基于AIS技术的数字航标系统的研究

第11卷第12期中国水运Vol.12No.11

2011年12月ChinaWaterTransportDecember2011

基于技术的数字航标系统的研究

AIS

方耿舜，张杏谷，郑佳春

（集美大学，福建厦门361021）

摘要：AIS运用于航标是近年来重要的航标数字化手段。研发AIS航标终端设备AISRTU，实现航标LED灯、

雷达应答器及水文气象传感器信息采集及通过AIS电文6、8和21实现航标基本信息、航标状态信息和水文气象

信息的传输。经测试，终端所采集和传输的信息能够在GIS平台上显示。

关键词：AIS；数字航标；AIS-RTU；AIS电文

中图分类号：U644.4文献标识码：A文章编号：1006-7973（2011）12-0073-03

引言的航标灯器监控、环境信息服务的功能（电文6、8）还处于

船舶自动识别系统（AIS）是工作在VHF海上移动频段研究开发阶段，相关技术还不够成熟。

的自主、连续广播系统，是采用SOTDMA技术为船舶或船本文提出一种基于AIS技术的数字航标，不但应用21

舶交通管理系统VTS中心提供目标信息的一种工具。它是号电文发送航标位置信息，也应用6号和8号电文发送航标

[1]

在提高船舶航行安全的迫切需求下，在通信技术和计算机技监控信息和环境信息。

术飞速发展的基础上发展起来的，AIS具有很多优点，它的

一、AIS航标系统组成

AIS航标系统由终端设备、AIS通信系统、中心控制系信息量大，目标位置数据精度高，信息的提供不易受地形、

统三大部分组成，如图1所示。天气和海况的影响，因此，IMO将AIS作为一种新型的海事

信息交换工具，并通过了船舶强制安装的规定。随着越来

[2]

越多的船舶安装AIS设备，AIS在VTS、船与岸或船与船之

间的通信、船舶避碰等应用中的优势也越来越明显，其潜能

也在不断地开发应用中。

航标系统是海上交通安全保障体系的重要组成部分。

[3]

航标是保障船舶安全、经济航行的重要设施，对发展水上交

通运输、海洋资源开发、渔业捕捞、国防建设等起着重要作

用。航标数字信息化是当前航标建设的重中之重。鉴于AIS

在海上通信的巨大优势，ITU已经规定将AIS电文21专用

于航标报告，国际航标协会IALA预见到AIS技术在航标应

用上的广阔前景，近几年来对AIS在海上航标中的应用做了

许多工作，其中包括AIS在航标应用中的建议（A.126）。

[4]

IALAA-126指出：“除航标报告电文21之外，AIS航标还

可以发射电文6，8，12，14，25和其他合适的电文”。目

前我国的大多数的数字航标系统都是基于GSM公网技术及

其网络实现，但由于航标特殊的工作环境，这些技术存在着

很多局限性，影响了数字航标系统的性能和发展。而运用AIS

建设数字航标系统不仅可以通过合适的AIS电文发送航标的

相关信息，实现航标数字化及其应用，同时在数字航标系统

的建设过程中也有着巨大的优势，AIS数字航标系统可以直

接使用AIS的两个海上移动通信专用，频道不需要重新申请

通信频点；可以省却专用通信网络建设，节约成本；其开放

互联工作模式使其方便得接入国际互联网，方便管理；同时，

借用现有的AIS网络，AIS航标的建设周期就可以大大缩短，

每座航标只需配置一个AISRTU即可。因此，AIS运用于航

标是近年来重要的航标数字化手段。AIS航标在我国部分港

口投入使用，但主要应用电文21播发航标位置，而基于AIS

收稿日期：2011-09-25

图1AIS航标系统组成框图

终端设备中的处理器自动定时接收来自航标灯、雷达应

答器和相关传感器的位置信息、工作状态信息、能源信息和

水文气象信息等信息，并对所接收的信息进行打包处理，以

AIS模块所能识别的信息格式传送给AIS模块；AIS模块内

部对这些信息重新组合打包为特定的AIS电文并通过AIS通

信网络将电文传输至中心控制系统的AIS通信机；控制中心

系统的数据服务器对通信服务器传来的数据进行解析、处理

和存储，通过解析自动生成各种报表，通过处理完成数据分

析、判断、处理和报警；处理过的数据最终在GIS显示平台

上显示，实现航标信息的显示、查询、报表等功能。

二、终端设备（AISRTU）

终端设备（AISRTU）处理器模块以LPC2368ARM7

[5]

微处理器芯片为核心硬件，该微处理器也是整个终端的核心。

它是一款性价比高、体积小、性能高的ARM7TDMI-S微处

理器，频率最高可达72MHz，拥有1个USB2.0接口；4

个UART；双频控制；1个串行外围接口电路；3个IC-bus

2

接口。采用uC/OSII实时操作系统，负责整个系统的管

[6-7]

作者简介：方耿舜（1987-），男，福建省漳州人，集美大学在读研究生，研究方向为海上智能交通系统理论与技术。

74中国水运第11卷

理、控制、数据处理以及通信协议的解析和数据处理。终端文广播水文气象信息。

设备的组成框图如图2所示。AIS通信模块以AIS电文所发送的数据都来自于处理

图2终端设备的组成框图

目前的航标灯均带有采集模块采集航标灯的状态数据，

[8]

