基于Bit Fields的AIS報(bào)文解析及實(shí)現(xiàn)＊

方 興 王步云

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是一種新型的海上輔助助航系統(tǒng)及設(shè)備，具有船只識(shí)別、目標(biāo)追蹤、碰撞規(guī)避等諸多功能，目前已成為船舶交通管理、保障航行安全的重要工具［1］。AIS報(bào)文是AIS網(wǎng)絡(luò)中交換和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位，它包含了將要發(fā)送的完整的船舶數(shù)據(jù)信息。而報(bào)文解析則是將接收到報(bào)文轉(zhuǎn)換成船舶信息的過程，是實(shí)現(xiàn)AIS廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

AIS報(bào)文主要可分為明碼和暗碼兩類。明碼以“＄”開頭，主要用于傳遞傳感器信息，包括UTC時(shí)間、地理位置等［2］。明碼的所有字符均為ASCII文本字符，可以直接提取報(bào)文信息。明碼的每條語句不能超過82個(gè)ASCII字符，如果超過82個(gè)字符，就需要采用暗碼傳輸。

暗碼以“！”開頭，能夠傳遞船舶以及基站的各類信息。暗碼采用一定的方式對(duì)Bit位進(jìn)行壓縮，實(shí)現(xiàn)了無線電文的封裝，節(jié)省了傳輸帶寬，提高了傳輸效率。暗碼不僅能夠傳送格式不確定的信息，而且還能將內(nèi)容較長(zhǎng)的信息分段傳送。AIS報(bào)文的傳輸以暗碼居多。

然而由于暗碼在傳輸之前進(jìn)行了壓縮，因此在終端上解析時(shí)，需要進(jìn)行解壓縮，首先依據(jù)6Bit位表將ASCII字符轉(zhuǎn)換為中6Bit的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并進(jìn)行拼接；然后依據(jù)報(bào)文格式分解二進(jìn)制數(shù)據(jù)；最后通過整合將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相關(guān)信息。從整個(gè)過程可以看出，暗碼的解析需要以Bit位為單位進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

Bit Fields是C語言提供的一種對(duì)Bit位進(jìn)行操作的方法，針對(duì)AIS暗碼報(bào)文解析的特點(diǎn)，本文提出一種基于Bit Fields的暗碼報(bào)文解析的新方法，通過對(duì)Bit Fields結(jié)構(gòu)的定義，省去中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接對(duì)各Bit位進(jìn)行操作后即可得到相關(guān)信息，具備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、解析高效等特點(diǎn)，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

2 AIS報(bào)文格式及解析特點(diǎn)

2.1 AIS報(bào)文

暗碼包含報(bào)頭、傳送電文所需語句總數(shù)、語句號(hào)、電文識(shí)別碼、信道、船舶信息、填充比特?cái)?shù)和檢驗(yàn)碼等部分。如圖1所示為AIS暗碼報(bào)文格式及示例。

圖1 暗碼報(bào)文格式及示例

“！”表示暗碼報(bào)文標(biāo)志；緊接著的五位字符為會(huì)話ID，如“AIVDM”說明是通過VHF數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行接收的所有的AIS信息，其它的會(huì)話ID還包括“AIVDO、AIACA、AIABK”［3］；當(dāng)將一條長(zhǎng)消息分成多條語句進(jìn)行傳輸時(shí)，由第三項(xiàng)表明該消息具體由多少條語句組成，本例中就一條語句；第四項(xiàng)為語句序號(hào)，表示當(dāng)前語句在語句序列中的位置；第五項(xiàng)為消息標(biāo)識(shí)號(hào)，它標(biāo)識(shí)該條語句的消息號(hào)，當(dāng)僅一條語句時(shí)，該項(xiàng)不填；第六項(xiàng)指定了傳輸?shù)念l道；第七項(xiàng)是按協(xié)議定義的封裝消息，如果消息是由多條語句組成，那么在解碼時(shí)需要將各條消息提取合并成一個(gè)完整的消息碼文才能進(jìn)行解碼；第八項(xiàng)是比特填充位數(shù)；第九項(xiàng)為校驗(yàn)碼，是“＊”前面所有字符異或的結(jié)果，十六進(jìn)制表示，用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

表1 AIS中常用的報(bào)文類型

其中第七項(xiàng)封裝消息的第一個(gè)字符說明了該報(bào)文的類型，報(bào)文類型不同，格式也不相同。在AIS中，常用的報(bào)文類型如表1所示［4］。

［5］列出了每種報(bào)文中Bit的具體分布，如船位報(bào)告1、2、3報(bào)文的Bit位分布如表2所示。無論哪一類報(bào)文，在解析過程中，前六項(xiàng)及第八項(xiàng)的內(nèi)容可以直接提取，不需要任何轉(zhuǎn)換，第七項(xiàng)內(nèi)容的提取才是整個(gè)解析過程中的難點(diǎn)。

