CN102929126B - 一种船舶自动识别终端设备通过gps实现时间同步的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船舶自动识别终端设备通过GPS实现时间同步的方法。本方法采取的步骤是：GPS模块定位后，输出时间消息和秒脉冲，ARM控制模块通过在GPS秒脉冲到来时刻记录本地时间的时隙和相位，并根据GPS提供的时间消息计算误差并进行修正，完成时间同步。通过本方法，船舶自动识别终端设备可在GPS定位且输出时间消息的情况下，3秒内将本地时间同步至UTC时间，误差小于15个相位，保证了设备发送消息时隙的准确性。从而解决了如果AIS终端设备不能正确同步，跨时隙发射，则影响其它AIS终端设备发射的问题。
Description
技术领域
本发明涉及船舶自动识别终端系统，尤其是涉及一种船舶自动识别终端设备通过GPS实现时间同步的方法。
背景技术
船舶自动识别系统（AIS）通过全球定位系统（GPS）获取当前的位置信息，并将自身的船位，船速，航向等动态信息以及船名，呼号，吃水及危险货物等静态资料通过甚高频（VHF）频道向附近船舶及岸台广播。周围的船舶通过接收广播的船舶信息可以及时掌握附近海域的船舶资料，采取必要的避让行动，提高船舶航行的安全性。
AIS工作基于TDMA（时分多址）技术， AIS系统利用甚高频波段的两个频率进行工作，将一分钟（一帧）划分成2250个时间段（时隙），这样两个频率上一分钟共有4500个时隙供系统中的各种终端设备交替发射。由于不同的终端在不同条件下每分钟要发射的次数各不相同，如一艘高速艇一分钟要发射30次之多，而一艘停泊的货船三分钟才发射一次。为保证AIS系统正常工作，一个区域内可容纳的AIS终端数量是有限的。由于AIS终端设备按照时隙通信的特点，一个AIS终端是整个AIS系统的一份子。随着海洋船舶的增加，空中时隙资源日益紧张，若一台AIS终端设备不能正确同步，跨时隙发射，则其它AIS终端设备发射有可能受其影响，因此，精确的时间同步能力是AIS设备正常工作的基础。
AIS设备的GPS模块在定位后提供精确的UTC时间基准，通过消息报文和秒脉冲的形式提供给用户。为了保证消息发送时隙的准确性，船舶自动识别终端设备需将本地的时间与GPS提供的UTC时间基准同步，并在时间同步的基础上，广播AIS静态/动态消息。
发明内容
本发明的目的是利用GPS模块定位后提供的时间消息和秒脉冲，快速地完成本地时间与GPS提供的UTC时间的同步，从而保证AIS消息发送时隙的准确性。
本发明为实现上述目的，特别研发一种船舶自动识别终端设备通过GPS实现时间同步的方法。本方法通过获取GPS时间消息和秒脉冲，进行本地时钟和UTC时间的时间同步，以此为AIS消息发送提供准确的时间基准。
本发明采取的技术方案是：一种船舶自动识别终端设备通过GPS实现时间同步的方法，其特征在于，获取GPS时间消息和秒脉冲进行本地时钟和UTC时间的时间同步，为AIS消息发送提供准确的时间基准，其步骤如下：
（一）.时间同步模块初始化各个参数；
（二）.GPS模块定位后，输出时间消息和秒脉冲，GPS秒脉冲到来时刻记录本地时间的时隙和相位，用于后续计算误差；
（三）.当GPS秒脉冲偶数秒时，进行相位调整，计算当前相位的误差值，相位的误差值 
，式中
为本地时间的相位，并调整本地时钟；
（四）.当GPS秒脉冲奇数秒时，进行时隙调整，计算当前时隙的误差值，时隙的误差值
，式中
为GPS定位后输出的UTC时间秒，
为AIS协议中1秒的时隙数，为本地时间的时隙，并调整本地时钟；
（五）.当时隙误差和相位误差小于设定阈值时，ARM控制模块判定为时间同步，即可在此时间基准上按照时隙发送AIS消息。
