基于AIS技術的數字航標系統的研究

第11卷第12期中國水運Vol.12No.11

2011年12月ChinaWaterTransportDecember2011

基于技術的數字航標系統的研究

AIS

方耿舜，張杏谷，鄭佳春

（集美大學，福建廈門361021）

摘要：AIS運用于航標是近年來重要的航標數字化手段。研發AIS航標終端設備AISRTU，實現航標LED燈、

雷達應答器及水文氣象傳感器信息采集及通過AIS電文6、8和21實現航標基本信息、航標狀態信息和水文氣象

信息的傳輸。經測試，終端所采集和傳輸的信息能夠在GIS平臺上顯示。

關鍵詞：AIS；數字航標；AIS-RTU；AIS電文

中圖分類號：U644.4文獻標識碼：A文章編號：1006-7973（2011）12-0073-03

引言的航標燈器監控、環境信息服務的功能（電文6、8）還處于

船舶自動識別系統（AIS）是工作在VHF海上移動頻段研究開發階段，相關技術還不夠成熟。

的自主、連續廣播系統，是采用SOTDMA技術為船舶或船本文提出一種基于AIS技術的數字航標，不但應用21

舶交通管理系統VTS中心提供目標信息的一種工具。它是號電文發送航標位置信息，也應用6號和8號電文發送航標

[1]

在提高船舶航行安全的迫切需求下，在通信技術和計算機技監控信息和環境信息。

術飛速發展的基礎上發展起來的，AIS具有很多優點，它的

一、AIS航標系統組成

AIS航標系統由終端設備、AIS通信系統、中心控制系信息量大，目標位置數據精度高，信息的提供不易受地形、

統三大部分組成，如圖1所示。天氣和海況的影響，因此，IMO將AIS作為一種新型的海事

信息交換工具，并通過了船舶強制安裝的規定。隨著越來

[2]

越多的船舶安裝AIS設備，AIS在VTS、船與岸或船與船之

間的通信、船舶避碰等應用中的優勢也越來越明顯，其潛能

也在不斷地開發應用中。

航標系統是海上交通安全保障體系的重要組成部分。

[3]

航標是保障船舶安全、經濟航行的重要設施，對發展水上交

通運輸、海洋資源開發、漁業捕撈、國防建設等起著重要作

用。航標數字信息化是當前航標建設的重中之重。鑒于AIS

在海上通信的巨大優勢，ITU已經規定將AIS電文21專用

于航標報告，國際航標協會IALA預見到AIS技術在航標應

用上的廣闊前景，近幾年來對AIS在海上航標中的應用做了

許多工作，其中包括AIS在航標應用中的建議（A.126）。

[4]

IALAA-126指出：“除航標報告電文21之外，AIS航標還

可以發射電文6，8，12，14，25和其他合適的電文”。目

前我國的大多數的數字航標系統都是基于GSM公網技術及

其網絡實現，但由于航標特殊的工作環境，這些技術存在著

很多局限性，影響了數字航標系統的性能和發展。而運用AIS

建設數字航標系統不僅可以通過合適的AIS電文發送航標的

相關信息，實現航標數字化及其應用，同時在數字航標系統

的建設過程中也有著巨大的優勢，AIS數字航標系統可以直

接使用AIS的兩個海上移動通信專用，頻道不需要重新申請

通信頻點；可以省卻專用通信網絡建設，節約成本；其開放

互聯工作模式使其方便得接入國際互聯網，方便管理；同時，

借用現有的AIS網絡，AIS航標的建設周期就可以大大縮短，

每座航標只需配置一個AISRTU即可。因此，AIS運用于航

標是近年來重要的航標數字化手段。AIS航標在我國部分港

口投入使用，但主要應用電文21播發航標位置，而基于AIS

收稿日期：2011-09-25

圖1AIS航標系統組成框圖

終端設備中的處理器自動定時接收來自航標燈、雷達應

答器和相關傳感器的位置信息、工作狀態信息、能源信息和

水文氣象信息等信息，并對所接收的信息進行打包處理，以

AIS模塊所能識別的信息格式傳送給AIS模塊；AIS模塊內

部對這些信息重新組合打包為特定的AIS電文并通過AIS通

信網絡將電文傳輸至中心控制系統的AIS通信機；控制中心

系統的數據服務器對通信服務器傳來的數據進行解析、處理

和存儲，通過解析自動生成各種報表，通過處理完成數據分

析、判斷、處理和報警；處理過的數據最終在GIS顯示平臺

上顯示，實現航標信息的顯示、查詢、報表等功能。

二、終端設備（AISRTU）

終端設備（AISRTU）處理器模塊以LPC2368ARM7

[5]

