一種基于CMX910的AIS系統(tǒng)同步方案*

謝永鋒,劉 鵬2,佟 力,姚元飛

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036;2.中國(guó)西南電子設(shè)備研究所，成都 610036)

1 引 言

自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)是一種新型的助航系統(tǒng)及設(shè)備，是可以用于水上交通聯(lián)絡(luò)和指揮的岸-船、船-岸、船-船之間的通信、輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)為船舶航行安全和航行管理提供了一種新型而有效的手段，它基于無(wú)線電應(yīng)答器的相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可用于船舶等運(yùn)載工具的精確跟蹤，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)雷達(dá)監(jiān)測(cè)在自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)以及獲取航行動(dòng)向信息等方面的不足，對(duì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)起輔助或替代作用。由于AIS技術(shù)先進(jìn)、使用簡(jiǎn)易和經(jīng)濟(jì)，因此，被采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ITU-R M.1371、IEC 61993-2)[1,2]。國(guó)際海事組織(IMO)將AIS作為海上航行船舶(≥300 t)強(qiáng)制性要求安裝的安全設(shè)備，所以該系統(tǒng)有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

AIS是以自組織時(shí)分多址(SOTDMA)組網(wǎng)協(xié)議為核心技術(shù)，船舶間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，無(wú)需類(lèi)似管控中心等設(shè)備的支撐，這種組網(wǎng)通信方式不受不同海域的限制。但是,由于AIS以SOTDMA協(xié)議為核心技術(shù)，同步是TDMA網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，要求整個(gè)TDMA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘要相同，以保證時(shí)間的一致性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)AIS技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，產(chǎn)品也十分成熟，但對(duì)于AIS系統(tǒng)同步方面的研究卻很少。本文根據(jù)ITU-R M.1371協(xié)議重點(diǎn)介紹了AIS的同步方法，并探討了一種基于CMX910實(shí)現(xiàn)AIS同步的方案。目前，采用該方案的AIS已經(jīng)在工程上得到廣泛應(yīng)用，組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)中各成員直接同步時(shí)間誤差不超過(guò)±20 μs，間接同步時(shí)間誤差不超過(guò)±50 μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ITU-R M.1371所要求的直接同步時(shí)間誤差為±102 μs，間接同步時(shí)間誤差±306 μs[1,2]。

2 AIS概述

2.1 系統(tǒng)概述

AIS調(diào)制方式采用GMSK/FM方案[1]，無(wú)線傳輸?shù)膸挒?5 kHz或12.5 kHz，射頻工作頻點(diǎn)是161.975 MHz/162.025 MHz，數(shù)據(jù)組幀格式采用簡(jiǎn)化的HDLC協(xié)議，數(shù)據(jù)編碼為NRZI方式，數(shù)據(jù)傳輸比特率為9 600 bit/s。AIS分為船臺(tái)和基站設(shè)備，兩個(gè)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)相同，其框圖如圖1所示。

圖1 AIS框圖
Fig.1 Block diagram of AIS

系統(tǒng)中，通信處理模塊是系統(tǒng)的控制中心，內(nèi)嵌一個(gè)GPS接收機(jī)，為系統(tǒng)提供精確的位置信息和時(shí)間基準(zhǔn)?；鶐幚砟K為系統(tǒng)管理VHF數(shù)字收發(fā)信機(jī)，同時(shí)完成系統(tǒng)的GMSK/FSK調(diào)制和解調(diào)工作。VHF數(shù)字收發(fā)信機(jī)包括3個(gè)VHF接收機(jī)和1個(gè)獨(dú)立的VHF發(fā)射機(jī)。

