基于AIS的船舶监控系统 毕业论文.doc

基于ais的船舶监控系统摘要船舶自动识别系统（ais）是一种综合了卫星定位、陀螺罗经、计程仪等导航设备的信息，通过vhf数据链向外播发与接收相应信息，并在雷达或电子海图等显示设备上显示周边船舶位置及航行动态信息的新型导航通信系统。通过ais获取到所需船舶的动态及静态信息，就可以对船舶进行全方位、实时的监控。船舶实时监控系统是利用自动识别系统(ais)、电子海图系统、数据库技术对所有装有ais设备的船舶进行监控。监控中心通过串口接收ais接收机传来的ais数据电文，解析后一边送到ais船舶数据库存储，一边直接送到电子海图平台上进行实时显示，用户在电子海图平台上通过读取ais船舶数据库来获得所需船舶信息。本文系统分析了当前ais发展状况，介绍了ais的组成、网络体系结构、与ais信息处理相关的接口协议，提出系统的总体设计方案并对系统的功能进行划分，然后以visual c+60为开发工具，对ais信息电文进行解析处理，并把解析后的数据存储到sql server数据库中。系统通过测试基本能达到设计的要求。关键字：船舶自动识别系统，实时监控，电子海图，sql server数据库1abstractautomatic identification system(ais)is a system which consists of satellite position，pegtop compass，log etc，it can transfer and receive information through vhf data link，and display nearby watercrafts position and navigational dynamic information on radar or electric chartthrough the ais system we can acquire the ships dynamic and static information and can monitor the ship omni-directionally and real-timely.the vessel realtime tracking system employs the automatic identification system(ais)，electronic chart display and information system(ecdis)and database technology to control and monitor all vessels equipped with aisthe data message received by the monitoring center through the serial interface will be resolved and then be sent to the ais vessel database for storagemeanwhile it will be sent to the ecdis platform for real-time display from which users could obtain the information about vessels when reading the charts.in this paper the current ais development is illuminated systematically, introduced the composition of the ais，the architecture of network system，and the agreement related to the interface information of the ais，based on which the overall design project of the system has been proposed and the functions of the system has also been categorizedusing visual c+60 as the developing tool，we have resolved the ais information message，also including how to store parsed data to sql server database. the system has passed the performance test and we have demonstrated that the system design is rational and meets