微處理器芯片為核心硬件，該微處理器也是整個終端的核心。

它是一款性價比高、體積小、性能高的ARM7TDMI-S微處

理器，頻率最高可達72MHz，擁有1個USB2.0接口；4

個UART；雙頻控制；1個串行外圍接口電路；3個IC-bus

2

接口。采用uC/OSII實時操作系統，負責整個系統的管

[6-7]

作者簡介：方耿舜（1987-），男，福建省漳州人，集美大學在讀研究生，研究方向為海上智能交通系統理論與技術。

74中國水運第11卷

理、控制、數據處理以及通信協議的解析和數據處理。終端文廣播水文氣象信息。

設備的組成框圖如圖2所示。AIS通信模塊以AIS電文所發送的數據都來自于處理

圖2終端設備的組成框圖

目前的航標燈均帶有采集模塊采集航標燈的狀態數據，

[8]

包括光照度、電壓、電流、健康燈泡數等狀態信息，通過這些

數據可以了解航標燈的“健康指數”。這些數據通過航標燈上

的采集模塊的RS-485串口輸出，實現航標燈數據的采集。

雷達應答器作為無線電航標，在正確引導船舶航行發

揮著重要作用。因此，雷達應答器的狀態信息的采集也

是AIS數字航標必須實現的功能，采集的信息包括電源

電壓、工作電流、工作時間等。雷達應答器的接口也是采

用RS-485接口。

為了更好地為船舶提供航行環境信息，航標可配置了水

文氣象信息傳感器，通過采集傳感器上的信息，并播發給船

舶，可以幫助船舶駕駛員更安全地航行。傳感器信息可通過

RS-485輸出。

航標的定位信息由AIS模塊中的GPS接收機獲得，因

此處理器不用再外接一個GPS模塊。

處理器采集到LED燈、雷達應答器、水文氣象傳感器的

數據之后，根據這些數據的協議解析數據，并按照AIS協議要

求形成一定的格式的數據包發送給AIS通信模塊。AIS模塊則

對這些信息再次轉換并由AIS的VHF通信網絡發送。處理器

與AIS通信模塊之間的數據傳輸通過RS-232串口實現。

三、電文描述與數據格式

根據相關要求或建議，本系統將航標位置等基本信

[9-10]

