專(zhuān)利名稱(chēng):一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)gps實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶自動(dòng)識(shí)別終端系統(tǒng)，尤其是涉及一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法。
背景技術(shù)：
船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)通過(guò)全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取當(dāng)前的位置信息，并將自身的船位，船速，航向等動(dòng)態(tài)信息以及船名，呼號(hào)，吃水及危險(xiǎn)貨物等靜態(tài)資料通過(guò)甚高頻 (VHF)頻道向附近船舶及岸臺(tái)廣播。周?chē)拇巴ㄟ^(guò)接收廣播的船舶信息可以及時(shí)掌握附近海域的船舶資料，采取必要的避讓行動(dòng)，提高船舶航行的安全性。
AIS工作基于TDMA (時(shí)分多址)技術(shù)，AIS系統(tǒng)利用甚高頻波段的兩個(gè)頻率進(jìn)行工作，將一分鐘(一巾貞)劃分成2250個(gè)時(shí)間段(時(shí)隙),這樣兩個(gè)頻率上一分鐘共有4500個(gè)時(shí)隙供系統(tǒng)中的各種終端設(shè)備交替發(fā)射。由于不同的終端在不同條件下每分鐘要發(fā)射的次數(shù)各不相同，如一艘高速艇一分鐘要發(fā)射30次之多，而一艘停泊的貨船三分鐘才發(fā)射一次。為保證AIS系統(tǒng)正常工作，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可容納的AIS終端數(shù)量是有限的。由于AIS終端設(shè)備按照時(shí)隙通信的特點(diǎn)，一個(gè)AIS終端是整個(gè)AIS系統(tǒng)的一份子。隨著海洋船舶的增加，空中時(shí)隙資源日益緊張，若一臺(tái)AIS終端設(shè)備不能正確同步，跨時(shí)隙發(fā)射，則其它AIS終端設(shè)備發(fā)射有可能受其影響，因此，精確的時(shí)間同步能力是AIS設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)。
AIS設(shè)備的GPS模塊在定位后提供精確的UTC時(shí)間基準(zhǔn)，通過(guò)消息報(bào)文和秒脈沖的形式提供給用戶(hù)。為了保證消息發(fā)送時(shí)隙的準(zhǔn)確性，船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備需將本地的時(shí)間與GPS提供的UTC時(shí)間基準(zhǔn)同步，并在時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，廣播AlS靜態(tài)/動(dòng)態(tài)消息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用GPS模塊定位后提供的時(shí)間消息和秒脈沖，快速地完成本地時(shí)間與GPS提供的UTC時(shí)間的同步，從而保證AIS消息發(fā)送時(shí)隙的準(zhǔn)確性。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，特別研發(fā)一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法。本方法通過(guò)獲取GPS時(shí)間消息和秒脈沖，進(jìn)行本地時(shí)鐘和UTC時(shí)間的時(shí)間同步，以此為AIS消息發(fā)送提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法，其特征在于，獲取GPS時(shí)間消息和秒脈沖進(jìn)行本地時(shí)鐘和UTC時(shí)間的時(shí)間同步，為AIS消息發(fā)送提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)，其步驟如下
(一).時(shí)間同步模塊初始化各個(gè)參數(shù)；
(二).GPS模塊定位后，輸出時(shí)間消息和秒脈沖，GPS秒脈沖到來(lái)時(shí)刻記錄本地時(shí)間的時(shí)隙和相位，用于后續(xù)計(jì)算誤差；
(三).當(dāng)GPS秒脈沖偶數(shù)秒時(shí)，進(jìn)行相位調(diào)整，計(jì)算當(dāng)前相位的誤差值，相位的誤差值
=-ρι，式中為本地時(shí)間的相位，并調(diào)整本地時(shí)鐘；