the design requirements.key words: automatic identification system, real-time monitoring, electronic chart, sql server database 1目录前言11 船载ais的结构与功能3 1.1 ais的构成3 1.1.1 数据的采集部分3 1.1.2 信号处理与系统控制器41.1.3 信息显示器41.1.4 vhf收发机部分 41.2 ais的功能特点 41.3 ais的网络体系结构 51.3.1 物理层51.3.2 数据链路层61.3.3 网络层61.3.4 传输层62 船载ais原理72.1 船载ais的工作原理 72.1.1 tdma数据链同步72.1.2 ais时隙接入协议 82.2 自组织通信原理93 ais接口协议113.1 iec 61162协议 113.1.1 电气规范113.1.2 语句格式及符号123.2 itu-r m.1371-1协议134 系统总体设计 144.1 系统功能144.2 系统框架154.3 系统数据164.3.1 数据流程164.3.2 数据存储175 电子海图显示 175.1 电子海图概述175.2 海图信息显示185.3 图像缩放196 系统实现及校验 206.1 串口通信206.2 相关电文解析216.2.1 itu-r m.1371-1电文解析216.3 信息显示236.4 系统组成246.5 运行结果25前 言近年来，世界范围内的航运市场在飞速发展，港口船舶密度越来越大。尽管现在的航海技术有了长足的进步，但是海上船舶碰撞事故还是经常发生，给海上人命安全及海洋环境造成极在的威胁。产生这种现象的原因主要是由于用于船舶管理及避碰的各种助航仪器设备不能充分满足海上监控及通信的需要。当前航海上用于船舶监控的主要设备是雷达，船舶间为了航行安全而进行通信使用的设备主要是甚高频(vhf)无线电话。雷达设备是根据屏幕上的物标回波来识别目标的，这并不能直接反映目标的大小，在正常情况下，靠雷达回波也不能可靠地估计出目标的航向航速等一些对船舶航行十分重要的参数，特别是当船舶改向机动时，雷达回波会有一定的延时，即便是雷达自动标绘仪也是这样的。此外，目前船舶间通信依靠vhf无线电话，但由于没有有效的手段及时取得对方的标识信息，通信时只能靠通报自己或对方的船位来相互识别，这在船舶密度大的水域或是在船舶处于紧迫局面时是很难实现的1。国际海事组织(international maritime organization，imo)和各国主管部门通过制定和实施避碰规则，规定强制配备必要的助航设备，建立vts、船舶报告制度等措施来管理船舶的安全航行，但船舶的碰撞事故还是屡屡发生。为了进一步提高船舶安全航行的性能，有关机构和厂商对助航设备进行着不断的研究和开发。船舶自动识别系统(automatic identification system，ais)就是在当今通信技术和计算机技术飞速发展的背景下应运而生的。ais实际上是一移动通信系统，它在海上vhf频段采用sotdma方式播发船舶的静态数据和动态数据，同时接收其它船舶发出的信息并显示。这将有助于船舶的识别和信息交换，从而提高船舶航行安全和效率。ais的目的是让所有船舶都安装有自动应答和识别装置，装有这种装置的船舶就可以互相“看得见”。船舶之间“看得见”，意味着不须人为介入便能够连续交换重要的航行数据，包括当前航行状态和其它动态信息。这对航海的安全、海上交通的控制和海事环境的监视是非常有益的。ais系统的出现对传统的船舶监控带来新的理念，使海上船舶管理发生很大变化，各方通过ais将获取到所需船舶的动态及静态信息，可以对船舶进行远程、实时的监控。ais是依靠岸基的vhf岸台和移动的船舶安装无线应答器系统来工作的。基于一个可由控制站操作员调整的时间表，基站对所有的船在70信道上发出一个电信号。这个信号可以是广域的，也可以是局域的。只有安装了ais系统的船对呼叫产生应答(不是已经登录到系统的船)。基站在船的移动中自动获得信息。ais电脑将决定在工作信道上进入船舶的系统或者是在70信道上监视船舶。ais基站将一组数字和信道按顺序分配给船台。船台就会切换到ais信道。在适当的时间，基站会将其他所有的船在系统中的数据通知给船台。船和岸、船和船、岸和船的信息传递已经实现了。操作员以特定的目的输入一个空的表格文本信息。ais电脑从自己的操作员或者船台得到发送指令后会将信息打包成合适的尺寸和次数并发送出去。经过授权的用户可以通镜像位置看到控制台操作员所看到的所有一切，并能放大或者缩小控制地带中的任何区域。选择的船舶的所有可能的信息都会在屏幕上显示出来。电脑屏幕可以将所有航船的电子海图信息和图标再发送出去。操作者自己的信息，跟所有被选择的船一样，包括航程、航线的数据，在任何时间都可以提供。