📚 课程目录第3章 AIS原始报文解析与航迹字段提取

3. AIS原始报文解析与航迹字段提取

AIS航迹数据的源头是一串串以“!”或“$”开头的ASCII文本，即NMEA 0183语句。无论后续做轨迹可视化、船舶行为分析还是碰撞风险识别，第一步都必须把这些“看起来像乱码”的报文还原为可计算的经纬度、航速、航向和时间戳。本节围绕语句结构、报文类型解码、字段含义与校验四个层面展开，目标是让读者能够独立完成从原始报文到航迹字段的提取。

NMEA 0183语句结构：先拆封装，再谈内容

AIS常用的封装语句有四种：!AIVDM（其他船发来的AIS数据）、!AIVDO（本船自身数据）、!AIVDM的多片段形式以及基站转发形式。一条典型语句如下：

!AIVDM,1,1,,A,15Muq?P0000G?t@E>4p@0?vN0<0u,0*5C

按逗号切分后各字段含义为：语句标识AIVDM；片段总数1；当前片段序号1；多片段消息ID（此处为空）；AIS信道A；有效载荷15Muq?P...；填充位数0；校验和5C。其中有效载荷是6位ASCII编码的二进制串，填充位数表示末尾补了几个无效比特，校验和是“$”与“*”之间所有字符的异或值。解析前必须先做校验和验证，再按填充位截断，否则后续位偏移会整体错位。

多片段报文（片段总数大于1）需要先按消息ID缓存并拼接，再统一解码；单片段直接解码即可。拼接时注意保持片段顺序，不能按到达顺序简单追加。

报文类型1/2/3/5/18/19/24的解码方法

AIS报文类型由有效载荷的前6位（bit 0–5）给出。类型1/2/3为A类船舶的动态信息，结构相同，仅消息类型值不同；类型5为A类船舶的静态与航次信息；类型18为B类船舶动态信息；类型19为B类船舶静态与动态合并信息；类型24为B类船舶静态信息（分A、B两部分）。解码的核心是“按位取值”：把6位ASCII载荷还原为二进制串后，依据各类型的位定义表逐字段截取。

以类型1为例，关键字段的位偏移为：消息类型bit 0–5；MMSI bit 8–37；航行状态bit 38–41；转向率bit 42–49；对地航速bit 50–59；位置精度bit 60；经度bit 61–88；纬度bit 89–115；对地航向bit 116–127；时间戳bit 128–136。经度和纬度均为1/10000分的有符号整数，需除以600000转换为度；航速单位为0.1节，除以10；航向单位为0.1度，除以10。类型18的字段顺序与类型1不同，例如航速位于bit 46–55，经度位于bit 57–84，纬度位于bit 85–112，解码时必须使用对应类型的位表，不能混用。

类型5的载荷较长（通常为2个片段），包含船名、呼号、船型、尺寸、目的地和ETA等静态字段。船名位于bit 112–231，共20个6位字符，需按AIS 6位字符表映射为可读文本；尺寸字段分为船首到参考点、船尾到参考点、左舷和右舷四个值，单位均为米。类型24分为Part A（船名）和Part B（船型、尺寸、呼号），解析时需根据Part Number字段区分，并将同一MMSI的两部分合并。

动态信息与静态信息字段含义

动态信息描述船舶“此刻在哪里、怎么走”，更新频率高（A类船在航行时约2–10秒一次），是航迹重建的主体。核心字段包括：MMSI（海上移动通信业务标识，9位数字，前三位为MID国家码）、经度、纬度、对地航速（SOG）、对地航向（COG）、真航向（HDG）、航行状态（如“在航”“锚泊”“受限操纵”）、转向率（ROT）和时间戳。需要特别注意“不可用”约定：经度181°、纬度91°、航速1023、航向3600、时间戳60均表示该字段无效，解析后应置为空值而非直接参与计算。

静态信息描述船舶“是谁、长什么样”，更新频率低（通常6分钟一次），包括船名、呼号、IMO编号、船型、尺寸、目的地和ETA。静态字段用于给航迹点“贴标签”，例如按船型筛选货船与渔船，或按尺寸估算船舶占位。类型19将静态与动态合并在一条报文中，适合B类船舶；类型24则把静态信息拆成两部分，解析时需按MMSI缓存合并，否则会出现“有船名无尺寸”的残缺记录。

解析实战与字段校验

下面给出一段Python示例，演示从单条类型1报文到航迹字段的完整提取过程（示例参数，非实测）：

import binascii

def sixbit_to_bin(payload):
    bits = ""
    for ch in payload:
        v = ord(ch) - 48
        if v > 40:
            v -= 8
        bits += format(v, "06b")
    return bits

def decode_type1(payload, fill):
    bits = sixbit_to_bin(payload)[:len(sixbit_to_bin(payload)) - fill]
    mmsi = int(bits[8:38], 2)
    sog = int(bits[50:60], 2) / 10.0
    lon = int(bits[61:89], 2)
    lat = int(bits[89:116], 2)
    if lon & (1 << 27): lon -= (1 << 28)
    if lat & (1 << 26): lat -= (1 << 27)
    lon /= 600000.0
    lat /= 600000.0
    cog = int(bits[116:128], 2) / 10.0
    ts = int(bits[128:137], 2)
    return {"mmsi": mmsi, "sog": sog, "lon": lon, "lat": lat, "cog": cog, "ts": ts}

print(decode_type1("15Muq?P0000G?t@E>4p@0?vN0<0u", 0))

校验环节建议至少做四类检查：其一，校验和比对，不一致的语句直接丢弃；其二，范围检查，经度超出±180、纬度超出±90即判为异常；其三，不可用值检查，航速1023、航向3600、时间戳60应转为空值；其四，连续性检查，同一MMSI相邻两点的距离与时间差若推算出不合理速度（例如超过60节），应标记为跳点。经过这四步，写入航迹表的每条记录才具备可用性。

类型1/2/3与类型18的位偏移不同，切勿用同一套偏移量解码所有动态报文；类型5和类型24的文本字段需按AIS 6位字符表映射，直接按ASCII处理会得到乱码。

完成上述解析与校验后，每条航迹记录应至少包含：MMSI、UTC时间、经度、纬度、SOG、COG、船名、船型、数据来源类型。这张结构化的航迹表，才是后续轨迹聚类、航速分布统计和异常行为识别可以直接使用的输入。