(四).當(dāng)GPS秒脈沖奇數(shù)秒時(shí)，進(jìn)行時(shí)隙調(diào)整，計(jì)算當(dāng)前時(shí)隙的誤差值，時(shí)隙的誤差值=%本H，式中乃為GPS定位后輸出的UTC時(shí)間秒，沁為AIS協(xié)議中I秒的時(shí)隙
數(shù)，Si為本地時(shí)間的時(shí)隙，并調(diào)整本地時(shí)鐘；
(五).當(dāng)時(shí)隙誤差和相位誤差小于設(shè)定閾值時(shí)，ARM控制模塊判定為時(shí)間同步，即可在此時(shí)間基準(zhǔn)上按照時(shí)隙發(fā)送AIS消息。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)基于船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備，本設(shè)備的ARM控制模塊在GPS模塊定位后，根據(jù)GPS提供的時(shí)間消息和秒脈沖對(duì)比本地時(shí)間的時(shí)隙數(shù)和相位數(shù)，根據(jù)AIS同步方式，AIS幀的開(kāi)始和結(jié)束在UTC時(shí)間可獲取的情況下與UTC的分鐘一致。UTC時(shí)間I秒為37. 5個(gè)時(shí)隙，所以在偶數(shù)秒，本地時(shí)隙的值可根據(jù)GPS提供的消息信息計(jì)算得到。且利用在偶數(shù)秒時(shí)的相位為O來(lái)對(duì)比本地相位和真實(shí)相位的差別。ARM控制模塊通過(guò)在GPS秒脈沖時(shí)保存本地時(shí)間的時(shí)隙數(shù)和相位數(shù)，并根據(jù)GPS提供的時(shí)間消息計(jì)算誤差并進(jìn)行修正，完成時(shí)間同步。
本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是通過(guò)本方法，船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備可在GPS定位·且輸出時(shí)間消息的情況下，3秒內(nèi)將本地時(shí)間同步至UTC時(shí)間，誤差小于15個(gè)相位，保證了設(shè)備發(fā)送消息時(shí)隙的準(zhǔn)確性。從而解決了如果AIS終端設(shè)備不能正確同步，跨時(shí)隙發(fā)射，則影響其它AIS終端設(shè)備發(fā)射的問(wèn)題。


圖I為本發(fā)明船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備構(gòu)成框圖。
圖2為本發(fā)明船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備時(shí)鐘校準(zhǔn)及補(bǔ)償模塊的電路原理圖。
圖3為本發(fā)明船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備GPS模塊電路原理圖。
圖4為本發(fā)明船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備時(shí)間同步流程圖。
具體實(shí)施方式
為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明參照?qǐng)D1，船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備包括由時(shí)鐘校準(zhǔn)及補(bǔ)償模塊、消息發(fā)送模塊、GPS控制模塊和休眠控制模塊構(gòu)成的ARM控制模塊、射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板和電源模塊，所述的ARM控制模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板及電源模塊連接，電源模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊及控制面板連接。
本發(fā)明各模塊的功能如下
1)射頻模塊為通用公知的模塊，用于在AISA/B信道廣播靜態(tài)/動(dòng)態(tài)消息；
2)GPS模塊用于解析GPS位置信息，并提供UTC時(shí)間信息；
3)控制面板用于人機(jī)接口，用戶(hù)通過(guò)面板按鍵操作設(shè)備，通過(guò)LED燈觀察當(dāng)前工作狀
態(tài)；
4)時(shí)鐘模塊用于為ARM控制芯片提供主時(shí)鐘和RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘；
5)電源模塊用于為各個(gè)模塊供電；