2.2 SOTDMA協(xié)議[1]

AIS是以自組織時(shí)分多址(SOTDMA)組網(wǎng)協(xié)議為核心技術(shù)，該技術(shù)將時(shí)間分成若干超幀，每個(gè)超幀又分成若干時(shí)隙供船舶用戶使用，每個(gè)用戶周期地廣播其當(dāng)前的位置信息及對(duì)未來(lái)時(shí)隙的預(yù)約信息，以構(gòu)成系統(tǒng)的時(shí)隙狀態(tài)表，這個(gè)時(shí)隙狀態(tài)表反映了所有參與船舶通信的用戶對(duì)時(shí)隙動(dòng)態(tài)使用的情況，依據(jù)該時(shí)隙動(dòng)態(tài)表，各用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信道時(shí)隙的自發(fā)管理。由于這些時(shí)隙資源由用戶自行管理，不需要基站的參與，所以被稱(chēng)為自組織時(shí)分多址。若因船舶用戶的增加或需發(fā)送信息增多，AIS超負(fù)荷時(shí)，SOTDMA能自動(dòng)減少AIS用戶的數(shù)量，保證最近的船舶能夠接收，以犧牲覆蓋范圍的方式保證通信的可靠性。

AIS中定義1 min為一個(gè)超幀，每個(gè)超幀劃分為2 250個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)26.67 ms，可以由任意用戶使用，AIS通信應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)能提供在1 min之內(nèi)發(fā)送至少2 000條船舶信息的報(bào)告。

2.3 SOTDMA消息結(jié)構(gòu)

SOTDMA算法將利用時(shí)隙狀態(tài)表來(lái)完成時(shí)隙的同步和確定初始時(shí)隙以及分配(預(yù)約)連續(xù)工作時(shí)隙。TDMA網(wǎng)絡(luò)的同步是基于同步狀態(tài)的算法。SOTDMA通信狀態(tài)中的同步狀態(tài)標(biāo)志指示本機(jī)的同步狀態(tài)是與UTC直接同步還是間接同步，與UTC間接同步時(shí)是與基站同步還是與其它的AIS船臺(tái)同步。SOTDMA消息結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中的通信狀態(tài)字段包括同步狀態(tài)的指示和時(shí)隙的使用信息。

圖2 SOTDMA消息結(jié)構(gòu)
Fig.2 SOTDMA message structure

3 AIS系統(tǒng)的同步技術(shù)[1-2]

同步是TDMA網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)中的成員應(yīng)使用同一個(gè)時(shí)間同步源，以保證時(shí)間的一致性。

同步按照其實(shí)現(xiàn)方式的不同可以分為直接同步和間接同步。在ITU-R M.1371協(xié)議中指出，無(wú)論是直接同步還是間接同步，協(xié)議將同步分成兩個(gè)層次：一個(gè)是超幀同步，一個(gè)是時(shí)隙同步。超幀同步主要指各AIS用戶間時(shí)隙號(hào)相同，故超幀同步主要是調(diào)整時(shí)隙計(jì)數(shù)的差值。時(shí)隙同步指各用戶時(shí)隙號(hào)相同，但各個(gè)用戶的時(shí)隙起點(diǎn)不同，修正時(shí)隙起點(diǎn)的偏差，時(shí)隙同步的精度要求更高。為了保證AIS通道的正常工作，能夠獲得UTC的用戶應(yīng)該基于UTC源連續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行同步，間接獲得UTC的用戶應(yīng)該基于其它UTC源連續(xù)地對(duì)其系統(tǒng)重新同步，如果系統(tǒng)已經(jīng)處于幀同步，應(yīng)該連續(xù)地進(jìn)行時(shí)隙同步。

3.1 直接同步

直接同步是指在本機(jī)GPS接收機(jī)工作正常的情況下，通過(guò)GPS提供的UTC時(shí)間信息和秒脈沖來(lái)校正本機(jī)的時(shí)間。由于TDMA網(wǎng)絡(luò)各成員之間的時(shí)間都是由GPS提供，各成員間的時(shí)間誤差應(yīng)滿足ITU-R M.1371協(xié)議規(guī)定的±102 μs的要求。

