（模式识别与智能系统专业论文）船舶自动识别系统的关键技术研究.pdf

摘要 船舶自动识别系统( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，简称a i s ) ，是一种基于自组 织时分多址访阀( s e l f - o r g a n i z e dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，简称s o t d m a ) 技术的海 上无线通信系统。主要用于海上船舶与船舶之间，船舶与海上交通管理中心之间的船只识别 和相互通信。在国际海事组织( i m o ) 、国际电信联盟( i t u ) 和国际航标协会( i a l a ) 的共 同努力下，己经制订了a i s 的一系列国际法规和相关技术标准，并且使之成为海上船舶航行 导航必须强制安装的设备。随着最新的a i s 设备安装时间表的出台，国内船舶安装该系统已 经迫在眉睫。所以，进行a i s 系统相关技术的研究具有广泛的应用价值和前景。 本论文在通过对基于s o t d 姒原理的a i s 系统前期调研和资料分析的基础上，对a i s 中 的一些关键技术进行了重点的研究。主要完成了以下的一些研究工作： 首先在通过对a i s 中s o t d m a 协议基本模型分析的基础上。深入研究了s o t d m a 协议中的 数据包和数据链路的一些重要特性，利用计算机仿真工具仔细分析了系统站台分布、距离延 时、运行模式、链路负荷等因素对系统网络性能的影响情况，给出了理论上的一些重要结论。 其次提出了一种基本的基于s o t d m a 技术的a i s 信息处理机实现方案，然后分别从硬件 和软件两个方面对方案进行了详细的介绍。在硬件上。给出了系统的硬件实现框图和电路原 理图介绍了各组成部分的具体功能和详细接口：在软件上，介绍了软件系统的结构、开发 环境和设计思想，并且对关键模块详细地分析了软件的流程，给出了具体的流程框图和部分 实现代码。 此外还研究了a i s 和e c d i s ( e l e c t r o n i cc h a r td i s p l a ya n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的组合使 用问题，并且针对a i s 信息显示系统的特点，将软件工程领域中的u m l ( u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ) 方法引入到系统的设计中来，详细论述了u m l 在一个基于矢量图形式的a i s 信息 显示系统的建模、设计、实现和测试等全过程中的应用，有效的提高了系统的可扩展性和可 重用性。 最后对论文的设计工作进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 通过本课题的研究可以对a i s 中的s o t d m a 协议的性能和特点有个更深入的理解。同 时，本文所做的工作也为船舶自动识别系统的进一步研究与开发打下了一定的基础。 关键词：船舶自动识别系统；自组织时分多址；甚高频；统一建模语言；开放式系统互联 a b s t r a c t a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ( a i s ) ，w h i c hb a s e d o n s e l f - o r g a n i z e dt i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( s o t d m a ) i s an e wk i n do f w i r e l e s sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e mi nm a r i n e 【t i sm a i n l yu s e di nv e s s e li d e n t i f i c a t i o nb e t w e e ns h i p s a n di n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s h i p sa n d v e s s e l1 r a 所cs e r v i c e ( v t s ) i nt h ep u l s eo ft h ei n t e r n a t i o n a lm a r i n eo 曙a n i z a t i o n ( f m o ) 、 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o mu n i o n ( i t u ) a n di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no fm a r i n ea i d st on a v i g a t i o n a n dl j f g h t h o u s ea u t h o r i t i e s ( i a l a ) ，t h e r eh a v eb e e ns e tu p as e r