本发明的实现基于船舶自动识别终端设备，本设备的ARM控制模块在GPS模块定位后，根据GPS提供的时间消息和秒脉冲对比本地时间的时隙数和相位数，根据AIS同步方式，AIS帧的开始和结束在UTC时间可获取的情况下与UTC的分钟一致。UTC时间1秒为37.5个时隙，所以在偶数秒，本地时隙的值可根据GPS提供的消息信息计算得到。且利用在偶数秒时的相位为0来对比本地相位和真实相位的差别。ARM控制模块通过在GPS秒脉冲时保存本地时间的时隙数和相位数，并根据GPS提供的时间消息计算误差并进行修正，完成时间同步。
本发明所产生的有益效果是：通过本方法，船舶自动识别终端设备可在GPS定位且输出时间消息的情况下，3秒内将本地时间同步至UTC时间，误差小于15个相位，保证了设备发送消息时隙的准确性。从而解决了如果AIS终端设备不能正确同步，跨时隙发射，则影响其它AIS终端设备发射的问题。
附图说明
图1为本发明船舶自动识别终端设备构成框图。
图2为本发明船舶自动识别终端设备时钟校准及补偿模块的电路原理图。
图3为本发明船舶自动识别终端设备GPS模块电路原理图。
图4为本发明船舶自动识别终端设备时间同步流程图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和实施例作进一步说明：参照图1，船舶自动识别终端设备包括由时钟校准及补偿模块、消息发送模块、GPS控制模块和休眠控制模块构成的ARM控制模块、射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板和电源模块，所述的ARM控制模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板及电源模块连接，电源模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块及控制面板连接。
本发明各模块的功能如下：
1）射频模块：为通用公知的模块，用于在AIS A/B信道广播静态/动态消息；
2）GPS模块：用于解析GPS位置信息，并提供UTC时间信息；
3）控制面板：用于人机接口，用户通过面板按键操作设备，通过LED灯观察当前工作状态；
4）时钟模块：用于为ARM控制芯片提供主时钟和RTC实时时钟；
5）电源模块：用于为各个模块供电；
6）ARM控制模块：用于控制整个终端设备工作，其中，时钟校准模块用于通过GPS提供的标准时间校准自身时钟；时钟补偿模块用于通过周期地修正本地时间来完成对本地时钟误差的补偿；消息发送模块用于按照AIS协议周期的发送AIS静态、动态消息；GPS控制模块用于控制GPS芯片的开关，以及解析GPS消息等；休眠控制模块用于在设备空闲时，关闭不需要的部分，降低系统功耗。
参照图2，船舶自动识别终端设备的ARM控制模块采用STM32F103RCT6控制芯片N5，时钟模块采用为控制芯片N5提供主时钟的DSA321G_12.0M无源晶振芯片N2以及为控制芯片N5提供RTC时钟的DST310S-32.768KHz无源晶振芯片N4，其中无源晶振芯片N2的两端分别与控制芯片N5的5脚和6脚连接，并分别通过电容C6和电容C7接地；无源晶振芯片N4的两端分别与控制芯片N5的3脚和4脚连接，并分别通过电容C8和电容C17接地。
船舶自动识别终端设备时钟模块由两部分提供，STM32F103CT6为ARM7核的设备控制芯片N5，用于控制整个船舶自动识别终端设备工作。芯片N2为DSA321G_12.0M无源晶振，为控制芯片N5提供主时钟；晶振外部接两个电容C6和电容C7到地，用于微调晶振频率。芯片N4为DST310S-32.768KHz无源晶振，为控制芯片N5提供RTC时钟，晶振外部接两个电容C8和电容C17到地，用于微调晶振频率。当船舶自动识别终端设备进入低功耗休眠模式时，主时钟停止工作，此时设备的时间同步维持由RTC实时时钟维持。当设备从休眠过程中唤醒时，主时钟启动并接替RTC时钟继续维持设备的时间同步状态。
