電子海圖系統(tǒng)單純顯示海圖，并不能起多大的作用，只有將其作為信息集成平臺(tái)，附加上各種航行相關(guān)的信息，才能發(fā)揮其功效，而其中一項(xiàng)不可或缺的是AIS的功能。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）是一種新型的助航設(shè)備，其基本功能是將船舶的標(biāo)識(shí)信息、位置信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和航行狀態(tài)等與船舶航行安全有關(guān)的重要數(shù)據(jù)，通過(guò)VHF數(shù)據(jù)鏈路，廣播給周圍的船舶，以實(shí)現(xiàn)對(duì)本海區(qū)船舶的識(shí)別和監(jiān)視。1995年7月，瑞典、芬蘭首次提出“無(wú)線電AIS”的概念；2000年12月，IMO MSC73會(huì)議通過(guò)AIS強(qiáng)制性安裝議案。

AIS發(fā)展歷程

AIS是基于無(wú)線電主動(dòng)應(yīng)答的設(shè)備，當(dāng)船舶安裝了AIS后，就可以與其它裝有AIS的船舶自動(dòng)交換重要的航行數(shù)據(jù)，包括：船名、船位、船型（大?。?、航線、航速、航向、轉(zhuǎn)向速度等等。駕駛員無(wú)須逐個(gè)查詢船舶，就可以獲得所有裝有AIS船舶的完整的交通動(dòng)態(tài)信息并進(jìn)行監(jiān)控和指揮。如果將定期航行和固定航線的船舶的相關(guān)信息加在傳送信息中，AIS將成為一種船舶報(bào)告系統(tǒng)。AIS設(shè)備一旦啟動(dòng)，會(huì)根據(jù)當(dāng)前的航速以及轉(zhuǎn)向率按照一定的周期不斷主動(dòng)向外部發(fā)送上述信息，與此同時(shí)，設(shè)備本身也在不斷的接收他船信息。

商船上都預(yù)留AIS Pilot Plug，用數(shù)據(jù)線插上后，就可以接收本船AIS接收到的信息。

AIS Pilot Plug

AIS數(shù)據(jù)采用NMEA0813標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行傳輸，其設(shè)備類型為AI，報(bào)文類型為VDM或VDO。VDM報(bào)文表示數(shù)據(jù)報(bào)告來(lái)自他船；VDO報(bào)文表示數(shù)據(jù)報(bào)告來(lái)自本船。AIS數(shù)據(jù)正文被分為27種消息類型。每一種消息類型有不同的編碼規(guī)則，連接AIS接收機(jī)，根據(jù)收到的串口數(shù)據(jù)判定其消息類型后，依次解析即可。各消息類型的格式詳情可參見(jiàn)https://gpsd.gitlab.io/gpsd/AIVDM.html。

例1：!AIVDM,1,1,,B,177KQJ5000G?tO`K>RA1wUbN0TKH,0*5C

• 字段1 (!AIVDM)：表示是一個(gè)移動(dòng)AIS基站數(shù)據(jù)，并且該數(shù)據(jù)來(lái)自他船；
• 字段2 (1)：當(dāng)前報(bào)文被拆分的個(gè)數(shù)，因?yàn)镹MEA 0183規(guī)定每條報(bào)文最大為82個(gè)字符限制，當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文超過(guò)限制時(shí)，就需要拆分，此處的1表示該報(bào)文被拆分分1個(gè)（即沒(méi)有被拆分）；
• 字段3 (1)：是被拆分后報(bào)文片段的編號(hào)；
• 字段4 (空)：報(bào)文序列標(biāo)識(shí)，當(dāng)同時(shí)存在多條需要分段的報(bào)文時(shí)，該字段用于區(qū)分隸屬于不同消息報(bào)文，此處為空表示沒(méi)有同時(shí)收到多條報(bào)文；
• 字段5 (B)：無(wú)線電頻道代碼， AIS使用來(lái)自兩個(gè)VHF無(wú)線電信道的雙工的高端：AIS信道A為161.975Mhz（87B）； AIS通道B為162.025Mhz（88B）；
• 字段6 (177KQJ5000G?tO`K>RA1wUbN0TKH)：是數(shù)據(jù)有效負(fù)載，需先判斷其消息類型，然后按照各消息類型格式進(jìn)行解析；
• 字段7（0）：是填充數(shù)據(jù)有效載荷到6位邊界（從0到5）所需的填充位數(shù)，等效地，從中減去5可以知道在最后6位半字節(jié)中有多少個(gè)最低有效位數(shù)據(jù)有效載荷應(yīng)被忽略；
• 字段8 (5C)：數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)和。

AIS的有效數(shù)據(jù)中的字符串以特殊方式編碼（六位碼），即每個(gè)字符由六位二制數(shù)表示。將數(shù)據(jù)的二進(jìn)制切成連續(xù)的六位字節(jié)，每個(gè)六位字節(jié)映射到一個(gè)ASCII字符，最后不足六位的則填充相應(yīng)位數(shù)的0。

