船舶避碰数据处理系统设计论文-公开DOC毕业论文Word格式.doc
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本文在基于AIS技术的基础上，展开了船舶避碰数据处理系统的设计。
本文首先介绍了船舶避碰技术的研究背景，提出了一些船舶避碰的方法，如常用的无线电通信设备，如船载雷达、VHF电台等。
比较这些设备、技术的优缺点，提出了船舶自动识别系统（AIS）的概念，对AIS技术的发展状况进行了简单描述。
此外，还介绍了AIS的结构功能、操作模式、工作特点等知识，展开对AIS的关键技术的研究。
其次，提出了基于AIS的船舶避碰系统。
介绍了该系统的结构特点、工作原理及优点。
通过典型的应用举例，强调了基于AIS的船舶避碰系统的优越性。
接着，在学习和研究AIS系统的基础上，提出了船舶避碰数据处理系统的设计方案。
对基于AIS的船舶避碰系统进行了各单元电路及其接口电路的设计，并以DSP为核心部分，进行了整个控制系统的分析，并设计了相应的仿真程序流程图。
船舶避碰数据处理系统在基于AIS的船舶避碰技术的基础上，主要对船舶信息的数据处理部分展开了重点研究。
通过计算船舶避碰的相关参数，来判断船舶的安全性。
因此，掌握数据处理方式，计算避碰参数，设计程序的流程图将是本文主体的研究内容。
最后，对船舶避碰数据处理系统的设计进行了总结，并对未来船舶避碰数据处理的发展情况进行预测。
关键词：
AIS,避碰，数据处理,DSP,CPA
Abstract
Withthefastdevelopmentofmarinetechnology,thetechnologiesofavoidanceofcollisionisalsoimproved.However,theshipcollisioncrashesfrequentlyoccur.Thatcausedseriousharmforhumanlifeandproperty.Therefore,inordertopreventthesesailingaccidents,thevesselinformationtimelyandaccuratelyprocessedbymasterisveryimportant.ThisarticleisbasedonAIStechnology,expandsthedesignofcollisiondataprocessingsystem.
Firstly,thispaperintroducestheresearchbackgroundoftheshipcollisionavoidancetechnology,andputsforwardsomecollisionavoidancemethodsthatwecommonlyusedinradiocommunicationequipments,suchasnavigationradar,VHFradio,etc.Bycompareingthetechnicaladvantagesanddisadvantagesoftheseequipmentsortechnologies,weproposetheconceptofautomaticidentificationsystem（AIS）andtakeabriefdescriptionofthedevelopmentofAIStechnology.ItalsodescribesthestructureoftheAIS,operatingmode,workfeatures,andthekeytechnologiesofAIS.Secondly,itproposestheAIS-basedcollisionavoidancesystem,anddescribestheworktheoryandadvantagesofthistechnology.Throughintroducingthetheapplicationoftypicalexamples,whichhighlightsthesuperiorityofAIS-basedcollisionavoidancesystem.Then,accordingtotheAIS-basedcollisionavoidancesystem,itgetsthestudyandresearchaboutdataprocessingsystemdesignoftheavoidanceofshipcollision.AIS-basedcollisionavoidancesystemimplementsthevariousunitcircuits,someinterfacecircuitframes,andDSPforcontrolsystemanalysis.Inaddition,italsodesignstheappropriatesimulationflowchart,partoftheprogramforwritinganddebugging.BasedonAISofcollisionavoidancetechnology,collisiondataprocessingsystemisamainlykeyresearchcontent.Bycountingthecollisionoftherelevantparameters,anddetermineingthesafetyoftheship.Therefore,dataprocessing,calculatethecollision,theflowchartwilldesignprogramisthesubjectofthisarticle.Finally,thevesselcollisiondat
Keywords：
AIS,AvoidanceofCollision,dataanalysis,DSP,CPA
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1引言 1
1.2研究背景 1
1.3本文的主要工作 2
第2章船舶自动识别系统（AIS） 3
2.1AIS的构成及功能 3
2.1.1AIS的构成 3
2.1.2AIS的功能 4
2.2AIS的操作模式 4
2.3AIS的技术特点 5
2.4AIS的典型应用 6
第3章船舶避碰数据处理系统的方案与硬件设计 8
3.1基于AIS的船舶避碰系统的结构及功能 8
3.1.1基于AIS的船舶避碰系统的结构 8
3.1.2基于AIS的船舶避碰系统的功能 9
3.1.3基于AIS的船舶避碰系统的方案比较 10
3.2数据处理系统方案的确定 11
3.3主要模块设计 11
3.3.1DSP和FPGA的接口设计 11
3.2.3接口电路的芯片介绍 12
3.4船舶动态信息的数据计算 14
3.4.1船舶的碰撞危险 15
3.4.2船舶避碰参数的计算 15
第4章流程与部分程序流程设计 19
4.1船舶避碰数据处理系统设计的实现 19
4.2DSP读取程序的设计 20
4.3初始化程序的设计 21
4.4TCPA、CPA计算子程序的设计 22
小结 23
致谢 24
【参考文献】 25
第1章绪论
1.1引言
随着航海技术的进步，海上运输量越来越大，船舶航行密度增大，导致了财产和生命损失的严重后果。
为了避免船舶在海上航行时的碰撞，保证船舶的航行安全性是解决船舶避碰的关键。
因此，研究相关船舶避碰技术，掌握和分析海上其它船舶的静态信息、动态信息是至关重要的事情。
AIS技术的使用，不仅有助于提高船舶航行的安全性和效率外，还可以加强对海洋环境的保护。
AIS技术的强大功能，使得该技术受到越来越国家的关注。
目前无论是国内还是国外，AIS技术都得到了广泛的应用。
为了更好地解决船舶避碰这个问题，本文展开了基于AIS的船舶避碰数据处理系统的设计。
通过对船舶数据的处理，以及碰撞危险参数的计算，从而进行船舶遇险判断，是做好船舶遇险预测工作的重要过程，也是船舶安全航行的保证。
1.2研究背景
关于对船舶避碰技术的研究，经历了多个发展阶段。
在二十世纪五、六十年代，西欧国家首先提出了船舶避碰问题，并对船舶避碰数据处理问题展开了理论上的初步研究。
在二十世纪九十年代初，主要通过运用船载雷达和甚高频（VHF）设备来处理船舶避碰问题，并且对这些设备的应用已达到成熟阶段。
但是，由于这两种避碰技术自身存在着的性能缺陷和局限性，如雷达设备非常容易受天气因素的影响不能识别其它船舶的船名和国籍等，VHF设备有着不可避免的人为操作影响，用起来效率不高。
这使得对雷达和VHF设备的性能无法做出更近一步的研究。
在二十世纪九十年代，欧美一些发达国家开始着手对船舶自动获取信息以及航行状态相关技术的研究，特别在AIS技术方面做了大量的研究工作和实验。
