一种基于utc时间的ais时隙同步触发系统的制作方法
【专利摘要】一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于：它包括上位机单元、待触发设备单元、下位机单元以及GPS接收机单元；其工作方法包括：初始化、接收报文、发出指令、设置时间、时间对比、实时解析、同步触发；其优越性：1、发明具有一定创新性，且可以为该领域的研究奠定坚实基础；2、系统成本低、易操作、时隙同步性高；3、通过帧同步实现时隙同步，具有较高的精度。
【专利说明】—种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统
(-)【技术领域】:
[0001]本发明涉及船载无线设备通信领域，尤其是一种基于UTC (Coordinated
Universal Time-国际协调时间)时间的 AIS (Automatic Identification System-
船舶自动识别系统)时隙同步触发系统。
(二)【背景技术】:
[0002]AIS是新一代用于海上识别、监控和通信的助航仪器。AIS的主要组成部分为一个
GPS接收机,一个通信处理器,两个VHF (Very high frequency-甚高频)数据接收机和
一个VHF数据发射机。
[0003]AIS 系统采用的协议主要有 RATDMA (Random Time Division Multiple
Access-随机时分多址)、ITDMA (Increment Time Division Multiple Access-增量
时分多址)、FTDMA(Fixed Time Division Multiple Access-固定时分多址)、S0-TDMA
(Self-Organization Time Division Multiple Access-自组织时分多址)，这些协议均
将一分钟的数据作为一巾贞，而且将每分钟划分为2250个时隙,每个时隙的长度约为26.67晕秒(60秒除以2250), AIS系统发射机发射数据均应在相应的时隙内完成，因此时分系统的时隙同步非常重要和关键。
[0004]AIS发射机的两个非常重要的性能指标测量均与时隙同步具有直接的关系，一个是时隙抖动，该指标要求发射机发射信号的起始时刻迟于信号所在时隙的开始时刻，且要求迟于的时间应该在国际标准声明的范围内，可见，时隙抖动的测量前提是时隙同步。另外一个是CS-B(Carrier Sense-Class B载波侦听-B类)类AIS系统的侦听门限，国际标准中，侦听门限应该在一个范围内，而侦听门限的定义是时隙开始时刻后面第19个比特位(大约1.9毫秒)是侦听门限的开始时刻，因此，正确测量载波侦听门限的前提是时隙同步。
[0005]综合上述，可知时隙同步在测量时隙抖动和载波侦听门限的时候是非常关键和重要的。
[0006]然而由于被测AIS系统发射信号具有较强的随机性，直接进行26.67毫秒的时隙同步具有较大的困难。
[0007]考虑到AIS协议采用TDMA协议，一分钟等分成2250个时隙，编号依次为O?2249，协议规定帧的开始和终止在可以获取UTC的情况下与UTC的分钟一致，UTC时间的整分钟开始为帧开始，以UTC时间的整分钟结束为结束，即:UTC整分钟时刻算作是第O个时隙的开始时刻，故可以在整分钟时刻触发，即通过帧同步实现时隙同步。
(三)
【发明内容】
:
[0008]本发明的目的在于提供一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、信号同步稳定、性价比高、可操作性强的通过帧同步实现的基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统。
[0009]本发明的技术方案:一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于它包括上位机单元、待触发设备单元、下位机单元以及GPS接收机单元；其中，所述下位机单元与上位机单元通过串口 I呈双向连接；所述下位机单元的输入端通过串口 2与GPS接收机单元的输出端串口呈双向连接，接受GPS接收机单元输出的GPS报文信息；所述下位机单元的输出端连接待触发控制设备单元的输入端；所述GPS接收机单元通过天线接收卫星信号。
[0010]所述上位机单元是由PC机构成。
[0011]所述的GPS接收机单元采用的是Ublox公司的5代系列芯片。
[0012]所述下位机单元由MCU (Micro Control Unit-微控制单元)模块、TFT (Thin
Film Transisitor——薄膜场效应晶体管)屏幕模块、复位电路模块、直流电源模块和OC(Open Collector——开路控制)门电路模块构成；其中，所述MCU模块分别通过串口 I和串口 2与上位机单元和GPS接收机呈双相连接；所述MCU模块的输入端还分别与复位电路模块的输出端以及GPS接收机的输出端连接；所述MCU模块的输出端连接OC门电路模块的输入端和TFT屏幕模块的输入端；所述直流电源模块的输出端分别为GPS接收机、OC门电路模块、复位电路模块和TFT屏幕模块供电；所述OC门电路模块的输出端输出边沿触发信号给待触发设备单元。
[0013]所述MCU模块的输入端接收GPS接收机单元输出的秒脉冲信号。
[0014]所述的OC门电路模块接受MCU单元发出的5伏电压信号，并将该电压信号转换成3.3V电压边沿信号，输出给待触发设备单元。
[0015]所述待触发设备单元为任意波形发生器或示波器。
[0016]所述任意波形发生器是E4438C波形发生器。
[0017]一种基于UTC时间的AIS时隙同步的触发系统的工作方法，其特征在于，它包括以下步骤:
[0018]①上位机程序初始化；
[0019]②给下位机单元上电，即通过该单元中的直流电源模块和复位电路模块给MCU模块提供稳定的工作电源，且直流电源模块同时为GPS接收机、TFF屏幕模块、OC门电路模块提供工作电源；
[0020]③下位机初始化，主要包括两个串口的初始化设置，分别是串口 I与上位机单元波特率的设置，串口 2与GPS接收机单兀间通信波特率的设置；
[0021]④下位机单元通过串口 2取得GPS接收单元输出的GPS报文，然后通过下位机单元中的MCU模块进行GPS报文解码，实时解析出GPS报文中的UTC时间；
[0022]⑤等待上位机发出指令；
[0023]⑥若下位机单元中的MCU模块通过串口 I没有接收到上位机发送的指令，则重复步骤④；
[0024]⑦若下位机单元中的MCU模块通过串口 I接收到上位机单元发送的指令，则从该指令中获取操作人员在上位机中设置的待触发的北京整分钟时间，上位机程序将待触发的北京时间转换成UTC整分钟时间；
[0025]⑧将步骤⑦中得到的UTC整分钟时间与从GPS报文中实时解析获得的UTC时间相比较，若从上位机指令中获得的UTC整分钟时间早于从GPS报文中实时解析获得的UTC时间，则MCU单元向上位机发送设置时间出错的相关信息，请求重新设置合理时间，若从上位机指令中获得的UTC整分钟时间晚于从GPS报文中实时解析获得的UTC时间，则重复步骤④；
[0026]⑨若从GPS报文中实时解析获得的UTC时间等于从上位机指令中获得的UTC整分钟时间，则下位机单元输出触发信号给待触发设备单元，至此完成一次有效的帧同步触发，从而实现了时隙同步。
[0027]所述步骤④中GPS报文解码和步骤⑥中的接收上位机单元指令是由下位机单元中的MCU模块完成。
[0028]所述步骤⑨中下位机单元输出触发信号的工作是由下位机单元中的MCU模块输出信号给OC门电路模块，使其输出触发信号给待触发设备单元。
[0029]本发明的优越性在于:1、目前对AIS时隙同步触发系统的研究仍然处于探索阶段，发明具有一定创新性，且可以为该领域的研究奠定坚实基础；2、系统成本低、易操作、时隙同步性高；3、通过帧同步实现时隙同步，具有较高的精度。
(四)【专利附图】
【附图说明】:
[0030]图1为本发明所涉一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统的结构框图；
[0031]图2为本发明所涉一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统中下位机单元的结构框图；