表2 船位報(bào)告1、2、3報(bào)文的Bit位分布

2.2 AIS報(bào)文的解析特點(diǎn)

1）對(duì)于包含相同信息的不同類型報(bào)文，相同信息在報(bào)文中的位置并不相同，從而導(dǎo)致解析過程中很多模塊難以重用。如報(bào)文1、2、3與報(bào)文18、19中均含有船舶的經(jīng)緯度信息，但經(jīng)緯度信息在前三類中處于報(bào)文的第62到117位，而在后兩類則處于第58位到113位。

2）報(bào)文的解析主要是對(duì)Bit位的操作，整個(gè)過程中需多次移位、拼接，操作復(fù)雜繁瑣。在PC端解析AIS報(bào)文時(shí)，首先需將字符轉(zhuǎn)換為6BitASCII碼，然后對(duì)轉(zhuǎn)換后的6Bit進(jìn)行拼接操作，形成一個(gè)新的字符串；最后再根據(jù)報(bào)文格式按照Bit位提取相應(yīng)的信息；在提取過程中，還需要不斷移位、拼接等操作，整個(gè)過程較為繁瑣。

3）AIS數(shù)據(jù)涉及的類型較少，只包括整數(shù)和字符兩種類型。而對(duì)于經(jīng)緯度、航速等浮點(diǎn)數(shù)類型的信息，也是通過整數(shù)類型轉(zhuǎn)換得到。這在一定程度上也減小了AIS報(bào)文解析的復(fù)雜度。

3 Bit Fields在AIS數(shù)據(jù)解析中的應(yīng)用

3.1 Bit Fields的概念和用法

Bit Fields是C語言提供的一種對(duì)Bit位進(jìn)行操作的方法。所謂Bit Fields就是把一個(gè)字節(jié)中的二進(jìn)制位劃分為不同的區(qū)域，每個(gè)域占用不同的Bit位并且有一個(gè)域名，允許在程序中按照域名進(jìn)行操作，這樣就可以把不同的變量用一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制位域表示。采用這種定義方式節(jié)省了存儲(chǔ)空間，處理較為簡(jiǎn)便。

Bit Fields的定義與結(jié)構(gòu)的定義相仿，其形式為

上述位域中，Data1結(jié)構(gòu)共占兩個(gè)字節(jié)16位，其中a占6位，b占2位，c占8位。

對(duì)于位域的使用，有如下幾點(diǎn)需要注意：

1）一個(gè)位域必須存儲(chǔ)在同一個(gè)字節(jié)中，不能跨兩個(gè)字節(jié)，如果一個(gè)字節(jié)所剩空間不夠存放另一位域時(shí)，應(yīng)從下一字節(jié)起開始存放該位域，剩余空間應(yīng)作為空域。如：

2）每一個(gè)位域的長(zhǎng)度不能超過前面所指定類型的長(zhǎng)度，否則無效。如：

3）由于在PC中字節(jié)序是從左至右，而位序則是從右至左的，因此位域結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的存放有其特殊性。位域定義的先后次序也將影響該位域在內(nèi)存中存放的位置。以Data2為例，其存放如表3所示。

表3 位域在內(nèi)存中的存放示例

從表3中可以看出，位域a存放在第一個(gè)字節(jié)的低6位，第一個(gè)字節(jié)的高2位為空域；位域b則存放在第二個(gè)字節(jié)的低4位，位域c則存放在第二個(gè)字節(jié)的高4位。而位域a所占用的字節(jié)和位域b及c占用的字節(jié)則是從左至右的。

3.2 AIS解析中的Bit Fields的定義

由于AIS的報(bào)文信息是按照Bit位進(jìn)行存儲(chǔ)并傳輸?shù)?，因此非常適合采用Bit Fields的方式進(jìn)行解析。通過位域結(jié)構(gòu)的定義，可以省去大部分轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接提取船舶信息。主要方法是：針對(duì)每一類報(bào)文，定義一個(gè)位域結(jié)構(gòu)并聲明一個(gè)該結(jié)構(gòu)的變量，然后將轉(zhuǎn)換得到的6Bit流直接轉(zhuǎn)換為該位域結(jié)構(gòu)類型，這樣就可以通過所定義的變量直接訪問Bit流中信息，從而實(shí)現(xiàn)AIS報(bào)文的解析。在整個(gè)過程中，位域結(jié)構(gòu)的定義就是重點(diǎn)。

以1、2、3類報(bào)文為例，報(bào)文中的每個(gè)字符經(jīng)6Bit位轉(zhuǎn)換后，不進(jìn)行拼接，直接將有效的6Bit位放在一個(gè)字節(jié)的低6位，高2位填“0”。由此整個(gè)報(bào)文的Bit流在內(nèi)存中按照表4存放。

表4 轉(zhuǎn)換后的AIS信息在內(nèi)存中存放

為了使類型轉(zhuǎn)換后的Bit Fields結(jié)構(gòu)變量能夠與Bit流對(duì)應(yīng)起來從而正確地提取船舶信息，可以如下定義位域結(jié)構(gòu)：

