B类AIS设备之系统软件构设与开发

第1章绪论

1.1 AIS的产生背景
当前社会，随着全球化进程的不断加速，国家之间的贸易量增加，船舶作为海上交通的主要运输工具，其大型化、高速化的发展使得海上交通拥挤程度越发明显，意外事故频繁发生⑴。海上交通是以保障航行安全和航行效率为目的的，为实现这一目的，船舶之间需要掌握彼此的动态和静态的信息。而雷达和VHF无线电话等传统导航系统已经无法满足现代航海中的要求，使用雷达虽然能够掌握船的存在和动、静态信息，但受海况和天气的影响以及无法识别其船名、国籍等信息，而VHF无线电话则存在沟通上的障碍[2]。这使得研发新型的船舶识别导航及避碰系统刻容缓。船舶自动识别系统（Automatic Identification System，简称AIS)是一种重要的船用助航设备[3]，其是针对于这一难题和需求而出现的，是在高精度卫星定位技术和甚高频VHF无线通信技术发展而来的，是传统经验航海向数字航海跨越的里程碑。AIS系统的安装和使用可以增强船舶间航行的安全性和效率，可以进行有效的避碰，并能适用于船与船、船与岸、岸与船之间的通信与信息交流。因此，AIS技术凭借着其独特的功能优势或许将成为自动识别领域里一个重要的研究方向。
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1.2 AIS在国内外的研究及发展现状
国外的AIS设备比较完善，但是价格比较昂贵，对于国内小型船舶而言所承受的经济负担较重。现阶段，虽然我国高校以及研究机构在AIS设备研究以及应用方面已逐渐趋向于成熟，但具有自主产权和可靠质量的AIS设备还很少[9]。近些年，我国AIS系统的发展受到了我国海事主管机关的高度重视。我国已先后建成了长江口水域、珠江口水域、琼州海峡、北方海区的勸海海峡AIS岸台网络系统，并积极响应SOLAS公约的要求，对规定的船台安装AIS船载设备，取得了良好的效果，为水上交通安全提供了全面的保障。市场上销售的大部分AIS设备的控制器选择的是8-16位的嵌入式微控制器，典型代表是8位单片机，其较低的价格在AIS设备开发中占有较大的市场。比如在文献[11]中的B类AIS设备中使用的核心控制芯片为C8051F340 8位微处理器，该文设计出一种无线网关硬件终端用于实现物流信息与AIS信息的数据融合处理，从而完成船台与岸台、物流公司之间的通信。其方案的实现对于利用已有的海上通信设备完成现代化物流信息的传输提供了一种可行的新思路，同时也让AIS系统的功能不仅局限于船舶避碰导航和遇险搜救等方面。而文献[8]则选用ARM9微处理器作为核心处理器，其利用ARM9微处理器完成基带信弓解调信息的处理以及对信息进行管理和解码。该文把嵌入式技术应用到AIS接收机的设计方案中，完成了 AIS报文数据的解码工作，从而成功提取出船舶的部分动静态信息，具有一定得实际应用价值。
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第2章AIS技术介绍

