翟海慶，譚志偉，李 磊

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

0 引 言

自20 世紀(jì)70年代以來，隨著船舶體積的增大和船舶數(shù)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(dǎo)致各類水上事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅了船舶、船員以及港口的安全。盡管通過傳統(tǒng)雷達(dá)探測方式，能夠發(fā)現(xiàn)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(dá)的使用效果受到天氣、海況、海岸地形等的嚴(yán)重影響，造成雷達(dá)波的阻塞和屏蔽，使得該方法失去效能，這一現(xiàn)象在港口和內(nèi)陸水域尤其明顯。

目前，當(dāng)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(jìn)行操作，具有非常低的效率，同時在無法進(jìn)行有效通信的情況下，極有可能產(chǎn)生危險。而自動識別系統(tǒng)能夠很好解決以上問題。

AIS 是一種船載廣播應(yīng)答裝置，工作在VHF 頻段。AIS 可以以一定周期，向外部發(fā)送船舶的相關(guān)信息，如ID、位置、航向、類型、長度、容量、危險貨物等。AIS 在發(fā)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(nèi)，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(shù)，能夠在1 min 內(nèi)處理2 000個以上的消息報告［1-3］。

AIS 設(shè)備也可以與岸基控制中心進(jìn)行通信，通過將船舶自身通信網(wǎng)絡(luò)接入岸基通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“岸艦”通信網(wǎng)絡(luò)。同時，AIS 還可以實現(xiàn)多種接入方式，如與海域附近的局域網(wǎng)連接，船舶公司內(nèi)網(wǎng)或Internet 連接等。AIS 能夠為船舶和船舶管理機(jī)構(gòu)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(lǐng)域有著重要的作用，將交通管理技術(shù)的研究和應(yīng)用提高到了一個新的層次［4］。

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

1 AIS通信機(jī)制分析

1.1 SOTDMA分析

由于SOTDMA 技術(shù)具有較強(qiáng)的信道接入控制能力，因而AIS通信采用SOTDMA 技術(shù)作為實現(xiàn)方式。SOTDMA 相比于CDMA、TDMA 技術(shù)等，是一項較新的技術(shù)，至今仍在發(fā)展和完善［5］。

SOTDMA 與TDMA 最大的區(qū)別在于時隙選擇算法，在SOTDMA 中，存在一個自組織模式進(jìn)行時隙選擇，基站不需要為用戶分配時隙，而用戶可以根據(jù)先驗知識和智能算法，自主地確定自己的消息發(fā)送時間表，這一模式能夠避免數(shù)據(jù)鏈路中的沖突，同時能夠為消息的發(fā)送選擇和預(yù)留相應(yīng)的時隙，提高了傳輸過程的可靠性。通過預(yù)定時隙，系統(tǒng)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(yán)重，當(dāng)一個移動用戶選擇一個時隙進(jìn)行發(fā)送，那么其他用戶均保持接收狀態(tài)。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(fā)送消息。

首先，根據(jù)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(yù)定該時隙，否則，繼續(xù)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(dāng)一個用戶接入SOTDMA數(shù)據(jù)鏈之前，應(yīng)當(dāng)監(jiān)視鏈路1 min。在這段時間內(nèi)，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(yù)定情況，并記錄下空閑的時隙，然后生成一個時隙狀態(tài)表。然后根據(jù)以上算法，決定發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙。當(dāng)AIS 發(fā)送廣播時，時隙狀態(tài)表需要被持續(xù)的更新;當(dāng)航行狀態(tài)改變時，信息更新速率也需要被相應(yīng)的改變，從而可以根據(jù)真實的時隙狀態(tài)表選擇可用的時隙。

1.2 AIS數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

根據(jù)AIS 協(xié)議，在一個時隙中可以發(fā)送256 bit數(shù)據(jù)。其中，8 bit 作為邊界，用來穩(wěn)定發(fā)送功率;訓(xùn)練序列包含24 bit，用來同步VHF 接收器;起始標(biāo)志位8 bit;幀校驗序列(FCS)使用冗余循環(huán)校驗的方法，共有16 bit;結(jié)束標(biāo)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(shù)據(jù)段可分為消息ID和消息內(nèi)容2個部分。消息ID 用來表示發(fā)送消息的類型，而消息內(nèi)容包含了實際發(fā)送消息的有效載荷。

2 終端軟硬件設(shè)計

2.1 硬件實現(xiàn)