i e so f s t a n d a r d so na i s t h e r e f o r e ， t h er e s e a r c h i n go nt h er e l a t e dt e c h n i q u e st oa i sw i l lb eo n eo ft h em o s tv a l u a b l ew o r k si nt h e f u t u g e i nt h i sd i s s e r t a t i o n w ew i d e l yi n v e s t i g a t et h ea i sc h a r a c t e r i s f i c sb a s e do ns o t d m a w e p a ya t t e n t i o nt ot h ei m p o r t a n tf e a t u r e so fa 1 sa n ds t u d ys o m ek e y i s s u e si nt h i ss y s t e m t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es o t d m ap r o t o c o lm o d e l ，w h i c hi s o n eo ft h ek e y t e c h n i q u e si na i s ，w es t u d y s o m ei m p o r t a n tf e a t u r e so fs o t d m ad a t ap a c k a g ea n dd a t a - l i n k w e a l s od i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h es t a t i o nd i s t r i b u t i o n 、d i s t a n c ed e l a y 、r u n n i n gm o d e 、t h e d a t a - l i n kc a p a c i t ya n dt h en e t w o r kt h r o u g h p u tb yt h et o o l so f c o m p u t e rs i m u l a t i o n s e c o n d l y , w ep u tf o r w a r das e to fh a r m o n i o u sa i s c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s i n gs c h e m eb a s e d o ns o t d m a t h e r ea r et w os e c t i o n si nt h i s p a r t i n t h ef i r s t p a r t ，d e t a i l e di m p l e m e n t a t i o n h a r d w a r ed e s i g ni s b r o u g h tf o r w a r d ，i n c l u d i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a ma n dc i r c u i t s c h e m a t i c s s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei s e x p l a i n e d i nt h es e c o n ds e c t i o na sr e f e r r e dt ot h ek e ym o d u l e ，w e e s p e c i a l l yp r o v i d e df o rt h es u b p r o g r a mf l o w c h a r t sa n ds o m ec o d er e s o u r c e f u r t h e r m o r e ，w ea n a l y s et h ea d v a n t a g eo f t h ec o m p o s i t es y s t e mo f a i s a n de c d i s ，a n da l s o e s t a b l i s haa i s e c d i sc o m p o s i t es y s t e m 【nt h o u g h to ft h ef e a t u r e s o ft h ea i si n f o r m a t i o n d i s p l a y i n gs y s t e m ，w ei n t r o d u c e t h eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( u m l ) ，w h i c hi so n eo ft h en e w t h e o r i e si ns o f t w a r ee n g i n e e r i n gf i e l d ，i n t ot h es y s