3.2 間接同步

間接同步是指在本機(jī)或整個(gè)AIS網(wǎng)絡(luò)GPS失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)成員通過(guò)接收其它成員播發(fā)的消息來(lái)建立的一種同步關(guān)系。間接同步對(duì)時(shí)間精度的要求非常高，所以間接同步的實(shí)現(xiàn)是AIS的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

在ITU-R M.1371協(xié)議中指出，當(dāng)船臺(tái)不能直接或間接與UTC同步，但能接收到基站的傳輸消息時(shí)，應(yīng)與最大接收臺(tái)站的基站同步，并且同步到基站的船臺(tái)應(yīng)把其同步狀態(tài)改變到“基站”以反映其同步狀態(tài)，各成員間的時(shí)間誤差應(yīng)滿足ITU-R M.1371協(xié)議規(guī)定的±306 μs的要求。間接同步按優(yōu)先級(jí)可分為3種方式：

(1)與UTC間接同步；

(2)在有基站的條件下，與接收到消息最多的基站進(jìn)行間接同步，當(dāng)接收到好幾個(gè)有相同接收臺(tái)數(shù)的基站時(shí)，應(yīng)基于其中MMSI最小者進(jìn)行同步；

(3)在沒(méi)有基站的條件下，與接收到消息最多的AIS船臺(tái)進(jìn)行間接同步，當(dāng)接收到好幾個(gè)相同接收臺(tái)數(shù)的船臺(tái)時(shí)，應(yīng)以其中MMSI最小者進(jìn)行同步。

AIS網(wǎng)絡(luò)成員在GPS失效的情況下，接收和播發(fā)的消息都將可能是無(wú)效的，如果設(shè)備的UTC定時(shí)器精度比較高，會(huì)維持本機(jī)正常工作一段時(shí)間，可能會(huì)有時(shí)間向其它目標(biāo)報(bào)告GPS失效，請(qǐng)求提高報(bào)告率，與之建立間接同步。當(dāng)本機(jī)接收到請(qǐng)求進(jìn)行間接同步的消息后，應(yīng)將報(bào)告率提高到每2 s 1次，主要根據(jù)設(shè)備的定時(shí)器精度。當(dāng)需選擇某個(gè)基站或船臺(tái)作為標(biāo)桿站(semaphore)，其選擇算法流程如圖3所示。

圖3 AIS系統(tǒng)選擇標(biāo)桿站的流程圖
Fig.3 AIS system select semaphore flow

4 基于CMX910的系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)

4.1 CMX910芯片介紹[3]

CMX910是CML公司推出的一款A(yù)IS基帶處理芯片，具有UTC接口，能根據(jù)接收到的GPS秒脈沖調(diào)整本地時(shí)鐘。在該芯片內(nèi)部有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)采樣計(jì)數(shù)器，將每個(gè)時(shí)隙劃分為1 280個(gè)采樣點(diǎn)，每計(jì)數(shù)到1 280個(gè)采樣就進(jìn)位產(chǎn)生一個(gè)時(shí)隙；另外一個(gè)是時(shí)隙計(jì)數(shù)器，由采樣計(jì)數(shù)器進(jìn)位計(jì)數(shù)得到，最大為每分鐘2 250個(gè)時(shí)隙，計(jì)數(shù)時(shí)鐘由本地晶振產(chǎn)生，CMX910能根據(jù)GPS時(shí)鐘校正其內(nèi)部時(shí)鐘，修改其內(nèi)部的采樣計(jì)數(shù)器和時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值，并且能根據(jù)不同的需要配置為自動(dòng)或手動(dòng)的方式調(diào)整slot_sample_count寄存器的時(shí)間偏差。

4.2 基于CMX910的系統(tǒng)同步實(shí)現(xiàn)