1998年10月imo nav（航行安全技术分委会)第45次会议，对将于2002年7月1日生效的solas公约第v章第20条(船载航行系统和设备的配各要求和运行标准)中，扩大了设备系统配备要求范围，其中较为重要的自动化航行设备有“通用船载自动识别系统(ais)”和“航行数据记录仪(vdr)”，提交2000年5月imo msc大会通过。我国对ais研究工作与国际先进的国家相比开展的比较晚，但后续的发展速度很快，有相当多的关于ais的文章发表，交通部海事局也于2000年开始组织有关人员开展对ais的研究工作，编写了ais应用技术研究报告和中国海事ais配布方案，各科研单位、相关院校和海事部门也在积极开发基于ais的船舶监控系统，有些系统已投入使用并且在不断完善之中。随着我国ais岸台网络系统的逐步建设完善，在研究利用ais进行的船舶远程及实时监控时，为了对船舶进行有效监控，必须利用ais设备通过串口对船舶所发的动静态信息进行接收，目前，pc机一般都有串行接口，所以要利用visual c+60开发一个串行通信类，并在此基础上编写对ais协议的解析程序。通过串行接口接收的数据是按照ais的iec61162标准封装的二进制数据。必须对这些数据进行解析，才能知道具体的通信内容。把解析后的数据存储到数据库中，是这部分需要完成的任务，而且希望对它的改动不会影响到整个系统。因此，本部分程序做成了动态链接库的形式，对它的调用不受编程语言和调用程序的影响。为了对接收到的ais船舶动静态数据进行存储，本文设计了ais数据接受和发送两个数据库，分别存储接收到的其他站台信息和本船信息及本船发送给其他台站的信息。为了直观地监控船舶的动向，就要把接收到的数据实时显示在电子海图上。系统通过调用相应的电子海图，把收到的船舶当前经、纬度，转换成设备坐标，在屏幕上画出船舶的位置。并且，设计一个界面，用来察看船舶详细信息和发送消息，以及显示历史信息。 随着我国ais在船舶监控领域的发展，必将加快海事管理现代化的进程，同时将带动我国相关行业的技术进步和经济发展。1 船载ais的结构与功能ais采用专用的国际频道，按规定的通信方式和运行模式，在其信号覆盖区域内，自动向邻近的岸台和其他船舶播发本船的呼号和船名、船长和船宽、船舶与货物类型、船位、航向和航速等航行状态及安全信息。同时，能自动接收来自配备ais设备的船舶所播发的上述信息，以及岸台ais播发的相关信息。1.1 ais的构成ais的基本构成包括：数据的采集部分、信号处理与系统控制器、信息显示器、vhf收发机部分等。如图1.1所示：图1.1 ais的结构组成1.1.1 数据的采集部分 接收来自gps接收机的本船船位、对地航速、同步utc以及来自电罗经的本船对地航速等信号，转换成数字信号并输入信息处理器，还有包括从输入装置中输入的信息。接口电路对所采集的gps及其它传感器数据进行转换处理，并输入信息处理器。1.1.2 信号处理与系统控制器此为ais的核心部分，通常是一个嵌入式微处理系统，用于存储本船识别码、船名、呼号、船型等静态信息以及船舶吃水、危险货物类型、航线等航行相关信息；处理并存储本船动态信息；将存储本船最新航行数据和必要的静态信息以及与航行相关的其它信息进行编码后送至发射机；对接收来自周围其他船舶的航行数据进行编码并存储解码后的数据；将本船和其他船舶的航行数据等信息送至信息显示器显示；信息处理器中包括船舶的静、动态数据库以及对信息的处理、管理控制、时隙选择、同步监测、显示等相应软件。系统控制器控制vhf收发机在vhf的ch87b(161.975mhz)、ch88b(162.025mhz)两个国际专用频道自动发射和接收通信协议规定的gmsk信号。gmsk调制方式可改善msk信号频谱特性，确保以尽可能窄的频带传输尽可能高的信息流。ais的工作方式有自主连续模式(automatic and continuous)、分配/指配模式(assigned)和轮询/受控模式(polled or controlled)。1.1.3 信息显示器顾名思义，用于显示各种数据及状态信息，监视系统运行状况。通常与雷达、arpa及电子海图显示器融为一体。1.1.4 vhf收发机部分 vhf收发机由系统信息处理器控制，按照iec61162协议，用vhf的ch87b(161975mhz)，ch88b(162025mhz)两个国际专用频道自动发射和接收通信协议方案规定的高斯滤波最小频移键控(gmsk)信号，已调信号中含有本船和他船和航行信息，ais同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在这两个频率上交替进行。此外，主管部门还可以指配ais的区域性频率。1.2 ais的功能特点系统工作特点：在所有区域内自主和连续工作，由交管监视中心指配工作模式，以便于主管部门控制数据传输的间隔和时隙，数据的传输响应来自于船舶或主管部门的询问，有轮询和受控两种模式。