海上嵌入式AIS信息終端研究與實現

翟海慶，譚志偉，李 磊

(1.河南機電高等?？茖W校，河南 新鄉453002;2.哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

自20 世紀70年代以來，隨著船舶體積的增大和船舶數量的增多，沿海海域船舶密度和交通密度大大提高，同時載有危險品的船舶也有所增加，導致各類水上事故頻繁發生，嚴重威脅了船舶、船員以及港口的安全。盡管通過傳統雷達探測方式，能夠發現周邊船舶的位置，然而這種方式的精確度和有效距離均非常有限，而且雷達的使用效果受到天氣、海況、海岸地形等的嚴重影響，造成雷達波的阻塞和屏蔽，使得該方法失去效能，這一現象在港口和內陸水域尤其明顯。

目前，當2 艘船舶在海域中相遇，仍然使用VHF 電話來通信，從而了解互相的信息以及下一步的動向。這種方法完全采用人工方式進行操作，具有非常低的效率，同時在無法進行有效通信的情況下，極有可能產生危險。而自動識別系統能夠很好解決以上問題。

AIS 是一種船載廣播應答裝置，工作在VHF 頻段。AIS 可以以一定周期，向外部發送船舶的相關信息，如ID、位置、航向、類型、長度、容量、危險貨物等。AIS 在發送自身信息的同時，也自動接收處于同一VHF 頻段覆蓋范圍內，來自其他船舶的信息。在船舶之間通信的情況下，AIS 使用SOTDMA (Self Organized Time Divisionmultiple Access)技術，能夠在1 min 內處理2 000個以上的消息報告［1-3］。

AIS 設備也可以與岸基控制中心進行通信，通過將船舶自身通信網絡接入岸基通信網絡，實現“岸艦”通信網絡。同時，AIS 還可以實現多種接入方式，如與海域附近的局域網連接，船舶公司內網或Internet 連接等。AIS 能夠為船舶和船舶管理機構提供豐富的位置、特征等信息，在港口交通管理和船舶管理領域有著重要的作用，將交通管理技術的研究和應用提高到了一個新的層次［4］。

AIS 不僅能夠應用在海洋和江河船舶上，也可以應用于航空管理和地面汽車管理定額領域，尤其是在缺乏詳細交通信息的城市區域，使用AIS 能夠取得較為明顯的作用。

1 AIS通信機制分析

1.1 SOTDMA分析

由于SOTDMA 技術具有較強的信道接入控制能力，因而AIS通信采用SOTDMA 技術作為實現方式。SOTDMA 相比于CDMA、TDMA 技術等，是一項較新的技術，至今仍在發展和完善［5］。

SOTDMA 與TDMA 最大的區別在于時隙選擇算法，在SOTDMA 中，存在一個自組織模式進行時隙選擇，基站不需要為用戶分配時隙，而用戶可以根據先驗知識和智能算法，自主地確定自己的消息發送時間表，這一模式能夠避免數據鏈路中的沖突，同時能夠為消息的發送選擇和預留相應的時隙，提高了傳輸過程的可靠性。通過預定時隙，系統中所有時隙的分配和使用均得到了明晰，因此，通常情況下信道沖突并不嚴重，當一個移動用戶選擇一個時隙進行發送，那么其他用戶均保持接收狀態。在AIS通信過程中，1 s 被分割為2 250個時隙，每個時隙約為26.67 ms。通過時隙選擇算法，每個用戶僅在自己的時隙中發送消息。

首先，根據消息更新速率獲得時隙選擇窗口之間的間隔，在此用NI 表示。然后，計算時隙選擇窗口的大小，在此用SI 表示，通常情況下:SI=0.2NI。我們在時隙選擇窗口的中央開始選擇過程，在此表示為NS。那么，能夠選擇的時隙為NS-0.1NI 到NS+0.1NI。如果NS 空閑，那么用戶預定該時隙，否則，繼續檢查其臨近時隙，直到有時隙空閑時，則停止，稱該時隙為NTS。

