基于AIS技術(shù)的數(shù)字航標系統(tǒng)的研究

第11卷第12期中國水運Vol.12No.11

2011年12月ChinaWaterTransportDecember2011

基于技術(shù)的數(shù)字航標系統(tǒng)的研究

AIS

方耿舜，張杏谷，鄭佳春

（集美大學，福建廈門361021）

摘要：AIS運用于航標是近年來重要的航標數(shù)字化手段。研發(fā)AIS航標終端設(shè)備AISRTU，實現(xiàn)航標LED燈、

雷達應答器及水文氣象傳感器信息采集及通過AIS電文6、8和21實現(xiàn)航標基本信息、航標狀態(tài)信息和水文氣象

信息的傳輸。經(jīng)測試，終端所采集和傳輸?shù)男畔⒛軌蛟?/span>GIS平臺上顯示。

關(guān)鍵詞：AIS；數(shù)字航標；AIS-RTU；AIS電文

中圖分類號：U644.4文獻標識碼：A文章編號：1006-7973（2011）12-0073-03

引言的航標燈器監(jiān)控、環(huán)境信息服務的功能（電文6、8）還處于

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）是工作在VHF海上移動頻段研究開發(fā)階段，相關(guān)技術(shù)還不夠成熟。

的自主、連續(xù)廣播系統(tǒng)，是采用SOTDMA技術(shù)為船舶或船本文提出一種基于AIS技術(shù)的數(shù)字航標，不但應用21

舶交通管理系統(tǒng)VTS中心提供目標信息的一種工具。它是號電文發(fā)送航標位置信息，也應用6號和8號電文發(fā)送航標

[1]

在提高船舶航行安全的迫切需求下，在通信技術(shù)和計算機技監(jiān)控信息和環(huán)境信息。

術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，AIS具有很多優(yōu)點，它的

一、AIS航標系統(tǒng)組成

AIS航標系統(tǒng)由終端設(shè)備、AIS通信系統(tǒng)、中心控制系信息量大，目標位置數(shù)據(jù)精度高，信息的提供不易受地形、

統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。天氣和海況的影響，因此，IMO將AIS作為一種新型的海事

信息交換工具，并通過了船舶強制安裝的規(guī)定。隨著越來

[2]

越多的船舶安裝AIS設(shè)備，AIS在VTS、船與岸或船與船之

間的通信、船舶避碰等應用中的優(yōu)勢也越來越明顯，其潛能

也在不斷地開發(fā)應用中。

航標系統(tǒng)是海上交通安全保障體系的重要組成部分。

[3]

航標是保障船舶安全、經(jīng)濟航行的重要設(shè)施，對發(fā)展水上交

通運輸、海洋資源開發(fā)、漁業(yè)捕撈、國防建設(shè)等起著重要作

用。航標數(shù)字信息化是當前航標建設(shè)的重中之重。鑒于AIS

在海上通信的巨大優(yōu)勢，ITU已經(jīng)規(guī)定將AIS電文21專用

于航標報告，國際航標協(xié)會IALA預見到AIS技術(shù)在航標應

用上的廣闊前景，近幾年來對AIS在海上航標中的應用做了

許多工作，其中包括AIS在航標應用中的建議（A.126）。

[4]

IALAA-126指出：“除航標報告電文21之外，AIS航標還

可以發(fā)射電文6，8，12，14，25和其他合適的電文”。目

前我國的大多數(shù)的數(shù)字航標系統(tǒng)都是基于GSM公網(wǎng)技術(shù)及

其網(wǎng)絡實現(xiàn)，但由于航標特殊的工作環(huán)境，這些技術(shù)存在著

很多局限性，影響了數(shù)字航標系統(tǒng)的性能和發(fā)展。而運用AIS

建設(shè)數(shù)字航標系統(tǒng)不僅可以通過合適的AIS電文發(fā)送航標的

相關(guān)信息，實現(xiàn)航標數(shù)字化及其應用，同時在數(shù)字航標系統(tǒng)

