AIVDM,1,1,3,B,169`K0001l8g@ADEaj55：42j00Rc,0*56

由文中算法編碼將數據部分轉換為6bit二進制序列如下：

本條報文對應的消息類型為1，根據ITU-R M.1371規定，其對應的解析如表4：

表4 第1類報文內容及解析結果

由此可知，通過文中的方法可以正確解析出AIS相應報文的內容，其他類型的信息解碼原理、過程和第1類報文相似，對于一個時隙不能全部包含的報文，AIS將其分成多條報文分別進行傳輸，在解析之前，要將多條的報文合并成一條報文，參照ITU-R M.1371給出的對應的報文類型及內容進行正確的解析。

3 結束語

本文分析介紹了船載自動識別系統及信息解碼方法，并通過實驗解析獲得了正確的AIS信息，充分說明了通過文中方法能夠快速解碼獲得AIS數據，為其在之后的研究過程中的應用打下基礎。鑒于AIS具有海量數據，而且多數應用需要數據的及時更新，因而推薦在實際AIS系統中應用多線程等技術來提升效率。

［1］孫文力,孫文強.船載自動識別系統[M].大連：大連海事大學出版社,2004.

［2］初秀民,徐海潮,萬劍,等.基于多線程的船載自動識別系統報文解析[J].中國航海,2011,34(2)：19-23.

［3］張穎.船舶自動識別系統(AIS)接口數據的研究與應用[D].大連：大連海事大學,2009.

［4］咸魁蔚.自動識別系統(AIS)協議的研究和實現[D].天津：天津大學電子信息工程學院,2010.

［5］徐志京.AIS信息編解碼中CRC算法分析及程序實現[J].中國水運,2008,08(8)：115-117.

［6］吳建華,陶德馨.自動船舶識別系統的信息解碼技術研究[J].武漢理工大學學報,2007,31(4)：595-598.