参照图3，船舶自动识别终端设备的GPS模块采用一个用于通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息的NEO-5M芯片N13，芯片N13的20脚和21脚分别通过电阻R78和电阻R77以及电阻R80和电阻R81与所述的控制芯片N5的17脚和16脚连接，其中电阻R78和电阻R77的一端以及电阻R80和电阻R81的一端分别通过电容C100和电容C101接地；芯片N13的22脚通过电阻R82接3.3V电源，芯片N13的23脚通过三极管VT11的集电极、发射极与电阻R85相接后接3.3V电源，电阻R85与三极管VT11的基极连接后通过电阻R86连接三极管N14的集电极，再通过三极管N14的基极与所述的控制芯片N5的11脚连接，三极管N14的发射极接地，芯片N13的3脚通过电阻R83电阻R84与控制芯片N5的15脚连接，电阻R83电阻R84通过电容C102接地，芯片N13的8脚和9脚连接后通过电阻R79和电感L17与芯片N13的11脚连接，连接后接ANT-GPS有源天线，然后接地，芯片N13的7脚、10脚、12脚、13脚、14脚和24脚接地。
船舶自动识别终端设备的GPS模块采用NEO-5M芯片N13，ARM控制模块通过串口和GPS模块进行通信。其中NEO-5M芯片N13为GPS模块负责通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息。NEO-5M芯片N13的20和21管脚为GPS模块的串口，分别与STM32F103CT6控制芯片N5的16和17管脚连接，用于通过串口周期的向STM32F103CT6控制芯片N5发送GPS位置消息和时间消息。NEO-5M芯片N13的22管脚为GPS模块的备用电源，23管脚为GPS模块的主电源。主电源通过2SB1132三极管VT11和DTC114EE三极管N14与STM32F103CT6控制芯片N5管脚11连接。当STM32F103CT6控制芯片N5控制管脚11为高电平时，DTC114EE三极管N14集电极和发射极导通，进而控制2SB1132三极管VT11的集电极和发射极导通，从而给NEO-5M芯片N13的主电源供电。同理，当控制芯片N5控制管脚11为低电平时，DTC114EE三极管N14集电极和发射极截止，进而控制2SB1132的集电极和发射极截止，从而控制NEO-5M芯片N13的主电源断电。因NEO-5M芯片N13只要备用电源供电，在主电源断电的情况下，仍可保存相关定位消息，所以STM32F103CT6控制芯片N5通过控制管脚11低电平关闭NEO-5M芯片N13，降低功耗。在需要GPS模块定位时，通过STM32F103CT6控制芯片N5控制管脚11高电平打开NEO-5M芯片N13，GPS模块热启动，快速完成定位。器件ANT-GPS为有源GPS天线，NEO-5M芯片N13通过管脚9和11与有源GPS天线连接，并以此完成定位。NEO-5M芯片N13的管脚3在GPS模块定位后输出秒脉冲，用于提供精确的UTC时间，此管脚和ARM的15管脚连接，ARM端通过此秒脉冲完成本地时钟同步等操作。
本设备在ARM控制模块的控制下，控制模块给GPS模块供电并等待GPS定位。获取GPS位置信息后，控制模块周期地控制射频模块通过VHF天线广播位置消息。控制面板可用于设备开关机和发送告警消息，控制面板通过LED灯指示工作状态。
参照图4，以下详细描述船舶自动识别终端设备时间同步流程：
步骤100：时间同步模块初始化各个参数；
步骤101：GPS模块定位后，输出时间消息和秒脉冲，GPS秒脉冲到来时刻记录本地时间的时隙和相位，用于后续计算误差；
步骤102：当GPS秒脉冲偶数秒时，进行相位调整，计算当前相位的误差值，由于相位在偶数秒时误差为零，所以相位的误差值
，式中
为本地时间的相位，并调整本地时钟；
步骤103：当GPS秒脉冲奇数秒时，进行时隙调整，计算当前时隙的误差值，时隙的误差值
，式中
为GPS定位后输出的UTC时间秒，
为常数，即AIS协议中1秒的时隙数，
为本地时间的时隙，并调整本地时钟；
步骤104：当时隙误差和相位误差小于设定阈值时，ARM控制模块判定为时间同步，即可在此时间基准上按照时隙发送AIS消息。
