AIS数据基础理论详解

AIS数据基础理论详解本文主要环绕什么是AIS数据，AIS数据的主要处理方式和应用范围展开，对AIS数据进行了详细的论述。一、AIS系统介绍AIS系统是船舶自动识别系统（AutomaticIdentificationSystem）的简称，由岸基（基站）设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。AIS船台系统的硬件构成介绍如下，其中：1）外部设备包括：船舶航行数据传感器（包括全球卫星导航系统GNSS接收机及天线），外接舷向（电罗经或者磁罗经）、船速、回旋速率等传感器，显示器和键盘（用于输入和查询数据）等；2）VHF通信机：包括天线，1台发射机，2台TWA接收机，1台DSC接收机；3）由DSP+ARM组成通信与信息处理系统：通信系统的设计、AIS信息处理系统的设计是系统的关键部份，通信系统主要完成ATS信息的调制、移频、信息的发射与信息的接收等功能，AIS信息处理系统实现ATS信息的组织、编码，TDMA帧协议的形成，TDMA时隙的捕捉、同步、帧信息的拆分，信息的显示等。AIS船台设备的软件部份可分为三个部份：1）网络软件按照国际电信联盟（ITU）的技术标准，控制自组织无线数字挪移通信网的运行。2）系统控制软件控制AIS全系统各部份的协调工作。3）接口软件提供AIS接口信息的处理和控制功能。在通常情况下（公海和绝大多数国家的领海），AIS所工作于的两个频点AIS1和AIS2是由世界无线电大会确定的161.975MHz和162.025MHz。系统能够运行的工作模式有以下三种：1）可在所有海域使用的自主的和连续的模式；2）在沿岸控制中心管理区域内使用的分配模式；3）响应其他船舶或者基站呼叫的轮询模式。在通常情况下，系统是应当工作在自主和连续的模式下，这也是该系统的缺省工作状态。在这种模式下，系统可以自行确定其位置信息的发射时间表，自动解决与其它电台在发射时间上的冲突。它所使用的主要算法便是S0TDMA算法。°AIS的无线传输的技术参数如下：工作频段:频带宽度:工作模式:调制方式:用工作频率：VHF8788频道AIS1：161.975MHz；AIS2：162.025MHz156,025—162.025MHz工作频段:频带宽度:工作模式:调制方式:25或者12.5KHZOSI(OpenSystemIntereonneetion)GMSK/FM数据编码方式：NRZI传输速率：9.6kbps访问协议：TDMA通信规程：HDLC发射功率：1W/25WAIS工作原理A1S技术原理在AIS系统中，主要采用SOTDMA(Self-OrganizedTimeDivisionAccess,自组织时分多址)，没有主站和从站之分，每一个用户自己选择时隙使用，所以在挪移台独立连续工作的情况下，挪移用户使用SOTDMA协议进行位置广播以及识别附近用户发送的信息，它是一种在没有主站控制的情况下解决冲突的方法。所以挪移用户均在本次发射中指定下一次的发射时隙，发射时隙的选择是在每一个选择时隙间隔中随机选择作为候选发射时隙的空暇时隙中的一个。当某个挪移用户发送时，其他挪移用户均应处在接收状态。在自组织时分多址(SOTDMA)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帧)。一个帧包括一组时隙，这些时隙在时域上互不重叠。自组织的含义就是指所有挪移用户都实行自动地在每一个时帧中挑选时隙来发送子帧，而不是依靠一个基台来执行信息资源管理，由基台给每一个挪移用户分配一个时隙地址去发送子帧。在自组织时分多址(SOTDMA)网络系统中，某个挪移用户当自己挑选一个时隙发射子帧时，其他挪移用户在对应时隙应处于接收状态。这意味着网络通信系统中的最底层功能也由各挪移用户自己来控制。挪移用户在一个时隙中发送的子帧含有该挪移用户的动、静态信息，每一个子帧中含有的信息量会因挪移用户选择需要发送的信息的不同而不同，故每一个子帧占用时隙中的数量会有所不同。挪移用户传送子帧的过程也就是时隙选择的过程。自组织时分多址技术(SOTDMA)的一个显著特点是为新的信息传输选择时隙或者为未来的信息传输保留时隙。