CN103067452B - 基于北斗卫星通讯系统的ais移动基站系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统，其可使具有AIS终端的船舶可通过AIS信号接口获取该船舶的AIS设备的AIS信息，并利用北斗卫星通讯系统将AIS信息传输给AIS服务器，由AIS服务器接收后进行统一处理，这样，具有AIS终端的船舶就相当于海上的AIS移动基站。采用北斗卫星通讯系统作为通讯方式，最大的效果在于其通讯及时性和高频率，还具有总成本较低的优点，可以使AIS服务器达到3-10分钟更新一次AIS信息。

Description

基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统

技术领域

本发明涉及船舶自动识别系统(Automatic IdentificationSystem，简称AIS)，具体涉及基于北斗卫星通讯系统的AIS系统。

背景技术

北斗卫星导航系统[BeiDou(COMPASS)Navigation SatelliteSystem]是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，与美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧盟的GALILEO并列为全球四大GNSS系统。2003年建成的北斗区域导航试验系统，又称北斗一号系统，可在中国及周边地区提供有源定位、授时和短消息通信服务(简称北斗功能)；2012年建设覆盖亚太区域的区域导航定位系统，可向亚太区域提供无源定位、授时和短消息通信服务；到2020年建成覆盖全球的全球定位系统。

船舶自动识别系统(AIS)是工作在VHF海上移动频段的船舶和基站广播系统，是促进航行安全，提高航运交通管理效率的先进工具。AIS设备是一种VHF无线电收发信机，它能将诸如船舶识别信息(例如MMSI)、船位经纬度、航向、航速等船舶信息(简称AIS信息)同其他船舶和基站的AIS设备互相收发。AIS设备可使船舶和基站在显示器上“看到”船舶的运行状况，从而提高船舶的水上交通情景意识。

AIS设备是利用无线电信号将本机的和接收到的船位经纬度、航向、航速等动态数据以及船舶识别信息(即静态数据)通过AIS协议所规定的对应的报文广播出去。AIS相关国际标准规定动态数据每30秒发送一次，静态数据每5分钟发送一次。这样，只要安装了AIS设备的船舶就可以通过AIS设备获得周边安装了AIS船舶的AIS信息。AIS相关国际标准规定每秒最多接收100条信息，另规定A级发射功率可以保证30海里范围内的AIS设备可正常接收到其他AIS设备广播的AIS信息。B级则为10海里。

目前AIS相关国际标准推荐架设固定基站用于接收无线电信号，并利用传统通信方式将收集的信号发送到各地架设的AIS服务器，以便在岸上获得AIS信息。这样，在沿河及海岸，每隔一段距离就需要架设一个基站才能做到不遗漏船舶信息。但是由于在很多地方是不便架设基站的，比如电源及固定通信线路无法到达的地方：近海、远海、外岛、沿海沿河无人区。而且在土地资源日益紧张的今天，基站建设成本高企，新建基站数量及基站覆盖率都较低。

目前有国外公司发送卫星到近地轨道，接收A级AIS信息，目前更新频率在8小时左右，且发射成本、维护成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统，其能解决船舶超出了接站接收范围或在未建立基站的区域航行时，AIS服务器不能接收到该船舶的AIS信息的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统，包括安装在每一条船舶上的AIS设备，至少在一条船舶上安装的AIS终端和架设在陆地的AIS服务器；

所述AIS终端包括AIS信号接口、ARM处理器、供电模块以及北斗卫星通讯模块，AIS信号接口、供电模块以及北斗卫星通讯模块均与ARM处理器电性连接，所述供电模块为AIS终端提供工作电压；所述ARM处理器通过AIS信号接口与AIS设备电性连接并获取AIS设备的AIS信息；