经过这半个世纪的研究和探索，随着自动识别系统（AIS）技术的出现，船舶避碰技术有了突破性的进展。
AIS技术作为一项最新的船舶技术，在众多的欧美国家尤其是在欧洲国家得到了快速发展。
近几年，随着AIS技术从理论研究阶段到实用阶段的跨越，AIS技术的应用越来越来越多。
目前，AIS技术在船舶交通管理（VTS）的自动监测和识别以及船舶避碰这两方面有着非常广泛的应用。
对于VTS，当船舶一进港，VTS的就可以自动收到船舶的AIS信息，如船名、位置、航向、航速，将其动态标绘在电子海图显示和信息系统（ECDIS）上，省去人工操作的那一部分,减小人为因素带来的数据误差和影响。
对于船舶避碰，AIS信息除了能提供高精度的航行数据外，还可以提供其它目标船舶的操作意向，这就非常有利于船舶的避让操作。
在欧洲，瑞典是AIS技术的发源地，已有相当多的公司推出了完整的AIS船用设备和岸基设备。
我国的航海技术水平相对于欧美国家，差距还是比较大的。
因此，设计出高质量的船舶避碰数据处理系统为我国的船舶避碰技术的开发奠定了基础。
我国经济的快速增长，为研发中国自己的船舶避碰技术提供了良好的条件。
现阶段，我国有众多从事国际航运船舶的相关技术人员，通过学习国外先进技术和船舶避碰数据处理知识，研究分析AIS的使用技术，力争研制开发国产高质量AIS设备，建立更高效的VTS是目前中国国内对AIS技术的高要求。
在船舶运输日益大型化、高速化的同时，海上交通状况也日益复杂、繁忙。
基于雷达技术和VHF技术的船舶自动识别和通讯己很难满足未来的需要，这就迫切要求有新的船舶避碰技术来满足这些需要。
AIS技术作为一项在理论上已趋于成熟的新兴船舶避碰技术，研究基于AIS的船舶避碰技术，给船舶避碰问题带来了新的希望。
1.3本文的主要工作
本文的目的是实现基于AIS船舶避碰数据处理系统的设计。
因此，论文的主要工作集中在以下几个方面：
1、介绍了AIS的典型应用和工作原理。
本文要做的主要是设计一套用于船舶避碰的AIS数据处理系统。
所以我们首先介绍了AIS的技术原理与工作过程，为后文的进行做好准备。
2、介绍了船舶避碰技术的研究背景，提出了一些处理海上碰撞问题时常用的无线电通信设备，如导航雷达、VHF电台等。
通过比较这些设备、技术的优缺点，提出了船舶自动识别系统（AIS）的概念，并对AIS技术的发展状况进行了简单描述。
此外，还介绍了AIS的结构功能、工作模式、工作特点等知识，展开对AIS的关键技术的研究。
3、分析基于AIS的船舶避碰系统。
4、在学习和研究AIS系统的基础上，提出了船舶避碰数据处理系统的设计方案。
对基于AIS的船舶避碰系统进行各单元电路及其接口电路的设计，并以DSP为核心软件，进行控制系统分析。
此外，还设计了相应的仿真流程图。
在基于AIS的船舶避碰技术的基础上，主要对船舶信息的数据处理部分展开了重点研究。
在实践的过程中，通过模拟接收AIS信息数据，计算船舶运动参数，根据会遇形势计算碰撞危险度并给出避碰建议，如CPA、DCPA等值，用来判断船舶的安全性。
第2章船舶自动识别系统（AIS）
2.1AIS的构成及功能
AIS技术是针对航海避碰技术而提出的一项新技术。
该技术集自动化和智能化于一身，给船舶避碰数据处理系统的的设计提供了理论基础。
现阶段，AIS技术处在理论基础比较成熟的阶段，由于其显著的功能结构特点，对它的应用也已经从理论阶段换到了实际运用阶段。
2.1.1AIS的构成
AIS主要是由通信模块、信息收集模块、信息处理模块及信息显示模块构成。
可以将AIS的所有构成模块大致地分成硬件构成部分和软件构成部分。
AIS的硬件构成部分可由四部分组成,如图2.1所示：
（1）VHF数字通信通道:
主要用于转发和接收广播的GPS等其它船位信息；
（2）信息处理与控制器:
内部装有嵌入式微处理器系统，是全机的控制中心；
（3）GPS接收机:
能为船舶提供相关的运动参数以及精确的时间基准；
（4）船桥设备接口:
主要用于船舶信息的收集和输出。
GPS
VHF
AIS收发机
显示终端
电源
传感器数据
报警
2.1AIS的硬件构成
AIS的软件构成部分由三个部分组成：
（1）网络软件:
根据国际电联提出的技术标准，控制和组织无线数字通信网的运行；
（2）系统控制软件:
控制AIS的各部分来协调工作；
（3）接口软件:
提供接口信息处理和控制功能[1]。
2.1.2AIS的功能
