基于AIS的船舶避碰系统的应用研究
摘要
船舶自动识别系统(AIS—Automatic Identification System)可利用其先进的通讯手段自动提供高精度信息，其中包含了许多可用于避碰的信息，为船舶避碰提供了一种新方法。为使AIS技术在海上交通安全中发挥更多更重要的作用，随着AIS的强制实施与AIS设备广泛装船使用，基于AIS的船舶避碰系统(本文里称为AACS—AIS Anti-Collision System)将有着广泛的应用前景。
本文对AACS主要进行以下几个方面得研究：
- 根据国内外公开发表的文章、资料，较为详实地对AIS的研究现状进行了归纳、整理，考虑到船舶避碰的特点和要求，提出了把AIS应用于船舶避碰系统的设想。
- 根据实际应用的不同需要，将AACS分为船上安装的船站型、岸上VTS中心安装的基站型、便于领航员携带的便携型等三种基本形式。
- 按照AIS的国际标准，设计了AACS基本的结构框图，并对各部分的功能进行了较为详细的说明。
- 对AACS的数据处理进行了一些较深入地研究和探讨，给出了系统的状态方程，KALMAN滤波方法及计算流程，并对滤波发散的问题作了分析，提出了解决的方法。
- 对基本的航行数据，包括航行参数(船位、航向、航速、时间等)、避碰参数(CPA、TCPA等)的获取及处理方法进行了研究和实践。
- 提出了AACS的硬件设计方案，通过综合考虑系统特性及接口电路，系统硬件由DSP(数字信号处理器)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)、Flash存储器、专用键盘、LCD显示器以及一些必要的外围电路组成，具有标准的通信接口和良好的人机界面的特点。实践中，系统的DSP使用的是TI公司的TMS320VC5402芯片，作为系统的信息处理器；使用功能的强大单片CPLD芯片—(ALTERA公司)构成系统的控制电路和接口电路；C5402的增强型主机接口EHPI设置为标准的8位并行接口，用于和PC等上位机通信；两个多通道缓冲串口McBSP0和McBSP1设
置成标准串口与通讯模块相连，用于川S数据信息的接收和发送：定时
器 TIMERO的定时时间设置为每 100ms产生一个中断，用于检测键盘；
利用C5402上的时钟电路和可编程PLL，可以产生所需要的系统时钟；
在EPF10K10A芯片的配合卜C5402可以完成对这些外围器件以及键
益、LCD显示器、Flash的控制，构成一个能够满足要求的完整系纷。
编写了相应的应用程序。本系统编写的程序有：DSP程序、CPLD硬件
逻辑程序和系统接口软件。DSP程序在CCS下编写，由TI提供的CCS
支持C语言，能够对DSP程序进行模拟。为了提高厂发效率，DSP程
序的框架0C语言编写，核心程序利用DSP汇编语言编写，这样可以
争［ffi开发时间和程序效率，ALTERA为其CPLD器件也提供了很好的干I‘
发软件MAX＋PLUS！，此开发软件支持硬件描述语言（VHDL）、逻辑
图输入、状态机输入等多种不同的硬件逻辑描述方式，并且能够给出时
序图供在线模拟、调试。根据本系统硬件逻辑的特点，EPF10K10A的
逻辑采用逻辑图输入的方式，并在MAX＋PLUS 11卜模拟结果。接口软
件在VC＋十下编写，在PC等主机上运行，具有良好的人机界面。其功
能是在主机和本系统建立通信，收发数据。
在实践中，本系统通过模拟接收A旧信息数据，并判断是否存在碰撞危险；
若存在危险，则判定危险物标，发出危险警告，并具有将危险警告信息通过A旧
向外发送的功能。实践证明，AACS具有对危险的反应快、操作方便、价格低廉
等优点，较符合我国国情，具有厂阔的市场前景。
Automatic identification system (AIS) provides a new means of collision avoidance for ships by utilizing its advanced communication method with high accurate information, which includes much information available for collision avoidance. The AIS is expected to play more and more important role in the safety of navigation. With the compulsory implementation of AIS and being widely equipped onboard ship, the collision avoidance system based AIS technology (named AACS- AIS Anti-collision system hereafter) is a promising technology for safety navigation.
The paper covers mainly the following aspects of AACS technology:
Coming up with the considerations on the application of ship-borne AIS based on the collection and analysis of research essays published domestically and internationally, and the considerations on the features and characteristics of collision avoidance.
Conducting researches by dividing AACS into three types, i.e, ship-borne AIS, shore-borne (installations at VTS center) and portable AIS for pilot's use.
Designing basic AACS framework according to international standard, and explaining detailedly each part of the AACS.
Giving out in-depth researches and discussions for the data-processing of AACS, providing the system state equation, KALMAN filter equation and filter's calculate flow, and coming up with the methods to avoid filter's volatilization in the paper.