所述ARM处理器包括数据解析模块、数据冗余处理模块和数据压缩模块；所述AIS服务器包括信号采集模块、信号解压模块、信号冗余处理模块和信号存储模块；

数据解析模块，用于接收AIS信息，把AIS信息解析出本船信息和其它船舶信息，并把本船信息和其它船舶信息发送给数据冗余处理模块；

数据冗余处理模块，用于保存接收到的本船信息和其它船舶信息，并采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统与AIS服务器的信号冗余处理模块进行通信，以确认所述AIS服务器中是否已有所述其它船舶信息，若有，则仅发送本船信息给数据压缩模块，若没有，则发送本船信息和其它船舶信息给数据压缩模块；

数据压缩模块，用于当仅接收到本船信息时，将本船信息采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统发送给AIS服务器；当接收到本船信息和其它船舶信息时，将其它船舶信息的动态数据的绝对经纬度转换为相对于本船的相对经纬度，并将本船信息和其它船舶信息采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统发送给AIS服务器；

信号采集模块，用于接收本船信息和其它船舶信息，并把本船信息和其它船舶信息发送给信号压缩模块；

信号解压模块，用于将其它船舶信息的相对经纬度编译为绝对经纬度，并将本船信息和其它船舶信息进行更新到信号存储模块中；

信号冗余处理模块，用于将信号存储模块中的其它船舶信息与数据冗余处理模块发送过来的其它船舶信息进行比对后与数据冗余处理模块进行通信。

所述AIS信号接口为波特率为38400的RS232或RS485串口。

本发明具有如下有益效果：

具有AIS终端的船舶可通过AIS信号接口获取该船舶的AIS设备的AIS信息，并利用北斗卫星通讯系统将AIS信息传输给AIS服务器，由AIS服务器接收后进行统一处理，这样，具有AIS终端的船舶就相当于海上的AIS移动基站。采用北斗卫星通讯系统作为通讯方式，最大的效果在于其通讯及时性和高频率，还具有总成本较低的优点，可以使AIS服务器达到3-10分钟更新一次AIS信息。

再者，又由于AIS终端具有数据冗余处理模块，相应的，AIS服务器也具有与数据冗余处理模块相应的信号冗余处理模块，可以避免多台AIS移动基站收到同一条船舶的AIS信息后重复上传的问题，从而避免了大量冗余数据的上传，增强了北斗卫星通讯系统带宽的有效利用。

再者，又由于AIS终端具有数据压缩模块，相应的，AIS服务器也具有与数据压缩模块相应的信号解压模块，减少了传输时AIS信息的数据量，保证了可以在十分钟内将AIS移动基站负责上传的AIS信息发送一遍，保证了AIS服务器中的AIS信息的及时更新。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统的AIS终端的结构示意图；

图3为本发明较佳实施例的基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统的ARM处理器的结构示意图；

图4为本发明较佳实施例的基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统的AIS服务器的结构示意图；

图5为AIS信息的结构；

图6为6-bit二进制字段转换8-bit二进制字段的ASCII码算法流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1所示，基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统，其包括安装在每一条船舶上的AIS设备，至少在一条船舶上安装的AIS终端和架设在陆地的AIS服务器。例如，本实施例的船舶1至船舶n、船舶m、船舶x都安装有AIS设备，本实施例的AIS设备与现有技术一样，具有接收本船以外的其他船舶广播的AIS信息以及广播本船AIS信息的能力。船舶m、船舶n上还分别安装有AIS终端。船舶1至船舶n在船舶m的10-30海里范围内，船舶n在船舶x的10-30海里范围内。

如图2所示，以船舶m为例进行说明，船舶m的AIS终端包括AIS信号接口、ARM处理器、供电模块以及北斗卫星通讯模块，AIS信号接口、供电模块以及北斗卫星通讯模块均与ARM处理器电性连接，所述供电模块为AIS终端提供工作电压。本实施例的供电模块采用电源适配器，其可接入24V船电，转换成AIS终端需要的5V电压，同时为了满足AIS终端在恶劣环境下的正常供电需求，电源适配器需要支持18-48V的宽输入电压，防电涌，防雷击，同时可对蓄电池进行充电，并提供断电保护，不间断供电等功能。