t e md e s i g n a n dt a k i n gt h ed e v e l o p m e n to f t h e i n f o r m a t i o nd i s p l a ys y s t e mi na i sa sa ne x a m p l e ，w ea n a l y z et h ea p p l i c a t i o nf e a t u r e so fu m l t e c h n o l o g yi nt h ea s p e c t so f s o f t w a r es y s t e mp l a n n i n g ，d e s i g n i n g , i m p l e m e n t i n ga n dt e s t i n g e t c f i n a l l y , w eg i v eab r i e f s u m m a r y o f a l lo f t h ew o r ki nt h i sa r t i c l e t h r o u g ht h er e s e a r c ho f t h i st o p i c ，w eh a v eac l e a ru n d e r s t a n d i n gw i t ht h ep e r f o r m a n c ea n d f e a t u r e so ft h es o t d m a p r o t o c o t 、a t t h es a m e t i m e ，w h a tt h i sa r t i c l eh a sb e e nd o n eb u i l d s as o l i d b a s ef o rt h ef u r t h e rs t u d yo fs o t d m aa n dt h ef u r t h e rd e s i g no f t h ea i ss y s t e m k e y w o r d s ：a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a 硌) ：s e l f - o r g a n i z e dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( s o t d m a ) ：v e r yh i g hf r e q u e n c y ( v h f ) ；u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( u m l ) ；o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ( o s i ) 燮! 里型堂垫查奎兰堡主兰垡笙兰丝! 里萱童 第1 章前言 船舶自动识别系统( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，简称a i s ) 是诞生在2 0 世纪9 0 年代，由北欧发达国家率先发起，以信息技术为先导，综合各类现代通信技术的新型航海设 各。国际海事组织( i m o ) 和国际航标协会( i a l a ) 抓住这项既能保证航海安全又可提高航运 效率的新技术，调查研究，开发试验，制定了一系列国际法规、技术标准，大力的推广了 a i s 的发展和应用。 a i s 是整台了卫星定位，罗经计程仪等，通过v h f 无线电通信和其特有的s o t d m a ( s e l g o r g a n i z e d t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 通信协议完成自主组网，自动通信，并可在 雷达和屯子海图上显示等技术的航海、导航、信息通信的新型导航设备与系统。它具有可 以自动连续的发出本船的静态信息( 编码，船名等) 、动态信息( 船位、航速、航向等) 、航 次信息和安全短消息等功能，同时也能自动地接收周围船舶发来的相关信息，为船舶避碰和 安全航行辅助决策。 1 。1 1a i s 的概念 1 1 研究背景 现代船舶朝着大型化、高速化方向发展，船舶数量与水域交通密度及危险货物装载量不 断增加。海损事故时有发生。严重威胁船舶的航行安全和海洋生态环境。人们在长期研究航 行安全保障技术中，越来越认识到船舶之间和船岸之间的信息交换与船舶识别的重要性，同 时也深感现行状况存在的诸多局限性“j 。 船用雷达、a r j ) a 具有避碰功能。但提供的信息有限不能识别船舶，不能告知船名、 国籍与操船意图，并且其工作易受气候、海况及地形的影响，越是需要雷达、a r p a 发挥作 用的狭窄水道、船舶密度大的水域以及恶劣气象海况环境时雷达、a r p a 却显得无能为力。 目前船舶间通信主要依靠v h f 无线电话，由于这种靠人工操作、低效率的通信方式不能自 动获得相遇船标识，难以及时沟通双方信息和掌握彼此的操船意图，实际上难以达成避碰协 议，往往因为延误时间或者不明对方操船意图，采取了不相协调的避让动作而酿成海事事故。 因此，长期以来，船舶自动识别一直是困扰着船舶航行安全、船舶交通管理和航海科 技发展的一大难题，引起了世界上各个相关组织的高度重视。