Researching on the acquisition and processing method of basic navigation data such as ship's position, course, speed, time, CPA and TCPA.
Designing AACS' hardware framework with DSP, CPLD, Flash, special keyboard, LCD monitor and peripheral circuits in the paper, which give the AACS the standard communication interface and good human-machine interface.
Programming the AACS's software . including DSP'S program under Tl' s
CCS environment, CPLD's logic program under MAX + PLUS II environment, system program under visual C ++ and so on.
In the practices, AACS can judge the existence of risk of collision by receiving AIS simulated signals. If such a risk does exist, the AACS then acknowledges it, gives out alarming signals and transmits them through the AIS. Experimentation has proved AACS has the advantages such as fast responding to risks, easy operation, low price, which make it a promising technology in securing a safer shipping.
本文对AACS主要进行以下几个方面得研究：
- 根据国内外公开发表的文章、资料，较为详实地对AIS的研究现状进行了归纳、整理，考虑到船舶避碰的特点和要求，提出了把AIS应用于船舶避碰系统的设想。
- 根据实际应用的不同需要，将AACS分为船上安装的船站型、岸上VTS中心安装的基站型、便于领航员携带的便携型等三种基本形式。
- 按照AIS的国际标准，设计了AACS基本的结构框图，并对各部分的功能进行了较为详细的说明。
- 对AACS的数据处理进行了一些较深入地研究和探讨，给出了系统的状态方程，KALMAN滤波方法及计算流程，并对滤波发散的问题作了分析，提出了解决的方法。
- 对基本的航行数据，包括航行参数(船位、航向、航速、时间等)、避碰参数(CPA、TCPA等)的获取及处理方法进行了研究和实践。
- 提出了AACS的硬件设计方案，通过综合考虑系统特性及接口电路，系统硬件由DSP(数字信号处理器)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)、Flash存储器、专用键盘、LCD显示器以及一些必要的外围电路组成，具有标准的通信接口和良好的人机界面的特点。实践中，系统的DSP使用的是TI公司的TMS320VC5402芯片，作为系统的信息处理器；使用功能的强大单片CPLD芯片—(ALTERA公司)构成系统的控制电路和接口电路；C5402的增强型主机接口EHPI设置为标准的8位并行接口，用于和PC等上位机通信；两个多通道缓冲串口McBSP0和McBSP1设
置成标准串口与通讯模块相连，用于川S数据信息的接收和发送：定时
器 TIMERO的定时时间设置为每 100ms产生一个中断，用于检测键盘；
利用C5402上的时钟电路和可编程PLL，可以产生所需要的系统时钟；
在EPF10K10A芯片的配合卜C5402可以完成对这些外围器件以及键
益、LCD显示器、Flash的控制，构成一个能够满足要求的完整系纷。
编写了相应的应用程序。本系统编写的程序有：DSP程序、CPLD硬件
逻辑程序和系统接口软件。DSP程序在CCS下编写，由TI提供的CCS
支持C语言，能够对DSP程序进行模拟。为了提高厂发效率，DSP程
序的框架0C语言编写，核心程序利用DSP汇编语言编写，这样可以
争［ffi开发时间和程序效率，ALTERA为其CPLD器件也提供了很好的干I‘
发软件MAX＋PLUS！，此开发软件支持硬件描述语言（VHDL）、逻辑
图输入、状态机输入等多种不同的硬件逻辑描述方式，并且能够给出时
序图供在线模拟、调试。根据本系统硬件逻辑的特点，EPF10K10A的
逻辑采用逻辑图输入的方式，并在MAX＋PLUS 11卜模拟结果。接口软
件在VC＋十下编写，在PC等主机上运行，具有良好的人机界面。其功
能是在主机和本系统建立通信，收发数据。
在实践中，本系统通过模拟接收A旧信息数据，并判断是否存在碰撞危险；
若存在危险，则判定危险物标，发出危险警告，并具有将危险警告信息通过A旧
向外发送的功能。实践证明，AACS具有对危险的反应快、操作方便、价格低廉
等优点，较符合我国国情，具有厂阔的市场前景。
Automatic identification system (AIS) provides a new means of collision avoidance for ships by utilizing its advanced communication method with high accurate information, which includes much information available for collision avoidance. The AIS is expected to play more and more important role in the safety of navigation. With the compulsory implementation of AIS and being widely equipped onboard ship, the collision avoidance system based AIS technology (named AACS- AIS Anti-collision system hereafter) is a promising technology for safety navigation.
The paper covers mainly the following aspects of AACS technology:
Coming up with the considerations on the application of ship-borne AIS based on the collection and analysis of research essays published domestically and internationally, and the considerations on the features and characteristics of collision avoidance.
Conducting researches by dividing AACS into three types, i.e, ship-borne AIS, shore-borne (installations at VTS center) and portable AIS for pilot's use.