所述ARM处理器通过AIS信号接口与安装在船舶m上的AIS设备电性连接并获取所述AIS设备的AIS信息。由于AIS相关国际标准规定AIS设备的信号输出接口采用RS232或RS485标准串行总线，因此，本实施例的AIS信号接口采用RS232或RS485串口，为了保证传输速率，优选采用波特率为38400的RS232或RS485串口。

如图3所示，所述ARM处理器包括数据解析模块、数据冗余处理模块和数据压缩模块。

如图4所示，所述AIS服务器包括信号采集模块、信号解压模块、信号冗余处理模块和信号存储模块。

下面，分别对ARM处理器(以船舶m上的AIS终端为例)和AIS服务器的各功能模块进行详细说明。

数据解析模块，用于接收船舶m的AIS设备的AIS信息，把AIS信息解析出本船信息和其它船舶信息，并把本船信息和其它船舶信息发送给数据冗余处理模块；其中，本船信息为船舶m的动态数据和静态数据，其他船舶信息为船舶m的AIS设备接收到的其它船舶广播的AIS信息，即包括船舶1至船舶n的动态数据和静态数据。

数据冗余处理模块，用于保存接收到的本船信息和其它船舶信息，并采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统100与AIS服务器的信号冗余处理模块进行通信，以确认所述AIS服务器中是否已有所述其它船舶信息，若有，则仅发送本船信息给数据压缩模块，若没有，则发送本船信息和其它船舶信息给数据压缩模块；例如，AIS服务器中已有由船舶x上传的船舶n的AIS信息，则船舶m负责上传船舶1至船舶n-1的AIS信息，极端的，若AIS服务器中已有船舶1至船舶n的AIS信息，则船舶m仅上传本船的AIS信息。这样，就可以有效防止船舶n和船舶x重复上传相同的AIS信息，避免大量冗余数据的上传。

数据压缩模块，用于当仅接收到本船信息时，将本船信息采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统100发送给AIS服务器；当接收到本船信息和其它船舶信息时，将其它船舶信息的动态数据的绝对经纬度转换为相对于本船的相对经纬度，并将本船信息和其它船舶信息采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统100发送给AIS服务器；用相对经纬度(32位数据)替代了绝对经纬度(55位数据)，有效减少带宽的占用，减少了需要上传数据的数据量。

信号采集模块，用于从北斗卫星通讯系统100接收本船信息和其它船舶信息，并把本船信息和其它船舶信息发送给信号压缩模块。

信号解压模块，用于将其它船舶信息的相对经纬度编译为绝对经纬度，并将本船信息和其它船舶信息进行更新到信号存储模块中；实际上，信号解压模块与数据压缩模块的逆反处理过程，例如，其根据船舶m的本船信息的绝对经纬度以及由船舶m上传的船舶1的相对经纬度计算出船舶1的绝对经纬度，即可以知道船舶1的航行路径，同理，其它船舶的路径也可以计算出来。

信号冗余处理模块，用于将信号存储模块中的其它船舶信息与数据冗余处理模块发送过来的其它船舶信息进行比对后与数据冗余处理模块进行通信，以通知AIS终端是否需要上传相应的其它船舶信息。

最终，AIS服务器通过信号存储模块中的AIS信息，就可以“看到”所以船舶的运行状况。

此外，需要说明的是，通过AIS接收设备接收到的船舶AIS信息都是经过数字化或压缩编码，要获取其中包含的真实信息，还需要按照规定格式进行解码。从AIS接收设备接收到的AIS数据，如下所示：

！AIVDM，1，1，，A，16：：

pN？0028dGqApU5HkRUT0D3F，0*18

$GPZDA，020803.00，13，04，2007*6F

！AIVDM，1，1，，A，169A？1？P018dMrvAr；

db4？wR04k`，0*03

！AIVDO，1，1，，，

11mg＝5CP？w<tSF0l4Q>4？wv0000，0*2C

$GPZDA，020804.00，13，04，2004*68

很明显，AIS的电文分为两种形式：第一种是以‘$’字符开始的语句，这种语句里包含的信息可以直接根据其对应的消息格式解析出来，所以又可称之为“明码”；第二种是以‘！’字符开始的语句，这种语句是将真实信息压缩编码后形成的，所以需要将其进行解析，才能获得它所包含的信息，因为它有封装的概念，所以又可称之为“暗码”，是本文的研究对象。

每条语句的倒数第三个字符都是‘*、’，‘*’字符后面的两个字符为两个16进制数，这两个数是‘！’或‘$’到‘*’间字符串的循环冗余校验码(CRC码)，该码的生成过程将在第三部分介绍。

下面以1号电文为例，说明AIS信息的结构，见图5。

[1]消息的表示符。

[2]ITU-R M.1371电文的长度可能很长，需要要几句语句。第1字段规定用语一条电文的语句总数，最小值为1。第2字段规定该语句在电文中的顺序，最小值为1。这个字段不可为空。

[3]序列电文识别码提供电文识别号，从0到9，它给每一份新的多语句电文按序列指配编号，每次加1。计数计到9后，回复到0。对要求多语句的电文，电文的每一句包含同样的序列电文指配编号。它用于识别包含同一电文各个部分的语句。这样，使其他语句可以与包含该同一电文的各语句相互穿插。在电文可以用一个语句时，该字段为空。

[4]AIS电文接收频道指示为“A”或“B”。本频道指示与接收该数据包时AIS的运行状态相关。当不提供频道识别时，本数据区为空。频道“A”与“B”的VHF频道号，可用AIS的一个ACA语句“查询”得到。

[5]封装的最大串长度的限制是语句的总字符数不超过82。对于用多语句传送的电文，本字段支持最多62个有效字符。而对于用单语句传送的电文，最多为63个有效字符。

[6]为进行封装，二进制比特数必须是6的倍数，如果不是，要加入1-5个“填充比特”。本参数指示加到最后一个6-bit编码字符上的比特数。未加入填充比特时，本数值为0。本字段不可以为空。

[7]为整条语句的CRC校验码。

三、CRC循环校验码的生成原理和过程

CRC也是给信息码加上几位校验码，以增加整个编码系统的码距和查错纠错能力。CRC主要有以下几种：8位CRC，16位CRC，32位CRC，64位CRC.8位CRC校验码为8位无符号性字符，占一个字节。它是在在无线通信中，广泛采用的一种校验码。CRC校验码的具体生成过程为：设发送信息用信息多项式C(x)表示，将C(x)左移R位，则可表示成C(x)*2R，这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。通过C(x)*2R除以生成多项式G(x)得到的余数就

是校验码。AIS数据采用8位CRC，取其8位CRC校验码的高4位，并转化为16进制数，构成AIS数据的校验码的第一位，取其8位CRC校验码的低4位，并转化为16进制数，构成AIS数据的校验码的第二位。当AIS接收设备收到一条AIS电文后，按照8位CRC对其数据部分重新校验，生成的校验值如果与电文自带的校验值相同，说明电文数据在传输过程中没有出错。如果不同，则说明数据在传输过程中出错了。

四、AIS信息解析

下面将通过对AIS信息1号电文的解析，建立解析AIS电文的计算机算法。首先要对接收到的数据根据CRC码生成方法，重新校验数据；由于1号电文的字段都压缩成了用6-bit的二进制表示，所以要将它转换成8-bit二进制的ASCII码。

