开发工具包缩短AIS应用的上市时间

winniewei 提交于 周五, 03/15/2019
开发工具包缩短AIS应用的上市时间

简介

自动识别系统(AIS)最初是作为防撞系统而开发,可以让船只查看附近区域内的海上交通情况,本身也可以被该交通控制系统看到。系统在每艘船上都安装有转发器(transponder),它集成有以下设备和功能:

  • 全球导航卫星系统(GNSS):例如GPS
  • AIS编码器/解码器:以某种格式的数据形式提供定位信息
  • VHF无线电收发器:向/从附近所有其他船只发送/接收数据和船只信息
  • 板载外设:例如图表绘制仪

港口管理机构等岸上设施只需配备接收器,使他们能够查看当地海上的交通情况,而无需发送自己的位置。

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图1:AIS Chart-plotter输出。

最初的AIS版本Class A (A级)于2002年推出,被国际海事组织(IMO)和国际海上生命安全公约(SOLAS)等强制执行,适用于总吨位为300吨及以上的所有国际船舶,以及无论大小的所有客船。

2006年发布了一个“更轻”的成本更低的Class B (B级)版本,针对娱乐船只和小型渔船等较小的船只,这些船只不需要遵守SOLAS公约,使其能够自愿地采用AIS系统。

AIS收发器介绍

AIS技术由IMO和国际灯塔管理协会(IALA)的技术委员会制定,系统的技术规范包含在ITU技术建议ITU-R M.1371-1中。图2给出了AIS单元的通用框图,一般包括:

  • 天线;
  • 一个VHF发射器;
  • 两个多通道VHF接收器;
  • 一个通道70 VHF接收器,用于通道管理(仅限AIS A级);
  • 一个中央处理单元(CPU);
  • 一个电子定位系统,全球导航卫星系统接收器,用于提供定时和位置;
  • 与航向和速度设备以及其他船载传感器的接口;
  • 与雷达/自动雷达绘图辅助设备(ARPA)、电子海图系统/电子海图显示和信息系统(ECS / ECDIS)和组合导航系统(INS)的接口;
  • 内置完整性测试(BIIT);
  • 小型显示器和键盘用于输入和检索数据。
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图2:AIS框图。

AIS主要工作在两个专用VHF信道(AIS1-161,975 MHz和AIS2-162,025 MHz),如果这些频道在特定区域内不可用,则AIS能够自动切换到备用指定信道。

使用自组织时分多址访问(SOTDMA)协议,系统可将来自许多用户的多个传输信息同步到单个信道上。 SOTDMA协议将每分钟时间分为2,250个时隙,AIS报告能够纳入一个或多个时隙,这些是根据网络上当前和预计数据流量自动选择。当一个站点(station)改变其时隙分配时,它会向范围内的所有其他站点宣布其新位置,允许每个站点不断更新其内部“时隙图”。可用的高精度标准时间参考是SOTDMA的关键,它来自无线电导航系统使用的精确定时信号,因此无线电导航系统能够决定船只信息系统的位置和标准时间参考。

AIS B级是采用载波监听时分多路访问(CSTDMA)技术开发,专门针对小型和休闲船只,它在避免碰撞方面具有与AIS A级相同的基本功能,但实现的功能较少,因此能够以较低的总价格实现。

AIS对接收端口(Rx)阻塞和互调性能的要求非常严格,这出于几个原因,其中包括船舶通常运行区域无线电频谱的拥挤性,海上交通的高密度以及高功率陆基发射器的存在等等。因此,AIS收发器的设计多年来发展很快,如今高集成度的CML公司CMX910 A级和B级 AIS基带信号处理器等包含所有海事AIS功能,包括多功能同步和定时及控制功能。

新兴应用

虽然AIS主要用于避免碰撞,但也可以使用ITU-R M建议1371-1中定义的6种不同类型的专用信息(ASM)进行船舶之间以及船舶与岸上设施之间传输附加信息。 ASM信息是由发射端的应用所创建,并由接收端的另一个应用进行解码和显示,可以处理到特定接收站或广播到有效范围内的所有站点,。

该功能已经促使开发了许多AIS应用,能够支持捕鱼船队监测和控制、海上安全、航标(aids to navigation)、搜索和救援、事故调查、洋流调查、基础设施保护以及船队和货物跟踪等领域的应用。

随着AIS B级收发器在捕鱼船队、内陆航运和休闲船只等各种船舶上的出现和广泛采用,已经开发了越来越多的应用,这种趋势并将继续。同时,诸如exactEarth®的exactTrax®系统之类的卫星通信系统通过较弱AIS信号能提供可靠的卫星接收,克服了传统的VHF范围限制,从而实现了真正的全球船队监控应用。

MarineTraffic和HIS Markit的AISLIve等AIS应用是功能强大的船队和集装箱跟踪的两个应用例子,由支持卫星的AIS提供支持。在市场应用的另一端, Boat Watch、SeaNav、Boat Beacon等许多低成本应用则针对小型船只用户,并可在iOS和Android设备上运行。

AIS应用开发的新解决方案

随着AIS在海洋环境中应用的快速增长,上市速度至关重要,AIS B级收发器制造商可借助于一系列开发工具,例如CML Microcircuits的DE70322T Marine AIS B级演示套件加快开发进程,如图3所示。

该演示板/参考设计套件包含完整的AIS B级(IEC 62287-1)功能,其设计宗旨是帮助制造商实现AIS B级收发器快速开发,且以最低成本推向市场。

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图3:DE70322T海事AIS B级演示套件。

(来源:CML Microcircuits)

DE70322T能够在161.975MHz(AIS信道1)和162.025MHz(AIS信道2)上实现双通道接收器/单发射器,具有25kHz信道间隔和9600bps无线传输数据速率。接收器可在整个海事频段(156.000~162.050 MHz)内编程,而发射器则针对上部海事频段(160.000至162.050 MHz)进行了优化,能够提供两种功能图像(Function Images™):

  • 7032 / 7042FI-1.x:完整的AIS B级操作
  • 7032 / 7042FI-3.x:完整的海事AIS B级操作,同时增加了ExactTrax™

板载ARM微控制器(STM32F411VET6)允许具备USB连接的主机使用CML脚本处理语言直接控制CMX7032,或运行内置的Rx-only 应用。它还可提供JTAG探头,以便设计人员可以实现自己的代码和/或实现完整的B级CSTDMA协议栈。它还有足够的存储器和处理能力来实现B级SOTDMA(IEC 62287-2)协议栈,但板载RF输出限制为2W。

结论

小型休闲船只、渔船和其他类型船只的业主正在基于AIS应用中越来越多地广泛采用AIS B级收发器,船队监控、渔业保护和货物跟踪等热门应用现在也可以利用Exacttrax等基于卫星的AIS应用,使其具有全球可视性。在这种动态环境中,至关重要的是能够快速创建新AIS应用,并将其迅速推向市场,CML Microcircuits的 DE70322T Marine AIS B级演示套件是AIS开发工具加速开发进程的一个示例。

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