AIS數(shù)據(jù)解析

將NMEA0813的字段6提取出來(lái)，得到二進(jìn)制串，前6位表示AIS的消息類型。

在通常操作中，AIS收發(fā)器將每2到10秒廣播一次位置報(bào)告（對(duì)應(yīng)消息1、2或3），具體取決于航行過(guò)程中船舶的速度，以及每3分鐘在錨定和靜止的船舶上的位置報(bào)告，每6分鐘發(fā)送一次消息5，更多詳細(xì)信息請(qǐng)參見(jiàn)IALA Technical Clarifications on Recommendation ITU-R M.1371-1的第2.3部分。消息6用于符合內(nèi)河未加密結(jié)構(gòu)化擴(kuò)展消息系統(tǒng)。消息8通常用于私有加密消息，例如軍事演習(xí)中的位置傳輸。消息12、14用于文本消息，名義上與安全有關(guān)，但也用于流量控制和偶爾的聊天用途。對(duì)于商船而言，實(shí)際中，很少見(jiàn)到除了1、3、4、5、18和24以外的消息，許多AIS發(fā)射器從不發(fā)射它們。

以消息1、2和3為例，為共享導(dǎo)航信息的公共報(bào)告結(jié)構(gòu)，被稱為通用導(dǎo)航橫塊， 總共168位，占用一個(gè)AIVDM語(yǔ)句。其具體格式如下：

類型一列中，各字母代表：u(無(wú)符號(hào)整型)，U(無(wú)符號(hào)整型，顯示成浮點(diǎn)型)，i(有符號(hào)整型)，I(有符號(hào)整型，顯示成浮點(diǎn)型)，b(布爾型)，e(枚舉型)，x(為空或保留位)，t(六位碼代表的字符串)，d(二進(jìn)制數(shù)據(jù))，a(數(shù)組類型，‘^’前代表數(shù)組的長(zhǎng)度)。

例2：177KQJ5000G?tO`K>RA1wUbN0TKH

在解碼AIS數(shù)據(jù)中，需要將ASCII碼轉(zhuǎn)化成6位碼，然后大量對(duì)二進(jìn)制位進(jìn)行操作。因此新建擴(kuò)展類BitArrayExt，添加如下方法：

    public static class BitArrayExt
    {
        //獲取無(wú)符號(hào)整型值
        public static uint GetUInt(this BitArray bits, int offset, int bitCnt)
        {
            uint res = 0;
            for (int i = 0; i < bitCnt; i++)
            {
                if (bits[offset + i])
                {
                    res += (uint)1 << (bitCnt - 1 - i);
                }
            }

            return res;
        }

        //獲取有符號(hào)整型值
        public static int GetInt(this BitArray bits, int offset, int bitCnt)
        {
            var res = (int)GetUInt(bits, offset, bitCnt);
            int msb = 1 << (bitCnt - 1);
            bool isNegative = (res & msb) != 0;

            if (isNegative)
            {
                const int allOnesExceptLsb = -2;
                int signBits = allOnesExceptLsb << (bitCnt - 1);
                res |= signBits;
            }

            return res;
        }

        //獲取布爾值
        public static bool GetBit(this BitArray bits, int offset)
        {
            return bits[offset];
        }

        //獲取6位碼對(duì)應(yīng)的字符串
        public static string GetString(this BitArray bits, int offset, int bitCnt)
        {
            var res = "";
            var cnt = 0;
            while (cnt < bitCnt)
            {
                var c = (byte)GetUInt(bits, offset, 6);
                if (c < 32) c = (byte)(c + 64);

                //@ 跳過(guò)
                if(c != 64) res += (char) c;

                cnt += 6;
                offset += 6;
            }
            
            return res;
        }

        public static BitArray GetData(this BitArray bits, int offset, int bitCnt)
        {
            var len = bitCnt;
            if (bitCnt + offset < bits.Length) len = bits.Length - offset;
            
            var res = new BitArray(len);
            for (int i = 0; i < len; i++)
            {
                res[i] = bits[offset + i];
            }

            return res;
        }
    }

新建靜態(tài)類AISParser，根據(jù)不同消息類型，根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解碼，解碼結(jié)果以鍵值對(duì)的形式封裝進(jìn)哈希表中：

    public static class AISParser
    {
        //當(dāng)報(bào)文存在拆分時(shí)，存儲(chǔ)上一拆分報(bào)文的信息。當(dāng)報(bào)文全部收集齊時(shí)，需清除。
        private static Dictionary<string, string> sequenceDic = new Dictionary<string, string>();
        