系统传输的静态信息：imo编码(如有)、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、定位天线在船上的位置。系统传输的动态信息：船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航行状态、转向率、横倾角(选用项)、纵倾和横摆(选用项)。系统传输的航行相关信息：船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划(选用项)、简明的安全信息。技术特点：ais采用自组织时分多址联接(sotdma)工作模式，无线传输的带宽为25khz12.5khz，fmgmsk调制方式和nrzi数据编码方式，数据传输的比特率为9600bs。1.3 ais的网络体系结构开放系统互联(osi)，是is0推荐给计算机网络通信的参考模型，其从高层到低层的一共有七层。osi七层模型称作开放式系统互连参考模型(简称0si模型)。其原本开发的目的是为了基于计算机的系统间建立可相互理解和辅助发展数据连接而提供一个通用结构，它可以在众多不同的数据和通信协议间建立起符合国际标准的系统。ais作为vhf无线通信网络，引入osi概念，其采用了osi的低四层结构，即物理层、数据链路层、网络层、传输层。表1.1表示了ais的分层模型。表1.1 ais的osi模型应用层表达层会话层传输层信道a 网络层 信道b链路管理实体数据链路链路管理实体数据链路服务数据链路服务媒体访问控制媒体访问控制物理层接收机a发射机a/b接收机b1.3.1 物理层物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流。主要处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。ais中的物理层负责比特流传输、vhf收发机的功率控制、控制收发机和信道时序等工作，其性能参见表1.2所示：表1.2 物理层性能参数参数名数值比特率9600bit/s数据编码方式nrzi（反相非归零）无级传输带宽25khz/12.5khz调制方式dmsk（高斯最小键控）/fm1.3.2 数据链路层数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路。它要解决由于帧的破坏、丢失和重复所出现的问题。要解决的另一个问题就是防止高速的发送方的数据把低速的接收方“淹没”，因此需要流量调节机制。该层又分成三个分层：媒体访问控制(mac)；数据链路服务(dls)；链路管理(lme)。媒体访问控制(mac)提供联接vhf数据链的方法，向上面的子层提供透明的服务。主要功能可以分为tdma信道同步、时隙状态的判别和处理、信道访问等。同时，mac子层还采用一定方法对从物理层接收到的数据进行crc校验处理。ais系统以utc时间为基准，将utc时间的1min作为一帧，并将其分为2250个时隙。ais台互相之间连续同步，避免了时隙发射的重叠。数据链路服务(dls)的作用是数据链路的激活和释放、数据传输及误差检测与控制。数据链的激活和释放功能是基于mac层，dls层侦听、激活或释放数据链，根据时隙识别的结果，若当前时间段被标注为空闲或外部分配状态时，表明设备处于接收模式，并负责侦听数据链上其它用户的情况。数据传递，采用面向比特的协议，该协议基于高级数据链控制(hdlc)。误差检测和控制的处理运用crc多项式计算求和。链路管理(lme)的功能是控制dls、mac层和物理层的运行。包括ais台的三种工作模式、数据链的连接、接入算法的确定。包括信道访问时的各种参数的确定、报告速率的指定、发射时隙的指定、信息结构和信息类别等。1.3.3 网络层网络层的主要作用是信道管理，建立和保持信道发射信息包的分配和数据链拥塞的解决等。其功能有：(1)建立和维护信道连接；(2)信息优先分配的管理；(3)信道间传输组的分配；(4)解决数据链阻塞的问题，当数据链的负荷达到危害信息发射的程度时，可以使用robin hood准则来解决。1.3.4 传输层这一层负责将数据转换成大小正确的发射信息包、数据分组排序和与较高层的接口规程。发射信息包的定义是最终能与外部系统进行通信的信息内部表述法，有尺寸大小并遵从数据传输规则。其来源是位置传感器，如gps。ais的信息是通过信息数据包来传输的，一帧为1min，分为2550个时隙，每个时隙还有256bits。如图1.2所示：图1.2 ais数据帧组成对准序列也称同步码，它把收发两端时钟对准，并使码位对齐，以给出每个码元的判断时刻。开始标记称字同步，它表示信息的开始位，作为信息起始的时间标准。信息数据是所需传输的信息内容，它分为信息标志和信息内容。信息标志表示信息类型、信息数量、优先级和路径。