包括光照度、电压、电流、健康灯泡数等状态信息，通过这些

数据可以了解航标灯的“健康指数”。这些数据通过航标灯上

的采集模块的RS-485串口输出，实现航标灯数据的采集。

雷达应答器作为无线电航标，在正确引导船舶航行发

挥着重要作用。因此，雷达应答器的状态信息的采集也

是AIS数字航标必须实现的功能，采集的信息包括电源

电压、工作电流、工作时间等。雷达应答器的接口也是采

用RS-485接口。

为了更好地为船舶提供航行环境信息，航标可配置了水

文气象信息传感器，通过采集传感器上的信息，并播发给船

舶，可以帮助船舶驾驶员更安全地航行。传感器信息可通过

RS-485输出。

航标的定位信息由AIS模块中的GPS接收机获得，因

此处理器不用再外接一个GPS模块。

处理器采集到LED灯、雷达应答器、水文气象传感器的

数据之后，根据这些数据的协议解析数据，并按照AIS协议要

求形成一定的格式的数据包发送给AIS通信模块。AIS模块则

对这些信息再次转换并由AIS的VHF通信网络发送。处理器

与AIS通信模块之间的数据传输通过RS-232串口实现。

三、电文描述与数据格式

根据相关要求或建议，本系统将航标位置等基本信

[9-10]

息采集之后经过处理封装为21号电文发送；航标的状态监

测信息采集之后经过处理封装为6号电文发送；水文气象信

息则利用8号电文发送。

目前，ITU已经规定将AIS的21号电文专用于航标，

并对电文的组成格式作了明确规定，用于播发航标的航标类

型、航标名称、航标位置、航标位置精度指示、定位设备类

型、在位/移位状态、真实与虚拟航标辨识、航标尺度与基准

位置和航标系统状态等基本信息。

电文21中，有8比特保留给区域或当地使用的数据比

特。利用这8比特可以对航标的状态进行基本的检测，但由

于实际应用中所需要监测的航标参数不止电压、电流、温度

等，所需要的比特数目有可能超过所有页面的总和，所以航

标监测的进一步细节可以用其它适用专用电文实现。根据

IALAA-126建议，系统使用6号电文（寻址二进制电文）

向航标主管部门发送航标状态报告。例如蓄电池电压数据，

灯器状态数据和太阳能电源系统、充电电流等；使用8号电

器，这些数据的格式在本系统中有明确规定，处理器与AIS

通信模块间的接口数据帧格式如表1所示。

表1数据帧格式

！（起始字符）

功能域（Function），

数据长度（Length），

数据域（Data）

*

校验域（Check）

功能域为5个ASCII字符长度的固定区域，用于填写功

能码，用于让AIS通信模块确定信息要以何种电文发送；数

据长度表示数据域的总字节数；数据域最多255字节，由于

6号和8号电文为二进制专用电文，ITU并没有对电文的组

成格式做出规定，因此其数据组成及编码协议由系统开发人

员制定，本系统规定数据域以一个字节的两个ASCII码字符

的编码方式，这样做的目的是方便中心控制系统对电文的解

码；校验采用异或校验。

四、结果与展望

根据上述软硬件研究，完成了相应的设计和开发。结果

表明，控制中心系统的AIS接收机可以实时稳定的接收并分

析来自AIS航标终端的航标状态信息及水文气象信息。图3

为服务器接收到的AIS航标数据分析显示实例。

图3AIS航标数据分析显示实例

由此可见，利用AIS技术并结合嵌入式技术可以可靠地

实现航标数字化，从而实现航标的状态监测及水文气象等助

航信息的播发。同时，AIS航标能够：

经由AIS电文21中的航标名称，提供航标明确的标

识指示；

不分昼夜，以及在能见度不良，视觉航标看不见的情

况下工作；

通常比白天视距和浮标视觉信号有更远的探测距离；

向船员提供航标移位和故障电文；

通过电子海图或现代雷达屏幕显示航标精确位置，AIS

用于航标能提供更好的航标完善性。

随着AIS技术应用的不断深入，AIS航标将在以下四个

方面有更大的应用前景：（下转第77页）

第12期夏海鸣等：基于COD测量信号的滤波算法的研究77

value_buf[i+1]=new_value；

delay()；

}

//中值平均滤波

for(j=0；j；j++)//冒泡排序

{

for(i=0；i；i++)

{

if(value_buf[i]>value_buf[i+1])

{

temp=value_buf[i]；

value_buf[i]=value_buf[i+1]；

value_buf[i+1]=temp；

}

}

}

for(count=1；count；count++)

sum+=value_buf[count]；

return(int)(sum/(N-2))；//返回去头去尾的中间数值

的平均值

}

以此改进的滤波算法进行COD测试数据的处理，得到

的结果如下图1所示。

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图1测试结果对比图

从图1可以看出，直接测得的COD曲线，确实带有许

多毛刺，给分析测定带来不利，而改进的滤波算法能够对测

量数据进行有效的处理，得到的曲线平滑，结果准确，也大

大提高了测试的重现性。所以，此改进的滤波算法在COD

水质在线检测仪进行数据处理时较为适用。

三、小结

本文根据COD水质在线监测仪进行COD测定过程中出

现的一些扰动现象，提出了一种新的滤波算法，并对所得到的

数据进行滤波处理，得到了较为满意的测量结果，既保证了测

试结果的准确性，又避免了干扰信号的出现，提高了测试的稳

定性，能够适用于COD水质在线检测仪的数据分析处理。

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