AIS的通信方式国际上对A1S提出了两种通信方式，甚高频(VHF)/数字选择呼叫(DSC)方式和基于SOTDMA协议的广播方式。(1)甚高频(VHF)/数字选择呼叫(DSC)方式数字选择呼叫(DSC)是可与指定的船舶建立通信联络，并能使指定的船舶电台知道有此外一个电台准备与其进行通信的一种自动呼叫系统。甚高频(VHF)/数字选择呼叫(DSC)是指利用检错编码技术，并由工作在甚高频(VHF)海上通信频带的船舶电台进行数字选择呼叫的系统，又称DCS无线应答器方式。(2)基于SOTDMA通信协议的广播方式运用目前己经投入使用的GPS和GLONASS,通过把获取船位用的系统接收机、甚高频收发机和通信处理装置组合，就能自动发送船舶的识别信息，而且可以利用从导航卫星得到的准确的时间信息来同步不同船舶的航行信息的发送，也就是把时间分成一个个小时间段(时隙)，每一个小时间段用来发送一条船舶的航行信息。这样，可以有效地利用无线电频道，使每一条船的AIS设备在各自相应时隙(timeslot)内发送本船航行信息，在其它时隙内接收其它船舶的航行信息。AIS技术分析AIS与其它传感器连接，并能自动输入信息，如本船识别码、船名、呼号、船型等静态信息，本船最新航行信息和与航行相关的其它信息，采用广播式ATS,利用国际专用频道，在无人参预的情况下，VTS中心自动并连续地向区域内船舶问询船舶信息，区域内的船舶在接收问询信号后，便自动响应来自于船舶或者主管部门的问询，挨次向岸基设备发回各类信息，而船只本身除了自动应答外，也根据不同的航速，按照不同的数据更新速率更新数据库中的船舶信息数据，并自动发射出去，供周围船只和岸基设备接收。AIS岸基台站接收到的信息经处理后自动输入VTS系统，VTS中心在收到区域内船舶发回的信息后，除了用于自动跟踪船舶外，还将这些信息用广播方式播发，船载的AIS接收机可接收到周围船舶的实时动态信息，所有接收的信息可在ECDIS或者VTS中心屏幕显示出来，从而保证了船舶自身的正确航行，避免碰撞。船舶单独报文的时间间隔随船舶速度的提高而自动减少，锚泊时，时间间隔为3分钟，而高速船机动时，此间隔则为2秒，数据更新速率相应地增加。)AIS工作模式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者主管部门的问询，有轮询和受控两种模式。(2)AIS技术特点AIS的信息处理器是AIS的核心设备，通过固化在内部的软件来将各个硬件设备链接起来，实现AIS功能。而AIS通信系统的软件是通过OSI分层体现出来的，低四层是AIS的软件核心。AIS技术分为三个方面：通信软件AIS采用自组织时分多址联接(SOTDMA)工作模式；HDLC高级数据链路控制技术，CRC-16循环冗余校验码；无线传输的带宽为25kHz/12.5kHz；GMSK/MF最小高斯移频键控频率调制方式和NRZI数据编码方式；数据传输的比特率为9600bit/s,完成系统内部数据处理及数据传输控制。1)纠错编码技术AIS系统要求采用CRCT6多项式循环冗余校验码来对数据进行纠错检验。SOTDMA技术AIS通信系统所采用的数据通信协议为SOTDMAoAIS技术标准规定：每分钟划分为2250个时间段。每一个时间段可发布一条不长于256比特的信息，长于256比特的信息需增加时间段。每条船舶会自动选择一个与他船不发生冲突的时间段来发布本船的信息。在统一的VHF的频道上，AIS范围内任何船舶都能自行互不干扰地发送报告并接受其他船舶的报告。②系统软件依照0SI七层标准的自组织通信网络技术，涵盖了物理层，数据链路层，网络层，传输层。数据链的占用和数据探测均由链路层控制。③用户接口软件提供符合国际船用接口标准的接口以便与用户读取，选择并显示信息。如NMEA0183,EIA232等接口都可以通过软件编制直接使用。AIS的0SI模型AIS通信采用0SI7层工作模型中的低4层,即物理层、 数据链路层、网络层和传输层。图20sl7层模型各层功能为：(1)物理层物理层是AIS网络的最低层结构，实现AIS之间的物理连接，并向数据链路层提供一个比特流传输。物理层由VHF无线电收/发机、GMSK调制解调器、VHF信道等组成。⑵数据链路层AIS的信道访问协议均工作在数据链路层。AIS有四种不同的协议用于控制访问数据转发媒体。协议为：自组织时分多址(S0TDMA),增量时分多址(1TDMA),随机访问时分多址(RATDMA)和固定访问时分多址(FATDMA)。其中S0TDMA是基本方案，是AIS系统的核心技术。数据链路层主要定义数据的组包方式，以用于校验数据并控制数据的同步收发。该层可分为3个子层：MAC、DLS、LMEoMAC子层提供数据传输媒质；DLS子层进行数据链路启动和释放、数据传输、错误检测和控制；LME也称为链路管理层，主要负责对DLS子层、MAC子层及物理层操作的控制。AIS数据传输采用TDMA技术，按帧来传输信息。AIS的数据通信规程采用面向比特的高级数据链路控制协议(HDLC)。媒介控制子层(MAC)MAC子层提供联接VHF数据链的方法，这种方法就是以UTC时间为基准使用TDMA结构，并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。在MAC子层上实现时分多址(TDMA)通信，将Imin分成2250个时隙，每一个时隙占用26.6ms,对时隙进行分配,MAC子层提供了对时隙同步和帧同步的支持，使数据传输建立在同一时间基准上并能反映时隙的状态(被使用或者未被使用)，避免时隙间的相互干扰，实现时隙与标准时钟同步和时隙访问，数据必须在规定的时隙内完成一帧信息。②数据链服务子层(DLS)这个子层的功能是数据链的激活及释放、数据传递和误差检测及控制。1)数据链的激活和释放：基于MAC层，DLS层将侦听、激活或者释放数据链,激活和释放将根据每一个时隙的标号(0-2249)。时隙0作为一帧的开始时隙，标有空暇或者外部份配的时隙表示本台设备应在接收模式下守听数据链路上的其他用户信号。功能的完成是根据时隙识别的结果，若当前时间段被标注为空暇或者外部份配状态时，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。2)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)。3)误差检测和控制：误差检测和控制的处理运用CRC多项式计算求和。③链路管理实体(LME)LME控制DLS、MAC层和物理层的运行。包括数据链的连接、包括接入算法的确定。比如：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等。在LME分层中，规定了在不同工作模式下的四种TDMA访问联接协议，并控制这些通信协议在数据链路上的协调配合，实现信息在数据链路上的连续、平行地运行。(3)网络层网络层负责将2个终端系统经过网络连接，实现数据透明传送，即为网络两端用户提供1条信道。网络层的作用主要是建立和维护信道连接、信道优先分配管理、信道之间发射块的分配和解决数据链的阻塞。有以下几点：建立和维护信道连接AIS正常预设的运行模式为双信道运行模式，即同时使用两个频道AIS1和AIS2,在这种状态下，AIS同时在两个平行的信道上接收信息。因此，AIS收发器应具有2个TDMA接收机，并在两个平行信道上的接入都是相互独立的。信息优先分配的管理AIS将信息分为四个优先等级，一级为最高优先等级，传送保证数据链路运行的关键性的数据据链路管理信息，包括船舶位置报告信息；二级为最高服务优先等级，主要是安全信息：三级为分配信息、问询信息以及对问询的应答信息；四级为最低优先等级，发送所有的其它信息。信道间传输组的分配在AIS设备内部为台站接收的所实用户建立了用户地址目录数据库，其中包括MMSI识别码等。由AIS网络层进行管理，并对船位报告信息进行分配，将船位报告的信息分配到显示接口并经VHF数据链传输；在有必要进行信息排队等候时，排定信息的优先等级；将接收到的GPS修正信息传送到显示接口。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，AIS台站采用复用候选时隙的方法和指定报告速率的方法加以解决。