信息内容既通信双方所需求的数据。帧校验序列用于检测传输的数据是否正确，其采用循环冗余校验(crc)。结束标记表示信息传输结束。2 船载ais原理2.1 船载ais的工作原理 ais采用时分多址(tdma)通信方式，它把每个信道的时间分成固定的时隙，而tdma技术需要所有电台保持时间上的同步。2.1.1 tdma数据链同步在ais中，共同的时间参考基准是协调世界时，主要的时间源是gps时间。当然，其它与utc相关的时间也可以作为ais的时间源。因此，ais的tdma数据链路上的每一帧与协调世界时的每一分钟同步。ais采用以下4中方法来产生对utc时间的估计：(1)直接与utc同步装备了gps接收机的用户能够自己估计utc时间(gps时间)。这是使ais独立于岸站的主要时间参考。(2)间接与utc同步当一个电台不能从gps接收机中得到utc时间，但能接收到与utc同步的其他电台的信号时，这个电台将与他们中的一个同步。(3)与岸台同步(直接或间接)若船台不能用以上的方法同步，但能接收到岸台的信号，这个台将同于接收的岸台中能接收到的台站数量最多的那个台站。当船台能接收到几个接收台数量相同的岸台发送的信息时，应选用海上移动业务识别(mmsi)最小的岸台。(4)与一个移动台同步当某个海区的移动台都丢失了utc时间基准，并且接收不到岸台的信号时，这些台将同步于它们之中能接收到的台站数量最多的那个移动台。当船台能接收到几个其他船台发送的消息，而其中每个台所能接收到的台站数量相同时，移动台应选用mmsi最小的船站，该船台将成为同步调整的信号台。当一个船台无法获得utc时，应采用后续两种方式：(1)时间相位同步时间相位同步是指台站秘用从其他台站或岸站接收的信息对自身进行同步调整的方法。船台通过时间相位同步可以保证台站问具有较高的同步稳定性，并能保证不会产生消息边界的重叠。是否采用时间相位同步必须等到接收到结束标志和有效的检验序列之后再决定。(2)帧同步帧同步是指船台将接收到的其他船台或岸站的当前时隙号作为自己的当前时隙号，以保证自身的帧与周围台站的同步。2.1.2 ais时隙接入协议在ais中有四种时隙接入协议：自组织时分多址(sotdma)协议，增量式时分多址协议(itdma)、随机式时分多址协议(ratdma)和固定式时分多址协(fatdma)。这些协议共同存在和同时运行于tdma信道中，以支持ais的3种工作模式和各项功能。(1)自组织时分多址(sotdma)协议移动台站使用sotdma协议广播位置和标志信息给附近的所有其他站台。这个协议的目的是提供一种接入算法以便在没有控制台干预的情况下，迅速解决通信碰撞问题。由sotdma协议传输的报文具有周期性，用于支持数据链路上的其他用户进行不断更新的监视。(2)增量式时分多址(idma)协议itdma支持电台在数据链路的网络入口、临时改变报告率和传送与安全有关的报文时，预定传输时隙。第一个itdma时隙总是由sotdma或ratdma分配。在第一个itdma时隙传输前，电台必须先随机的选择下一个跟随的itdma时隙，并计算相对偏差。此值随报文一起传输以指示该电台预定时隙。(3)随机式时分多址(ratdma)协议在没有先前预定时，要使用ratdma接入数据链路。这通常在数据链路的网络入口处或者非周期性报文传输时发生。ratdma使用概率持续算法在可选时隙中确定传输时隙。ratdma使用的概率持续算法是：当发现一个候选时隙时，系统在0-100间随机选择一个概率值，将该值与当前的传输概率相比较，若不大于当前传输概率，则传输在候选时隙内进行，否则，将当前传输概率加上一个概率增量，并且等待下一个候选时隙的到来。ratdma的选择间隔应为150个时隙，相当于4秒。所有候选时隙应在该选择时段之中，因此一次传输可在4秒内完成。(4)固定式时分多址(fatdma)协议只有岸台或控制台才能使用fatdma。通过fatdma协议，岸台能在预定的时间进行编程发射，而不管信道中的其他预定情况。这个协议可以避免在某些情况下移动站台占用岸台预定的时隙。该协议支持周期性播发的报文。2.2 自组织通信原理ais的核心技术是海上自组织无线数据链路。该链路工作于vhf海上移动频段，利用自组织时分多址算法，具有自组织通信能力。所谓“自组织通信”的含义是指加入到该数据链路上的每个移动站台能在没有基地台站控制的情况下，自主地选择自己的发射方案，并能够自动的避免和解决通信冲突问题。海上自组织无线数据链路的原理如图2.1所示。它的主要特征是在它的每一个传输报文中都包含下一次传输的时间信息(传输时隙)，以便通知数据链路上的其他台站不要占用这个时隙，因而为自己预留了下一次广播的时隙；同时，海上自组织无线数据链路要求在38分钟的时间范围内重新选择一次时隙，以解决链路上因为移动台运动而可能产生的通信碰撞。此外，海上自组织无线数据链路还能通过时隙复用来主动处理因通信链路容量过载而带来的通信碰撞。