的建設(shè)過程中也有著巨大的優(yōu)勢，AIS數(shù)字航標系統(tǒng)可以直

接使用AIS的兩個海上移動通信專用，頻道不需要重新申請

通信頻點；可以省卻專用通信網(wǎng)絡建設(shè)，節(jié)約成本；其開放

互聯(lián)工作模式使其方便得接入國際互聯(lián)網(wǎng)，方便管理；同時，

借用現(xiàn)有的AIS網(wǎng)絡，AIS航標的建設(shè)周期就可以大大縮短，

每座航標只需配置一個AISRTU即可。因此，AIS運用于航

標是近年來重要的航標數(shù)字化手段。AIS航標在我國部分港

口投入使用，但主要應用電文21播發(fā)航標位置，而基于AIS

收稿日期：2011-09-25

圖1AIS航標系統(tǒng)組成框圖

終端設(shè)備中的處理器自動定時接收來自航標燈、雷達應

答器和相關(guān)傳感器的位置信息、工作狀態(tài)信息、能源信息和

水文氣象信息等信息，并對所接收的信息進行打包處理，以

AIS模塊所能識別的信息格式傳送給AIS模塊；AIS模塊內(nèi)

部對這些信息重新組合打包為特定的AIS電文并通過AIS通

信網(wǎng)絡將電文傳輸至中心控制系統(tǒng)的AIS通信機；控制中心

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務器對通信服務器傳來的數(shù)據(jù)進行解析、處理

和存儲，通過解析自動生成各種報表，通過處理完成數(shù)據(jù)分

析、判斷、處理和報警；處理過的數(shù)據(jù)最終在GIS顯示平臺

上顯示，實現(xiàn)航標信息的顯示、查詢、報表等功能。

二、終端設(shè)備（AISRTU）

終端設(shè)備（AISRTU）處理器模塊以LPC2368ARM7

[5]

微處理器芯片為核心硬件，該微處理器也是整個終端的核心。

它是一款性價比高、體積小、性能高的ARM7TDMI-S微處

理器，頻率最高可達72MHz，擁有1個USB2.0接口；4

個UART；雙頻控制；1個串行外圍接口電路；3個IC-bus

2

接口。采用uC/OSII實時操作系統(tǒng)，負責整個系統(tǒng)的管

[6-7]

作者簡介：方耿舜（1987-），男，福建省漳州人，集美大學在讀研究生，研究方向為海上智能交通系統(tǒng)理論與技術(shù)。

74中國水運第11卷

理、控制、數(shù)據(jù)處理以及通信協(xié)議的解析和數(shù)據(jù)處理。終端文廣播水文氣象信息。

設(shè)備的組成框圖如圖2所示。AIS通信模塊以AIS電文所發(fā)送的數(shù)據(jù)都來自于處理

圖2終端設(shè)備的組成框圖

目前的航標燈均帶有采集模塊采集航標燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)，

[8]

包括光照度、電壓、電流、健康燈泡數(shù)等狀態(tài)信息，通過這些

數(shù)據(jù)可以了解航標燈的“健康指數(shù)”。這些數(shù)據(jù)通過航標燈上

的采集模塊的RS-485串口輸出，實現(xiàn)航標燈數(shù)據(jù)的采集。

雷達應答器作為無線電航標，在正確引導船舶航行發(fā)

揮著重要作用。因此，雷達應答器的狀態(tài)信息的采集也

是AIS數(shù)字航標必須實現(xiàn)的功能，采集的信息包括電源

電壓、工作電流、工作時間等。雷達應答器的接口也是采

用RS-485接口。

為了更好地為船舶提供航行環(huán)境信息，航標可配置了水

文氣象信息傳感器，通過采集傳感器上的信息，并播發(fā)給船

舶，可以幫助船舶駕駛員更安全地航行。傳感器信息可通過

RS-485輸出。

航標的定位信息由AIS模塊中的GPS接收機獲得，因

此處理器不用再外接一個GPS模塊。

處理器采集到LED燈、雷達應答器、水文氣象傳感器的

數(shù)據(jù)之后，根據(jù)這些數(shù)據(jù)的協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并按照AIS協(xié)議要