欧洲和北美的一些国家在2 0 世纪9 0 年代前后提出了一种能够“自动获得船舶信息和航行状态”的技术，即船舶自动识 别系统( a i s ) 。这是一种整合了卫星定位、罗经计程仪等船载电子设备，通过v h f 无线电 数据通信，在雷达和电子海图上显示等技术的航海、导航、信息通信的新型航海设备与系统。 由于a i s 使用海上移动v h f 波段交换数据，所以a i s 设备的成本相对于雷达设备要低， 然而它的“可视”范围却几乎等于雷达。由于这种特性a i s 将为船舶提供一种有效的避碰 燮! ! 里型兰垫查查兰堡圭堂垡堡塞笙! 里堕童 措施，并极大地增强雷达功能。而且，由于安装a i s 船舶的航行信息都是在”空中传播，因 此当地v t s 站也可以收到。为处理a i s 信息，v t s 只需配有a i s 基站，操作员无须逐个查 询船舶，利用a i s 就可以获得所有装有a i s 船舶的完整的交通动态信息。而且由于a i s 完 全独立于雷达，也就是说，基于a i s 的v t s 无须安装雷达，囚此，a i s 技术对v t s 操作的 长期作用其效果不可估量。最后，如果将定期航行和固定航线的船舶的相关信息经常或者 按需加在传送信息中，a i s 将成为一种船舶报告系统。这些附加的信息包括船舶呼号、船名、 货种、始发港和目的港以及实际吃水等等。 上述三个应用领域组成了a i s 的整体思想，也是i m o 对它定义的依据1 1 j ： a i s 是种可以改善船舶安全性能的船载自备装置： a i s 是一种无需雷达即可使交通管理中心获得交通状态的工具； a i s 是一种工作在v i i f 频段的船舶报告系统。 目前，i m o 和1 a l a 正在实验该系统，并将其视为未来的全球助航系统以辅助海上 导航和改善海上航行的安全。事实上a i s 是船舶交通服务系统的有效补充。随着全球定位 差分定位系统( g p s d g p s ) 网络的逐步建立和完善，利用卫星u t c 时间同步及移动通信 相关技术来自动传送船舶的船位、航向和航速等信息成为可能。这样，通过v h f 收发机利 用基于t d m a 的s o t d m a 技术在同一信道上发送给v t s ( v e s s e l t r a f f i cs y s t e m ) 中心或直 接发送给其它船舶就可以构成岸与船之间、船与船之间的信息传递。如果我们利用现在的电 子海图显示系统( e c d i s ) 就可以基本实现原先必须通过v t s 系统方能实现的功能，这样 就能在不具备建设v t s 的地方或者v t s 覆盖不到的地方极大地节省系统建设费用。这也是 为什么a i s 系统在9 0 年代提出，在9 0 年代末引起了各方面广泛关注的原因之一。 1 1 2 a i s 的发展及s o t d m a 技术在a j s 中的应用 a i s 概念提出之后，在其发展过程中产生过两种核心技术：一种是基于d s c ( 数字选 择呼叫) 技术的a i s 应答器；另一种是基于s o t d m a 的，“播式a 1 s 【6 】。而目前i m o 选中的 s o t d m a 广播式a i s 并不是一开始就成为主要通信协议的。而是经历了一个比较和选择的 过程。 初期是由美国以g m d s s 中v h f d s c 技术开发的自动应答系统，其基本原理是在海 上v h f 7 0 频道上采用d s c 方式自动发出询问信息，接收到询问信息的接收机，装在 船舶或岸台上的设备根据询问方要求的频道将本船的识别码、船名、船位、航速、 航向、吃水等信息t l 动传送给询问方。这样便实现了自动应答的功能。 1 9 9 5 年7 月，在i m o n a v 4 1 次会议上，瑞典和芬兰两国首次提出“将自组织时分多址 ( s o t d m a ) 技术应用于船舶间和船岸间海上转发器系统的建议草案”的提案。 1 9 9 6 年9 月，在i m on a v 4 2 次会议上，各成员国代表对a i s 采用v h f d s c 式还是 s o t d m a 技术的广播式进行了广泛的争论，最后达成共识：未来船舶a i s 必须满足 2 燮：主里型兰茎查查兰堡主兰丝堡兰兰! 兰堕童 船舶间和船岸间不断增长的信息交换需求，而一个在不久将来不能满足需求的国际标 准将成为技术发展的障碍。 1 9 9 7 年，在i m o n a v 4 3 次会议上通过了关于全球船载自动识别系统( a i s ) 性能标 准的建议案确定以自组织通信网络为基础了“通用船载a i s ”作为未来全球海上实 施的系统。 1 9 9 8 年7 月，i m on a v 4 4 次会议，建议从2 0 0 2 年起，所有3 0 0 吨以上的新造船和客 轮都必须安装a i s 。并且在1 9 9 9 年的i m on a v 4 5 次会议上，晟后确定了对s o l a s 公约第五章的修订，使上述的建议案转为a i s 的强制安装决定。 与此同时，根据i m o 的要求，1 t u 世界无线电大会( w r c ) 于1 9 9 7 年1 1 月通过，制 定了两个专用频率供a i s 使用：a i s lc h n8 7 b ( 】6 1 9 7 5 m h z ) a i s 2c h n8 8 b ( 1 6 2 0 2 5 m h z ) ，从而满足了a i s 的频率需求。