[0032]图3为本发明所涉一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统中上位机的程序流程图。
[0033]图4为本发明所涉一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统中下位机程序流程图；
[0034]图5为本发明所涉一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统用于测量载波侦听门限时的工作原理图；
[0035]图6为本发明所涉一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统用于测量同步抖动时的工作原理图。
[0036]图7为本发明所涉一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统中上位机的操作界面示意图。
(五)【具体实施方式】:
[0037]实施例1:一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统(见图1)，其特征在于它包括上位机单元、待触发设备单元、下位机单元以及GPS接收机单元；其中，所述下位机单元与上位机单元通过串口 I呈双向连接；所述下位机单元的输入端通过串口 2与GPS接收机单元的输出端串口呈双向连接，接受GPS接收机单元输出的GPS报文信息；所述下位机单元的输出端连接待触发控制设备单元的输入端；所述GPS接收机单元通过天线接收卫星信号。
[0038]所述上位机单元(见图1、图2)是由PC机构成。
[0039]所述的GPS接收机单元(见图1)采用的是Ublox公司的5代系列芯片。
[0040]所述下位机单元(见图2 )由MCU模块、TFT屏幕模块、复位电路模块、直流电源模块和OC门电路模块构成；其中，所述MCU模块分别通过串口 I和串口 2与上位机单元和GPS接收机呈双相连接；所述MCU模块的输入端还分别与复位电路模块的输出端以及GPS接收机的输出端连接；所述MCU模块的输出端连接OC门电路模块的输入端和TFT屏幕模块的输入端；所述直流电源模块的输出端分别为GPS接收机、OC门电路模块、复位电路模块和TFT屏幕模块供电；所述OC门电路模块的输出端输出边沿触发信号给待触发设备单元。
[0041 ] 所述MCU模块的输入端接收GPS接收机单元输出的秒脉冲信号。
[0042]所述的OC门电路模块接受MCU单元发出的5伏电压信号，并将该电压信号转换成3.3V电压边沿信号，输出给待触发设备单元。
[0043]图5中待触发设备单元采用任意波形发生器，选择E4438C波形发生器，对于测量载波侦听门限，可在任意波形发生器中设计长达几分钟的数据，该数据严格符合26.67ms的时隙长度要求，有效信息均存放在对应的时隙中，不存在一条信息占用多个时隙的情况。如此，只要在UTC整分钟时刻触发任意波形发生器按照该数据输出信号，则输出的信号必定满足时隙同步的要求。
[0044]一种基于UTC时间的AIS时隙同步的触发系统的工作方法，其特征在于，它包括以下步骤:
[0045]①上位机程序初始化；
[0046]②给下位机单元上电，即通过该单元中的直流电源模块和复位电路模块给MCU模块提供稳定的工作电源，且直流电源模块同时为GPS接收机、TFF屏幕模块、OC门电路模块提供工作电源；
[0047]③下位机初始化，主要包括两个串口的初始化设置，分别是串口 I与上位机单元波特率的设置，串口 2与GPS接收机单兀间通信波特率的设置；
[0048]④下位机单元通过串口 2取得GPS接收单元输出的GPS报文，然后通过下位机单元中的MCU模块进行GPS报文解码，实时解析出GPS报文中的UTC时间；
[0049]⑤等待上位机发出指令；
[0050]⑥若下位机单元中的MCU模块通过串口 I没有接收到上位机发送的指令，则重复步骤④；
[0051]⑦若下位机单元中的MCU模块通过串口 I接收到上位机单元发送的指令，则从该指令中获取操作人员在上位机中设置的待触发的北京整分钟时间，上位机程序将待触发的北京时间转换成UTC整分钟时间；
[0052]⑧将步骤⑦中得到的UTC整分钟时间与从GPS报文中实时解析获得的UTC时间相比较，若从上位机指令中获得的UTC整分钟时间早于从GPS报文中实时解析获得的UTC时间，则MCU单元向上位机发送设置时间出错的相关信息，请求重新设置合理时间，若从上位机指令中获得的UTC整分钟时间晚于从GPS报文中实时解析获得的UTC时间，则重复步骤
④；
[0053]⑨若从GPS报文中实时解析获得的UTC时间等于从上位机指令中获得的UTC整分钟时间，则下位机单元输出触发信号给待触发设备单元，至此完成一次有效的帧同步触发，从而实现了时隙同步。
[0054]所述步骤④中GPS报文解码和步骤⑥中的接收上位机单元指令是由下位机单元中的MCU模块完成。
[0055]所述步骤⑨中下位机单元输出触发信号的工作是由下位机单元中的MCU模块输出信号给OC门电路模块，使其输出触发信号给待触发设备单元。
[0056]实施例2: —种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统(见图1)，其特征在于它包括上位机单元、待触发设备单元、下位机单元以及GPS接收机单元；其中，所述下位机单元与上位机单元通过串口 I呈双向连接；所述下位机单元的输入端通过串口 2与GPS接收机单元的输出端串口呈双向连接，接受GPS接收机单元输出的GPS报文信息；所述下位机单元的输出端连接待触发控制设备单元的输入端；所述GPS接收机单元通过天线接收卫星信号。
[0057]所述上位机单元(见图1、图2 )是由PC机构成。
[0058]所述的GPS接收机单元(见图1)采用的是Ublox公司的5代系列芯片。
[0059]所述下位机单元(见图2 )由MCU模块、TFT屏幕模块、复位电路模块、直流电源模块和OC门电路模块构成；其中，所述MCU模块分别通过串口 I和串口 2与上位机单元和GPS接收机呈双相连接；所述MCU模块的输入端还分别与复位电路模块的输出端以及GPS接收机的输出端连接；所述MCU模块的输出端连接OC门电路模块的输入端和TFT屏幕模块的输入端；所述直流电源模块的输出端分别为GPS接收机、OC门电路模块、复位电路模块和TFT屏幕模块供电；所述OC门电路模块的输出端输出边沿触发信号给待触发设备单元。
[0060]所述MCU模块的输入端接收GPS接收机单元输出的秒脉冲信号。
[0061]所述的OC门电路模块接受MCU单元发出的5伏电压信号，并将该电压信号转换成
3.3V电压边沿信号，输出给待触发设备单元。
[0062]图6中待触发设备单元采用示波器，对于测量时隙抖动，可在UTC的整分钟时刻触发示波器，让示波器开始记录信号，当出现AIS信号时，测量出AIS信号上升沿与触发时刻间(整分钟时刻)的时间差，将该时间差减去整数倍的时隙长度(N x26.67ms, N为正整数)，直至得到的时间差小于26.67ms，则该时间差即为时隙抖动。
[0063]—种基于UTC时间的AIS时隙同步的触发系统的工作方法,其特征在于，它包括以下步骤:
[0064]①上位机程序初始化；
[0065]②给下位机单元上电，即通过该单元中的直流电源模块和复位电路模块给MCU模块提供稳定的工作电源，且直流电源模块同时为GPS接收机、TFF屏幕模块、OC门电路模块提供工作电源；
[0066]③下位机初始化，主要包括两个串口的初始化设置，分别是串口 I与上位机单元波特率的设置，串口 2与GPS接收机单兀间通信波特率的设置；
[0067]④下位机单元通过串口 2取得GPS接收单元输出的GPS报文，然后通过下位机单元中的MCU模块进行GPS报文解码，实时解析出GPS报文中的UTC时间；
[0068]⑤等待上位机发出指令；
[0069]⑥若下位机单元中的MCU模块通过串口 I没有接收到上位机发送的指令，则重复步骤④；
[0070]⑦若下位机单元中的MCU模块通过串口 I接收到上位机单元发送的指令，则从该指令中获取操作人员在上位机中设置的待触发的北京整分钟时间，上位机程序将待触发的北京时间转换成UTC整分钟时间；
[0071]⑧将步骤⑦中得到的UTC整分钟时间与从GPS报文中实时解析获得的UTC时间相比较，若从上位机指令中获得的UTC整分钟时间早于从GPS报文中实时解析获得的UTC时间，则MCU单元向上位机发送设置时间出错的相关信息，请求重新设置合理时间，若从上位机指令中获得的UTC整分钟时间晚于从GPS报文中实时解析获得的UTC时间，则重复步骤④；