①复用候选时隙(Robinhood准则)当候选时隙不足4个时隙时，台站可选择被其它台站使用过的时隙，以使候选时隙达到4个，该候选时隙应从选择间隔中距离最远的台站中选取。但当一个远距离台站的时隙已被作为复用候选时隙时，在接下来的一帧中不应再次选作复用候选时隙。②采用指定报告速率基地台可以为船台指定报告速率，以保护数据链的正常工作。(4)传输层传输层负责把接收的数据转换成正确的数据块传送给高层，对高层将要发送的数据转换成大小正确的发射信息包、对数据进行分组排序。传输层主要处理来自对话层、网络层及GNSS等定位导航仪器的信息，其主要功能是将AIS数据包转换成其他设备能识别的传输层数据包格式，控制传输层数据的传输，实现与0SI高3层协议的接口。AIS的关键技术AIS的关键技术，主要指IIDLC高级数据链路控制技术、GMSK高斯滤波最小频移键控技术、系统同步技术和TDMA时分多址访问技术。AIS系统的同步和定时(1)同步在TDMA挪移通信系统中，要保证通信的正常进行，必须满足位同步和帧同步2种基本的同步。位同步在AIS系统中，通过在数据包中插入前导码101010进行位同步，实现在接收端对码元的正确判决。②帧同步在AIS系统中，通过在每一个数据包中插入特殊码型(帧开始、结束标志),使得接收端通过这些特殊的码型识别出码流中每一帧的开头或者一帧的结尾，从而正确地分路、分字或者分句。(2)定时系统的定时是TDMA挪移通信系统的关键技术，也称为网同步。惟独全网中有统一的时间基准，才干保证整个系统有条不紊地进行信息的传输、处理和交换，协调一致地对全网设备进行管理、控制和操作。系统定时可以采用不同方法，在TDMA挪移通信系统中常用的是主、从同步法。即系统所有设备的时钟均直接或者间接从属某一个主时钟的信号。主时钟通常有很高的精度，其信息以广播的方式送给全网的设备。也可以以分层的方式逐层传递到全网的设备。各设备从收到的时钟信号中，提取定时信息或者锁定到主时钟上。(3)A1S系统的同步技术A1S系统采用主、从同步法，参考时钟为UTC,但其它与UTC相关的时间也可以作为参考。在SOTDMA技术中，系统的同步可以有4种方式：①用协调时间(UTC)直接同步。GPS接收机能够获得UTC时间，这是A1S系统同步的主要方式。②用协调时间(UTC)间接同步。如不能直接获取UTC,但能接收到其它采用UTC直接计时的台，则应调至与这些台站同步。然后应将设备的同步状态调至UTC间接计时状态。③与基地台同步(直接或者间接)如挪移台既无法采用UTC直接计时，也不能采用间接计时，但能接收从基地台发射的信息，则应将其调至与能接收的台站数量最多的基地台同步。无论对于多少层与基地台的间接同步调整来说，该状态都应是正确的。当设备接收到几个接收台数量相同的基地台发送的信息时，应选用海上挪移服务识别码(MMSI)最低的台站。④与挪移台同步如果上述4种方式都不能使用时;则应采取与可接收的台站数量最多的台站同步的状态。当1个台接收到几个台发射的信息，而其中每一个台站所能接收的台站数量又相同的情况下，则应同步调整至MMSI最低的台站。该台站便成为同步调整的信号台。AIS船台可从GPS接收机获得GPS口寸间，由GPS的时间得到UTC时钟信号，使各AIS船台定时同步。如果不能从GPS获得UTC时间，其它时间源只要与UTC相关也可以使用。(4)AIS系统的同步方式AIS帧的开始和结束在UTC可获取的情况下与UTC的分钟一致，当无法获取UTC时，则采用如下的步骤：时间相位同步方式时间相位同步方式作为台站利用以其它台站或者基地台接收的信息对自身重新进行同步调整的方法，可以使台站保持较高的同步稳定性，并保证不会产生边界重叠或者信息讹误的情况。帧同步方式采用帧同步的方式，使一个台站将接收到的其它台站或者基地台的当前时隙号作为自己的当前时隙号，接收台的当前时隙号包含在SOTOMA通信状态中作为当SOTDMA通信状态的时隙末端参数的值为2的短信息。(3)发射台的同步方式AIS系统Imin为一帧，每一个时间为一个独立的信道，信道内的时隙编号0-2249oAIS为所发的信息分配一个编号，信息将在对应此编号的时段被发送出去。