AIS数据分析与系统实现

维普资讯 http://www.cqvip.com

格式（符合ＩＥＣ６１　１６２—１）的数据是ＡＩＳ通信协议的数　据，而实际上，它是ＡＩＳ的应用层接口数据，真正ＡＩＳ　的链路层数据并不是ＡＩＶＤＭ格式．在ＡＩＳ设备内部、　ＡＩＳ网络中所进行处理的并非这种格式的语句，而是　下文所介绍的链路层数据．　ＡＩＳ设备首先从ＶＨＦ接收机中接收到物理层数　据之后，经过调制解调器处理，由ＭＣＵ做数据处理，　管包含６个连续（１），但不需要进行位填充．　１．１．３数据段　在一个标准数据包中数据部分长度应为１６８比　特．但是在ＡＩＳ中也存在长度少于５个时隙的非标准　数据包．　１．１．４帧校验序列（ＦＣＳ）　在ＡＩＳ中，ＦＣＳ根据［ＩＳ０／ＩＥＣ３３０９：１９９３］的规　定，采用循环冗余校验（ＣＲＣ）１６ｂｉｔ多项式来计算和　得到所需链路信息后，决定自身需要发送的数据以及　自身的发射时隙，当发射时隙到达之后，由ＭＣＵ控制　ＶＨＦ发射接收机发射数据．　１．１　ＡＩＳ数据包格式　ＡＩＳ采用面向比特的协议，该协议以ＩＳＯ／ＩＥＣ　３３０９，１９９３一数据包结构定义规定的高级数据链路控　制（ＨＤＬＣ）为基础．　ＡＩＳ发送包传输数据的总体结构如图２所示．　训练序列Ｉ开始标记圈■—啊在校验序列ｌ结束标记ｌ　缓冲　图２　ＡＩＳ发送数据包总体结构　各部分的编码要求分述如下．　１．１．１训练序列　训练序列是由交替的０和１（０１０１０１……）组　成的比特波形，如图３（ａ）所示．在开始标记之前，应　先发射２４比特的序文．由于通信模块要采用不归零　倒置（ＮＲＺＩ）模式组合（也就是差分码），所以物理层　数据的比特波形可如图２（ｂ）所示．　（ａ）未经ＮＲＺＩ处理的比特波形　）经过ＮＲＺＩ处理的比特波形　图３训练序列和ＮＲＺＩ处理　后面数据包中的其它部分的数据，在经过通信之　后，都要经过类似的ＮＲＺＩ处理．　１．１．２开始标记　开始标记的长度应为８比特，由标准的ＨＤＬＣ标　记组成，其作用为标识数据包的开端．ＨＤＬＣ标记由　８ｂｉｔ长的比特波形组成：０１１１１１１０（７Ｅｈ）．该标记尽　１０第七期２００７年技术篇　校验．在ＣＲＣ计算开始时应将ＣＲＣ码元预设为１．　ＣＲＣ计算中应该只包含包括位填充的数据部分．　１．１．５结束标志　结束标志与起始标志完全相同．　１．１．６缓冲　缓冲部分通常为２４ｂｉｔ长，包括以下四部分内容：　位填充　４比特（除安全相关电文和二进制　电文以外的所有信息）　距离延迟　１２比特　转发器延迟２比特　同步晃动　６比特　这种缓冲码一般是为了应对实际应用中的各种　可能情况对电文长度或者其它对接收方接收数据所　产生的影响，比如位填充，就是为了应对位填充所引　起的电文长度的增加（根据统计分析表明，有７６％的　组合最多需要３ｂｉｔ位填充）．其它缓冲类似．　１．１．７比特填充　以上所述各部分字段中，数据部分和ＦＣＳ比特　流应受位填充控制．也就是说一旦发现输出位流中连　续出现５个以上（１）时，应在该５个（１）后插入１个　０．这种方法适用于除ＨＤＬＣ标记（开始标记与结束标　记）以外的所有比特．　１．１．８　ＨＤＬＣ反转　ＡＩＳ规定，所有数据部分的内容都应该按照ＩＳＯ／　ＩＥＣ３００９：１９９３的规定：从ＶＨＦ数据链发出的数据应　是８ｂｉｔ的字节，在电文表中从上至下排列．各个字节　在输出时应该是最低有效位最先发送，并且为了保持　字节边界，最后一个字节中的无用比特应当置为零．　１．２消息类型说明　ＡＩＳ规定了２２种消息类型，其中常用的报　文类型如表１所示．　其中消息ＩＤ码（６ｂｉｔ）被包含在消息数据包中，　如图４所示，用以区别消息类型，接收站按照消息ＩＤ　码分析消息中各个数据的意义．具体的消息编码格　式，依据消息ＩＤ码的不同而有所不同．　维普资讯 http://www.cqvip.com

６ｂｉｔ信息ＩＤ码　下面以ＡＩＳ网络中最常见的消息ＩＤ为１，２，３的　丌　量童Ｉ　塑塑查Ｉ　墼　塑Ｉ丝　生型　！旦Ｉ堕塞塑查Ｉ堡’冲ｌ　船位报告为例，各个字段的详细分布如表２所示．　２４ｂｋ数据０１１１１１１０　１６８ｂ￣数据　ＣＲＣ校验码０１１１１１１０　２４ｂｎ缓冲　ｔ・Ｏ１・，组合　（７Ｅｈ）　（标准数据我）　（７Ｅｈ）　图４消息ｍ码在信息中的位置　表１常用报文类型列表　消息ＩＤ码　名称　说明　１　．　船位报告　定时的船位报告　２　船位报告　分配时间表的船位报告　３　船位报告　特别船位报告，对询问的回复　４　基地台报告　基地台的位置、ＵＴＣ、日期和时隙号码　５　静态和与航程有关的数据　定时的静态数据和与船舶相关的船舶数据报告　９　标准搜救飞机位置报告　仅为以ＳＡＲ运行的航空台站使用的位置报告　１０　ＵＴＣ／日期查询　查询ＵＴＣ时间和日期　１１　ＵＴＣ／日期回应　当前的ＵＴＣ时间　１２　编址安全信息　编址通信的安全信息　１３　安全信息确认　确认接收到的编址安全信息　表２电文３的比特具体分布列表　序号　参数　比特数　序号　参数　比特数　１　信息识别码　６　１０　纬度　２７　２　数据终端设备　１　１１　对地航向　１２　３　数据显示符　１　１２　正航首向　９　４　用户识别码　３０　１３　标时　６　５　航行状态　４　１４　转发显示符　２　６　转向率　ＲＯＴｒＡＩｓ１　８　１５　为地区性应用所保留　７　对地航速　１０　１６　备用位　１　８　船位精确度　１　１７　通信状态　１８　９　经度　２８　１８　总的比特数　１６８　２系统实现　要的两路ＧＭＳＫ调制解调器电路、ＡＩＳ所需要的　本系统采用硬件实现链路层的数据处理，硬件结　ＨＤＬＣ链路处理（ＨＤＬＣ反转、插零／去零操作）、采用　构图如图５所示．　ｃ总线结构与主控芯片通信．　在本系统设计中，主要包括ＲＳ－２３２接口、主控芯　Ｃ总线结构总共包括４条连接线：ＣＳＮ——芯片　片（采用增强型５１系列芯片）、调制解调芯片（采用　选通控制线；ｃＤＡＴＡ——主控芯片向ＣＭＸ９１０数据的　ＣＭＸ９１０芯片）以及电台接口电路构成．　输入线（包括芯片内部寄存器控制数据和ＭＣＵ需要　其中，ＣＭＸ９１０芯片是英国Ｃｏｎｓｕｍｅｒ　Ｍｉｃｒｏｃｉｒｃｕｉｔｓ　发送的数据）；ＳＣＬＫ——由主控芯片控制的与　Ｌｉｍｉｔｅｄ公司２００５年３月推出的一款专门面向ＡＩＳ调　ＣＭＸ９１０通信所需的时钟信号；ＲＤＡＴＡ——一根三态　制解调设计的一款基带处理芯片，它集成了ＡＩＳ所需　线，用于主控芯片从ＣＭＸ９１０芯片读取数据．　技术篇２００７年第ｔ期　１１　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＣＭＸ９１０对数据包的处理流程如图６和图７　蓝卜］　器Ｉ　Ｉ鉴频ｉ所示．　采用这种实现方式后，由于完全是由芯片来完成　有关的底层编解码，所以主控ＭＣＵ所要做的事情相　对比较少，可以降低对ＭＣＵ的要求，可将其主要用来　实现ＡＩＳ协议控制．　ｌ　号　囊直流ｌＩ　信号　囊直流ｌ　ｌ　调制解调器芯片　（采用ＣＭＸ９１０　芯片　３实际数据包接收试验说明　以下是在根据上述的硬件实现方案实现的系统　在深圳赤湾试验时，通过ＲＳ２３２接口传送到上位机的　部分数据．详细分析如下．　由于在ＣＭＸ９１０中，对解调后的数据进行了部分　处理（ＨＤＬＣ反变换、去零操作），所以得到的数据并　没有数据头和多余部分，而仅仅在其中包含了实质性　数据的数据段数据．具体分析如下：　…　ＭＣＵ　（采用增加性５１系列　处理器）　外面扩展（包括ＭＡＸ２３２芯　片扩展的ＲＳ－２３２接口组）　图５硬件系统结构框图　１１．２２．２００３　１５：３９：１６　４　９７　Ａ２　Ｆ７　Ａ４　０　０　７２　９　３９　９８　Ｃ　ＤＢ　１　Ｄ　Ｃ　ＡＤ　Ａ６　Ｄ２　０　８　９Ｄ　Ａ８　８Ｅ　７Ｅ　４　９７　Ａ２　Ｆ７　Ａ４　０　０　８２　９　３９　６６　Ｃ　ＤＢ　１Ｄ　Ｄ　１０　ＡＡ　７６　１　０　５Ｃ　１７　５Ｂ　７Ｅ　Ｃ　９７　Ａ２　Ｆ７　Ａ４　０　０　Ｂ２　９　３９　６６　Ｃ　ＤＢ　２３　４Ｄ　２Ｆ　ＡＤ　Ｅ　０　Ｆ　８０　７Ｄ　２Ｃ　７Ｅ　Ｃ　９７　Ａ２　Ｆ７　Ａ４　０　０　Ｅ２　９　３９　６６　Ｃ　ＤＢ　２３　４Ｄ　Ｂ２　Ｂ１　９Ａ　０　１Ｆ　Ａ０　７１　９９　７Ｅ　１０　１　２３　５Ｅ　４０　７Ｄ　５Ｂ　Ｂ１　Ｆ０　５４　８２　５Ａ　ＢＥ　６３　３４　８Ｂ　Ｆ８　４０　０　４Ｅ　Ｃ０　８Ｄ　Ｂ１　７Ｅ　１５：４７：５９　编码：　据到第８８位数据（即０１０００００１００１００１１１００　１１００１１００００）应该表示的是该消息发送方的经度，根　据ＡＩＳ的数据标准，该数据对应的十进制数据为：　６８３１８００（１／１００００弧度），即经度为东经１１３度５１分　８（１／１００００弧度）；而从第８９位数据到第１１５位数据　图６　ＣＭＸ９１０芯片内部编码过程　则应该是该消息发送方的纬度，同样可以由此计算出　该数据表示的纬度为北纬２２度２８分４．　同样地可以得到第二行数据的经度为：东经１　１３　度５１分７９（１／１００００弧度），纬度为北纬２２度２８分４　解码：　哑　囹　匝　一　（１／１００００弧度）；第三行数据的数据类型为３号报　文，该报文发送方的经度为１１３度５１分７９（１／１００００　弧度），纬度为北纬２２度２８分５（１／１００００弧度）；第　四行数据同样为３号报文，该报文发送方的经度为　１１３度５１分７９（１／１００００弧度），纬度为北纬２２度２８　分５（１／１Ｏ０Ｏ０弧度）．　图７　ＣＭＸ９１０芯片内部解码过程　首先每一行数据的结束位置都是７Ｅ，这是每一　个数据包的结束标志．　从每一行的首位数据开始分析：第一行数据的第　一最后一行的报文类型，可以从前六位数据（０００１，　００）知道该消息包为４号报文，从表１可知该报文是　基地站报文，从该报文内容可以得到：发送时间为　个字节的数据为０４Ｈ（００００，０１００），依照图４所示　的ＡＩＳ的消息结构图，从前６ｂｉｔ（即００００，０１）的数据　就可知道该消息的ＩＤ，所以该消息ＩＤ为１号类型数　据．则可从上面的表２中得知该数据包的第６１位数　１２第七期２００７年技术篇　（第３８位一７８位）：２００５年１１月２２日７时４８分２１　秒；基地台的位置——经度（第８０位～第１０７位）东　经１１３度５４分３２８３（１／１００００弧分）；纬度（第１０８位　维普资讯 http://www.cqvip.com

～１３４位）北纬２２度２４分３８３８（１／１００００弧分）．　４总结　由于我国所在的时区与格林威治标准时间　本文论述了处于ＡＩＳ链路层的数据格式，同时分　（ＧＭＴ）之间相差八个小时，我国的时间等于ＧＭＴ＋　析了链路层数据的各个组成部分，并给出了ＡＩＳ系统　８：００．而ＡＩＳ设备接收的是ＧＰＳ的时间，也就是ＧＭＴ　实现的硬件设计框图．按照本文的设计方案得到的系　时间，因此，当ＡＩＳ接收到的数据是７时４８分２１秒　统能够在网络中正确地接收数据，并且只需要扩充相　时，我国的时间应该是ｌ５时４８分２１秒，与接收设备　应的ＡＩＳ网络控制协议，即可满足ＡＩＳ的网络要求．　