1.循环冗余校验码(CRC)的生成算法

由第三节讨论，可以建立如下的CRC码生成算法：

(1)定义一个初始值为0的8位的变量，该变量称为CRC寄存器。

(2)从待校验的字符串中取出一个字符，并将这个字符转化为ASCII值，CRC寄存器作异或运算，并把结果在赋到CRC寄存器里。

(3)重复第2步，直到取完待校验的字符串。

(4)取出CRC寄存器的高四位，将其转化为16进制值，构成CRC码的第一位，取其低四位并转化为16进制值，构成CRC码的第二位。

计算机程序实现过程如下：

先定义String类型的CRC变量，里面存放16进制数的字符串“0123456789ABCDEF”；生成CRC码的函数如下，算法1程序关键代码：

算法1

public String createCRC(String data){

char crcbuff[]＝CRC.toCharArray()；

String crc＝""；

char buff1[]＝data.toCharArray()；

int ncount＝data.length()；

int cs＝0；

int tempcs＝0；

int itemphigh＝0；

int itemplow＝0；

for(int i＝0；i<ncount；i++){

cs＝cs^buff1[i]；

}

tempcs＝cs；

tempcs＝tempcs>>4；

itemphigh＝tempcs；

crc+＝crcbuff[itemphigh]；

cs＝cs<<28；

cs＝cs>>>28；

itemplow＝cs；

crc+＝crcbuff[itemplow]；

return crc；

}

2.将6-bit二进制字段转换为8-bit二进制ASCII码的方法

6-bit二进制字段转换8-bit二进制字段ASCII码的数学关系如图6所示。

计算机程序实现如下：首先要定义一个一维数组aisBitSet[1600]，存放解析后的二进制代码，然后进行解析。算法如下，算法2程序代码：

算法2

public void parserAISMsg(String msg){

for(int i＝0；i<msg.length()；i++){

char cchar＝msg.charAt(i)；

if(cchar<48||cchar>119){

return；

}

if(cchar>87&&cchar<96){

return；

}

int tempint＝cchar+40；

if(tempint>128){

tempint＝tempint+32；

}

else{

tempint＝tempint+40；

}

cchar＝(char)tempint；

int tchar＝cchar；

for(int j＝5；j>＝0；j--){

tchar＝tchar<<(31-j)；

tchar＝tchar>>>31；

aisBitSet[i*6+5-j]＝Math.abs

(tchar)；

tchar＝cchar；

}

}

}

该算法传入的参数是被封装后的AIS信息，将该封装的信息解析后得到的是二进制数组，再根据不同电文的信息结构，提取出二进制数组中数据，转换成ASCII码，即可还原被封装的信息。

此外，更需要说明的是，还可以利用AIS移动基站作为自动避碰功能的通讯工具。

目标的避碰信息包括DCPA、TCPA、最晚用舵时机以及避碰参数等，而AIS提供的是本船和目标的位置、航速、航向和船型(船长、船宽和船舶类型)等信息，根据平面几何求得本船和目标船形成的速度矢量三角形，结合本船的操纵性参数，即可获得相应的避碰信息。也就是说，基于AIS信息的自动标绘功能，提供的两船DCPA、TCPA等碰撞参数，不受气象、海况因素的影响，比ARPA的自动标绘更精确、更实时、更可靠。特别需要说明的是，船舶的安全会遇距离最小值SDAm，它不仅是宽水域及一般水域船舶危险判断的最重要的依据一安全会遇距离的量化基础，同时也是其他避碰信息的量化基础：

SDAm＝(+559)+(2}P)+(+1677)},rr/135    (1)

(1)式中：Lo为本船的船长；P为来自目标位置滤波结果的方差；为圆周率。上式是基于雷达获得的目标位置信息对安全会遇距离最小值的量化公式，由于雷达不能提供目标船的长度，因此单纯基于雷达的避碰系统是将目标船的船长以559米来设定。显然，从安全的角度对宽水域而言，这样做是可取的，但是对于狭水道而言，上述公式就显得不够精确，将因为公式的误差太大而导致错误的判断。因此，我们可以利用AIS提供的目标船长度，用代替559，式中(+1677),rr/135(为本船和目标船的航向偏差产生的航迹带误差应改为Lo,rr/135+-rr/45)，这样(1)式变为：SDAm＝(+LT)+2}P+(Lo},rr/135+

