船載自動識別系統(tǒng)信息解碼淺析

楊正峰 楊 磊

（上海海事大學，中國 上海 201306）

0 引言

船載自動識別系統(tǒng)（AIS）是船舶新一代的通信導航系統(tǒng)，依托自組織時分多址（SOTDMA）技術，實現對海上交通安全和船-岸、船-船間的自動識別、通信導航等功能。AIS概念自1994年瑞典等國首次提出到國際海事組織（IMO）、國際航標協(xié)會（IALA）、國際電信聯盟（ITUR）共同強力推廣，要求船舶強制安裝AIS，前后僅僅經歷了十年左右的時間，足以說明AIS系統(tǒng)對于船舶運行及其監(jiān)管的重要性，AIS的出現是航海史上的一個里程碑。由于海上交通環(huán)境復雜多變，AIS的出現使船舶航行安全和海上交通安全有了保障[1-2]。AIS數據在ECDIS，ARPA，VTS，航行警告、通告，船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)中有著廣泛的應用。對于AIS信息的準確獲取和解碼是船載自動識別系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮作用的基礎和前提。

1 AIS系統(tǒng)介紹

1.1 AIS 系統(tǒng)構成

AIS的主要構成如圖1所示：

圖1 船載自動識別系統(tǒng)主要構成

AIS做為助航系統(tǒng)，通過VHF的兩個頻道 （87B161.975MHz和88B162.025MHz）進行收發(fā)同一信道上的船舶信息和安全相關信息，船和岸、船和船之間通過基站形成的通信網絡，實現相互之間的數據通信。通信接口可以接收來自GPS/DGPS的導航定位信息，電羅經提供的本船對地航向COG，計程儀提供的本船對地航速SOG，同時，能夠將AIS信息一同集成到電子海圖ECDIS，自動雷達標繪ARPA以及VDR中[3]。用戶接口為RS422通信協(xié)議，通過RS422/RS232轉換器轉換后的信號傳送到PC機的串口，實現AIS信息的采集。采集的部分信息如下：

1.2 AIS通信協(xié)議

盡管AIS通信過程中會根據不同的操作模式采用不同的通信協(xié)議，分別是 FATDMA、RATDMA、ITTDMA、SOTDMA，但是 AIS 系統(tǒng)在連續(xù)運行時主要采用SOTDMA通信協(xié)議。自組織時分多址SOTDMA技術原理是將信道時間分割成固定的時間間隔，使得同一個信道發(fā)送的信息相互不干擾[4]。AIS網絡中將1分鐘做為一幀，一幀分為2250個時隙，每個時隙長度為26.67ms，每個時隙能夠容納小于256bit的一條消息，對于大于256bit的消息會占用2個及以上的時隙。每一幀的開始和結束均以衛(wèi)星提供的世界時UTC時間為標志。

1.3 AIS 信息構成

AIS報文消息的主要由船舶向基站和其他船舶播發(fā)的消息，岸臺管理中心向船舶播發(fā)的信息。其基本可以分為以下幾種類型[3]：

1.3.1 靜態(tài)信息：海上移動業(yè)務識別碼（MMSI），呼號，船名，船長，船寬，船舶類型，船上定位天線的位置等。

1.3.2 動態(tài)信息：具有精度指示和完整性狀態(tài)的船位，對地速度（SOG），對地航向，航行狀態(tài)，轉向率，UTC時間等。

1.3.3 航行信息：船舶吃水，目的港，預到時間，危險貨物類型等。

1.3.4 安全信息：有關船舶航行相關的安全信息。

根據ITU-R M.1371規(guī)定，AIS信息總共分為22種不同的信息報文，具體報文類型如表1：

表1 22種報文的類型

2 AIS信息解碼

AIS報文是整個船舶自動識別系統(tǒng)的數據交換和傳輸單位，包含豐富的船舶動態(tài)、靜態(tài)以及和安全相關的數據信息，AIS報文解析是將接收到的無法直接識別的暗碼數據解析成操作或者監(jiān)管人員能夠直接識別的明碼信息。信息解碼是AIS中關鍵技術之一。信息解碼主要分為以下幾個步驟：串口接收AIS報文、6bit二進制序列轉換、幀校驗正確、解析數據并顯示。