6)ARM控制模塊用于控制整個(gè)終端設(shè)備工作，其中，時(shí)鐘校準(zhǔn)模塊用于通過(guò)GPS提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間校準(zhǔn)自身時(shí)鐘；時(shí)鐘補(bǔ)償模塊用于通過(guò)周期地修正本地時(shí)間來(lái)完成對(duì)本地時(shí)鐘誤差的補(bǔ)償；消息發(fā)送模塊用于按照AIS協(xié)議周期的發(fā)送AIS靜態(tài)、動(dòng)態(tài)消息；GPS控制模塊用于控制GPS芯片的開(kāi)關(guān)，以及解析GPS消息等；休眠控制模塊用于在設(shè)備空閑時(shí)，關(guān)閉不需要的部分，降低系統(tǒng)功耗。
參照?qǐng)D2，船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備的ARM控制模塊采用STM32F103RCT6控制芯片N5，時(shí)鐘模塊采用為控制芯片N5提供主時(shí)鐘的DSA321G_12. OM無(wú)源晶振芯片N2以及為控制芯片N5提供RTC時(shí)鐘的DST310S-32. 768KHz無(wú)源晶振芯片N4，其中無(wú)源晶振芯片N2的兩端分別與控制芯片N5的5腳和6腳連接，并分別通過(guò)電容C6和電容C7接地；無(wú)源晶振芯片N4的兩端分別與控制芯片N5的3腳和4腳連接，并分別通過(guò)電容C8和電容C17接地。
船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備時(shí)鐘模塊由兩部分提供，STM32F103CT6為ARM7核的設(shè)備控制芯片N5，用于控制整個(gè)船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備工作。芯片N2為DSA321G_12. OM無(wú)源晶振，為控制芯片N5提供主時(shí)鐘；晶振外部接兩個(gè)電容C6和電容C7到地，用于微調(diào)晶振頻率。芯片N4為DST310S-32. 768KHz無(wú)源晶振，為控制芯片N5提供RTC時(shí)鐘，晶振外部接兩個(gè)電容CS和電容C17到地，用于微調(diào)晶振頻率。當(dāng)船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備進(jìn)入低功耗休眠模式時(shí)，主時(shí)鐘停止工作，此時(shí)設(shè)備的時(shí)間同步維持由RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘維持。當(dāng)設(shè)備從休眠過(guò) 程中喚醒時(shí)，主時(shí)鐘啟動(dòng)并接替RTC時(shí)鐘繼續(xù)維持設(shè)備的時(shí)間同步狀態(tài)。
參照?qǐng)D3，船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備的GPS模塊采用一個(gè)用于通過(guò)GPS天線計(jì)算GPS的位置消息和時(shí)間消息的NE0-5M芯片N13，芯片N13的20腳和21腳分別通過(guò)電阻R78和電阻R77以及電阻R80和電阻R81與所述的控制芯片N5的17腳和16腳連接，其中電阻R78和電阻R77的一端以及電阻R80和電阻R81的一端分別通過(guò)電容ClOO和電容ClOl接地；芯片NI3的22腳通過(guò)電阻R82接3. 3V電源，芯片NI3的23腳通過(guò)三極管VTll的集電極、發(fā)射極與電阻R85相接后接3. 3V電源，電阻R85與三極管VTll的基極連接后通過(guò)電阻R86連接三極管N14的集電極，再通過(guò)三極管N14的基極與所述的控制芯片N5的11腳連接，三極管N14的發(fā)射極接地，芯片N13的3腳通過(guò)電阻R83電阻R84與控制芯片N5的15腳連接，電阻R83電阻R84通過(guò)電容C102接地，芯片N13的8腳和9腳連接后通過(guò)電阻R79和電感L17與芯片N13的11腳連接，連接后接ANT-GPS有源天線，然后接地，芯片N13的7腳、10腳、12腳、13腳、14腳和24腳接地。
船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備的GPS模塊采用NE0-5M芯片N13，ARM控制模塊通過(guò)串口和GPS模塊進(jìn)行通信。其中NE0-5M芯片N13為GPS模塊負(fù)責(zé)通過(guò)GPS天線計(jì)算GPS的位置消息和時(shí)間消息。NE0-5M芯片N13的20和21管腳為GPS模塊的串口，分別與STM32F103CT6控制芯片N5的16和17管腳連接，用于通過(guò)串口周期的向STM32F103CT6控制芯片N5發(fā)送GPS位置消息和時(shí)間消息。NE0-5M芯片N13的22管腳為GPS模塊的備用電源，23管腳為GPS模塊的主電源。主電源通過(guò)2SB1132三極管VTll和DTCl 14EE三極管N14與STM32F103CT6控制芯片N5管腳11連接。