一种AIS船台数据在线分析装置和方法与流程

本发明属于船舶助航导航技术领域，具体涉及一种AIS船台数据在线分析装置和方法。

背景技术：

AIS（Automatic Identification System，船舶自动识别系统）是一种新型的集网络技术、现代通信技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的广播式的数字助航系统和设备，其工作在海事87B（161.975MHz）和88B（162.025MHz）频段，采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）协议运行，由岸基（基站）设施和船载设备（船台）共同组成。AIS船台以国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）规定的技术标准对外播发AIS报文，报文由静态信息和动态信息组成。AIS动态信息是通过接入的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）获取的，内容包括船舶的船位、船速、改变航向率及航向等与船舶航行状态相关信息。AIS静态信息通过键盘或者触摸屏输入，内容包括船名、MMSI、呼号、船舶类型、船舶尺寸、吃水及始发港、目的港等与船舶相关资料。AIS报文由甚高频（Very High Frequency，VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，使临近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶之动静态资讯，得以立刻互相通话协调，采取必要避让行动，对船舶安全有很大帮助。

AIS系统的组成框图如图1所示，AIS系统主要由：数据采集部分、信号处理器、AIS显示终端、VHF收发机四部分组成。

（1）数据采集部分：主要是用来接收来自GNSS接收机的本船经纬度信息、对地的航速、同步UTC时间、来自电罗经的本船对地航向等信号，转换成数字信号并输入信息处理器，还有包括从输入装置中输入的信息。

（2）信息处理器：是AIS的核心部分，用来存储本船的MMSI、船名、呼号、船长、船宽等静态信息和船舶吃水、危险货物类型、航线等与航行相关的信息；处理存储本船的动态信息；将存储的本船最新航行数据及必要的静态信息与航行相关的其它信息进行编码并存储解码后的数据；将本船和其它船舶的航行数据等信息送往信息显示器显示。信息处理器主要由船舶静、动态数据库及对信息的处理、管理控制、显示等相应的软件集成。

（3）AIS显示终端：与雷达、APRA、电子海图显示器一体化，用来显示各种数据和状态信息、监视系统的运行状况等。

（4）VHF收发机：由系统信息处理器控制，用VHF 87B和88B两个国际专用频道自动发射和接收通信协议方案规定的高斯滤波最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）信号，己调信号中含有本船和它船航行信息，AIS同时在这两个频率上接收信息，而发射信息是在两个频率上交替进行的。

AIS在船舶导航、避碰、船舶通信、船岸通信、海上搜救、海事调查等方面发挥独特而重要的作用。AIS可以在没有岸站的情况下自成系统，显示周边船舶的航行动态，因此，在海上AIS系统主要用作船舶避让和相互沟通的功能。在内河水域，由于航道弯窄，GNSS系统固有误差的存在，使得AIS更多的是作为一种船舶交通流管理工具，实现对内河船舶交通数据的采集。AIS作为一种VTS工具，能够较好的解决船舶交通管理系统中存在的船舶自动识别难题，自动建立与目标船、岸台之间的通信联系。

国际AIS在技术、标准、产品方面的发展十分迅速，IMO（International Maritime Organization，国际海事组织）制定了船舶安装AIS设备的时间表，要求国际航线300吨以上的船舶必须在2007年7月1日之前安装AIS船台，国内航线客船及500总吨以上船舶必须在2008年7月1日前安装AIS船台。为了加强对沿海航行安全管理、提高船舶安全航行技术条件、改善沿海通航秩序，中华人民共和国海事局于2005年10月14日发出《关于部分沿海航行船舶安装船载自动识别系统的通知》，要求沿海航行的所有客船，500总吨及以上的油船、化学品船、集装箱船必须于2006年4月30日之前配备AIS设备。

为了有效利用仅有的两个VHF频段，AIS船台对外广播报文有严格的标准规范。下表所示为AIS船台对外播发AIS报文的时间间隔标准。

可见，在船舶正常行驶的情况下，A类AIS船台的报文发送间隔为10秒，B类AIS船台的发送间隔为30秒。同时，AIS船台对外播发的AIS报文，存在动态信息失准的问题。具体表现为：（1）存在无效的AIS动态信息，如速度超出船舶实际可能航速极值，经度为181°，纬度为91°，航向角361°；（2）数据存在明显的偏差，例如在AIS动态数据序列中，出现速度值、航向角突变，或者经纬度漂移；（3）播发重复的数据，在船舶行进的过程中，前后两条AIS动态数据的内容相同。这些错误动态信息的产生有多种原因，包括定位系统定位失败/失准、原始AIS信号在编解码和信号调制过程中，由于软硬件故障或者外界干扰，出现错误。通常情况下，这些原因因素都具有偶发性。然而，过低的信息发送频率和错误的动态信息，容易使周边其他船舶对本船的行为动态产生误判，不利于船舶避碰和导航。因此，需要对AIS动态信息进行实时分析，判断其正确性。当出现错误AIS数据时，及时发出警告。

如前文所述，AIS动态信息来源于GNSS系统，GNSS系统产生的数据频率通常为1Hz，即每秒1帧数据。相对于AIS船台播发的低频率的动态信息，GNSS系统产生的原始数据，更适合于判断船舶航行动态，但是需要通过技术手段滤除GNSS系统定位失败和失准的数据。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种AIS船台数据在线分析装置和方法，依据分析修正过的GNSS系统定位数据判断AIS动态信息的正确性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种AIS船台数据在线分析装置，其特征在于：它包括：