在上述位域結(jié)構(gòu)中，每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)8Bit位字節(jié)。按照表3的存放方式，為了除去無效的高2位，位域結(jié)構(gòu)中每行的最后始終是兩位空域，即每個(gè)字節(jié)的高兩位無效；此外，由于位序從右至左，因此同一字節(jié)里定義不同的位域時(shí)需與報(bào)文格式的先后次序相反，如上述結(jié)構(gòu)的第二行，應(yīng)先定義報(bào)文格式后面的MMSI1，再定義格式前面的Repeat indicator（RPT）；而對(duì)于在不同字節(jié)的信息，按照格式次序依次定義即可，如第三、四行，先定義MMSI的第5～10位，后定義第11～16位。最終該位域結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中存放方式如表5所示。

表5 Msg123在內(nèi)存中的存放

通過上述定義，整個(gè)位域結(jié)構(gòu)正好與轉(zhuǎn)換后的Bit流對(duì)應(yīng)起來，下一步就可以直接通過位域結(jié)構(gòu)變量提取船舶信息。

3.3 船舶信息的提取

第一步：確定收到的AIS報(bào)文ID。依據(jù)AIS格式特點(diǎn)，封裝電文的第一個(gè)字符指定了該報(bào)文的ID，如圖1中的“1”指明了該報(bào)文屬于1類報(bào)文。獲取報(bào)文ID主要是為了確定Bit流將要轉(zhuǎn)換的位域結(jié)構(gòu)類型。

第二步：類型轉(zhuǎn)換。依據(jù)報(bào)文ID，將Bit流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的位域結(jié)構(gòu)類型。仍以1、2、3類報(bào)文為例：

第三步：獲得最終的船舶信息。通過類型轉(zhuǎn)換后，就可以直接采用pMsg訪問船舶信息。如船舶的ID：

而對(duì)于跨字節(jié)的數(shù)據(jù)，還需進(jìn)行移位得到最終的信息。如MMSI號(hào)碼，在報(bào)文中占用30位，在位域結(jié)構(gòu)則跨6個(gè)字節(jié)，從高位到低位依次是MMSI1到MMSI6，采用移位的方式可得到最終信息：

其它信息均可按照上述方法獲取，不再一一舉例。

4 AIS數(shù)據(jù)解析實(shí)驗(yàn)

4.1 解析軟件開發(fā)

本文在 Windows Xp Sp3操作系統(tǒng)上，采用Visual C＋＋6.0平臺(tái)開發(fā)解析軟件并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。解析軟件包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息提取、信息顯示等模塊。

整個(gè)軟件運(yùn)行流程如圖2所示：數(shù)據(jù)接收模塊從外部接收到AIS語句后，數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K則對(duì)AIS語句進(jìn)行異或校驗(yàn)，對(duì)于采用多條語句傳送的消息，還需檢查該消息是否完整；確認(rèn)校驗(yàn)無誤及消息完整后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)報(bào)文的6Bit位ASCII碼字符轉(zhuǎn)換、Bit Fields結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)換等一系列工作，最后信息提取模塊依據(jù)報(bào)文格式，從Bit Fields結(jié)構(gòu)變量中提取相對(duì)應(yīng)的船舶信息并交由信息顯示模塊進(jìn)行顯示。

圖2 軟件運(yùn)行流程

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

按照第二節(jié)所述方法，采用上述解析軟件對(duì)圖1中的示例報(bào)文進(jìn)行解析，解析結(jié)果如表6所示。

表6 根據(jù)報(bào)文解析得到的信息（部分）

結(jié)果表明，采用基于Bit Fields方法能夠?qū)崿F(xiàn)AIS數(shù)據(jù)的正確解析，過程簡(jiǎn)單，邏輯清晰。

5 結(jié)語

AIS報(bào)文解析是實(shí)現(xiàn)AIS廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。針對(duì)AIS報(bào)文采用Bit流進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)的特點(diǎn)，結(jié)合C語言中對(duì)Bit位操作的Bit Fields方法，本文提出一種基于Bit Fields的AIS報(bào)文解析方法。該方法通過對(duì)Bit Fields的定義，省去中間復(fù)雜、繁瑣的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接對(duì)各Bit位進(jìn)行操作后即可得到所需信息，提高了AIS報(bào)文解析效率，具有方法簡(jiǎn)單、邏輯清晰、解析高效等特點(diǎn)，對(duì)以后進(jìn)一步開發(fā)ECDIS顯示系統(tǒng)、航標(biāo)系統(tǒng)以及船舶避碰專家系統(tǒng)等都具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

［1］初秀民，徐海潮，萬劍，等.基于多線程的船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)報(bào)文解析［J］.中國(guó)航海，2011，34（2）：19－23.

［2］江衍煊，張?jiān)娪溃惛＝?利用AIS串口數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶避碰仿真［J］.電腦與信息技術(shù)，2010，18（1）：24－27.

［3］郭善寧，何祖軍.基于VC＋＋的AIS模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.艦船電子工程，2008，28（10）：148－150.

［4］張文力.船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2004.

［5］RECOMMENDATION ITU－R M.1371－4＊.Technical characteristics for an automatic identification system using time－division multiple access in the VHF maritime mobile band［R］.International Telecommunication Union，2010：4.