當(dāng)STM32F103CT6控制芯片N5控制管腳11為高電平時(shí)，DTCl 14EE三極管N14集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，進(jìn)而控制2SB1132三極管VTll的集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，從而給NE0-5M芯片N13的主電源供電。同理，當(dāng)控制芯片N5控制管腳11為低電平時(shí)，DTC114EE三極管N14集電極和發(fā)射極截止，進(jìn)而控制2SB1132的集電極和發(fā)射極截止，從而控制NE0-5M芯片N13的主電源斷電。因NE0-5M芯片N13只要備用電源供電，在主電源斷電的情況下，仍可保存相關(guān)定位消息，所以STM32F103CT6控制芯片N5通過(guò)控制管腳11低電平關(guān)閉NE0-5M芯片N13，降低功耗。在需要GPS模塊定位時(shí)，通過(guò)STM32F103CT6控制芯片N5控制管腳11高電平打開(kāi)NE0-5M芯片N13，GPS模塊熱啟動(dòng)，快速完成定位。器件ANT-GPS為有源GPS天線，NE0-5M芯片N13通過(guò)管腳9和11與有源GPS天線連接，并以此完成定位。NE0-5M芯片N13的管腳3在GPS模塊定位后輸出秒脈沖，用于提供精確的UTC時(shí)間，此管腳和ARM的15管腳連接，ARM端通過(guò)此秒脈沖完成本地時(shí)鐘同步等操作。
本設(shè)備在ARM控制模塊的控制下，控制模塊給GPS模塊供電并等待GPS定位。獲取GPS位置信息后，控制模塊周期地控制射頻模塊通過(guò)VHF天線廣播位置消息?？刂泼姘蹇捎糜谠O(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)和發(fā)送告警消息，控制面板通過(guò)LED燈指示工作狀態(tài)。
參照?qǐng)D4，以下詳細(xì)描述船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè) 備時(shí)間同步流程
步驟100 :時(shí)間同步模塊初始化各個(gè)參數(shù)；
步驟101 =GPS模塊定位后，輸出時(shí)間消息和秒脈沖，GPS秒脈沖到來(lái)時(shí)刻記錄本地時(shí)間的時(shí)隙和相位，用于后續(xù)計(jì)算誤差；
步驟102 :當(dāng)GPS秒脈沖偶數(shù)秒時(shí)，進(jìn)行相位調(diào)整，計(jì)算當(dāng)前相位的誤差值，由于相位在
偶數(shù)秒時(shí)誤差為零，所以相位的誤差值^ =-巧，式中巧為本地時(shí)間的相位，并調(diào)整本地
時(shí)鐘；
步驟103 :當(dāng)GPS秒脈沖奇數(shù)秒時(shí)，進(jìn)行時(shí)隙調(diào)整，計(jì)算當(dāng)前時(shí)隙的誤差值，時(shí)隙的誤差值,式中Ts為GPS定位后輸出的UTC時(shí)間秒，Ns為常數(shù)，即AIS協(xié)議中I
秒的時(shí)隙數(shù)，為本地時(shí)間的時(shí)隙，并調(diào)整本地時(shí)鐘；
步驟104 :當(dāng)時(shí)隙誤差和相位誤差小于設(shè)定閾值時(shí)，ARM控制模塊判定為時(shí)間同步，即可在此時(shí)間基準(zhǔn)上按照時(shí)隙發(fā)送AIS消息。
本發(fā)明通過(guò)獲取GPS時(shí)間消息和秒脈沖進(jìn)行本地時(shí)鐘和UTC時(shí)間的時(shí)間同步，以此為AIS消息發(fā)送提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。本發(fā)明有利于AIS設(shè)備的安全管理，是一種非常有效地降低AIS設(shè)備時(shí)隙沖突的設(shè)備，適用范圍廣，具有推廣價(jià)值。
根據(jù)上述說(shuō)明，結(jié)合本領(lǐng)域技術(shù)可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方案。
權(quán)利要求
1.一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法，其特征在于，獲取GPS時(shí)間消息和秒脈沖進(jìn)行本地時(shí)鐘和UTC時(shí)間的時(shí)間同步，為AIS消息發(fā)送提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)，其步驟如下 (一).時(shí)間同步模塊初始化各個(gè)參數(shù)； (二).GPS模塊定位后，輸出時(shí)間消息和秒脈沖，GPS秒脈沖到來(lái)時(shí)刻記錄本地時(shí)間的時(shí)隙和相位，用于后續(xù)計(jì)算誤差； (三).