AIS接收系统也必须在这一时段将信息接收进来，其中0时隙是一帧的起始时段。基地台每10s发送报告，直到发现有一个或者多个电台和它同步为止。同步基地速率，保持这个速率直到3min,电台要与之同步，挪移台应调整速率至MAC同步挪移速率。发射台的同步方式有以下两种：基地台同步方式基站惟独在AIS船站与UTC直接同步时才发射同步序列。如果没有AIS船站与UTC直接同步，基站就改变报告速率，将发射周期提高到每3s发射一次。②AIS船站同步方式AIS船站如果是船舶识别码MMSI最小且最多被接收的台站，就将发射速率更新为每2s一次，并交替发送包括其时隙号在内的位置报告和UTC时间报告。如果不是，则使挪移台在发射时隙号和接收台的数量之间更替通信状态。(4)接收台的同步方式①如果接收台直接或者间接UTC有效，进行调整使接收台与UTC时钟重新同步。②接收台本身的发射时隙号与接收时隙号相同，表示接收台已经实现了时间相位同步并继续保持相位同步；如果不同则采用其它同步源。TDMA访问技术时分多址(TDMA)是在一个宽带无线载波上，把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时分信道(时隙)，所有的帧或者时隙都是互不重叠的，每一用户一次通信占用一个时隙，并根据一定的时隙分配原则，只能在每一帧内按指定或者选择的时隙收发信号。在TDMA系统中，每一个帧中的时隙结构设计通常要考虑三个主要问题：一是控制和信令信息的传输；二是信道多径的影响；三是系统的同步。为了解决上述问题，通常采用的主要措施有以下几点：一是在每一个时隙中，专门划出比特用于控制信息和信令信息的传输；二是为了便于接收端利用均衡器来克服多径引起的码间干扰，在时隙中要插入自适应均衡器所需的训练序列，训练序列对接收端来说是确知的，接收端根据训练序列的解调结果，就可以估计出信道的冲击响应，根据冲击响应就可以预置均衡的抽头系数，从而可消除码间干扰对整个时隙的影响；三是在上行链路的每一个时隙中要留出一定的保护时隙，即每一个时隙中传输信号的时间要小于时隙长度，这样可以克服因挪移台至基地台距离的随机变化，而引起挪移台发出的信号到达基地接收机时刻的随机变化，从而保证不同挪移台发出的信号在基地台处都能落在规定的时隙内，而不浮现相互重叠的现象；四是为了便于接收端同步，在每一个时隙中还要传输同步序列，同步序列和训练序列可以分开传输，也可以合二为一。TDMA通信方式的主要特点是：该系统中各台站只在规定的时隙内以突发的形式发射它的已调信号，这些信号在时间上是严格挨次罗列、互不重叠的。在一个系统中，普通设一个基站，它的任务是发射“基准突发”信号，标志一帧的开始，并作为各通信站的定时基准。有时基站也可由某一通信站兼任。不同的系统其帧结构可能有很大的不同。但普通而言，它的每一个时隙内的信号由载波恢复信号、比特定时恢复信号、独特码、消息码等组成。载波恢复信号和比特定时恢复信号是接收端同步检测所必需的，用以实现载波同步和比特同步。同步是TDMA方式的一个关键问题，这涉及一个台站开始发射突发信号时，怎样保证此突发信号正确地进入指定的时隙，而不会误入其它时隙造成干扰，也就是所谓初始捕获问题。当正常工作时，每隔一帧时间发一次，又怎样保证各分帧之间维持精确的时间关系，也就是所谓分帧同步问题。为保证完整精确地检出发送方的信息，还要达到系统的比特同步。针对不同系统的不同传输速率，不同的性能要求，相应有不同的同步方式。独特码是一种不容易为随机比特所仿造而造成错误检测的码组，以此作为该突发信号弹的时间基准。消息码传送的是各通信台站发给其它台站的消息信号。］由于系统定时不精确，各个台站之间距离变化等原因，会使各个台站的突发在时间上发生重叠。为避免此现象，突发之间要留有一定时间空隙作为保护时间。AIS系统的TDMA协议二、AIS船舶数据分析如下：］AIS船舶数据中含有船舶的类型、船舶名称、船舶编号、船舶估计到达时间，船舶启航时间、船舶停靠港信息、船舶位置（经纬度）、船舶最大吃水量、船舶航行速度、过境区等信息，这些数据的综合功能就是为了识别、跟踪船舶，尽量避免船舶碰撞，加强海事管理等。AIS是通过广