同年1 1 月，i t u 又通过了a i s 的技术 标准- - i t u r m 1 3 7 1 建议案，进步明确了s o t d m a 技术在a i s 系统中的核心地位。 下面通过s o t d m a a i s 和d s c a i s 工作方式的比较，进一步说明s o t d m a 在a i s 中 优势所在。 d s c a i s 应答器基于数字选择呼叫( d s c ) 技术，该技术最初是为全球海上遇险与安 全系统研制开发的。其基本方法是在v h f7 0 频道上以d s c 方式自动发出询问信息，接收 到询问信息的接收机根据询问方要求的频道，将本船的识别码、船名、船位、航向、航速、 吃水等信息自动传送给询问方，实现了自动应答功能【2 ”。近年来，一些国家已经将d s c 用 于船舶识别和跟踪。 s o t d m a a i s 系统则基于自组织时分多址接入技术。由于s o t d m a 技术在信道接入 控制等方面有突出的优势，1 t u 等国际组织在选定通用型a i s 标准问题上对s o t d m a - a i s 有着强烈的倾向性，国际上通用型a i s 的统一标准就是以s o t d m a 技术为蓝本的。当然， 作为一种新技术，s o t d m a 本身仍在不断发展完善中。 1 数据链路结构和工作模式的区别 d s c 数据链路本质上不是一种共享数据链路，而s o t d m a a i s 属于时分多址接续系统a 信道时间被划分为固定长度的时隙，数据链路的接入均发生在时隙的开头，并遵循时隙选择 的算法。 d s c a i s 的工作模式；当一个船载d s ca i s 应答器进入v t s 区域时，它采用随机模式 进行初始联系，随后v t s 中心使用指配模式指示相关船舶按固定间隔报告船位。当d s c - a i s 系统处于高速状态时，v t s 中心采用询呼模式指示组船舶按指定顺序逐一报告船位。 s o t d m a - a i s 的工作模式：主要是自组织模式。各台站根据先验知识和智能算法来确 定自身的发射时隙，避开或解决公用信道上的冲突。一个s o t d m a - a i s 系统采用自组织模 式发送周期性报告，如船位报告等。本文第二章将会对$ o t d m a 的工作模式作详细的介绍。 2 可靠性上的区别 燮! 里型兰垫查查兰堡主堂壁堡苎 塑! 童盟壹 可靠性方面。d s c 通信协议为适应v h f 无线电传播环境而采用了比较全面的差错控制 技术。而s o t d m a 则仅仅直接引用了循环冗余检错技术。因而，后者在抗干扰方面远逊于 前者，导致s o t d m a a i s 系统在传输可靠性方面要差于d s c a i s 系统。但s o t d m a 协议 提供了如距离延时等一系列保护措藤，在系统有效的作用范围内能保证信号的正确收发。本 文在第三章将对此作深入的分析和仿真。 3 网络吞吐性能的差别 吞吐率n t h ( n e tt h r o u g h p u t ) 被定义为在干扰和冲突影响下，单位时间内一个a i s 信 道中成功传输的报文数占总传输报文数的比例。 吞吐率受可靠性制约，反映了系统的抗干扰性能。传输差错不仅对吞吐性能有直接影响， 进一步还有可能通过影响信道接入的动态组织和管理效率。对吞吐性能造成间接影响，并最 终影响系统的实际监测容量。在不同的信道接入模式下，传输差错对吞吐性能的影响机制也 不相同。在指配模式中，报文的无错率即为吞吐率；在自组织模式中，s o t d m a 报文的差 错还将造成时隙预约失效，进而引起报文冲突。由于冲突的影响，总的吞吐率将比指配模式 中的低。本文第三章将对自组织模式状况下，系统的网络性能进行深入的分析和仿真。 综合来看，s o t d m a a i s 系统相比d s c - a i s 系统具有通信信息可协调同步、信道利用 率和频谱利用率高、数据传输比特率高、信息更新时间间隔短等诸多优点。d s c 应答器适 用于较慢的轮询。这也是为什么i m o 在经过广泛争论之后最终决定将s o t d m a 作为a i s 今后实行的核心通信方案来考虑的原因。 1 1 3a i s 的系统构成 一个典型的a i s 系统主要组成框图如图1 - i 所示，它是由导航传感信息接口电路，信息 处理机、监控显示系统和v h f 收发机组成【”1 。船舶与定时信息通常由g p s 接收机提供。在 实际系统中，g p s 接收机往往与a i s 做成一体，但有些船舶自身已经配备g p s 导航设备， 所以g p s 设备也可以分立。 旧步时问( g p s d g p s ，卜船 辑 用 a i s f 船位c g p s d g p s ，卜 电 卜- 通信处理器 子 通 i航速计程仪( l 。o ) l +信 接 黼息显示器目塞篆航自，& ( c o m p a s s ) 卜 口 图1 - 1a i s 系统组成框图 4 燮! ! 望型兰垫查查堂堡主兰垡笙兰蔓! 