當(dāng)GPS秒脈沖偶數(shù)秒時(shí)，進(jìn)行相位調(diào)整，計(jì)算當(dāng)前相位的誤差值，相位的誤差值ρ· = -ρι，式中巧為本地時(shí)間的相位,并調(diào)整本地時(shí)鐘； (四).當(dāng)GPS秒脈沖奇數(shù)秒時(shí)，進(jìn)行時(shí)隙調(diào)整，計(jì)算當(dāng)前時(shí)隙的誤差值，時(shí)隙的誤差值/脾=% =*= 2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法，其特征在于，所述的船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備包括由時(shí)鐘校準(zhǔn)及補(bǔ)償模塊、消息發(fā)送模塊、GPS控制模塊和休眠控制模塊構(gòu)成的ARM控制模塊、射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板和電源模塊，所述的ARM控制模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊、控制面板及電源模塊連接，電源模塊分別與射頻模塊、GPS模塊、時(shí)鐘模塊及控制面板連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法，其特征在于，所述的ARM控制模塊采用STM32F103RCT6控制芯片N5，時(shí)鐘模塊采用為控制芯片N5提供主時(shí)鐘的DSA321G_12. OM無(wú)源晶振芯片N2以及為控制芯片N5提供RTC時(shí)鐘的DST310S-32. 768KHz無(wú)源晶振芯片N4，其中無(wú)源晶振芯片N2的兩端分別與控制芯片N5的5腳和6腳連接，并分別通過(guò)電容C6和電容C7接地；無(wú)源晶振芯片N4的兩端分別與控制芯片N5的3腳和4腳連接，并分別通過(guò)電容C8和電容C17接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法，其特征在于，所述的GPS模塊采用一個(gè)用于通過(guò)GPS天線計(jì)算GPS的位置消息和時(shí)間消息的NEO-5M芯片N13，芯片N13的20腳和21腳分別通過(guò)電阻R78和電阻R77以及電阻R80和電阻R81與所述的控制芯片N5的17腳和16腳連接，其中電阻R78和電阻R77的一端以及電阻R80和電阻R81的一端分別通過(guò)電容ClOO和電容ClOl接地；芯片N13的22腳通過(guò)電阻R82接3. 3V電源，芯片NI3的23腳通過(guò)三極管VTll的集電極、發(fā)射極與電阻R85相接后接3. 3V電源，電阻R85與三極管VTll的基極連接后通過(guò)電阻R86連接三極管N14的集電極，再通過(guò)三極管N14的基極與所述的控制芯片N5的11腳連接，三極管N14的發(fā)射極接地，芯片N13的3腳通過(guò)電阻R83電阻R84與控制芯片N5的15腳連接，電阻R83電阻R84通過(guò)電容C102接地，芯片N13的8腳和9腳連接后通過(guò)電阻R79和電感L17與芯片N13的11腳連接，連接后接ANT-GPS有源天線，然后接地，芯片N13的7腳、10腳、12腳、13腳、14腳和24腳接地。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明涉及一種船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方法。本方法采取的步驟是GPS模塊定位后，輸出時(shí)間消息和秒脈沖，ARM控制模塊通過(guò)在GPS秒脈沖到來(lái)時(shí)刻記錄本地時(shí)間的時(shí)隙和相位，并根據(jù)GPS提供的時(shí)間消息計(jì)算誤差并進(jìn)行修正，完成時(shí)間同步。通過(guò)本方法，船舶自動(dòng)識(shí)別終端設(shè)備可在GPS定位且輸出時(shí)間消息的情況下，3秒內(nèi)將本地時(shí)間同步至UTC時(shí)間，誤差小于15個(gè)相位，保證了設(shè)備發(fā)送消息時(shí)隙的準(zhǔn)確性。從而解決了如果AIS終端設(shè)備不能正確同步，跨時(shí)隙發(fā)射，則影響其它AIS終端設(shè)備發(fā)射的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G04R20/02GKCN102929126SQ201210494180
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月28日
發(fā)明者郭長(zhǎng)勇, 張鍵, 李輝輝, 張財(cái)元, 張相波, 鹿強(qiáng) 申請(qǐng)人:天津七一二通信廣播有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan