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基于AIS的船舶避碰数据采集系统设计.pdf
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基于 AIS 的船舶避碰数据采集系统设计
摘要
AIS ( Automatic Identification System)是工作在 VHF 海上频段的船舶和岸基广播数
据传输系统。它是一种可在船与船之间以及船与岸之间交换数字信息的工具。本文首先对 AIS
及基于 AIS 船舶避碰系统进行简介,对 AIS 的基本组成、基本功能,AIS 的工作过程、通信协
议、技术标准、本课题国内外研究动态等进行综述。研究了基于 AIS 的船舶数据采集系统,
从静态信息:船长及宽度、船舶类别及 AIS 定位仪天线在船舶所处位置等;动态信息:精确
及完整的船舶位置对地航线、对地速度、船首向和转向速度等;航行相关信息:船舶吃水、
目的地、计划航行路线等;安全相关的短信息:重要的航行警告或重要的气象警告等进行整
体的研究及分析。
本文先对数据结构进行分析,从本船传感器提取的信息数据主要有 DGPS 数据、Gyro 数据、
Log 数据等。由 DGPS 数据可以得到船舶对地航向、对地航速、GPS 位置信息。由 Gyro 数据还
可以得到转向率,由 Log 数据可以得到航速。对这些数据进行滤波处理,可进一步得到更准
确、可靠的数据。针对接收到的数据,设计了模块电路:鉴频电路的设计,采用了互感耦合
鉴频器。解码电路的设计,用 FSK 调制解调电路进行说明,并对其相关的原理进行了介绍。
采用了 C5402DSP 芯片,并对它的功能,模块流程图进行了详细的介绍。本文还采用了RS-485
接口电路和 LCD 显示电路的设计。最后还进行软件流程的设计,并编译部分相关的程序。
关键词:船舶避碰;AIS;数据采集
Abstract
AIS (Automatic Identification System) is a work in VHF marine band radio
to ships and shore-based data transmission system.It is in between vessels
and between vessels and shore exchange of digital information tools.This
article first AIS and AIS-based collision avoidance system profile, the
basic components of the AIS, the basic function, AIS of the work process,
communication protocols, technical standards, application research of this
topic are summarized.Of AIS ship-based data acquisition system, from static
information: the captain and the width of the AIS ship type and ship locator
antenna location, etc.; dynamic information: accurate and complete
location of the land routes of ships, and ground speed, the bowto speed
and steering; navigation information:
draft,ships,destination,plannednavigationroutes; security-related short
message: important navigational warnings or important meteorological
warnings to the overall research and analysis.
This article first analyzes the structure of the data from the ship
sensor information data extracted mainly DGPS data, Gyro Data, Log
data.DGPS data can be obtained by the ship-to-ground course, ground speed,
GPS location information.Data from the Gyro can be turned to the rate of
speed by the Log data can be obtained.Filtering of these data, further more
accurate and reliable data.For the received data, the design of the module
circuit: Kam-frequency circuit design, using a mutual inductance coupling
frequency discriminator.Decoding circuit, with FSK modulation and
demodulation circuits are explained, and its related principles were
introduced.Used C5402DSP chip, and its function, module flow chart for a
detailed description.This article also uses RS-485 interface circuit and
the LCD display circuit design.Finally, the software design process, and
compile some of the relevant procedures.
Keywords: Collision avoidance; AIS; Data Acquisition
目录
第 1 章 绪 论 .................................................................................................................................. 5
1.1 课题的目的和意义............................................................................................................ 5
1.2 课题的提出 ....................................................................................................................... 5
1.3 国内外发展现状................................................................................................................ 5
1.4 论文的构架 ....................................................................................................................... 6
第 2 章 AIS 简介............................................................................................................................. 7
2.1 AIS 的由来 ...................................................................................................................... 7
2.2 AIS 的功能 ......................................................................................................................... 7
2.3 AIS 的工作过程 .............................................................................................................. 7
2.4 AIS 的技术标准及特点 .................................................................................................. 8
2.5 AIS 工作模式 ..................................................................................................................... 9
2.6 AIS 协议数据格式与内容 ............................................................................................... 10
第 3 章 数据采集系统方案设计................................................................................................... 13
3.1 基于 AIS 船舶避碰系统的提出 ..................................................................................... 13
3.2 基于 AIS 船舶避碰系统的功能与结构 .......................................................................... 13
3.2.1 基于 AIS 船舶避碰系统的功能 .......................................................................... 13
3.2.2 基于 AIS 船舶避碰系统的结构 .......................................................................... 14
3.3 数据采集系统方案的设计............................................................................................... 15
3.4 DSP 芯片模块的设计 ...................................................................................................... 16
3.4.1 AIS 的关键技术研究 ............................................................................................ 16
3.4.2 船舶避碰系统整体结构设计............................................................................... 16
3.4.3 主要模块划分....................................................................................................... 17
3.4.4 AIS 信息的采集 .................................................................................................... 17
3.4.5 DSP 和 FPGA 的接口设计 ................................................................................... 18
3.4.6 DSP 和 FPGA 与其他外围电路的接口设计 ....................................................... 19
第 4 章 模块电路的设计............................................................................................................... 20
4.1 鉴频电路的设计............................................................................................................ 20
4.2 FSK 调制解调电路的设计 .............................................................................................. 21
4.2.1 基本原理............................................................................................................... 21
4.2.2 FSK 信号调制方式的实现 ................................................................................... 22
4.2.3 FSK 信号解调方法的实现 ................................................................................ 23
4.3 FSK 和 DSP 接口电路的设计......................................................................................... 24
4.4 RS-485 接口电路的设计 ................................................................................................. 24
4.4.1 RS-485 接口标准概述 .......................................................................................... 24
4.4.2 RS-485 的特性及原理 .......................................................................................... 24
4.4.3 RS-485 系统调试期间出现的问题....................................................................... 25
4.5 RS485 与 DSP 接口电路设计 ......................................................................................... 26
第 5 章 基于 AIS 船舶避碰系统软件设计 .................................................................................. 27
5.1.引导程序流程设计........................................................................................................... 27
5.2 初始化程序设计.............................................................................................................. 31
5.3 DSP 运算主程序 .............................................................................................................. 32
5.3.1 DSP 中断服务子程序 ........................................................................................ 32
5.3.2 接受数据中断服务子程序................................................................................. 35
5.3.3 发送数据中断服务子程序................................................................................. 35
小结 ................................................................................................................................................ 37
致谢 ................................................................................................................................................ 38
第 1 章 绪 论
1.1 课题的目的和意义
船舶自动识别系统(Automatic Identification System,简称 AIS )是一种以自组织时分
多址为核心技术的船与船,船与岸台之间通信导航系统。船舶自动识别系统工作在海上 VHF
频段,运用 SOTDMA 方式发射船舶数据,将本船的信息:海上移动识别码,船名,静态信息及
动态信息等,经接口电路转换后送信息处理器,经处理后的信息通过接口电路通过 VHF 发信
机发送到 VHF 信道,在此信道守听的目标船就可以接受。设置 AIS 的目的是为了自动船舶识
别、避免船舶碰撞、协助目标跟踪、减少话音报告、简化信息交换并提供附加信息以帮助了
解船舶交通状况。AIS 具有补充现有船舶导航存在的缺陷,减少船舶碰撞事故;提高搜救遇险
船舶的速度;增强雷达,船舶交通管理系统的功能。AIS 能自动与目标船舶/岸台建立通信,
并保证通信的可靠性,帮助船舶有效导航,改善航行安全,增强对覆盖区域船舶的识别和监
控;为船舶航行提供新的观测手段。目前,AIS 已在越来越多的海船上配置,作为雷达的补充,
用作船舶之间避碰和自动交换信息的重要助航工具。AIS 作为一项最新技术在最近几年得到迅
速发展,由理论研究阶段进入到使用阶段。AIS 作为 IMO 要求必须配备的助航设备,具有很强
的信息传输功能,有利于港口交通管理和船舶航行安全。
1.2 课题的提出
为保证船舶的安全营运,现代航海技术已经得到广泛应用并保持持续快速的发展,如雷
达 ARPA、AIS、ECDIS 的综合运用;基于高精度定位等各类传感器技术的应用;基于网络的本
船内部及远程实时或近于实时的监控等等,对防范船舶碰撞、触礁、触浅等海事的发生发挥
了重要作用。如何接受并采集到正确的信息数据则成为防范船舶碰撞首当其冲的问题,这也
是本文针对这一问题所进行的一系列的研究,并设计相应的方案。基于 AIS 的船舶避碰数据
采集系统设计对驾驶员参考到的数据有着十分重要的意义,因此这个问题的提出并设计对航
海有着重大的帮助。
1.3 国内外发展现状
上个世纪,VHF 通信技术被广泛地应用于船舶通信领域。雷达、ARPA 具有识别船舶的功
能但是由于它们自身的局限性而无法适应现代航运安全的需求;随着计算机技术、数字通信
技术以及网络信息技术的飞速发展,AIS 的技术基础已经形成,在航运界对助航设备的要求越
来越高的情况下,船舶自动识别系统应运而生。船舶自动识别系统首先被用于航海避碰。由
于雷达特性的限制,以及不是所有的船都装备有这个设备,因而它首先被用做为一种监视与
判断碰撞的危险度的一种方式。获得船舶自动识别系统发送的数据对于船舶避碰非常重要。
AIS 系统的主要应用领域是船舶避碰和船舶交通管理系统。AIS 系统提供了前所未有的船
舶标识信息和高实时性的精确的船舶运动参数(船位、对地航向、对地航速以及船首向等)。
它与当前的雷达相比具有提供信息量大,实时性好,抗干扰能力强和越障碍传输等优点,是
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