[0072]⑨若从GPS报文中实时解析获得的UTC时间等于从上位机指令中获得的UTC整分钟时间，则下位机单元输出触发信号给待触发设备单元，至此完成一次有效的帧同步触发，从而实现了时隙同步。
[0073]所述步骤④中GPS报文解码和步骤⑥中的接收上位机单元指令是由下位机单元中的MCU模块完成。
[0074]所述步骤⑨中下位机单元输出触发信号的工作是由下位机单元中的MCU模块输出信号给OC门电路模块，使其输出触发信号给待触发设备单元。
[0075]无论是实施例1还是实施例2，都需要对上位机进行程序设计，图3是本系统的上位机程序流程图:PC机初始化，等待用户输入命令，若有命令输入则进行判断，如果是“Conneclclick”命令，则打开串口准备与下位机通信。在建立有效通信的情况下，有两种角虫发模式可进行选择:“Direct Mode”和“Time Trig Mode”.[0076]Direct Mode进行Trigger触发。具体的过程是,在确定串口打开后,发送trig命令并打开timer I用于计算时间,若在设置的时间内完成trigger任务则提示“Direct ModeOK!”,否则trigger任务失败，并提示“time out”.[0077]Time Trig Mode进行Trigger触发.同样是先确定串口已开的情况下,然后确认所输入的时间信息是否合适，若合适，则将输入的北京时间BTC转成UTC时间，并将该UTC时间发送给下位机中的MCU单元，并开启定时器timerl，等待下位机中的MCU响应，若在设置时间内没收到MCU的响应，则提示“time out”，否则提示“设置成功”，并等待触发时间到
来。
[0078]对于图4，则示出了该系统下位机程序流程图:下位机单元中MCU初始化后要确定与上位机单元中的PC机握手，以便建立可靠的数据通信。之后一直等待PC发送指令，若接受到指令了，进行指令判断。若是指令I则MCU模块直接驱动OC门电路模块触发待触发设备，并将成功触发信息通知上位机单元的PC机，然后返回原始状态，等待下一次触发。
[0079]若是指令2，则MCU开启串口 2接受GPS接收机模块输出的GPS报文，并解码获得UTC时间，将解码得到的UTC时间与在上位机单元中设置的UTC触发时间比对，如果解码得到的UTC时间晚于上位机单元中设置的UTC触发时间，则时间设置不合理，向PC机发送相应信息；如果解码得到的UTC时间早于上位机单元中设置的UTC触发时间，则时间设置合理，并等待触发时间的到来，时间一到MCU模块立即驱动OC门电路模块发送触发信号，然后返回原始状态，等待下一次触发。
[0080]上位机运行后的程序界面见图7，它是通过VB平台开发，此界面有三个主要按钮:Connect实现串口打开和关闭功能，Direct model实现direct trigger功能，Time Trigmodel 实现 time trigger 功倉泛。
[0081]具体来讲，connect按钮主要为了进行串口设置。Direct Mode是基于已经打开的串口来进行下一步的工作，主要包括开启timerl和完成Trigger。Time Trig Mode按钮同样是基于已开的串口进行时间方面的核对，并且在核对时间时进行BTC与UTC时间的转换，然后将转换后的UTC时间发送给下位机单元中的MCU模块。
[0082]此图与图3上位机程序流程图的实现界面，目的是为了进行上下位机间的应答和命令的有效执行，以便更好的对下位机进行控制。
【权利要求】
1.一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于它包括上位机单元、待触发设备单元、下位机单元以及GPS接收机单元；其中，所述下位机单元与上位机单元通过串口 I呈双向连接；所述下位机单元的输入端通过串口 2与GPS接收机单元的输出端串口呈双向连接，接受GPS接收机单元输出的GPS报文信息；所述下位机单元的输出端连接待触发控制设备单元的输入端；所述GPS接收机单元通过天线接收卫星信号。
2.根据权利要求1所述一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于所述上位机单元是由PC机构成。
3.根据权利要求1所述一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于所述的GPS接收机单元采用的是Ublox公司的5代系列芯片。
4.根据权利要求1所述一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于所述下位机单元由MCU模块、TFT屏幕模块、复位电路模块、直流电源模块和OC门电路模块构成；其中，所述MCU模块分别通过串口 I和串口 2与上位机单元和GPS接收机呈双相连接；所述MCU模块的输入端还分别与复位电路模块的输出端以及GPS接收机的输出端连接；所述MCU模块的输出端连接OC门电路模块的输入端和TFT屏幕模块的输入端；所述直流电源模块的输出端分别为GPS接收机、OC门电路模块、复位电路模块和TFT屏幕模块供电；所述OC门电路模块的输出端输出边沿触发信号给待触发设备单元。
5.根据权利要求4所述一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于所述MCU模块的输入端接收GPS接收机单元输出的秒脉冲信号。
6.根据权利要求4所述一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于所述的OC门电路模块接受MCU单元发出的5伏电压信号，并将该电压信号转换成3.3V电压边沿信号，输出给待触发设备单元。
7.根据权利要求1所述一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于所述待触发设备单元为任意 波形发生器或示波器。
8.根据权利要求7所述一种基于UTC时间的AIS时隙同步触发系统，其特征在于所述任意波形发生器是E4438C波形发生器。
9.一种基于UTC时间的AIS时隙同步的触发系统的工作方法，其特征在于，它包括以下步骤: ①上位机程序初始化； ②给下位机单元上电，即通过该单元中的直流电源模块和复位电路模块给MCU模块提供稳定的工作电源，且直流电源模块同时为GPS接收机、TFF屏幕模块、OC门电路模块提供工作电源； ③下位机初始化，主要包括两个串口的初始化设置，分别是串口I与上位机单元波特率的设置，串口 2与GPS接收机单元间通信波特率的设置； ④下位机单元通过串口2取得GPS接收单元输出的GPS报文，然后通过下位机单元中的MCU模块进行GPS报文解码，实时解析出GPS报文中的UTC时间； ⑤等待上位机发出指令； ⑥若下位机单元中的MCU模块通过串口I没有接收到上位机发送的指令，则重复步骤④； ⑦若下位机单元中的MCU模块通过串口I接收到上位机单元发送的指令，则从该指令中获取操作人员在上位机中设置的待触发的北京整分钟时间，上位机程序将待触发的北京时间转换成UTC整分钟时间； ⑧将步骤⑦中得到的UTC整分钟时间与从GPS报文中实时解析获得的UTC时间相比较，若从上位机指令中获得的UTC整分钟时间早于从GPS报文中实时解析获得的UTC时间，则MCU单元向上位机发送设置时间出错的相关信息，请求重新设置合理时间，若从上位机指令中获得的UTC整分钟时间晚于从GPS报文中实时解析获得的UTC时间，则重复步骤④； ⑨若从GPS报文中实时解析获得的UTC时间等于从上位机指令中获得的UTC整分钟时间，则下位机单元输出触发信号给待触发设备单元，至此完成一次有效的帧同步触发，从而实现了时隙同步。
10.根据权利要求9所述一种基于UTC时间的AIS时隙同步的触发系统的工作方法，其特征在于所述步骤④中GPS报文解码和步骤⑥中的接收上位机单元指令是由下位机单元中的MCU模块完成；所述步骤⑨中下位机单元输出触发信号的工作是由下位机单元中的MCU模块输出信 号给OC门电路模块，使其输出触发信号给待触发设备单元。
【文档编号】H04J3/06GK103441811SQ201310398939
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】宫铭举, 杨力, 侯安健, 孟鑫 申请人:天津理工大学, 中华人民共和国天津海事局