图2.1 自组织通信原理图海上自组织无线数据链路的一个重要特征是它为一个新传输或将来传输而进行预定时隙的选择方法。当信道不忙时，时隙的选择是直接的。因为很容易找到没有被其他台站预定的时隙。当信道变忙而不容易找到未被预定的时隙时，sotdma技术允许一个台站有条件的使用由另一个远距离台站预定的时隙。这种时隙选择方法的益处是时隙的选择可以由所有台站进行而不需要有岸台进行信道资源管理。时隙选择时应注意以下几个方面：(1)当一个应用要发射数据或为将来发射数据而进行时隙预定时，首先确定将要选择时隙的范围(si)。在网络入口阶段，该值一般取150个时隙，大约相当于4秒。在周期运行时，该值与报告率有关，一般取值范围为报告间隔的1/5。(2)推导出一个可选时隙的列表。这些可选时隙是选择范围内的一部分时隙，它们由“自由(未被预定)”时隙和“可用”时隙组成。可用时隙是指那些已被其他台预定，但可以依据准则进行复用的时隙。在最终选择一个时隙前，推导出4个以上可选时隙是很重要的，这样可以减少多个站台选择一个时隙的可能性。(3)当从一个信道的可选时隙中进行最终选择的时，要考虑另一个信道中的情况。如果另一个信道中的相应时隙被一个近距离台站使用，这个时隙就要从可选时隙列表中抹去。(4)由于信道转换需要时间，系统自身无法在位于两个平行信道相邻的时隙上传输信息。因此，在一个信道所用时隙任意一边的2个相邻时隙不应作为另一个信道上的候选时隙。(5)最终时隙是从可选时隙中等概率的随机选出。所有可选时隙的选择可能性是完全一样的。(6)时隙选择应在两个信道上平行进行，周期性播发信息的传输应在这两个信道之间交替发射。这种交替传输是以信道上的发射次数为基础的，与时间帧和时隙无关。自组织通信算法是保证ais进行自主和连续运行的关键。该算法所涉及的参数有nss、ns、ni、rr、si、nts、tmo，它们的含义见表2.1。表2.1 自组织通信算法参数表符号名称说明最小值最大值nss标称开始时隙系统在链路上传输的第一个时隙02249ns标称时隙选择时隙的参考中心02249ni标称增重标称时隙间的时隙数751225rr报告率每帧中理想的船位报告数量1/330si选择间隔船位报告候选时隙的选择范围0.2ni0.2nints标称传输时隙在选择间隔内选中的时隙02249tmo超时连续占据某个时隙的次数38ais在开机后首先进入1分钟的初始化阶段。在此阶段系统监视tdma信道上的时隙占用情况，了解新到的活动状态，确定其他参与者的身份、当前时隙的分配和其他用户报告的位置，建立在整个链路上运行的所有站台的通信目录和反映tdma信道活动的状态的时隙图谱。1分钟过后，系统进入网络入口阶段，开始根据时间表进行信号发射。在网络入口阶段，系统选择信息传输的第一个时隙，以便让数据链路上的其他站台发现自己。首次发送的信息总是船位报告，发射该报告的时隙nss应当在当前时隙和未来标称增量ni的时间范围内随机选择。在正常情况下，时隙的选择应当在数据链路上那些未被分配的自由时隙中进行，但当数据链路负载增加、信道变得越来越忙时，自由时隙就变得越来越少，主动的时隙复用开始发生。这是ais解决链路容量过载，防止系统崩溃的有效手段。时隙复用的规则是：当信道变得很忙时，系统可以使用那些已经被最远的台站分配的时隙，若复用的时隙是被一个岸台分配的，该岸台必须在距此120n mile以外的地方。这种时隙复用的结果将导致数据链路上的广播范围逐渐减小。3 ais接口协议3.1 iec 61162协议iec 61162包括iec 61162-1和iec 61162-2这两个标准。iec 61162-1是在1995年制定的，它是一个单讲话器，多受话器标准，规定了海上电子设备、导航和无线通信设备之间进行通信必须遵循的标准。后来，iec 61162-2代替了iec 61162-1成为该领域的标准。它规定数据以可打印的ascii字符串行发送，包括船舶位置、速度、吃水深度、船名、mmsi号等信息。每20毫秒发送一帧消息，一帧消息的数据在11到79字符之间。3.1.1 电气规范可以在一条线上并联一个讲话器和多个受话器，并联的数目受各个器件的输出和输入驱动能力限制，它们通过带两个插头的屏蔽双绞线连接。由于该规范遵循rs232电气标准，两根线a、b之间的电压范围为15v。空闲信号、停止位的电平为低电平，活动信号、开始位的电平为高电平。数据异步串行传输，第一个位为开始位，紧跟数据，首先发送低位数据，传输波特率为38400比特/秒，每帧8位数据，不进行奇偶校验，最后一位是停止位。所有的数据都以ascii码的形式发送。如图3.1所示：图3.1 数据传输格式3.1.2 语句格式及符号iec 61162协议规定，在符合iec 61162协议的物理设备上传输的，只能是可打印的ascii字符。这些字符不仅有着长度的限制，同时，传送的文本数据还必须符合协议中所定义的语句格式。