當一個用戶接入SOTDMA數據鏈之前，應當監視鏈路1 min。在這段時間內，通過解碼其他用戶廣播的消息，能夠獲得其他用戶對于信道時隙的預定情況，并記錄下空閑的時隙，然后生成一個時隙狀態表。然后根據以上算法，決定發送數據的時隙。當AIS 發送廣播時，時隙狀態表需要被持續的更新;當航行狀態改變時，信息更新速率也需要被相應的改變，從而可以根據真實的時隙狀態表選擇可用的時隙。

1.2 AIS數據包結構

根據AIS 協議，在一個時隙中可以發送256 bit數據。其中，8 bit 作為邊界，用來穩定發送功率;訓練序列包含24 bit，用來同步VHF 接收器;起始標志位8 bit;幀校驗序列(FCS)使用冗余循環校驗的方法，共有16 bit;結束標志包含8 bit;緩沖包含24 bit，用來消除傳輸過程中距離和時延的影響。

數據段可分為消息ID和消息內容2個部分。消息ID 用來表示發送消息的類型，而消息內容包含了實際發送消息的有效載荷。

2 終端軟硬件設計

2.1 硬件實現

終端的硬件結構如圖1所示。

圖1 終端硬件結構圖Fig.1 The structure of hardware design

如圖1所示，本文采用三星S3C44B0X 作為AIS處理器。由于S3C44B0X 只有2個UART，而AIS 設備需要最少4個接口連接不同的傳感器，從而獲得船舶的動態信息，因此需要對UART 進行擴充。SC16C554 是一種UART 擴展芯片，能夠擴展到4個接口。由于終端中集成了GPS 模塊，因此其能夠使得所有用戶通過GPS 授時服務獲得精確的同步。AIS 模塊通過串行接口與上位機相連，將消息發送給上位機。

2.2 軟件實現

在AIS 終端的軟件設計中，使用了實時嵌入式操作系統 uC/OS- II，并且移植到了 ARM7 S3C44BOX 處理器上。uC/OS-II 是一種多任務的實時處理器，能夠滿足系統嚴格的實時特性。終端的軟件結構如圖2所示。

圖2 終端軟件設計結構Fig.2 The structure of software design

1)AIS數據發送/接收任務:VHF 發送模塊通過UART 與處理器相連，從而使得ARM 處理器能夠接收到周圍船舶發送的AIS信息廣播，并進行進一步的處理。之后，處理器將原始的AIS信息通過串行接口直接發送給上位機，對數據進行進一步分析，并進行顯示。

2)GPS 信號處理任務:GPS 模塊被集成在處理主板上，因此處理器可以直接處理GPS 信號數據，獲得UTC、經緯度和速度信息。

3)AIS數據包封裝任務:處理器將通過GPS 模塊獲得的有用信息，如經緯度等，按照AIS 協議的規范封裝為數據包。

4)時隙選擇任務:根據時隙選擇算法，選擇可用的時隙并發送數據。

3 海上GIS 功能實現

在本文的設計中，海上終端主要由2個部分組成:1)AIS 模塊根據SOTDMA通信模式發送和接收數據;2)上位機通過串行接口接收來自AIS 模塊發送的，自身船舶信息與周圍船舶所廣播信息，對信息進行解碼，并通過電子顯示屏對航行水域的情況進行動態顯示。

上位機使用ARM9 S3C2440A 處理主板實現，并且使用了嵌入式操作系統Windows CE，通過Visual C++在Windows CE 中實現嵌入式編程。

3.1 硬件設計

上位機由以下部分組成:

1)ARM9 CPU:采用三星S3C2440A。

2)SDRAM 內存:主板包含64 M的三星SDRAM 存儲器，由2個16 bit 帶寬的SDRAM 存儲器組成，同時具備一個16M 內存支持數據顯示。

3)閃存:主板包含2 MB NOR 閃存和1個64 MB的NAND 閃存。

4)串行接口:主板包含2個UART 作為RS232的串行接口。

5)USB 接口:包含2個USB HOST 接口，能夠連接U 盤及USB 鼠標，USB 相距和其他USB 設備，使用USB 1.1 協議。

3.2 系統結構

海上嵌入式GIS 系統的結構如圖3所示。

圖3 海上GIS 系統結構圖Fig.3 The structure of marine GIS system

1)源數據導入:由于GIS 軟件擁有自己獨立的數據格式，因此需要設計專用的數據轉換接口，將源數據映射為系統能夠理解的數據;

