一种船舶AIS信号接收与解析装置

一种船舶ais信号接收与解析装置
技术领域
1.本实用新型属于通信技术领域，更具体地，涉及一种船舶ais信号接收与解析装置。


背景技术：

2.根据solas公约第五章“航行安全及其相关导则”第19条“作为船舶航行设备的船载ais的国际强制装载要求”，所有船舶必须安装船载自动识别系统（automatic identification system，ais）设备。当前使用的ais设备是通过gps将船舶的动态信息与静态信息结合起来，使用vhf频道广播给附近水域船舶。根据船舶的航行情况，配备了ais设备的船舶可以自动在海上专用频道vhf（161.975mhz、162.025mhz）周期性地广播船舶的标识信息和位置信息等。海事移动符标识mmsi号是船舶的识别码，ais系统使用开放系统互联osi模型，通过25khz的无线传输带宽，发射功率为2w或12.5w。ais设备提高了船舶海上航行效率，加强了船舶航行安全性。
3.船舶ais设备信号可以采用广播模式、受控模式进行报文发送，传输距离可以达到上千海里，远大于船舶上雷达、通信的范围。通过对船舶ais接收到的信号进行解析，与雷达探测的目标位置进行对比，能够修正雷达探测的准确性，提高雷达探测精度；也可以将通信的数据通过ais信号进行定时发送，达到不依赖于卫通进行超远距离通信目的。由于常规的ais设备接收到的信号众多，尚无专门的装置进行信号内容和强度的解析。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种船舶ais信号接收与解析装置，旨在解决现有技术没有专用的船舶ais信号接收解析装置的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种船舶ais信号接收与解析装置，包括：ais接收单元、数据解析单元、故障监视单元以及电源单元；
6.所述ais接收单元通过同轴线缆与ais天线连接，其接收、处理ais信号，获取ais信号和ais信号强度，并将获取的ais信号和ais信号强度送至数据解析单元；
7.所述数据解析单元包括：前置放大电路、标准信号发生器、标准信号调理电路、混频器、混频信号处理电路、自动增益调整电路、放大电路、模数转换电路以及信号解析电路；所述前置放大电路的输入端连接射频信号接收器的输出端，输出端连接混频器的第一输入端；所述标准信号发生器的输出端连接标准信号处理电路的输入端，标准信号调理电路的输出端连接混频器的第二输入端；所述混频器的输出端连接混频信号处理电路的输入端，所述混频信号处理电路的输出端连接自动增益调整电路的第一输入端，所述自动增益调整电路的输出端连接放大电路的输入端，所述放大电路的输出端连接模数转换电路的第一输入端，所述模数转换电路的输出端连接信号解析电路的第一输入端；所述信号解析电路的第一输出端连接自动增益调整电路的第二输入端，第二输出端提供2个rs232通信协议串口，以通过以太网连接用户设备；所述数据解析单元将ais信号解析为数字报文，并将ais信
号强度转换为数值，通过以太网将数字报文和数值发送给用户设备；
8.所述故障监视单元包括可编程电路和单片机，连接ais接收单元和数据解析单元，对ais信号的接收和解析进行状态监测，确保提供用户设备的数据准确；
9.所述电源单元为整个装置的元器件和电路进行供电。
10.进一步地，所述ais接收单元包括：发射接收转换器和射频信号接收器；
11.所述发射接收转换器的输入端通过同轴线缆连接ais天线的底端；
12.所述射频信号接收器的输入端连接发射接收器的输出端，获取ais信号和ais信号强度信息；
13.所述射频信号接收器的输出端连接数据解析单元，将获取的ais信号和ais信号强度信息传输至数据解析单元。
14.进一步地，所述数据解析单元还包括：时钟生成电路；
15.所述时钟生成电路的输出端分别连接混频器的第一输入端、模数转换电路的第二输入端以及信号解析电路的第二输入端，用来提供标准频率进行混频，并控制模数转换电路和信号解析电路的时序逻辑。
16.进一步地，所述信号解析电路包括fpga可编程电路和单片机。
17.进一步地，所述ais天线采用at-101型号的接收天线；
18.所述ais天线通过n-k型航空连接器和同轴50ω电缆与发射接收转换器连接；
19.发射接收转换器通过n/kf-1型射频连接器与yx-2101a型射频信号接收器连接，yx-2101a型射频信号接收器接收156mhz-162mhz的ais信号。
20.进一步地，所述电源单元采用yp-220/1206a电源，采用xc22f4z1p40型号连接器将220vac转换为12vdc，通过电源控制电路为整个装置的元器件和电路进行供电。
21.进一步地，所述信号解析电路采用rs232通信协议，通过ymg22f4-1ap40(4-cf101/211-02)型号连接器的以太网接口连接用户设备。
22.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
23.本实用新型提供的船舶ais信号接收与解析装置，包括电源单元、ais接收单元、数据解析单元、故障监视单元，具有高效、可靠、准确、实用性高、数据同步及资源占用少等特点。本实用新型提供的船舶ais信号接收与解析装置，能够在较短时间内完成大量的ais报文接收、解析、输出功能，为用户设备提供ais数字报文和电平数字信号，提高用户设备的探测精度、通信距离。
附图说明
24.图1是本实用新型实施例提供的ais信号接收与解析装置原理框图；
25.图2是本实用新型实施例提供的ais信号接收与解析装置电路图。
具体实施方式
26.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
27.本实用新型解决以上技术问题的技术方案是：一种船舶ais信号接收与解析装置，包括电源单元、ais接收单元、数据解析单元、故障监视单元。电源单元将220vac转换为12vdc，为各功能单元工作供电；ais接收单元自动获取ais信号；数据解析单元将ais信号强度解析为电平数值，将ais报文内容解析为数字报文，并通过以太网将数据传送给用户设备；故障监视单元对ais接收、数据解析进行状态监测，确保提供用户设备数据准确。
28.本实用新型克服了通用ais设备无法提供ais信号强度和报文解析的难题，将ais信号强度解析为电平数字，将ais信号报文内容解析为数字报文，提供给用户设备使用。
29.更进一步地，ais接收单元通过同轴线缆与ais天线连接，用于接收、处理ais信号，获取ais信号强度和报文，并将信号送至数据解析单元，再由数据解析单元转换为电平数值和数字报文，利用以太网传送至用户设备。
30.更进一步地，ais信号强度解析是将ais信号输入混频电路，使信号在一定范围内变化；混频后的信号再经过自动增益控制后输入解析电路；解析电路将单端输入信号转化为差分输入信号，再进行功率电压转换，将信号转换为一定大小的直流电平输出，再利用微处理器进行a/d转换为电平数字信号。
31.更进一步地，ais报文解析时基于多线程技术，将报文ascii字符转换为６bit的二进制数据，进行明码解码，然后依据报文格式分解二进制数据；提取暗码封装信息，进行暗码动静态信息解码；最后进行拼接，整合二进制数据转换为数字报文。
32.更进一步地，数据解析单元在完成ais信号转换时，同步实现与以太网之间的协议转换与处理。
33.更进一步地，故障监视单元实时监视来自ais接收单元和数据解析单元的状态报告，根据ais数字报文内容和信号强度判断装置工作状态，在出现异常状况时，实现对电路的断电重启操作。
34.图1示出了本实用新型提供的ais信号接收与解析装置原理框图，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下：
35.本实用新型提供的ais信号接收与解析装置包括电源单元、ais接收单元、数据解析单元、故障监视单元。
36.电源单元将220vac转换为12vdc，并为各功能单元工作供电。
37.ais接收单元通过同轴线缆与ais天线连接，用于接收、处理ais信号，获取ais信号强度和报文，并将信号送至数据解析单元，再由数据解析单元转换为电平数值和数字报文，利用以太网传送至用户设备。
38.数据解析单元包括信号强度解析和报文解析。ais信号强度解析是将ais信号输入混频电路，使信号在一定范围内变化；混频后的信号再经过自动增益控制后输入解析电路；解析电路将单端输入信号转化为差分输入信号，再进行功率电压转换，将信号转换为一定大小的直流电平输出，再利用微处理器进行a/d转换为电平数字信号。ais报文解析时基于多线程技术，将报文ascii字符转换为６bit的二进制数据，进行明码解码，然后依据报文格式分解二进制数据；提取暗码封装信息，进行暗码动静态信息解码；最后进行拼接，整合二进制数据转换为数字报文。数据解析单元在完成ais信号转换时，同步实现与以太网之间的协议转换与处理。
39.故障监视单元实时监视来自ais接收单元和数据解析单元的状态报告，根据ais数
字报文内容和信号强度判断装置工作状态，在出现异常状况时，实现对电路的断电重启操作。故障监视单元与ais接收单元、数据解析单元采用rs232通信协议进行数据传输。
40.图2示出了本实用新型提供的ais信号接收与解析装置电路图，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下：
41.图2电路图与图1原理框图各功能对应情况如下：
42.ais电源单元主要包括电源控制电路，将220vac转换为12vdc，并经过电源管理芯片，为各元器件、电路提供不同电源。
43.ais接收单元主要包括发射接收转换器、156-162mhz射频信号接收器，用于接收、处理ais信号，主要功能是获取ais报文和信号强度，将数据传输至数据解析单元。
44.数据解析单元主要包括20db增益前置放大电路、标准信号发生器、标准信号处理电路、混频器、混频信号处理电路、自动增益调整电路、放大电路、模数转换电路、时钟控制电路、fpga可编程电路、单片机，主要功能是将ais信号解析为ais数字报文，并将信号强度转换为数值，通过以太网将数据传送给用户设备。
45.故障监视单元主要通过可编程电路、单片机等对ais接收、数据解析进行状态监测，确保提供用户设备数据准确。故障监视单元实时监视来自ais接收单元和数据解析单元的状态报告，根据ais数字报文内容和信号强度判断装置工作状态。在ais接收出现异常状况时，实现对电路的断电重启操作。
46.图2电路图详述如下：采用1块yp-220/1206a电源作为电源输入，采用xc22f4z1p40型号连接器将220vac转换为12vdc，通过电源控制电路为整个装置的元器件、电路进行供电。
47.ais天线采用at-101型号的接收天线。天线通过n-k型航空连接器、同轴50ω电缆与发射接收转换器连接，发射接收转换器用于控制ais射频的发射或接收。发射接收转换器通过n/kf-1型射频连接器与yx-2101a型射频信号接收器连接，yx-2101a型射频信号接收器接收156-162mhz的ais信号，获取ais报文和信号强度。
48.ais报文和信号强度通过前置放大电路，对输入信号功率进行20db增益放大。
49.标准信号发生器提供标准的频率、波形和输出电平信号，通过标准信号调理电路进行处理，将标准信号转换为数字信号。
50.混频器将放大后的ais信号和标准信号进行混频，并通过混频处理电路，将ais信号处理为中心频率45m、带宽6m的信号，使ais信号在一定范围内变化。
51.混频后的ais信号通过自动增益控制电路，使电路的增益自动地随ais信号强度而调整进行自动控制；自动增益调整后的ais信号，通过放大电路对功率进行6db增益放大；放大后ais信号通过模数转换电路，将ais信号转化为数字信号，输入到由fpga可编程电路和mcu单片机组成的ais数字信号解析电路。
52.数据解析电路由fpga可编程电路和stc12c5a60s2单片机组成，主要作用是进行ais信号强度解析、ais信号报文解析、整个装置故障监视；根据信号解析情况，返回增益控制逻辑至自动增益调整电路重新进行信号解析；并提供2个rs232通信协议串口输出解析后的ais数字信号。
53.ais信号强度解析流程如下：fpga编程电路将单端输入ais数字信号转化为差分输入信号；然后，将差分输入信号进行功率电压转换，将信号转换为一定大小的直流电平输
出；最后，直流电平输入至stc12c5a60s2单片机微处理器，并结合解析电路增益进行计算，并进行a/d转换，实现电平数字信号输出。
54.ais信号报文解析基于多线程技术，将报文ascii字符转换为６bit的二进制数据，进行明码解码，然后依据报文格式分解二进制数据；提取暗码封装信息，进行暗码动静态信息解码；最后进行拼接，整合二进制数据转换为数字报文。数据解析单元在完成ais信号转换时，同步实现与以太网之间的协议转换与处理，主要包括接口设置、明码解码、暗码解码。具体流程如下：首先进行接口设置，fpga编程电路将单端输入ais数字信号进行设置，启动多线程解码线程，对缓冲区中的数据进行数据量的判断，当大于1024字节时将缓冲区数据读出，进入解码主程序。然后开始明码解码，ais明码中时间、经度、纬度是规律性数据，将报文存于ascii字符串，并转换为６bit的二进制数据，进行拼接；然后依据报文规律性格式分解为二进制数据。最后进行暗码解码，提取暗码封装信息，利用暗码语句末的校验字段，对暗码进行判断，检验接收的报文是否正确，其方法是用符号对暗码报文所有字符做异或操作，将报文转换为十六进制数，与校验字段进行比较，如果相等则正确接收，在原报文上加上新值，实现合法字符到六位二进制数据的转换；如果不相等，则跳过该条报文，寻找下一条暗码报文的同序列的封装信息。得到二进制数据后，判断封装暗码的动态信息、静态信息标识，分别对动静态信息进行解码，转换为二进制数据；最后与明码的二进制数据进行拼接，整合二进制数据转换为数字报文。
55.时钟生成电路用来提供标准频率进行混频，并控制装置中模数转化电路、ais信号解析电路的时序逻辑。
56.信号解析电路对装置进行实时故障监视，实现故障监视单元功能，具体流程如下：信号解析电路实时监视ais解析的状态报告，根据ais数字报文内容中的时间、经度、纬度信息，与信号强度进行对比，判断装置工作状态，在出现故障状况时，实现对电路的断电重启操作。
57.信号解析电路采用rs232通信协议，通过ymg22f4-1ap40(4-cf101/211-02)型号连接器的以太网接口，将ais信号强度和报文传送至用户设备。
58.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。