这里所说的语句，即指设备传送一次完整数据的内容信息的集合。ais有三种语句格式：(1)正式语句。该语句是普遍使用的语句，用来进行各种船舶数据的传输。语句的格式参见iec 61162协议。 (2)询问语句。该语句以全双工的方式来询问将被发送的正式语句，它表明受话者也有机会成为讲话者。 (3)私有语句。此语句具体格式不在协议制定，制造商可以使用这些语句，发送自定义数据。之所以这样做，是因为来自于各个不同厂商的数据格式不统一，而且不被普遍使用；或者这些数据是用于测试的，不需要专门统一的语句规范。iec 61162的语句是由不同的域组成的，不同的域有不同的意义和表示方法。对于各数据的表示、语句类型、讲话者的设备类型都有一定的符号规定。讲话者设备类型见表3.1所示：表3.1 讲话者设备类型助记符3.2 itu-r m.1371-1协议国际电信联盟的itu-r m.1371-l协议在1997年召开的世界无线电通信大会(wrc)上通过，将2个vhf通信频率分配给海上移动的ais通信设备，即将vhf 87b(ais1)和vhf 88b(ais2)定为国际通用的ais设备通信通道。itu-r m1371-1协议的发表引起了国际海事组织(imo)、国际航标协会(iala)、国际电工技术委员会(iec)、国际民用航空组织(icao)等的高度重视，并且在此技术协议的基础上，分别制定了适应各自行业的其它相关技术规范：因此，itu-r m1371-1协议是设计ais通信设备的主要技术规范。iec 61162-1标准支持封装的二进制编码数据的传送。对于ais来说，二进制数据的特定意义可从itu-r m1371标准获得。表3.2以电文种类为1、2、3的船舶位置报告电文为例介绍数据中二进制比特的含义。表3.2 位置报告电文4 系统总体设计4.1 系统功能ais船舶监控系统的主要功能包括：系统管理、海图显示、海图操作、船舶显示、船舶操作这五大部分。(1)系统管理包括用户管理、数据库连接和串口管理功能。用户管理：设置用户级别，增加、修改、删除用户。数据库连接：通过设置与数据库连接参数，与ais船舶数据库建立连接。串口管理功能：通过设置串口参数，启动ais数据电文的接收，并把接收到的ais数据电文经过一系列的解析处理操作后，存储到ais船舶数据库中。(2)海图显示包括基础显示、标准显示和全部显示。主要按相应要求对海图中的基础数据、标准数据、全部数据进行显示；同时可以实现在小比例尺情况下，以三角形形状表示船舶，在大比例尺情况下，以真实船长船宽的多边形形状表示船舶。(3) 海图操作包括放大显示、缩小显示和平移显示。主要是通过鼠标拉框、点击以进行海图相应区域的放大、缩小或平移。(4) 船舶显示包括船首线、航迹线、船舶标识(船名、呼号、mmsi码)等的显示控制。船首线显示：根据接收到的ais动态数据中的船舶船首向，使在海图上出现的船舶图形前端显示或不显示与之相同方位的矢量线。航迹线显示：根据接收到的ais动态数据中的船舶历史位置(即经度和纬度)，在海图上出现的船舶图形后面显示或不显示与之对应的过去一段时间内的船舶历史位置。船舶标识显示：控制显示或不显示所关注船舶的标识以及显示船舶标识的种类。(5) 船舶操作包括航迹回放、报警。航迹回放：回放历史某一段时间内某一海域中船舶的动态变化情况。报警：包括碰撞报警、偏航报警和禁航区报警。碰撞报警是通过计算船舶间的tcpa、dcpa值，判断相应船舶是否存在碰撞危险，对可能发生碰撞危险的船舶通过声光提示进行报警；偏航报警是通过计算船舶与指定航线间的间距，判断该船舶是否偏离航线，对即将偏离出航线或已经处于航线范围之外的船舶通过声光进行报警；禁航区报警是设置船舶禁航区域，当船舶进入禁航区后，系统将自动启动声光报警。4.2 系统框架基于ais的船舶实时监控系统是采用自动识别系统ais、电子海图系统ecs、数据库技术对所有装有ais设备的船舶进行高效、实时、全天候的监控。本系统包括两大模块：ais数据接收模块和基于电子海图平台的船舶监控模块。通过系统本身配置的ais接收机，ais数据接收模块可实时获取ais船舶自动播发的ais电文，通过进一步的解析处理，将相关的船舶静态数据和动态数据保存到ais船舶数据库中；船舶监控模块是在ais船舶数据库的基础上，将已解析好的船舶静态数据和动态数据显示在电子海图平台上，同时可通过船舶显示、船舶操作、信息查询等功能，实现对船舶的监控。网络结构如图4.1。图4.1 系统网络结构数据结构体系就是要详细描述出系统所要用到的数据信息，也可以称为数据字典，在系统设计时，系统中所涉及的数据结构必须详细记录下来，如果设计完成后，数据结构再发生变动，对已设计好的数据库结构和软件接口的改动成本都将非常巨大。本系统包含的主要数据结构有：用户信息、日志信息、船舶静态信息、船舶动态信息和报警区域顶点等。