童塑童 ( 1 ) 通信处理器 通信处理器是整个系统的核心部分，主要完成以下操作：存储本船静态信息( 如：船名、 船长、船型等) 和航行安全有关的信息( 如：船舶吃水、危险货物类型、选用的计划航线等) ； 接收接口电路送来的动态信息并进行处理和存储；将存储的最新的本船动态信息、必要的静 态信息和与航行安全有关的信息进行编码并送发射机；对接收到的其它船舶信息进行解码， 并将解码后的数据进行存储：将本船和其它船的航行信息送信息显示系统监视器显示。信息 处理包括船舶静态、动态数据库及对信息的处理、管理控制、显示等相应的软件。 ( 2 ) v h f 收发机 v h f 收发机由系统信息处理器控制，用v h fc h n 8 7 b 、8 8 b 两个国际专用频道自动发 射和和接收按协议通信方案规定的已调信号，频带为2 5 k h z ，已调信号中含有本船和它船 航行信息。a i s 是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。 此外还可以指配a i s 的区域性频率，可以在指配的区域性频率上工作。 ( 3 ) 信息显示器 信息显示器用于显示各种数据和状态信息，监视系统运行状态。实际应用的信息显示器 可能与雷达、a r p a 及电子海图显示器一体化。即将a i s 获得的信息叠加在其上一同显示f 7 ”。 由于i m o 目前还没有将显示装置作为必备，因而也还没有对显示装置作统一的规定，所以 a i s 显示设备出现了多样化的趋势大致可分为三种类型： 其一是将船舶在小型的液晶显示屏上用简单的图形符号表示出。如图1 - 2 所示，船舶间 的位置使用以己船为中心的相对位置，这种显示方式较为简单，最大的优点是设备简单，可 以和a t s 设备设计为一体，缺点是不能较为形象显示地形，海洋环境的信息。这种方法适 合一些中小船舶使用； 第二种显示类型是使用将数据传输给计算机，再由计算机将船舶信息与电子海图结合起 来，如图1 - 3 所示，这种显示方法优点是可以从全局上清楚、形象显示海洋上的船舶信息， 还可以看到船舶的实际位置，非常准确、有效，能够较好的发挥a i s 的特性，缺点就是显 示设备，需要单独配备计算机。而且所配备的计算机必须适合在海上的特殊环境使用，造价 相对较高适合大型的船舶使用： 还有一种显示方法是将a i s 信息叠3 n n 现有的船舶的雷达显示屏上显示，这种方法因 为不需要另外添加任何设备，造价较小，但是海上雷达设备较为复杂，对于不同雷达显示设 备其接口和显示可能需求不同，对于设计来说，无法给出统一标准，相对麻烦。 显示设备目前还不是s o l a s 对a i s 规定的必备设备，所以目前也还没有统一的标准。 图1 - 2 液晶图形显示设备圈1 - 3 电子海图显示设各 燮：! 里型兰垫查盔兰堡主兰竺堡塞蔓! 里萱宣 ( 4 ) 接口电路 将本船的动态信息转化为数字信号输入信息处理机。本船动态信息主要包括航向、航速、 g p s d g p s 提供的船位和同步时间。航向和航速是分别有罗经和计程仪来提供的。要求提供 同步时间信号是因为。广播式的船舶自动识别系统要求每条船舶的a i s 设备时间同步而不 产生内部干扰，通常a i s 设备的参考时间是协调世界时( u t c ) 。主要时间来源是g p s 时间， 但其它来源只要与u t c 相关也可以使用。 1 2 课题的意义 由于基于s o t d m a 技术的a i s 已经在1 9 9 9 年的i m on a v 4 5 次会议上，被确定为强 制性的安装标准( 如表2 - 1 所示) 。 表2 - 1s o l a s 中规定的a i s 安装时限 类型a i s 安装时限要求 2 0 0 2 年7 月1 日后新造的 必须安装a i s 设备 3 0 0 总吨以上船舶和所有新造客船 客船和油轮2 0 0 3 年7 月1 日前女蓑 5 0 0 0 0 总吨及以上船舶2 0 0 4 年7 月1 目前安装 2 0 0 2 年7 国际航线1 0 0 0 0 总吨5 0 0 0 0 总吨的船舶2 0 0 5 年7 月1 日前安装 月1 日前 3 0 0 0 总吨一1 0 0 0 0 总吨的船舶2 0 0 0 牛7 月l 捌剐殳袋 建造的 3 0 0 总吨3 0 0 0 总吨的船舶2 0 0 7 牛。月1 日日u 文装 船舶 国内航线客船以及5 0 0 总吨以上的船舶2 0 0 8 年7 月1 日前安装 从2 0 0 2 年7 月1 日起，所有3 0 0 总吨及以上的新造船舶和所有新造客轮都必须安装a i s 设备【”。而且s o t d m a 技术本身也是一种新型的数字通信技术，因此，对s o t d m a 技术 进行研究是很有意义的。尽管国际上已经对s o t d m a 技术和a i s 的研制作了大量的工作并 取得了一系列成果，但是从总体上来说，我国对s o t d m a 的研究时间还很短，一些大学和 科研院所虽然在做工作，但基本上都处于对国外资料的研究学习阶段，没有取得突破性的进 展和成果。我国现在已经成为一个世界航运的大国，民用船舶总吨位超过5 0 0 0 万载重吨， 远洋船队运力超过2 2 0 0 万载重吨，集装箱船队跻身世界前三强叫。这样大的船队，要求我 国必须在航海技术上紧跟时代步伐，这是我国船队参与世界航运市场竞争的需要。另外我国 作为i m o 成员国的重要一员，为顺应船舶自动识别系统的发展趋势，也应积极争取主动地 位，抓紧s o t d m a 协议相关技术的开发研制工作，彻底改变过去地空空空数据通信设备和 系统单纯依靠进口的局面。s o t d m a 数据链及其通信网络系统的成果研制必将改善我国目 前交通通信的导航和监控能力，减少事故的发生，满足我国交通发展的需要。 6 燮：主璺型兰垫查盔堂堡主兰垡堕壅塑! 皇堕童 1 3 研究的内容及论文的结构 本课题的主要目标是针对a i s 发展和应用过程中的一些关键技术展开具体的研究，主要 涉及以下三个方面的内容： ( 1 ) 围绕s o t d m a 技术在a i s 中的应用，对影响s o t d m a 系统网络性能的主要囡素 进行了深入地分析，并对之进行了计算机仿真研究i ( 2 ) 提出了一种切实可行的基于s o t d m a 的a i s 系统信息处理器的实现方案； ( 3 ) 对还未纳入s o l a s ( 国际海上生命安全公约) ，但对a i s 的应用休戚相关的a i s 信息显示系统进行了初步的研究。 在内容组织上，具体来说本文是按如下的结构来进行安排的： 在第一章前言中首先介绍了a i s 的概念，a i s 的系统构成，对a i s 的发展历程和 s o t d m a 技术在a i s 中的应用进行了综述，并简要阐明了本文研究工作的实际意义和本文 研究的内容。 第二章以在a i s 系统中的应用为基础详细介绍了s o t d m a 技术的基本原理，论述了 s o t d m a 数据链的体系结构、帧结构、信道控制协议，以及s o t d m a 协议的信号同步和 运行模式等主要技术特征。 第三章对影响s o t d m a 系统网络性能的些主要因素，如距离延时、自组织运行模式 等进行了深入的分析，并利用计算机工具进行了各种仿真和模拟。最后根据对仿真结果的分 析提出了一种新的时隙处理方法的思想，加深了对s o t d m a 技术特性的理解。 第四章在深入理解s o t d m a 数据链协议后，在本课题翦期研究成果的基础上，提出了 一种切实可行的系统通信实现方案个基于s o t d m a 的v h f 数据收发和信息处理系 统的设计详细的阐述了该系统的软硬件设计原理和结构。 第五章对a i s 信息显示系统进行了初步的研究，并将软件工程领域中的u m l 思想和工 具引入到系统的设计中来，在没有电子海图系统支持的条件下完成了一个小型的基于矢量图 形式的a i s 信息显示系统的设计。 在第六章对本文的工作进行了总结，对本文中没有涉及的其它一些关键技术进行了初步 的探讨，并对后面的工作进行了展望。 - 7 燮! 望! ! 兰塾查查兰堡圭兰竺堡兰苎! 至! ! ! ! 塑! ! ! ! 坠垫查 第2 章a i s 中的s o t d m a 技术 时分多址( t d m a ) 技术是继g s m 等数字通信技术之后发展起来的新型数字访问技 术，它利用数字传输方法，大幅度地提高了频率利用率，信道分配合理，访问灵活，具有 容量大，覆盖范围广，各移动台可以根据需要提高动态信息的发送率口”。 自组织时分多址访问( s o t d m a ) 的优点是用于船舶移动站在自主和连续模式下的操 作。如果园用户增加或信息增多，a i s 超负荷时，自组织时分多址访问可自身减少a i s 电 台的数量，保证最近的船舶能够接收。协议的用途是提供一种在无需控制站干涉的情况下 可快速解决冲突的访问算法。使用s o t d m a 的消息具有可重复的特性且被用于向数据链 路中的其它用户提供连续可更新的监视图像。 2 1s o t d m a 通信原理 s o t d m a ( s e l f - o r g a n i z e d t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，称为白组织时分多址 技术，它是9 0 年代在t d m a 技术基础上发展起来的一种新型的，用于未来航海和兢空交通 管理的数字通信投术，是全球定位和通信系统( g p & c ) 的核心。用其组成的通信网络是自 组织通信网的一种【“i 。由于该技术发展时间较短理论基础还不是非常的完善，国内相关 资料也不是很多，本文将以其在a i s 系统中的应用为背景对它进行初步的探讨。 在自组织时分多址( s o t d m a ) 技术中，信道时间被分为固定长度的时间间隔( 每一 个间隔称为一个时隙) 。一个时帧包括一组时隙，这些时隙在时域上互不重叠。跨度为1 分 钟，所有数据链上的电台都易于接收和传送信息。信息报告在数据链上可以根据传输情况占 用一个或更多的时隙。自组织的含义就是指所有移动用户都实行自动的在每一个时帧中挑选 时隙来发送子帧，而不是依靠一个基站台来执行信息资源管理，由基站台给每个移动用户分 配一个时隙地址去发送子帧。 s o t d m a 和一般t d m a 技术很大的一点区别在于其时隙的预约方式，也就是所谓的白 组织模式。s o t d m a 网络中各台站根据先验知识和智能算法来确定其自身的发送时间表， 而不需要主控台来对时隙进行分配这样可以尽量避开数据链路的冲突，并可以为新信息的 传送选择和保留时隙。通过时隙预约，帧内所有时隙的使用情况在系统内得以透明化。因此， 一般来说引起信道的占用冲突不是很严重，即使发生拥塞情况s o t d m a 也可以通过r o b i n h o o d 法则来解决。当某个移动用户挑选一个时隙发送信息时，其它移动用户在对应的时隙 应处于接收状态。这意味着系统中的最底层功能也由各用户自已来控制口”。s o t d m a 系统 示意图如图2 - i 所示： 8 燮1 生里型兰垫查查兰堡主兰堡笙苎 塑! 兰! ! ! 塑! ! ! 型! 垫查 搜射台 一、1 7 ! 堡p 口中 1 竺! 卜j 山 匹互一 1 l r 22 nn k r 】2，kl2 k 厂厂i l 叫卜时碌 一奄睢 图2 - 1s o t d m a 通信网络示意图 如图2 - 1 所示，第个移动用户( m s l ) 自动选择时隙2 来发送信息，第二个移动用户 ( m s 2 ) 自动选择时隙k 来发送信息，第k 个移动用户自动选择时隙l 来发送信息。在某 个移动用户发射时，其它移动用户处于接收状态。移动用户在一个时隙中发送的信息中含有 该移动用户的动态和静态信息，其信息量会因为移动用户选择需要发送的信息的不同而不 同。故每个信息包占用时隙中的时间会有所不同，并且要为通信的可靠性保留一定的余地。 可见，自组织时分多址( s o t d m a ) 可在射频信道上依据时隙分割技术来实现并且 应用该技术可达到多个移动用户之闯相互通信的目的。 移动用户传送子帧的过程也就是时隙选择的过程。s o t d m a 技术的一个显著特点就是 移动用户为新子帧的传送或为未来子帧的传送可分别进行时隙的选择和保留，假定某个移动 用户要开始传送信息包，则它的时隙选择和保留按下列算法进行【2 8 1 ： ( 1 ) 移动用户在初次发送信息前，先对网络系统的通信状况监听一段时间，记录一帧中 空阑的时隙； ( 2 ) 根据自己发信周期的长短，指定选定时隙的范围； ( 3 ) 移动用户在指定的肘隙范围内，得到系列候选时隙。候选时隙是指定时隙的范围 中的一部分时隙，由“空闲时隙”和“未使用时隙”组成。“未使用时隙”是指先前可能被 另外的移动用户保留的对隙，但它们可以拿来使用。重要的是最后选择一个发送时隙之前 至少能获得4 个候选时隙，以降低时隙冲突的可能性； ( 4 ) 从候选时隙中随机选择一个时隙进行初次信息发送： ( 5 ) 在初次发送子帧的前后要继续保持监听网络系统，为下一次发送信息选择和保留时 隙。若任何一个候选时隙被一个电台占用时，这个时隙就从候选时隙中删除了。 ( 6 ) 重复( 2 ) ，( 3 ) ，( 4 ) 。( 5 ) 。 从以上分析中可以看出s 0 1 i ) m a 算法具有以下优点： 具有完全分布的特点，易于分布实现：适应于网络拓扑结构动态变化：信息交换流量和 计算复杂度较低；可根据网络动态变化优化时隙利用率。 9 ， 茵卤卤 燮主里型兰垫查查兰堡主竺垡丝苎 笙! 兰! ! ! 生塑! 坚! 坠垫查 2 2 s o t d m a 数据链体系结构 通信网络设计要遵循开放系统互联( o s l ) 的原则国际标准化组织的开放式系统互联 参考模型( 1 s o o s d 是公认的开放系统互联标准。s o t d m a 数据链体系结构的设计也遵循 o s i 标准。 o s i 模型的层次共分为物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 按照o s ! 模型，s o t d m a 数据链提出了对开放系统互联( o s i ) 模式第一至第四层( 物理 层、链路层、网络层和传输层) 的要求，该协议栈结构如图2 - 2 所示( 图中的实线部分) ： 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据管理实体子层l m e数数据管理实体子层l m e 信数据链服务子层d l s据数据链服务子层d l s信 道 媒介控制子层m a c 链 媒介控制子层m a c 道 1路2 物理层物理层 层 接收机1f发射打接收机2 图2 - 2s o t d m a 协议数据链体系结构图 2 2 1 开放式系统互联参考模型 o s i 的层次共分物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、标识层和应用层”q 。 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。 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豹接收方“淹没”，因此需要流量调节控制。 网络层关系到通信子网的运行控制，其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何 选择路由。网络层还包括由于子网中出现过多分组时引起的拥塞问题。另一个问题是它要解 决异种网络互联的问题。 传输层的基本功能是从会话层接收数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元传输给 网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误而且这些任务都必须高效完成。从某种意义 1 0 夔塾! 垦型兰垫查查兰堡= ! ：兰垡兰兰 苎! 里竺! 主塑! 堕! 坠丝查 上讲，传输层使会话层不受硬件技术变化的影响。传输层也要决定向会话层最终向用户提供 什么样的服务。 会话层允许不同机器上的用户建立会话关系。它允许进行类似传输层的普通