2.1 AIS 報文結構

根據ITU-RM.137121和IEC6116222協(xié)議，AIS報文信息分為明碼和暗碼兩種類型。 明碼以 “$” 字符開始，如：$OSNT,1,2008,09,30,21,53,00，明碼報文內容可以直接讀取，此明碼報文給出了接收的報文廣播的具體時間。但是由于明碼占用了更多的空間資源，IEC對明碼的字符做了限制（少于等于82個字符）。

暗碼則以“！ ”開頭，基本格式：！ XXYYY，A，B，C，N，Data，V*HH。其中各部分相對應的內容見表2：

表2 AIS封裝報文中各部分表示的內容

其中的校驗部分采用的是循環(huán)冗余校驗CRC的方法來確保通信的可靠性，CRC是一類在通信領域廣泛地用于差錯控制的方法，編解碼簡單且糾錯能力強。AIS信息幀為高級數據鏈路控制規(guī)程HDLC的幀，其校驗序列中使用CRC-32進行校驗，其生成多項式為

2.2 AIS信息解碼算法

為了將報文解析成明文信息，基本方法有兩種：一、檢索比對，將報文數據與表3中進行一一比對，轉換成相應的6bit的二進制序列；二、根據表中數據間的相互關系，通過數學算法將8bit的報文信息轉換成對應的6bit的二進制序列，算法流程圖如圖2所示[5－6]。鑒于AIS通常的數據量巨大，且圖中的數學算法容易實現，采用第二種方法將報文轉換成相應的二進制序列。

表3 8bit轉6bit二進制表

圖2 ASCⅡ碼轉換6bit二進制序列算法流程圖

2.3 AIS 信息解碼

以接收到的其中一條報文為例：

!AIVDM,1,1,3,B,169`K0001l8g@ADEaj55：42j00Rc,0*56

由文中算法編碼將數據部分轉換為6bit二進制序列如下：

本條報文對應的消息類型為1，根據ITU-R M.1371規(guī)定，其對應的解析如表4：

表4 第1類報文內容及解析結果

由此可知，通過文中的方法可以正確解析出AIS相應報文的內容，其他類型的信息解碼原理、過程和第1類報文相似，對于一個時隙不能全部包含的報文，AIS將其分成多條報文分別進行傳輸，在解析之前，要將多條的報文合并成一條報文，參照ITU-R M.1371給出的對應的報文類型及內容進行正確的解析。

3 結束語

本文分析介紹了船載自動識別系統(tǒng)及信息解碼方法，并通過實驗解析獲得了正確的AIS信息，充分說明了通過文中方法能夠快速解碼獲得AIS數據，為其在之后的研究過程中的應用打下基礎。鑒于AIS具有海量數據，而且多數應用需要數據的及時更新，因而推薦在實際AIS系統(tǒng)中應用多線程等技術來提升效率。

［1］孫文力,孫文強.船載自動識別系統(tǒng)[M].大連：大連海事大學出版社,2004.

［2］初秀民,徐海潮,萬劍,等.基于多線程的船載自動識別系統(tǒng)報文解析[J].中國航海,2011,34(2)：19-23.

［3］張穎.船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)接口數據的研究與應用[D].大連：大連海事大學,2009.

［4］咸魁蔚.自動識別系統(tǒng)(AIS)協(xié)議的研究和實現[D].天津：天津大學電子信息工程學院,2010.

［5］徐志京.AIS信息編解碼中CRC算法分析及程序實現[J].中國水運,2008,08(8)：115-117.

［6］吳建華,陶德馨.自動船舶識別系統(tǒng)的信息解碼技術研究[J].武漢理工大學學報,2007,31(4)：595-598.