2.1 AIS系统概述
目前，AIS已越来越多的在海上航行的船舶上配置，是用作船舶之间避碰和自动交换信息的重要助航设备。该系统由岸基设施和船载设备共同构成的，岸基设施主要由一系列岸台设备组成网络，形成对海岸线的覆盖，该网络对进入各自水域的船只进行监控，与AIS船载设备之间建立通信，交换船载和水域信息；AIS船载设备则由VHF收发机、GPS接收机、信息处理器、显示设备以及其他外部接口等设备组成。船载设备除具有与岸台系统交换信息的功能外，还能在无人工干预的情况下，自主连续的广播和接收船舶的静态、动态、船次相关数据和安全短报文[11]。AIS系统主要实现的功能是船舶识别、监控、导航和通信[12]。通过船船之间的信息交换，海上航行的船舶对附近船只的标识、位置信息、运动参数和航行状态等与船舶航行安全有关的重要数据有一个迅速、直观的了解，增强了船舶之间的识别能力，通过主动调整达到避免碰撞的结果。通过船岸之间的数据交换，海事管理部门可以对所管辖水域内的所有安装AIS系统的船舶进行监控同时指配工作模式，从而提高了水域内的安全管理效率和海上搜寻救助能力[13]。
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2.2 AIS通信协议
物理层主要负责在传输媒介上传输数据的比特流。AIS中的物理层同样是负责比特流与数据链路间的转换，它定义了 AIS通信机的性能、调试方案、传输介质、数据编码、双信道运行和设备及链路的安全措施。AIS数据传输应在VHF海上移动频段内进行，根据国际电信联盟（ITU)的无线电规则，数据传输应缺省设置为AIS1和AIS2，即A1和A2。在领海内需要按照当地海事管理部门的要求采用25kHz或12.5kHz带宽，而在公海上运行带宽必须为25kHz的带宽。I AIS的数据传输率为9600bps。此外，AIS应能按要求在2个平行的信道上运行：采用2个TDMA接收机分别在2个独立的频道上同时接收信息，而在发送AIS报文时应使用一个TDMA发射机在2个独立的频道上交替进行TDMA发射。调制方式应为根据带宽进行调整的调频高斯滤波最小移频键控法GMSK/FM[i6]。数据传输从由一个用于数据段同步的24bit解调器同步序列幵始。数据编码釆用不归零倒置波形。
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第3章系统硬件结构......... 14
3.1系统硬件结构 .........14
3.2 ATMEGA128单片机介绍......... 15
3.2.1 ATmegal28单片机的中断系统......... 15
3.2.2 ATmgal28单片机的定时器/计数器......... 17
3.2.3 ATmegal28单片机串行通信......... 20
3.3 AIS基带数据处理芯片CMX7042......... 20
3.4 MB15U36双环路集成锁相频率合成器......... 23
3.5 Ublox GPS 单元......... 28
3.6 开发环境 AVR Studio4......... 30
第4章系统软件设计......... 31
4.1 VCO频率配置模块......... 32
4.2同步模块......... 34
4.3突发模式下双信道发送任务......... 38
4.4突发模式下双信道接收任务......... 53
第5章功能模块测试及结果分析......... 58
5.1 VCO频率锁定调试结果 .........58
5.2双信道RSSI值测量与基带发射信号波形分析......... 59
5.3双信道交替发送任务及双信道......... 62
5.4 一分钟完全同步的调试结果......... 68

第5章功能模块测试及结果分析

5. 1 VGO频率锁疋调试结果
按照公式(3.2)配置双环路集成锁相频率合成器MB15U36上的Programmable Reference Counter 寄存器和 Programmable Counter 寄存器，从而分别锁定 A1、A2发射信道的信道频率，通过频谱仪来查看两个发射信道频率的锁定情况。图5.1是A1发射信道的频率锁定情况，频谱仪搜索范围是在161 MHz-164MHz,从图中我们可以看到在161.97MHz处有个峰值，由于频谱仪有精度限制，5000Hz将无法显示，故而初步认定巳经锁定在A1发射信道，即161.975MHz。图5.2是关闭A1信道，切换到A2发射信道的频率锁定情况，频谱仪搜索范围仍是在161MHz-164MHz，从图中我们可以看到在162.02MHz处有个峰值，由于频谱仪有精度限制，5000Hz仍将无法显示，故而初步认定已经锁定在A2发射信道，5口 162.025MHz。当关闭两个信道时，在161 MHz-164MHz没有峰值，即验证了两个发射信道的频率锁定和切换情况良好。
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结 论

本课题源于企业委托项目，完成的主要工作包括以下几点：
(1)无线通信双信道的构建，即将Al、A2信道锁定在相应的频率上。通过对双环路集成锁相频率合成器MB15U36芯片的数据寄存器按照VCO压控振荡器输出频率计算公式配数，分别完成A1和A2信道的发送、接收信道频率锁定。
(2) —分钟双信道RSSI值的测量以及载波门限值的确立。通过对一分钟双信道RSSI值的测量验证双信道RSSI值的测量是否能够正常工作。
(3)突发模式下单信道发送任务。发送任务完成后通过观察MODI 口的波形对基带波形进行提取，可以清楚的了解到发送序列Tx—sequence中各事件的启动时间，以及调制方式的不同对于基带波形的影响。
(4)突发模式下双信道交替发送任务。发射端并没将GPS提取的GPRMC语句进行报文数据的转化，而是分别自拟了 A1信道和A2信道发送的报文数据，其中A1信道发送的报文是自拟的一份18号标准B类设备位置报文，而A2信道发射的报文是自拟的一份14号安全广播消息报文。这样就能判断在接收端当前信道是否能接收到发射端同一信道的报文，同时也能验证双信道的交替发送任务是否能够成功。
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参考文献（略）