求形成一定的格式的數(shù)據(jù)包發(fā)送給AIS通信模塊。AIS模塊則

對這些信息再次轉(zhuǎn)換并由AIS的VHF通信網(wǎng)絡發(fā)送。處理器

與AIS通信模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸通過RS-232串口實現(xiàn)。

三、電文描述與數(shù)據(jù)格式

根據(jù)相關(guān)要求或建議，本系統(tǒng)將航標位置等基本信

[9-10]

息采集之后經(jīng)過處理封裝為21號電文發(fā)送；航標的狀態(tài)監(jiān)

測信息采集之后經(jīng)過處理封裝為6號電文發(fā)送；水文氣象信

息則利用8號電文發(fā)送。

目前，ITU已經(jīng)規(guī)定將AIS的21號電文專用于航標，

并對電文的組成格式作了明確規(guī)定，用于播發(fā)航標的航標類

型、航標名稱、航標位置、航標位置精度指示、定位設(shè)備類

型、在位/移位狀態(tài)、真實與虛擬航標辨識、航標尺度與基準

位置和航標系統(tǒng)狀態(tài)等基本信息。

電文21中，有8比特保留給區(qū)域或當?shù)厥褂玫臄?shù)據(jù)比

特。利用這8比特可以對航標的狀態(tài)進行基本的檢測，但由

于實際應用中所需要監(jiān)測的航標參數(shù)不止電壓、電流、溫度

等，所需要的比特數(shù)目有可能超過所有頁面的總和，所以航

標監(jiān)測的進一步細節(jié)可以用其它適用專用電文實現(xiàn)。根據(jù)

IALAA-126建議，系統(tǒng)使用6號電文（尋址二進制電文）

向航標主管部門發(fā)送航標狀態(tài)報告。例如蓄電池電壓數(shù)據(jù)，

燈器狀態(tài)數(shù)據(jù)和太陽能電源系統(tǒng)、充電電流等；使用8號電

器，這些數(shù)據(jù)的格式在本系統(tǒng)中有明確規(guī)定，處理器與AIS

通信模塊間的接口數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1數(shù)據(jù)幀格式

！（起始字符）

功能域（Function），

數(shù)據(jù)長度（Length），

數(shù)據(jù)域（Data）

*

校驗域（Check）

功能域為5個ASCII字符長度的固定區(qū)域，用于填寫功

能碼，用于讓AIS通信模塊確定信息要以何種電文發(fā)送；數(shù)

據(jù)長度表示數(shù)據(jù)域的總字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)域最多255字節(jié)，由于

6號和8號電文為二進制專用電文，ITU并沒有對電文的組

成格式做出規(guī)定，因此其數(shù)據(jù)組成及編碼協(xié)議由系統(tǒng)開發(fā)人

員制定，本系統(tǒng)規(guī)定數(shù)據(jù)域以一個字節(jié)的兩個ASCII碼字符

的編碼方式，這樣做的目的是方便中心控制系統(tǒng)對電文的解

碼；校驗采用異或校驗。

四、結(jié)果與展望

根據(jù)上述軟硬件研究，完成了相應的設(shè)計和開發(fā)。結(jié)果

表明，控制中心系統(tǒng)的AIS接收機可以實時穩(wěn)定的接收并分

析來自AIS航標終端的航標狀態(tài)信息及水文氣象信息。圖3

為服務器接收到的AIS航標數(shù)據(jù)分析顯示實例。

圖3AIS航標數(shù)據(jù)分析顯示實例

由此可見，利用AIS技術(shù)并結(jié)合嵌入式技術(shù)可以可靠地

實現(xiàn)航標數(shù)字化，從而實現(xiàn)航標的狀態(tài)監(jiān)測及水文氣象等助

航信息的播發(fā)。同時，AIS航標能夠：

經(jīng)由AIS電文21中的航標名稱，提供航標明確的標

識指示；

不分晝夜，以及在能見度不良，視覺航標看不見的情

況下工作；

通常比白天視距和浮標視覺信號有更遠的探測距離；

向船員提供航標移位和故障電文；

通過電子海圖或現(xiàn)代雷達屏幕顯示航標精確位置，AIS

用于航標能提供更好的航標完善性。

隨著AIS技術(shù)應用的不斷深入，AIS航標將在以下四個

方面有更大的應用前景：（下轉(zhuǎn)第77頁）

第12期夏海鳴等：基于COD測量信號的濾波算法的研究77

value_buf[i+1]=new_value；

delay()；

}

//中值平均濾波

for(j=0；j；j++)//冒泡排序

{

for(i=0；i；i++)