4.3 系统数据4.3.1 数据流程ais数据处理如图4.2所示，它包括ais数据接收、ais电文解析、ais数据存储、ais数据传输、ais数据读取和ais数据显示等。监控中心通过串口接收ais接收机传来的ais数据电文，解析后一边送到ats船舶数据库存储，一边直接送到电子海图平台上进行实时显示，用户在电子海图平台上查询船舶数据时是通过读取ais船舶数据库来获得所需数据的。图4.2 ais数据处理流程4.3.2 数据存储ais电文内容的数据解析完毕后，必须把这些数据存储到硬盘中，才便于以后应用和查询。一般来说，可以存储到文件，或者数据库中。存储到文件中，编程简单，容易实现，但随着数据量的增大，不利于查找。数据库尽管实现过程复杂，但它对存储和查询进行了优化处理，而且目前也有运行于windows平台上的专门数据库软件可供使用。因此，本系统采用数据库技术来存储ais电文数据。就目前的数据库软件来说，有很多种，主流有：access、delphi、oracle、foxpro、sql server等。access、delphi、foxpro等软件虽然简便易用，但作为小型桌面数据库，不具有联网功能，对数据存储和查询优化的也不好。oracle是目前比较流行的数据库软件，但对程序员的要求比较高，一时很难全面掌握。sql server具有大型数据库的优点，又简单易学，容易上手。因此，本系统选择它作为数据存储软件。关系模型数据库对数据的存储是通过建立相应的数据表来进行的。由于ais电文数据分为发送和接收两部分，应建立两个数据库，分别存储发送出去的电文数据和接收解析后的数据。在这些数据库内，依据电文格式分别建立数据表用来存放ais电文的数据。sql server提供了多种图形和命令行工具，用户可以使用不同的方法来建立和访问数据库。但这些数据库的核心却是transactsol语言。sql查询分析器是一个图形用户界面，用以交互的设计和测试transactsql语句、批处理和脚本。建立数据库和表后，必须有一种方法能够不断地将协议解析后的数据存储到相应的表中。本系统使用ado连接到sql server数据库，在连结之前，必须生成odbc数据源。数据源生成之后，就可以在vc中使用ado技术来实现数据库访问。5 电子海图显示5.1 电子海图概述电子航海图(enc)属于电子海图数据库，是由各国官方的海道测量局(ho)制作的(也有一些国家由某公司制作，由ho认定)符合iho 557标准的矢量电子海图。ecdis的应用，离不开全球范围的数千幅enc的支持。所以，iho正在努力敦促世界各海洋国家制作自己海域的enc，并成立了一些区域性的enc中心，通过国际合作共同完成全球enc数据库的建立，并逐步建立全球的er发行体系。由于各国的技术水平相差较大，全球enc数据库的建立进展缓慢，相反，一些大公司却利用技术和资金的优势，制作了符合s57要求的全球enc数据库。这些enc补充了官方enc数量的不足。但是，也存在着缺乏法律保障、改正不及时等问题。尽管电子海图的发展不过十几年的历史，但各种电子海图产品却如雨后春笋一般不断涌现。由于ecdis的设计与生产纯粹是企业行为，所以ecdis的发展速度远快于enc的发展。目前，能够提供符合国际标准的ecdis的厂家不下十几家，其中较著名的有英国船商公司、德国atlas公司和7cs公司、加拿大offshore公司等。除此之外，能够提供不符合国际标准的电子海图系统(ecs)的产品的公司估计不下千家。我国从80年代就开展了电子海图的研究，但由于各种各样的原因，目前仍停留在研究、试制阶段，仅有海军测绘研究所研制的电子海图系统应用与军舰的导航，大连海事大学等几家单位的研究已转向其他方向。到目前为止还没有国产的符合国际标准的ecdis产品上市。相反，许多非专业公司和单位都瞄准了电子海图应用系统的开发，并且已经有多家的简易型ecs投入使用。海司航保部目前已完成了1：50万、1：25万、1：10万数字海图的建库工作，但是还没有s57标准电子海图的生产能力，如果他们解决了arciinfo系统数据的s57输出问题，很快就能够大批量生产enc。综合起来，现行的ecdis国际标准有以下4个：imo ecdis性能标准：1995年11月在imo第19届大会上作为a817(19)号决议正式通过，它给出了ecdis的定义，规定了信息的显示、海图改正、航线设计、航路监视和航行记录等性能要求；iho s-57第三版，即数字化海道测量数据传输标准：1996年11月由iho发布30版，2000年11月由iho发布31版，它描述了用于各国航道测量部门之间的数字化航道测量数据的交换以及向航海人员、ecdis的生产商发布这类数据的标准，该标准是具有法律效力的矢量形式电子航海图的数据交换和传输标准；iho s-52第五版，即电子海图内容和显示规范：1996年12月由imo发布，它规定了电子海图的内容和显示、数据结构、改正方法和信息传