本发明通过获取GPS时间消息和秒脉冲进行本地时钟和UTC时间的时间同步，以此为AIS消息发送提供准确的时间基准。本发明有利于AIS设备的安全管理，是一种非常有效地降低AIS设备时隙冲突的设备，适用范围广，具有推广价值。
根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
Claims (4)
1.一种船舶自动识别终端设备通过GPS实现时间同步的方法，其特征在于，获取GPS时间消息和秒脉冲进行本地时钟和UTC时间的时间同步，为AIS消息发送提供准确的时间基准，其步骤如下：
（一）.时间同步模块初始化各个参数；
（二）.GPS模块定位后，输出时间消息和秒脉冲，GPS秒脉冲到来时刻记录本地时间的时隙和相位，用于后续计算误差；
（三）.当GPS秒脉冲偶数秒时，进行相位调整，计算当前相位的误差值，相位的误差值Poffset＝-PL，式中PL为本地时间的相位，并调整本地时钟；
（四）.当GPS秒脉冲奇数秒时，进行时隙调整，计算当前时隙的误差值，时隙的误差值Soffset＝TS*NS-SL，式中TS为GPS定位后输出的UTC时间秒，NS为AIS协议中1秒的时
隙数，SL为本地时间的时隙，并调整本地时钟；
（五）.当时隙误差和相位误差小于设定阈值时，ARM控制模块判定为时间同步，即可在此时间基准上按照时隙发送AIS消息。
2.根据权利要求1所述的一种船舶自动识别终端设备通过GPS实现时间同步的方法，其特征在于，所述的船舶自动识别终端设备包括由时钟校准及补偿模块、消息发送模块、GPS控制模块和休眠控制模块构成的ARM控制模块、射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板和电源模块，所述的ARM控制模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块、控制面板及电源模块连接，电源模块分别与射频模块、GPS模块、时钟模块及控制面板连接。
3.根据权利要求2所述的一种船舶自动识别终端设备通过GPS实现时间同步的方法，其特征在于，所述的ARM控制模块采用STM32F103RCT6控制芯片N5，时钟模块采用为控制芯片N5提供主时钟的DSA321G_12.0M无源晶振芯片N2以及为控制芯片N5提供RTC时钟的DST310S-32.768KHz无源晶振芯片N4，其中无源晶振芯片N2的两端分别与控制芯片N5的5脚和6脚连接，并分别通过电容C6和电容C7接地；无源晶振芯片N4的两端分别与控制芯片N5的3脚和4脚连接，并分别通过电容C8和电容C17接地。
4.根据权利要求3所述的一种船舶自动识别终端设备通过GPS实现时间同步的方法，其特征在于，所述的GPS模块采用一个用于通过GPS天线计算GPS的位置消息和时间消息的NEO-5M芯片N13，芯片N13的20脚和21脚分别通过电阻R78和电阻R77以及电阻R80和电阻R81与所述的控制芯片N5的17脚和16脚连接，其中电阻R78和电阻R77的一端以及电阻R80和电阻R81的一端分别通过电容C100和电容C101接地；芯片N13的22脚通过电阻R82接3.3V电源，芯片N13的23脚通过三极管VT11的集电极、发射极与电阻R85相接后接3.3V电源，电阻R85与三极管VT11的基极连接后通过电阻R86连接三极管N14的集电极，再通过三极管N14的基极与所述的控制芯片N5的11脚连接，三极管N14的发射极接地，芯片N13的3脚通过电阻R83电阻R84与控制芯片N5的15脚连接，电阻R83电阻R84通过电容C102接地，芯片N13的8脚和9脚连接后通过电阻R79和电感L17与芯片N13的11脚连接，连接后接ANT-GPS有源天线，然后接地，芯片N13的7脚、10脚、12脚、13脚、14脚和24脚接地。
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