AIS的目的是实现在一定范围内所有安装无线电应答器的船舶之间都能相互“看得见”。
船舶之间“看得见”，意味着不须人为介入便能够连续交换重要的航行数据，其中最重要的数据包括船名、船籍、船位、船速、航向等。
只有当这些信息可自动、连续地传送给所需船舶，AIS才可称为无线电自动识别系统[2]。
从AIS的目的中我们可以看出，它为船舶航行的安全性和可靠性提供了保障，是一项功能强大、新型的航海技术。
从图2.1的AIS硬件构成中可见每艘船都安装了AIS收发机，起着接收信息和发送信息的重要作用。
在船舶即将遇险的状况下，本船可以通过AIS收发机，将自己的航行信息发送给其它航行中的船舶，并接收周围其它目标船舶发送来的航行信息。
通过对所接收信息的及时处理，就可避免船舶在海上的碰撞事故。
现在对AIS的具体功能阐述如下：
（1）AIS能较好地解决船舶交通管理系统（VTS）中存在的船舶自动识别问题。
由于VTS目前主要观测对象是雷达和VHF设备，而这些设备自身的局限性又给船舶的自动的识别带来了麻烦。
VTS在处理它们所提供的信息时，会花费比较多的时间，这就给船舶的及时危险判断带来了困难，提高了船舶的碰撞概率。
相反的，AIS是集自动化和智能化的系统，能够快速而又有效地进行船舶自动识别，这就给VTS的工作减轻了不少负担。
（2）AIS能够满足船舶避碰通信过程中对船舶识别的需要。
目前，在处理船舶避碰问题中时广泛使用的无线电通信设备是VHF电台。
由于VHF无法自动获取其它目标船舶标识，所以在实际应用中难以在本船进行实际操作前与其它船舶达成避碰协议。
此外，VHF也有可能造成时间延误的紧迫局面，给船舶的航行安全性和可靠性造成威胁。
而AIS的快速反应，降低了船舶碰撞的可能性。
（3）AIS为船舶航行提供了新的观测手段。
目前，雷达是船舶使用的主要观测手段。
但是由于雷达自身存在的缺陷（如只能提供船位和速度信息，并容易受到天气、地形等环境因素的影响），使得雷达的使用非常有局限性，这也该船舶避碰带来了技术难点。
随着AIS的出现，AIS除了能提供船位和速速信息外，还能提供船舶的航行状态、船名、呼号、船长和吃水等大量船舶动态和静态信息。
此外，AIS还不易受到环境因素的干扰。
（4）AIS能将海上通信连接到计算机数字通信网络，实现了船舶与计算机之间的动态联网。
这样不但可以实现船舶和船岸之间的数字通信，提高通信效率，在一定程度上解决了船舶在海上通信时遇到的语言障碍。
（5）AIS提供了新的航海技术发展平台。
利用所建立的计算机数字通信网络和信息，我们可以开发出更多的新型应用，用来进一步解决船舶信息交换、操作、避碰、控制和监视等领域存在的问题。
2.2AIS的操作模式
AIS系统是通过VHF数字通信通道将船舶信息发送给周围的其它目标船舶，以实现船舶的自动识别和监视。
通过了解AIS的操作模式，可以更好地理解AIS的性能。
AIS可以在3种不同的通信模式上进行工作:
自主连续模式，指配模式和轮询模式。
在没有特殊情况下，AIS会默认选择自主模式进行工作。
（1）自主连续模式
在该操作模式下，由电台决定本船数据的发射时间表，并可自动解决与其它电台的时间冲突。
该操作模式可在任何区域内工作，可自动进行操作。
当船舶在海上航行时，AIS会自动接收和发送船舶的状态信息，包括动态数据和静态数据。
船载AIS应答器通过监控两个专用AIS频道，利用可分配到的空闲时隙来发送这些信息。
VHF电波覆盖范围内的船载AIS可以接收到这些信息。
广播和数据的更新率取决于船舶的航速和航向改变的快慢。
（2）指配模式
在该操作模式下，电台会利用管辖机构的基站或转发站来决定本船数据的发射时间表。
该操作模式适用于VTS所管辖的海区，由VTS来决定数据的发送间隔和时隙。
当船舶在船舶密集的沿岸区域航行时，VTS根据通信链路的负载情况或其他特殊情况，通过基站控制该区域的船舶工作于指配模式，使用VTS的基站来指配数据发送时间表。
该模式适用于两个AIS频道之间的交替工作，它只对电台发射位置报告起作用，对电台的其他操作没有任何作用。
（3）轮询模式
在轮询操作模式下，电台能够响应其它电台或者是基站的询问，自动响应来自船舶或主管部门的询问电文，该操作模式与其它两种操作模式没有任何的冲突。
2.3AIS的技术特点
AIS配合全球定位系统（GPS）能够将船舶对地速度、船位、目的地、对地航向和航向改变率等船舶动态数据，以及船名、船型、呼号和吃水情况等船舶静态数据由VHF频道向附近水域的船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的动态、静态信息，进行船舶之间的快速通信，从而采取有效的船舶避碰手段。
下面分别从AIS的工作特点、传输的状态信息、技术特点等几方面的内容对AIS的技术特点进行描述：
（1）工作特点：
在所有区域内自主和连续工作；
由海事管理部门的交管监视中心指配工作信道和模式，以便主管部门控制数据传输的间隔和时隙；
数据的传输响应来自于船舶或主管部门的问询，有轮询和受控两种模式。
（2）传输的状态信息：
AIS传输的状态信息包括动态信息和静态信息两个方面。
其中，动态信息有船位、国际协调时、对地航向、对地航速、航迹向、航行状态、转向率、横倾角（选用项）、纵倾和横摆（选用项）。
静态信息有IMO编码、船名、船型、呼号和船的长度和宽度、定位天线在船上的位置。
（3）传输的其它航行相关信息：
船舶吃水情况、装载货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划（选用项）、简明的安全信息等等。
（4）技术特点：
AIS采用OSI（OpenSystemsInterconnection）的工作模型，无线传输的带宽为25kHz或12.SkHz（见ITU-RM.1084），采用GMSK调制方案，数据编码为NRZI方式，数据传输的比特率为9600bit/s。
（5）AIS的功能特点：
与DSC兼容允许访问GMDSSA1海区的海岸站台；
允许提供简单的GMDSSA1海区的雷达目标确认；
提供了一种AIS信道管理的方法。
与12.5KHz窄带信道兼容提供了一种新的AIS信道的方法；
符合窄频带前向纠错的发射需要；
与当前的25KHz宽带系统相兼容。
与双工信道兼容协助双工的海岸基站的信号转发；
可提供一个半径为100海里的广域覆盖：
在广域网覆盖的区域，允许船载的自组织的无错的AIS无线应答器发射信号；
协助访问岸站的服务中心和数据库：
NOAAPORTS数据（潮汐、洋流、天气等）；
国家气象服务中心（图像和文本信息）；
港口管理服务中心（引水机构，港口代理，港务局，海上运输的中转机构等等）[2]。
2.4AIS的典型应用
由于船舶自动识别系统（AIS）自身的突出优点，是未来航海运输主要运用的避碰技术。
它对航运安全有着重要影响，保证着海上运输的顺利。
针对AIS系统，预计未来将在很多方面会得到进一步的发展。
1、AIS和VTS
船舶交通管理系统（VesselTrafficServiceSystem—VTS）是由分道通航制和其他船舶定线制系统结合而成，该系统的职能是为提高船舶交通安全及效率和保护海上环境提供服务。
将AlS引入VTS后，就能实现在船舶交通管理系统的控制和管理的区域内，自动显示航行船舶的船名和动、静态信自、，使VTS的识别更加可靠、快速，大大提高对船舶的跟踪能力[2]。
2、AIS和ECDIS
电子海图显示和信息系统（ElectronicChartDisplayandInformationSystem—ECDIS）也是一种新的助航系统。
将AIS的数据信息增入ECD1S中，可使船舶在航行中对电子海图上的其它船舶的信息一目了然，其结果对海上航行、安全、商业都有重大影响。
其它典型应用还有AIS和综合船桥系统IBS和基于无线局域网络（LAN）技术的AIS。
总之，AIS系统对现在对未来的船舶航运起着非常重要的作用，它的应用在未来是对船舶避碰技术的重要辅助[2]。
3、船站型AIS船舶避碰系统
船舶使用的ABAAS具有如ABAAS最基本的功能特点:
1）本船动态信息的收集，并与静态信息组合，按AIS数据格式编码发送；
2）接收、处理、存储并显示他船的静态、动态信息；
3）解算TCPA,CPA等避碰参数，并判断碰撞危险，播发危险告警；
4）可以使用点对点方式（DSC兼容）和广播方式播发信息；
5）6/12通道差分GPS（DGPS）输入;
ECDIS、计程仅、罗经、DGPS等外部接口；
7）双通道VHF收发机；
8）基于WINDOWS界面的配置软件[2]。
2、VTS中心基站型的AIS船舶避碰系统
AIS船舶避碰系统的另外一种重要应用是应用在VTS中。
传统的VTS中心是用岸基雷达捕
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