終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 終端硬件結(jié)構(gòu)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(shè)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(tài)信息，因此需要對UART 進(jìn)行擴(kuò)充。SC16C554 是一種UART 擴(kuò)展芯片，能夠擴(kuò)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(wù)獲得精確的同步。AIS 模塊通過串行接口與上位機(jī)相連，將消息發(fā)送給上位機(jī)。

2.2 軟件實現(xiàn)

在AIS 終端的軟件設(shè)計中，使用了實時嵌入式操作系統(tǒng) uC/OS- II，并且移植到了 ARM7 S3C44BOX 處理器上。uC/OS-II 是一種多任務(wù)的實時處理器，能夠滿足系統(tǒng)嚴(yán)格的實時特性。終端的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of software design

1)AIS數(shù)據(jù)發(fā)送/接收任務(wù):VHF 發(fā)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(fā)送的AIS信息廣播，并進(jìn)行進(jìn)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(fā)送給上位機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，并進(jìn)行顯示。

2)GPS 信號處理任務(wù):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(shù)據(jù)，獲得UTC、經(jīng)緯度和速度信息。

3)AIS數(shù)據(jù)包封裝任務(wù):處理器將通過GPS 模塊獲得的有用信息，如經(jīng)緯度等，按照AIS 協(xié)議的規(guī)范封裝為數(shù)據(jù)包。

4)時隙選擇任務(wù):根據(jù)時隙選擇算法，選擇可用的時隙并發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 海上GIS 功能實現(xiàn)

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

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

3.1 硬件設(shè)計

上位機(jī)由以下部分組成:

1)ARM9 CPU:采用三星S3C2440A。

2)SDRAM 內(nèi)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(nèi)存支持?jǐn)?shù)據(jù)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(biāo)，USB 相距和其他USB 設(shè)備，使用USB 1.1 協(xié)議。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上嵌入式GIS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 海上GIS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of marine GIS system

1)源數(shù)據(jù)導(dǎo)入:由于GIS 軟件擁有自己獨立的數(shù)據(jù)格式，因此需要設(shè)計專用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將源數(shù)據(jù)映射為系統(tǒng)能夠理解的數(shù)據(jù);

2)位置數(shù)據(jù)接收模塊:讀取由AIS 模塊上傳的信息，在坐標(biāo)系內(nèi)將位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間向量數(shù)據(jù)，通過地圖匹配獲取移動目標(biāo)的方向;

3)電子導(dǎo)航海圖數(shù)據(jù)庫:包括以預(yù)先定義格式存儲的電子導(dǎo)航海圖，向系統(tǒng)提供某特定海域的特征、航線位置和坐標(biāo)、航行規(guī)則等;

4)GIS 引擎:GIS 引擎是一個用于操作和搜索電子海圖數(shù)據(jù)的接口，提供地圖展示、瀏覽、動態(tài)更新、縮放等功能，同時也具有搜索其他關(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)庫的航線位置信息，并利用匹配和識別算法，決定移動目標(biāo)所處的精確位置;

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

3.2 軟件流程

上位機(jī)通過串行接口接收到AIS數(shù)據(jù)之后，調(diào)用幀檢查程序，如果接收到的幀沒有錯誤，繼續(xù)調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序，并將處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便以后使用。最后，數(shù)據(jù)被發(fā)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(tài)、實時地顯示在電子海圖上。

軟件系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 The work flow of system software

4 岸艦通信協(xié)議

AIS 系統(tǒng)除了在海面上進(jìn)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(shè)備進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，從而確保岸基控制中心能夠及時獲得船舶的信息，并進(jìn)行及時有效的管理和調(diào)度。

當(dāng)前的岸艦通信主要采用岸基基站中繼的方式，AIS 設(shè)備將消息發(fā)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(wǎng)絡(luò)傳輸給管理控制中心。

圖5 岸艦通信網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Ship-shore communication network

本文對傳統(tǒng)的AIS通信方式進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)以上通信模式，還需要對AIS 幀格式進(jìn)行修改，幀結(jié)構(gòu)中主要包括FEH，Ship ID，Time，Vaild，Position，Status Info，F(xiàn)EH。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(tài)信息，包含32 bit數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

本文通過分析AIS的通信機(jī)制，提出了一種新型的海上終端設(shè)計方法，在兩種嵌入式硬件平臺上實現(xiàn)了多種不同功能，既能夠滿足AIS通信嚴(yán)格的實時性要求，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式GIS的相關(guān)功能。本文提出的設(shè)計具有友好易操作的人機(jī)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?qū)崿F(xiàn)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。

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