显示的终止时间“１５：４７：５９”（该时间是计算机系　统时间）相差２２秒．这段时间是由于ＡＩＳ系统并非实　参考文献：　时向Ｐｃ机传送数据，而是在系统空闲时才传送数据　［１］Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｆｏｒ　ａ　ｕｎｉｖｅｒｓｌａ　ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ　ａｕｔｏ－　ｍａｔｉｃ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　而产生的．　ａｃｃｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＶＨＦ　ｍａｒｉｔｉｍｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｂａｎｄ［Ｍ］．ＩＴＵ－ＲＭ．　而从所有报文中，解得的所有报文的ＧＰＳ定位　１３７１．２００１．　信息都显示，这些船舶和基站所在的位置在东经１１３　［２］袁安存，张淑芳．通用船载自动识别系统国际标准汇　度５４分、北纬２２度２４分左右，而这个位置正是接收　编［Ｍ］．大连：大连海事大学出版社，２００５．　机所在的深圳、附近，所以认为以上接收解包方　［３］孙文力，孙．船载自动识别系统［Ｍ］．大连海事大　式所得的结果是完全正确的．　学出版社，２００４．　综上可知，按照本文的系统结构设计的接收机所　［４］黄丽卿，等．ＡＩＳ输出数据包的解包技术研究［Ｊ］．集美　得到的数据是完整的ＡＩＳ网络信息，并且文中对ＡＩＳ　大学学报（自然科学版），２００５（３）：３７－４１．　［５］郑佳春．ＡＩＳ通信协议的ＤＳＰ实现技术研究［Ｊ］．中国　空中数据的理解是完全正确的，在对本系统进行扩　航海，２００５（１）：５３—５８．　充——增加了必要的链路层控制和网络层控制协议　［６］陈朝阳，等．ＡＩＳ通信系统设计及调制器实现［Ｊ］．中国　之后，即可设计满足ＡＩＳ标准的设备．　航海，２００３（２）：６５－６９．　（上接第２页）　机技术在国内的范围还较小，一般仅集中在多体动力　用虚拟样机技术，对其工程机械进行了分析，不仅找　学实验室研究阶段，由于缺乏相应软件，还很少用于　到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上　解决工程实际问题．　验证了方案的有效性，该公司产品的高速性能与重载　作业性能大为提高．　４虚拟样机技术的工程应用　总而言之，虚拟样机技术是一门新兴的技术，有　虚拟样机技术已经广泛地应用到：汽车制造业、　着广阔的前景及市场．　工程机械、航空航天业、国防工业及通用机械制造业　等领域．所涉及到的产品，从庞大的卡车到照相机的　参考文献：　［１］熊有伦．机器人技术基础［Ｍ］．武汉：华中理工大学出　快门，上天的火箭到轮船的锚链．在各个领域，针对各　版社，１９９６．　种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间，并　［２］黄文梅，杨勇．系统仿真分析与设计［Ｍ］．北京：国防　提供了满意的设计方案．　科技大学出版社，２００１．　工程机械在高速行驶时的蛇行现象，以及在重载　［３］纪哲锐．ＭａｔｈＣＡＤ２００１详解［Ｍ］．北京：清华大学出版　下的自振动，一直困扰着设计师及其用户．由于工程　社，２００２．　机械系统非常复杂，传统的分析方法对此为力，　找不出原因．约翰迪尔（ｊｏｈｎ　Ｄｅｅｒｅ）公司的工程师利　技术篇２００７年第七期　１３