        public static Hashtable ParseSentence(string sentence)
        {
            int fragmentCount;               //字段2 拆分總數(shù)
            int fragmentNo;                  //字段3 拆分序號(hào)
            string multiSequenceMessageId;   //字段4 報(bào)文序列標(biāo)識(shí)
            char? channelCode;               //字段5 頻道代碼
            BitArray payload;                //字段6 數(shù)據(jù)負(fù)載
            int bitCount;                    //負(fù)載長(zhǎng)度
            int padding;                     //字段7 填充位數(shù)
        
            var ss = sentence.Split(','); 
            fragmentCount = int.Parse(ss[1]);
            fragmentNo = int.Parse(ss[2]);
            multiSequenceMessageId = ss[3];
            channelCode = ss[4].Length > 0 ? ss[4][0] : default(char?);
            var payloadAscii = ss[5];
            padding = int.Parse(ss[6]);

            if (fragmentCount == fragmentNo) //報(bào)文已集齊
            {
                if (fragmentNo != 1) //存在分組
                {
                    if (sequenceDic.ContainsKey(multiSequenceMessageId))
                    {
                        payloadAscii = sequenceDic[multiSequenceMessageId] + payloadAscii;
                        sequenceDic.Remove(multiSequenceMessageId);
                    }
                    else
                    {
                        throw new Exception($"{multiSequenceMessageId}:{fragmentNo}/{fragmentCount} 數(shù)據(jù)缺失");
                    }
                }

                //開(kāi)始解析
                if (!string.IsNullOrEmpty(payloadAscii))
                {
                    bitCount = payloadAscii.Length * 6 - padding;
                    payload = new BitArray(bitCount);
            
                    for (int i = 0; i < payloadAscii.Length; i++)
                    {
                        //將Ais的Ascii碼轉(zhuǎn)化成6位碼
                        var c = (byte)payloadAscii[i];
                        c -= 48;
                        if (c > 40) c -= 8;

                        //將6位碼存儲(chǔ)到BitArray中
                        for (int j = 0; j < 6; j++)
                        {
                            if(i * 6 + j < bitCount) payload[i * 6 + j] = (c >> (5-j)) % 2 == 1;
                        }
                    }

            
                    //獲取消息類型
                    var messageId = payload.GetUInt(0, 6);
                    switch (messageId)
                    {
                        case 1:
                            return AisMessage_1(payload);
                        ... //其他消息類型的解碼
                        default:
                            throw new Exception($"暫不支持解析AIS消息類型[{messageId}]");
                    }
                    
                }
            }
            else //存在報(bào)文拆分
            {
                if (fragmentNo == 1) //分組中的第一條
                {
                    if (sequenceDic.ContainsKey(multiSequenceMessageId))
                    {
                        sequenceDic.Remove(multiSequenceMessageId);
                    }
                    
                    sequenceDic.Add(multiSequenceMessageId, payloadAscii);
                }
                else
                {
                    if (sequenceDic.ContainsKey(multiSequenceMessageId))
                    {
                        sequenceDic[multiSequenceMessageId] += payloadAscii;
                    }
                    else
                    {
                        throw new Exception($"{multiSequenceMessageId}:{fragmentNo}/{fragmentCount} 數(shù)據(jù)缺失");
                    }
                }
            }

            return null;
        }

        private static Hashtable AisMessage_1(BitArray bits)
        {
            var rot = bits.GetInt(42, 8);
            var hdg = bits.GetUInt(128, 9);
            var lon = bits.GetInt(61, 28);
            var lat = bits.GetInt(89, 27);
            var cog = bits.GetUInt(116, 12);
            
            var res = new Hashtable
            {
                {"MessageType", bits.GetUInt(0, 6)},
                {"RepeatIndicator", bits.GetUInt(6, 2)},
                {"MMSI", bits.GetUInt(8, 30)},
                {"NavigationalStatus", bits.GetUInt(38, 4)},
                {"RateOfTurn", rot == 128 ? default(double?) : Math.Pow(rot/4.733, 2)},
                {"SpeedOverGround", bits.GetUInt(50, 10)/10.0},
                {"PositionAccuracy", bits.GetBit(60)},
                {"Longitude", lon == 0x6791AC0 ? default(double?) : lon/600000.0},
                {"Latitude", lat == 0x3412140 ? default(double?) : lat/600000.0},
                {"CourseOverGround", cog == 0xE10 ? default(double?) : cog/10.0},
                {"TrueHeading", hdg == 511 ? default(uint?) : hdg},
                {"TimeStamp", bits.GetUInt(137, 6)},
                {"ManeuverIndicator", bits.GetUInt(143, 2)},
                {"Spare", bits.GetUInt(145, 3)},
                {"RAIMFlag", bits.GetBit(148)},
                {"SyncState", bits.GetUInt(149, 2)},
                {"SlotTimeOut", bits.GetUInt(151, 3)},
                {"SubMessage", bits.GetUInt(154, 14)},
            };
            return res;
        }

        ....  //其他消息類型的解碼
    }