{

if(value_buf[i]>value_buf[i+1])

{

temp=value_buf[i]；

value_buf[i]=value_buf[i+1]；

value_buf[i+1]=temp；

}

}

}

for(count=1；count；count++)

sum+=value_buf[count]；

return(int)(sum/(N-2))；//返回去頭去尾的中間數(shù)值

的平均值

}

以此改進的濾波算法進行COD測試數(shù)據(jù)的處理，得到

的結(jié)果如下圖1所示。

（上接第74頁）航天大學出版社，2005.

導航。[6]周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技

環(huán)境數(shù)據(jù)獲取與播發(fā)。術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

船舶監(jiān)視。[7]陳是知.uC/OS-II內(nèi)核分析、移植與驅(qū)動程序開發(fā)[M].

SAR（搜救）。北京：人民郵電出版社，2007.

參考文獻[8]鄭佳春.基于嵌入式LINUX的航標遙測遙控終端的開發(fā)

[1]袁安存，張淑芳譯.通用船載自動識別系統(tǒng)國際標準匯編[J].計算機應用與軟件，2009，26（10）：98-100.

[M].大連：大連海事大學出版社，2005.[9]RecommendationITU-RM.1371，TechnicalCharacteristics

[2]王麗娜.AIS研究及其應用進展[C].中國航海學會通信導ForaUniversalShipborneAutomaticIdentificationSystem

航專業(yè)委員會學術(shù)年會論文集，2006.UsingTimeDivisionMultipleAccessInTheVHFMaritime

[3]張杏谷，彭國均，項鷺，等.航標信息系統(tǒng)[J].大連海事大MobileBand.

學學報，2006，32（02）：21-23.[10]IEC62320-2，Maritimenavigationandradiocommunication

[4]IALARecommendationA-126onTheUoftheAutomaticequipmentandsystems–Automaticidentificationsystem

IdentificationSystem（AIS）inMarineAidstoNavigation，（AIS）–Part2：AISAtoNstations–Minimumoperational

Edition1.4[S].2008，12.andperformancerequirements，methodsoftestingand

[5]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空requiredtestresults，Edition1.0[S].2008，3.

圖1測試結(jié)果對比圖

從圖1可以看出，直接測得的COD曲線，確實帶有許

多毛刺，給分析測定帶來不利，而改進的濾波算法能夠?qū)y

量數(shù)據(jù)進行有效的處理，得到的曲線平滑，結(jié)果準確，也大

大提高了測試的重現(xiàn)性。所以，此改進的濾波算法在COD

水質(zhì)在線檢測儀進行數(shù)據(jù)處理時較為適用。

三、小結(jié)

本文根據(jù)COD水質(zhì)在線監(jiān)測儀進行COD測定過程中出

現(xiàn)的一些擾動現(xiàn)象，提出了一種新的濾波算法，并對所得到的

數(shù)據(jù)進行濾波處理，得到了較為滿意的測量結(jié)果，既保證了測

試結(jié)果的準確性，又避免了干擾信號的出現(xiàn)，提高了測試的穩(wěn)

定性，能夠適用于COD水質(zhì)在線檢測儀的數(shù)據(jù)分析處理。

參考文獻

[1]吳寶軍.基于卡爾曼濾波算法裝備維修器材需求量預測[J].

四川兵工學報，2009，30(8)：99-100.

[2]任小洪，王天文.一種加權(quán)均值濾波的改進算法[J].信息化

縱橫，2009，16：54-56.

[3]張旭，陳樹越.一種基于統(tǒng)計特性的鄰域值濾波算法[J].

電子學報，2004，7(32)：1108-1111.

[4]李秀峰，蘇蘭海，榮慧芳.改進均值濾波算法及應用研究

[J].光電子激光，2007，1(18)：113-116.