2)位置數據接收模塊:讀取由AIS 模塊上傳的信息，在坐標系內將位置數據轉換為空間向量數據，通過地圖匹配獲取移動目標的方向;

3)電子導航海圖數據庫:包括以預先定義格式存儲的電子導航海圖，向系統提供某特定海域的特征、航線位置和坐標、航行規則等;

4)GIS 引擎:GIS 引擎是一個用于操作和搜索電子海圖數據的接口，提供地圖展示、瀏覽、動態更新、縮放等功能，同時也具有搜索其他關聯信息的能力;

5)地圖匹配:通過比較由定位模塊輸出的方位數據和地圖數據庫的航線位置信息，并利用匹配和識別算法，決定移動目標所處的精確位置;

6)人機會話:提供了用戶與嵌入式系統的對話接口，通過該接口用戶可以數據操作命令，如展示地圖、搜索信息等。

3.2 軟件流程

上位機通過串行接口接收到AIS數據之后，調用幀檢查程序，如果接收到的幀沒有錯誤，繼續調用數據處理程序，并將處理過的數據進行存儲，以便以后使用。最后，數據被發送到信息顯示程序，船舶自身以及周圍海域船舶的信息將動態、實時地顯示在電子海圖上。

軟件系統的工作流程如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖Fig.4 The work flow of system software

4 岸艦通信協議

AIS 系統除了在海面上進行廣播，使得船舶之間能夠了解互相的信息，還需要和岸上設備進行通信聯絡，從而確保岸基控制中心能夠及時獲得船舶的信息，并進行及時有效的管理和調度。

當前的岸艦通信主要采用岸基基站中繼的方式，AIS 設備將消息發送給岸基接收基站，然后基站將消息封裝為合適的格式，通過有線網絡傳輸給管理控制中心。

圖5 岸艦通信網絡圖Fig.5 Ship-shore communication network

本文對傳統的AIS通信方式進行修改，由于船舶上安裝了CDMA通信裝置，因此船舶與控制中心的通信可以脫離基站的中繼，可以直接使用CDMA 實現船舶與控制中心的通信，從而避免了基站故障對通信過程的影響。本文修改的方法如圖5所示。

為了實現以上通信模式，還需要對AIS 幀格式進行修改，幀結構中主要包括FEH，Ship ID，Time，Vaild，Position，Status Info，FEH。其中Ship ID 共有16 bit，用來顯示船舶的ID;Time 表示消息的時戳，共包含24 bit，Position 表示船舶的位置信息，共有64 bit;Status Info 為自定義的船舶狀態信息，包含32 bit數據。

5 結 語

本文通過分析AIS的通信機制，提出了一種新型的海上終端設計方法，在兩種嵌入式硬件平臺上實現了多種不同功能，既能夠滿足AIS通信嚴格的實時性要求，同時也能夠實現嵌入式GIS的相關功能。本文提出的設計具有友好易操作的人機接口，能夠在電子海圖中顯示船舶周邊海域的交通情況，有效地保證航行安全。同時，通過CDMA 模塊能夠實現船舶和岸基控制中心的直接通信，減少了通信過程的開銷，提高了控制中心管理的效率。

［1］XU Zhi-jing，ZHOU Wei-na.Study on techniques of information collecting and processing from AIS［J］.Marine Technology，2006(2):29-31.

［2］王偉，林恒清.基于AFDX的淺用水聲傳感器信息傳輸網絡［J］.艦船科學技術，2012，34(12):56-60.WANG wei，LIN Heng-qing.Shallow with acoustic sensor based on AFDX network information transmission［J］.Ship Science and Technology，2012，34(12):56-60.

［3］LI Da-jun.Research and realization of the AlS system platform［J］.Control ＆ Automation，2005(2):177-186.

［4］JI Xian-biao，SHAO Zhe-ping，PAN Jia-cai，et al.Development of distributed data collection system of AIS information and key techniques［J］.Journal of Shanghai Maritime University，2007，28(1):28-31.

［5］蔣雷，賀國.一種絕對式氣壓傳感器結構與相關特性［J］.艦船科學技術，2013，36(6):126-130.JIANG Lei，HE Guo.An absolute pressure sensor structure and related properties［J］.Ship Science and Technology，2013，36(6):126-130.