一種AIS船臺數據在線分析裝置和方法與流程
2023-06-02 00:53:16
本發明屬於船舶助航導航技術領域，具體涉及一種AIS船臺數據在線分析裝置和方法。
背景技術：
AIS（Automatic Identification System，船舶自動識別系統）是一種新型的集網絡技術、現代通信技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的廣播式的數字助航系統和設備，其工作在海事87B（161.975MHz）和88B（162.025MHz）頻段，採用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）協議運行，由岸基（基站）設施和船載設備（船臺）共同組成。AIS船臺以國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）規定的技術標準對外播發AIS報文，報文由靜態信息和動態信息組成。AIS動態信息是通過接入的全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）獲取的，內容包括船舶的船位、船速、改變航向率及航向等與船舶航行狀態相關信息。AIS靜態信息通過鍵盤或者觸控螢幕輸入，內容包括船名、MMSI、呼號、船舶類型、船舶尺寸、吃水及始發港、目的港等與船舶相關資料。AIS報文由甚高頻（Very High Frequency，VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，使臨近船舶及岸臺能及時掌握附近海面所有船舶之動靜態資訊，得以立刻互相通話協調，採取必要避讓行動，對船舶安全有很大幫助。
AIS系統的組成框圖如圖1所示，AIS系統主要由：數據採集部分、信號處理器、AIS顯示終端、VHF收發機四部分組成。
（1）數據採集部分：主要是用來接收來自GNSS接收機的本船經緯度信息、對地的航速、同步UTC時間、來自電羅經的本船對地航向等信號，轉換成數位訊號並輸入信息處理器，還有包括從輸入裝置中輸入的信息。
（2）信息處理器：是AIS的核心部分，用來存儲本船的MMSI、船名、呼號、船長、船寬等靜態信息和船舶吃水、危險貨物類型、航線等與航行相關的信息；處理存儲本船的動態信息；將存儲的本船最新航行數據及必要的靜態信息與航行相關的其它信息進行編碼並存儲解碼後的數據；將本船和其它船舶的航行數據等信息送往信息顯示器顯示。信息處理器主要由船舶靜、動態資料庫及對信息的處理、管理控制、顯示等相應的軟體集成。
（3）AIS顯示終端：與雷達、APRA、電子海圖顯示器一體化，用來顯示各種數據和狀態信息、監視系統的運行狀況等。
（4）VHF收發機：由系統信息處理器控制，用VHF 87B和88B兩個國際專用頻道自動發射和接收通信協議方案規定的高斯濾波最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）信號，己調信號中含有本船和它船航行信息，AIS同時在這兩個頻率上接收信息，而發射信息是在兩個頻率上交替進行的。
AIS在船舶導航、避碰、船舶通信、船岸通信、海上搜救、海事調查等方面發揮獨特而重要的作用。AIS可以在沒有岸站的情況下自成系統，顯示周邊船舶的航行動態，因此，在海上AIS系統主要用作船舶避讓和相互溝通的功能。在內河水域，由於航道彎窄，GNSS系統固有誤差的存在，使得AIS更多的是作為一種船舶交通流管理工具，實現對內河船舶交通數據的採集。AIS作為一種VTS工具，能夠較好的解決船舶交通管理系統中存在的船舶自動識別難題，自動建立與目標船、岸臺之間的通信聯繫。
國際AIS在技術、標準、產品方面的發展十分迅速，IMO（International Maritime Organization，國際海事組織）制定了船舶安裝AIS設備的時間表，要求國際航線300噸以上的船舶必須在2007年7月1日之前安裝AIS船臺，國內航線客船及500總噸以上船舶必須在2008年7月1日前安裝AIS船臺。為了加強對沿海航行安全管理、提高船舶安全航行技術條件、改善沿海通航秩序，中華人民共和國海事局於2005年10月14日發出《關於部分沿海航行船舶安裝船載自動識別系統的通知》，要求沿海航行的所有客船，500總噸及以上的油船、化學品船、貨櫃船必須於2006年4月30日之前配備AIS設備。
為了有效利用僅有的兩個VHF頻段，AIS船臺對外廣播報文有嚴格的標準規範。下表所示為AIS船臺對外播發AIS報文的時間間隔標準。
可見，在船舶正常行駛的情況下，A類AIS船臺的報文發送間隔為10秒，B類AIS船臺的發送間隔為30秒。同時，AIS船臺對外播發的AIS報文，存在動態信息失準的問題。具體表現為：（1）存在無效的AIS動態信息，如速度超出船舶實際可能航速極值，經度為181°，緯度為91°，航向角361°；（2）數據存在明顯的偏差，例如在AIS動態數據序列中，出現速度值、航向角突變，或者經緯度漂移；（3）播發重複的數據，在船舶行進的過程中，前後兩條AIS動態數據的內容相同。這些錯誤動態信息的產生有多種原因，包括定位系統定位失敗/失準、原始AIS信號在編解碼和信號調製過程中，由於軟硬體故障或者外界幹擾，出現錯誤。通常情況下，這些原因因素都具有偶發性。然而，過低的信息發送頻率和錯誤的動態信息，容易使周邊其他船舶對本船的行為動態產生誤判，不利於船舶避碰和導航。因此，需要對AIS動態信息進行實時分析，判斷其正確性。當出現錯誤AIS數據時，及時發出警告。
如前文所述，AIS動態信息來源於GNSS系統，GNSS系統產生的數據頻率通常為1Hz，即每秒1幀數據。相對於AIS船臺播發的低頻率的動態信息，GNSS系統產生的原始數據，更適合於判斷船舶航行動態，但是需要通過技術手段濾除GNSS系統定位失敗和失準的數據。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：提供一種AIS船臺數據在線分析裝置和方法，依據分析修正過的GNSS系統定位數據判斷AIS動態信息的正確性。
本發明為解決上述技術問題所採取的技術方案為：一種AIS船臺數據在線分析裝置，其特徵在於：它包括：
電磁屏蔽的AIS報文解析模塊，用於在電磁屏蔽環境下，從AIS系統的VHF信號輸出埠採集AIS報文並解析；
處理單元，用於從GNSS系統模塊輸出埠獲取定位信息，並保存為原始定位數據時間序列，對原始定位數據時間序列進行濾波處理，得到修正的定位數據時間序列；同時接收AIS報文解析模塊解析的AIS報文，保存為AIS動態信息時間序列；將所述的AIS動態信息時間序列與修正的定位數據時間序列進行比較，若二者數據不同，則判定AIS動態信息為錯誤；
報警模塊，用於在判定AIS動態信息為錯誤時，發出報警指令。
按上述方案，所述的AIS報文解析模塊、處理單元和報警模塊均由AIS船臺電源模塊供電。
按上述方案，所述的AIS報文解析模塊包括依次連接的GMSK調製解調模塊、NRZI模塊（Non Return to Zero Inverse，非歸零反相編碼模塊）、HDLC模塊（High-Level Data Link Control，高級數據鏈路控制模塊）和TDMA解碼模塊。
按上述方案，所述的原始定位數據時間序列、修正的定位數據時間序列和AIS動態信息時間序列均包括UTC時間、經緯度、航速和航向角。
利用上述一種AIS船臺數據在線分析裝置實現的在線分析方法，其特徵在於：它包括以下步驟：
S1、從AIS系統的VHF信號輸出埠採集AIS報文並解析；
S2、將解析的AIS報文，保存為AIS動態信息時間序列；
S3、從GNSS系統模塊輸出埠獲取定位信息，並保存為原始定位數據時間序列，對原始定位數據時間序列進行濾波處理，得到修正的定位數據時間序列；
S4、將AIS動態信息時間序列與修正的定位數據時間序列進行比較，若二者數據不同，則判定AIS動態信息為錯誤；
S5、在判定AIS動態信息為錯誤時，發出報警指令。
按上述方法，所述的S3的濾波處理採用卡爾曼濾波算法。
按上述方法，所述的原始定位數據時間序列、修正的定位數據時間序列和AIS動態信息時間序列均包括UTC時間、經緯度、航速和航向角；所述的S4比較的是相同UTC時間下的經緯度、速度和航向角。
按上述方法，所述的S4將錯誤的AIS動態信息進行保存。
本發明的有益效果為：通過採用本發明裝置和方法，能夠實時的依據分析修正過的GNSS系統定位數據判斷AIS動態信息的正確性，無需額外安裝船舶動態信息傳感器，僅僅利用AIS船臺自帶的GNSS系統作為輸入，再從AIS系統的VHF信號輸出埠採集AIS報文即可，本發明裝置可以嵌入到AIS船臺之中，只需要對AIS船臺做略微改進，提供2個通信接口即可。
附圖說明
圖1為AIS系統的組成框圖。
圖2為本發明一實施例的組成框圖。
圖3為處理單元連接方式圖。
圖4為AIS報文解析模塊的工作流程圖。
圖5為本發明一實施例的方法流程圖。
具體實施方式
下面結合具體實例和附圖對本發明做進一步說明。
圖2為本發明一實施例的組成框圖，圖3為處理單元連接方式圖，一種AIS船臺數據在線分析裝置，包括電磁屏蔽的AIS報文解析模塊，用於在電磁屏蔽環境下，從AIS系統的VHF信號輸出埠採集AIS報文並解析；處理單元，用於從GNSS系統模塊輸出埠獲取定位信息，並保存為原始定位數據時間序列，對原始定位數據時間序列進行濾波處理，得到修正的定位數據時間序列；同時接收AIS報文解析模塊解析的AIS報文，保存為AIS動態信息時間序列；將所述的AIS動態信息時間序列與修正的定位數據時間序列進行比較，若二者數據不同，則判定AIS動態信息為錯誤；報警模塊，用於在判定AIS動態信息為錯誤時，發出報警指令。
本發明裝置小巧，所述的AIS報文解析模塊、處理單元和報警模塊均能夠由AIS船臺電源模塊供電。
如圖4所示，所述的AIS報文解析模塊包括依次連接的GMSK調製解調模塊、NRZI模塊、HDLC模塊和TDMA解碼模塊。採用良好的電磁屏蔽措施隔絕電磁幹擾。AIS船臺對外播發的AIS報文，經過VHF信號輸出埠連接到AIS報文解析模塊，經過解碼之後變為能夠被處理單元應用的數位訊號。
所述的原始定位數據時間序列、修正的定位數據時間序列和AIS動態信息時間序列均包括UTC時間、經緯度、航速和航向角。
利用上述一種AIS船臺數據在線分析裝置實現的在線分析方法，如圖5所示，包括以下步驟：
S1、從AIS系統的VHF信號輸出埠採集AIS報文並解析；
S2、將解析的AIS報文，保存為AIS動態信息時間序列；
S3、從GNSS系統模塊輸出埠獲取定位信息，並保存為原始定位數據時間序列，對原始定位數據時間序列進行濾波處理，得到修正的定位數據時間序列；
S4、將AIS動態信息時間序列與修正的定位數據時間序列進行比較，若二者數據不同，則判定AIS動態信息為錯誤；
S5、在判定AIS動態信息為錯誤時，發出報警指令。
優選的，所述的S3的濾波處理採用卡爾曼濾波算法，對原始定位數據時間序列進行濾波處理，剔除錯誤的定位數據，並修復。
進一步優選的，所述的原始定位數據時間序列、修正的定位數據時間序列和AIS動態信息時間序列均包括UTC時間、經緯度、航速和航向角；所述的S4比較的是相同UTC時間下的經緯度、速度和航向角，如果數值不一致，則AIS動態信息被判定為錯誤。
進一步的，所述的S4將錯誤的AIS動態信息進行保存，用於後期分析。
以上實施例僅用於說明本發明的設計思想和特點，其目的在於使本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容並據以實施，本發明的保護範圍不限於上述實施例。所以，凡依據本發明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發明的保護範圍之內。