AIS設(shè)備中通信模塊和基帶模塊以CMX910的時(shí)隙和采樣計(jì)數(shù)值為準(zhǔn)[4]，系統(tǒng)同步框圖如圖4所示。

圖4 AIS同步框圖
Fig.4 Block diagram of AIS synchronization

在GPS有效的情況下，CMX910根據(jù)GPS提供的UTC分脈沖和秒脈沖校正其內(nèi)部采樣時(shí)鐘，修改其本地時(shí)隙計(jì)數(shù)器和采樣計(jì)數(shù)器的值，這樣CMX910以GPS提供的UTC秒脈沖為同步源，每秒同步一次。網(wǎng)絡(luò)中所有的AIS用戶都是以GPS提供的UTC時(shí)間同步，所以，在GPS有效的情況下，基于CMX910很容易實(shí)現(xiàn)AIS的超幀同步和時(shí)隙同步。

在GPS失效的情況下，本地設(shè)備通過(guò)接收網(wǎng)絡(luò)中其它成員設(shè)備播發(fā)的消息建立同步關(guān)系，若接收到某個(gè)成員設(shè)備播發(fā)的消息顯示其GPS有效，則本地設(shè)備直接與該設(shè)備同步；若不能間接與UTC同步，但能與基站直接通信時(shí)，應(yīng)與最大接收臺(tái)站的基站同步。同理，若不能與基站直接通信，則與最大接收臺(tái)站的船臺(tái)同步，并且應(yīng)把本地設(shè)備發(fā)送的消息的同步狀態(tài)改成相應(yīng)的同步狀態(tài)以告知網(wǎng)內(nèi)其它成員其同步狀態(tài)。本地設(shè)備根據(jù)CMX910接收到消息的時(shí)刻進(jìn)行超幀同步和時(shí)隙同步，當(dāng)CMX910檢測(cè)到接收消息的有效標(biāo)志時(shí)，此時(shí)CMX910將該時(shí)刻的時(shí)隙號(hào)和采樣號(hào)寫(xiě)入slot_sample_count寄存器中，通信模塊的處理器獲得此時(shí)刻后，按照SOTDMA協(xié)議同步原理，根據(jù)同步優(yōu)先級(jí)算法選擇適合的目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行同步。當(dāng)同步目標(biāo)選定后，本地設(shè)備與接收到的該同步目標(biāo)消息中所包含的時(shí)隙號(hào)進(jìn)行比較，若兩者的時(shí)隙號(hào)不等，則將本地時(shí)隙號(hào)修正為同步設(shè)備的時(shí)隙號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的超幀同步，同時(shí)根據(jù)接收到消息時(shí)的采樣值計(jì)算一個(gè)相對(duì)的采樣修正值來(lái)修正本地的采樣計(jì)數(shù)器的值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)隙同步。這樣，本地設(shè)備與同步設(shè)備之間建立起系統(tǒng)的超幀同步和時(shí)隙同步。

系統(tǒng)組網(wǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)各成員間在GPS有效情況下，直接同步時(shí)間誤差不超過(guò)±20 μs，在GPS失效情況下，間接同步時(shí)間誤差不超過(guò)±50 μs，小于ITU-R M.1371所要求的直接同步時(shí)間誤差為±102 μs，間接同步時(shí)間誤差±306 μs[1,2]。

5 結(jié) 論

如何實(shí)現(xiàn)AIS設(shè)備間的同步是AIS組網(wǎng)通信的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，這要求整個(gè)AIS網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘基準(zhǔn)要相同，以保證時(shí)間的一致性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)AIS技術(shù)又進(jìn)行了大量研究已經(jīng)做了大量的工作，產(chǎn)品也十分成熟，但對(duì)于AIS同步方面的研究很少。本文根據(jù)ITU-R M.1371協(xié)議重點(diǎn)介紹了AIS的同步方法，并探討了基于CMX910實(shí)現(xiàn)AIS同步的方案。實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證和分析表明，采用該方案的系統(tǒng)同步可靠，組網(wǎng)性能好，系統(tǒng)誤碼率低，且該方案的實(shí)現(xiàn)對(duì)AIS系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有重要的參考意義。

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