}-rr/45)(2)；假设目标位置滤波结果的方差P为100米，本船和目标船的长度都是100米，按照(1)式的计算结果是0.44海里，而按照(2)式的计算结果为0.22海里。相差的0.22海里在狭水道航行中的作用显而易见。

借助AIS作为避碰的通讯工具。目前，船舶避碰用ARPA具有较强的避碰功能，但是不能识别目标船。ARPA没有发送、接受本船和它船的避让操船意图的功能，而没有这种功能，就不能知己知彼，在实际航行中，极有可能由于对方的不协调行动而陷人被动局面。船舶间通讯用VHF，由于人工操作，低效率和频道拥挤的限制以及语言障碍等原因，不能自动进行目标船识别，不能及时沟通双方信息和操纵意图，往往因此延误宝贵时间而酿成碰撞事故。基于AIS的功能特点，AIS将避碰结果经过计算并上传到AIS服务器，由服务器将避碰结果收集，并返回到AIS移动基站周围的船舶，可以让周围船舶知道其避碰策略，以做出相应的操作，避免出现多船避让出现碰撞的问题。，它完全可以起到向目标船发送本船避让意图的作用，即本船做出避让决策后，借助AIS将产生的避让参数发出去，对方船舶及时了解本船的意图，并配合行动，确保船舶间的安全避让。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统，包括安装在每一条船舶上的AIS设备，其特征在于，还包括至少在一条船舶上安装的AIS终端和架设在陆地的AIS服务器；

所述AIS终端包括AIS信号接口、ARM处理器、供电模块以及北斗卫星通讯模块，AIS信号接口、供电模块以及北斗卫星通讯模块均与ARM处理器电性连接，所述供电模块为AIS终端提供工作电压；所述ARM处理器通过AIS信号接口与AIS设备电性连接并获取AIS设备的AIS信息；

所述ARM处理器包括数据解析模块、数据冗余处理模块和数据压缩模块；所述AIS服务器包括信号采集模块、信号解压模块、信号冗余处理模块和信号存储模块；

数据解析模块，用于接收AIS信息，把AIS信息解析出本船信息和其它船舶信息，并把本船信息和其它船舶信息发送给数据冗余处理模块；

数据冗余处理模块，用于保存接收到的本船信息和其它船舶信息，并采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统与AIS服务器的信号冗余处理模块进行通信，以确认所述AIS服务器中是否已有所述其它船舶信息，若有，则仅发送本船信息给数据压缩模块，若没有，则发送本船信息和其它船舶信息给数据压缩模块；

数据压缩模块，用于当仅接收到本船信息时，将本船信息采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统发送给AIS服务器；当接收到本船信息和其它船舶信息时，将其它船舶信息的动态数据的绝对经纬度转换为相对于本船的相对经纬度，并将本船信息和其它船舶信息采用北斗卫星通讯模块通过北斗卫星通讯系统发送给AIS服务器；

信号采集模块，用于接收本船信息和其它船舶信息，并把本船信息和其它船舶信息发送给信号压缩模块；

信号解压模块，用于将其它船舶信息的相对经纬度编译为绝对经纬度，并将本船信息和其它船舶信息进行更新到信号存储模块中；

信号冗余处理模块，用于将信号存储模块中的其它船舶信息与数据冗余处理模块发送过来的其它船舶信息进行比对后与数据冗余处理模块进行通信。

2.如权利要求1所述的基于北斗卫星通讯系统的AIS移动基站系统，其特征在于，所述AIS信号接口为波特率为38400的RS232或RS485串口。