Designing basic AACS framework according to international standard, and explaining detailedly each part of the AACS.
Giving out in-depth researches and discussions for the data-processing of AACS, providing the system state equation, KALMAN filter equation and filter's calculate flow, and coming up with the methods to avoid filter's volatilization in the paper.
Researching on the acquisition and processing method of basic navigation data such as ship's position, course, speed, time, CPA and TCPA.
Designing AACS' hardware framework with DSP, CPLD, Flash, special keyboard, LCD monitor and peripheral circuits in the paper, which give the AACS the standard communication interface and good human-machine interface.
Programming the AACS's software . including DSP'S program under Tl' s
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In the practices, AACS can judge the existence of risk of collision by receiving AIS simulated signals. If such a risk does exist, the AACS then acknowledges it, gives out alarming signals and transmits them through the AIS. Experimentation has proved AACS has the advantages such as fast responding to risks, easy operation, low price, which make it a promising technology in securing a safer shipping.
引文
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[2] Co-ordination of VTS standards in the United Kingdom.AISM.1999(3):14～16
[3] Oltmauu J H,Stefeu B.AIS transponders --- concepts,evaluation, results and outlook.Seaway,1998(11): 6～8
[4] 孙文力，贾传荧，李森，孙文强。通用船载自动识别系统的工作原理，航海技术现状与发展论文集，2001(10)：57～62
[5] 国际航标信息．国际海事研究委员会航标管理分委会．2001(1)
[6] 王世远．AIS现状、前景及对策
[7] 汤旭红．AIS技术及其对航行安全和VTS的影响．航海技术现状与发展论文集，2001(10)：77～77
[8] Universal Shipborne Automatic Identification System Transponder.U.S.COAST GUARD
[9] A Universal AIS.Safety At Sea International,2000(2)
[10] 王世远，许开宇．AIS及其应用前景预测．全国飞机与船舶通信导航学术研讨会论文集，2000(10)：90～99
[11] 方祥麟．VTS当前发展未来展望与AIS技术的应用．中国航海，2000(1)：95～99
[12] 董绪荣等．GPS／INS组合导航定位及其应用，国防科技大学出版社，1998
[13] 应士君．AIS及其应用探讨。航海技术现状与发展论文集，2001(10)：67～72
[14] 宋国珍．船舶交通管理系统和船舶自动识别系统．航海科技动态，1999(2)：19～26
[15] 史雄．自动识别系统．航海科技动态，2000(2)：21～24
[16] TMS320C54x DSP Reference Set. Volume 1: CPU and Peripherals.
Texas Instruments,1999
[17] TMS320C54x DSP Reference Set.Volume 2Mnemonic Instruction Set.Texas Instruments,1999
[18] TMS320C54x DSP Reference Set.Volume 3 Algebraic Instruction Set.Texas Instruments,1999
[19] TMS320C54x DSP Reference Set.Volume 4 Applications Guide.Texas Instruments,1999
[20] TMS320C54x DSP Reference Set.Volume 5 Enhanced Peripherals.Texas Instruments,1999
[21] TMS320C54x Code Composer Studio Tutorial.Texas Instruments,2000(2)
[22] TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader.Texas Instruments,2000(2)
[23] 刘东华，尹军，梁光明．基于TMS320VC5420多信道缓冲串口的DMA方式数据传输．《电子技术应用》2001
[24] 韦江维 廖义奎 农建波 班世炳 李映超．TMS320VC5420 DSP的并行I／0引导装载方法研究．《电子技术应用》2001
[25] FLEX 10K Embedded Programmable Logic Device Family Data Sheet.Altera Corporation,2002(4)
[26] Configuration Devices for APEX & FLEX Devices Data Sheet.Altera Corporation,2002(4)
[27] ByteBlasterMV Parallel Port Download Cable Data Sheet. Altera Corporation,2002(4)
[28] MAX+PLUS II Getting Started.Altera Corporation
[29] AT49LV1024/1025 Data Sheet.Atmel Corporation,2001(7)
[30] Chris.pappas & William H.Murray Ⅲ.Visual C++参考大全．中国轻工业出版社，1998
[31] 林俊杰．Visual C++6程序设计经典，科学出版社，1999
[32] 王宏，李玉东，李罡．Visual C++ 实战演练。人民邮电出版社，2001
[33] 彭启宗．TMS320C54x实用教程．电子科技大学出版社，2001
[34] 宋万杰，罗丰，吴顺君．CPLD技术及其应用．西安电子科技大学出版社，1999
[35] 刘宝琴等．Altera可编程逻辑器件及其应用．清华大学出版社，1995
[36] 秦永元等．Kalman滤波与组合导航原理．1998
[37] 蒋志凯．数字滤波与卡尔曼滤波．1993
[38] www.ti.com
[39] www.altera.com
[40] www.uscg.mil
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