息采集之后經過處理封裝為21號電文發送；航標的狀態監

測信息采集之后經過處理封裝為6號電文發送；水文氣象信

息則利用8號電文發送。

目前，ITU已經規定將AIS的21號電文專用于航標，

并對電文的組成格式作了明確規定，用于播發航標的航標類

型、航標名稱、航標位置、航標位置精度指示、定位設備類

型、在位/移位狀態、真實與虛擬航標辨識、航標尺度與基準

位置和航標系統狀態等基本信息。

電文21中，有8比特保留給區域或當地使用的數據比

特。利用這8比特可以對航標的狀態進行基本的檢測，但由

于實際應用中所需要監測的航標參數不止電壓、電流、溫度

等，所需要的比特數目有可能超過所有頁面的總和，所以航

標監測的進一步細節可以用其它適用專用電文實現。根據

IALAA-126建議，系統使用6號電文（尋址二進制電文）

向航標主管部門發送航標狀態報告。例如蓄電池電壓數據，

燈器狀態數據和太陽能電源系統、充電電流等；使用8號電

器，這些數據的格式在本系統中有明確規定，處理器與AIS

通信模塊間的接口數據幀格式如表1所示。

表1數據幀格式

！（起始字符）

功能域（Function），

數據長度（Length），

數據域（Data）

*

校驗域（Check）

功能域為5個ASCII字符長度的固定區域，用于填寫功

能碼，用于讓AIS通信模塊確定信息要以何種電文發送；數

據長度表示數據域的總字節數；數據域最多255字節，由于

6號和8號電文為二進制專用電文，ITU并沒有對電文的組

成格式做出規定，因此其數據組成及編碼協議由系統開發人

員制定，本系統規定數據域以一個字節的兩個ASCII碼字符

的編碼方式，這樣做的目的是方便中心控制系統對電文的解

碼；校驗采用異或校驗。

四、結果與展望

根據上述軟硬件研究，完成了相應的設計和開發。結果

表明，控制中心系統的AIS接收機可以實時穩定的接收并分

析來自AIS航標終端的航標狀態信息及水文氣象信息。圖3

為服務器接收到的AIS航標數據分析顯示實例。

圖3AIS航標數據分析顯示實例

由此可見，利用AIS技術并結合嵌入式技術可以可靠地

實現航標數字化，從而實現航標的狀態監測及水文氣象等助

航信息的播發。同時，AIS航標能夠：

經由AIS電文21中的航標名稱，提供航標明確的標

識指示；

不分晝夜，以及在能見度不良，視覺航標看不見的情

況下工作；

通常比白天視距和浮標視覺信號有更遠的探測距離；

向船員提供航標移位和故障電文；

通過電子海圖或現代雷達屏幕顯示航標精確位置，AIS

用于航標能提供更好的航標完善性。

隨著AIS技術應用的不斷深入，AIS航標將在以下四個

方面有更大的應用前景：（下轉第77頁）

第12期夏海鳴等：基于COD測量信號的濾波算法的研究77

value_buf[i+1]=new_value；

delay()；

}

//中值平均濾波

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))；//返回去頭去尾的中間數值

的平均值

}

以此改進的濾波算法進行COD測試數據的處理，得到

的結果如下圖1所示。

（上接第74頁）航天大學出版社，2005.

導航。[6]周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統的程序設計技

環境數據獲取與播發。術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

船舶監視。[7]陳是知.uC/OS-II內核分析、移植與驅動程序開發[M].

SAR（搜救）。北京：人民郵電出版社，2007.

參考文獻[8]鄭佳春.基于嵌入式LINUX的航標遙測遙控終端的開發

[1]袁安存，張淑芳譯.通用船載自動識別系統國際標準匯編[J].計算機應用與軟件，2009，26（10）：98-100.

[M].大連：大連海事大學出版社，2005.[9]RecommendationITU-RM.1371，TechnicalCharacteristics

[2]王麗娜.AIS研究及其應用進展[C].中國航海學會通信導ForaUniversalShipborneAutomaticIdentificationSystem

航專業委員會學術年會論文集，2006.UsingTimeDivisionMultipleAccessInTheVHFMaritime

[3]張杏谷，彭國均，項鷺，等.航標信息系統[J].大連海事大MobileBand.

學學報，2006，32（02）：21-23.[10]IEC62320-2，Maritimenavigationandradiocommunication

[4]IALARecommendationA-126onTheUoftheAutomaticequipmentandsystems–Automaticidentificationsystem

IdentificationSystem（AIS）inMarineAidstoNavigation，（AIS）–Part2：AISAtoNstations–Minimumoperational

Edition1.4[S].2008，12.andperformancerequirements，methodsoftestingand

[5]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空requiredtestresults，Edition1.0[S].2008，3.

圖1測試結果對比圖

從圖1可以看出，直接測得的COD曲線，確實帶有許

多毛刺，給分析測定帶來不利，而改進的濾波算法能夠對測

量數據進行有效的處理，得到的曲線平滑，結果準確，也大

大提高了測試的重現性。所以，此改進的濾波算法在COD

水質在線檢測儀進行數據處理時較為適用。

三、小結

本文根據COD水質在線監測儀進行COD測定過程中出

現的一些擾動現象，提出了一種新的濾波算法，并對所得到的

數據進行濾波處理，得到了較為滿意的測量結果，既保證了測

試結果的準確性，又避免了干擾信號的出現，提高了測試的穩

定性，能夠適用于COD水質在線檢測儀的數據分析處理。

參考文獻

[1]吳寶軍.基于卡爾曼濾波算法裝備維修器材需求量預測[J].

四川兵工學報，2009，30(8)：99-100.

[2]任小洪，王天文.一種加權均值濾波的改進算法[J].信息化

縱橫，2009，16：54-56.

[3]張旭，陳樹越.一種基于統計特性的鄰域值濾波算法[J].

電子學報，2004，7(32)：1108-1111.

[4]李秀峰，蘇蘭海，榮慧芳.改進均值濾波算法及應用研究

[J].光電子激光，2007，1(18)：113-116.