电磁屏蔽的AIS报文解析模块，用于在电磁屏蔽环境下，从AIS系统的VHF信号输出端口采集AIS报文并解析；

处理单元，用于从GNSS系统模块输出端口获取定位信息，并保存为原始定位数据时间序列，对原始定位数据时间序列进行滤波处理，得到修正的定位数据时间序列；同时接收AIS报文解析模块解析的AIS报文，保存为AIS动态信息时间序列；将所述的AIS动态信息时间序列与修正的定位数据时间序列进行比较，若二者数据不同，则判定AIS动态信息为错误；

报警模块，用于在判定AIS动态信息为错误时，发出报警指令。

按上述方案，所述的AIS报文解析模块、处理单元和报警模块均由AIS船台电源模块供电。

按上述方案，所述的AIS报文解析模块包括依次连接的GMSK调制解调模块、NRZI模块（Non Return to Zero Inverse，非归零反相编码模块）、HDLC模块（High-Level Data Link Control，高级数据链路控制模块）和TDMA解码模块。

按上述方案，所述的原始定位数据时间序列、修正的定位数据时间序列和AIS动态信息时间序列均包括UTC时间、经纬度、航速和航向角。

利用上述一种AIS船台数据在线分析装置实现的在线分析方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、从AIS系统的VHF信号输出端口采集AIS报文并解析；

S2、将解析的AIS报文，保存为AIS动态信息时间序列；

S3、从GNSS系统模块输出端口获取定位信息，并保存为原始定位数据时间序列，对原始定位数据时间序列进行滤波处理，得到修正的定位数据时间序列；

S4、将AIS动态信息时间序列与修正的定位数据时间序列进行比较，若二者数据不同，则判定AIS动态信息为错误；

S5、在判定AIS动态信息为错误时，发出报警指令。

按上述方法，所述的S3的滤波处理采用卡尔曼滤波算法。

按上述方法，所述的原始定位数据时间序列、修正的定位数据时间序列和AIS动态信息时间序列均包括UTC时间、经纬度、航速和航向角；所述的S4比较的是相同UTC时间下的经纬度、速度和航向角。

按上述方法，所述的S4将错误的AIS动态信息进行保存。

本发明的有益效果为：通过采用本发明装置和方法，能够实时的依据分析修正过的GNSS系统定位数据判断AIS动态信息的正确性，无需额外安装船舶动态信息传感器，仅仅利用AIS船台自带的GNSS系统作为输入，再从AIS系统的VHF信号输出端口采集AIS报文即可，本发明装置可以嵌入到AIS船台之中，只需要对AIS船台做略微改进，提供2个通信接口即可。

附图说明

图1为AIS系统的组成框图。

图2为本发明一实施例的组成框图。

图3为处理单元连接方式图。

图4为AIS报文解析模块的工作流程图。

图5为本发明一实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图2为本发明一实施例的组成框图，图3为处理单元连接方式图，一种AIS船台数据在线分析装置，包括电磁屏蔽的AIS报文解析模块，用于在电磁屏蔽环境下，从AIS系统的VHF信号输出端口采集AIS报文并解析；处理单元，用于从GNSS系统模块输出端口获取定位信息，并保存为原始定位数据时间序列，对原始定位数据时间序列进行滤波处理，得到修正的定位数据时间序列；同时接收AIS报文解析模块解析的AIS报文，保存为AIS动态信息时间序列；将所述的AIS动态信息时间序列与修正的定位数据时间序列进行比较，若二者数据不同，则判定AIS动态信息为错误；报警模块，用于在判定AIS动态信息为错误时，发出报警指令。

本发明装置小巧，所述的AIS报文解析模块、处理单元和报警模块均能够由AIS船台电源模块供电。

如图4所示，所述的AIS报文解析模块包括依次连接的GMSK调制解调模块、NRZI模块、HDLC模块和TDMA解码模块。采用良好的电磁屏蔽措施隔绝电磁干扰。AIS船台对外播发的AIS报文，经过VHF信号输出端口连接到AIS报文解析模块，经过解码之后变为能够被处理单元应用的数字信号。

所述的原始定位数据时间序列、修正的定位数据时间序列和AIS动态信息时间序列均包括UTC时间、经纬度、航速和航向角。

利用上述一种AIS船台数据在线分析装置实现的在线分析方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1、从AIS系统的VHF信号输出端口采集AIS报文并解析；

S2、将解析的AIS报文，保存为AIS动态信息时间序列；

S3、从GNSS系统模块输出端口获取定位信息，并保存为原始定位数据时间序列，对原始定位数据时间序列进行滤波处理，得到修正的定位数据时间序列；

S4、将AIS动态信息时间序列与修正的定位数据时间序列进行比较，若二者数据不同，则判定AIS动态信息为错误；

S5、在判定AIS动态信息为错误时，发出报警指令。

优选的，所述的S3的滤波处理采用卡尔曼滤波算法，对原始定位数据时间序列进行滤波处理，剔除错误的定位数据，并修复。

进一步优选的，所述的原始定位数据时间序列、修正的定位数据时间序列和AIS动态信息时间序列均包括UTC时间、经纬度、航速和航向角；所述的S4比较的是相同UTC时间下的经纬度、速度和航向角，如果数值不一致，则AIS动态信息被判定为错误。

进一步的，所述的S4将错误的AIS动态信息进行保存，用于后期分析。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。