基于GPS的船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于GPS的船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)華南理工大學(xué) 鄭志恒摘要：為減小海上船舶海損事故的發(fā)生，提高船舶監(jiān)管能力，同時(shí)為了更好地對海上運(yùn)輸進(jìn)行監(jiān)督管理、提高遇險(xiǎn)救助能力，建立高效的水上交通管理系統(tǒng)，在GPS及相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。關(guān)鍵詞：GPS 船舶定位1 目前主要的船舶管理技術(shù)目前我國對海上船舶的管理主要通過沿岸各港口的船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)。VTS是負(fù)責(zé)增進(jìn)交通安全和提高交通效率以及保護(hù)環(huán)境的主管部門所實(shí)施的服務(wù)系統(tǒng)。其功能有數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)評估、信息服務(wù)、航行協(xié)助服務(wù)、交通組織服務(wù)、支持聯(lián)合行動(dòng)。1.1 VTS的系統(tǒng)組成VTS由信息獲取、信息傳輸、信息處理三大部分組成。

2、雷達(dá)設(shè)備是VTS中的信息獲取設(shè)備，其作用是對水域目標(biāo)采集與監(jiān)視導(dǎo)航。通信設(shè)備是將雷達(dá)站采集到的信息傳送至VTS控制中心；將VTS控制中心發(fā)出的對系統(tǒng)的控制信號送到各雷達(dá)站，建立VTS控制中心與船舶間的信息交換。數(shù)據(jù)處理設(shè)備將對各雷達(dá)站的雷達(dá)信息進(jìn)行綜合處理顯示；對監(jiān)視區(qū)域內(nèi)航道，錨地的船舶與航標(biāo)的動(dòng)靜態(tài)信息處理與評估、預(yù)測潛在危險(xiǎn)并報(bào)警；記錄信息收集和信息服務(wù)的情況。1.2 VTS存在的不足由于目前的VTS主要利用雷達(dá)作為技術(shù)手段，而雷達(dá)存在著觀測性能的局限性，使得所提供的目標(biāo)位置精度及分辨率不高，目標(biāo)特征參數(shù)少，不易識別，以至造成目標(biāo)的誤、漏跟蹤，目標(biāo)丟失及動(dòng)態(tài)監(jiān)測精度不高；特別是在目標(biāo)密集

3、、機(jī)動(dòng)性大或海浪、雨雪干擾雜波大時(shí)更為嚴(yán)重，制約系統(tǒng)的整體性能。同時(shí),目前我國各地的VTS中心，覆蓋范圍小，基本上還處于相互獨(dú)立、分散管理，只能監(jiān)測到本水域范圍內(nèi)的船舶航行狀況，而對于相鄰水域或其它水域有關(guān)的船舶航行狀況尚不能很好地了解。因此，尋求一種更可靠的船舶檢測定位技術(shù)去支持VTS是很有必要的。2 GPS及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)2.1 GPS概述是由美國研制的導(dǎo)航、授時(shí)和定位系統(tǒng)。它由空中衛(wèi)星、地面跟蹤監(jiān)測站、地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)注入站、地面數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)等部分組成。用戶只需購買GPS接收機(jī)，就可享受免費(fèi)的導(dǎo)航、授時(shí)和定位服務(wù)。2.2 GPS的優(yōu)點(diǎn)(1)全球地面連續(xù)覆蓋。由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多，且

4、分布合理，所以地球上任何地點(diǎn)均可同時(shí)觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候連續(xù)地三維定位。(2)功能多、精度高。GPS可為多類用戶連續(xù)提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。GPS提供兩種服務(wù)：標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）定位精度為25米左右和精密定位服務(wù)（PPS）定位精度為10米左右。(3)實(shí)時(shí)定位。利用GPS可以實(shí)時(shí)地確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維位置和速度，由此既可以保障運(yùn)動(dòng)載體沿預(yù)定航線運(yùn)行，也可以實(shí)時(shí)地監(jiān)視和修正航行路線，并可以選擇最佳航線。3 基于GPS的船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)方案船載終端接收GPS衛(wèi)星每秒鐘發(fā)來的定位數(shù)據(jù)，并根據(jù)來自三顆以上不同衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)計(jì)算自身所處的位置坐標(biāo)，將該位置連同船

5、舶的狀態(tài)、報(bào)警器和傳感器輸入等信息發(fā)送到監(jiān)控指揮中心，經(jīng)過監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)處理后，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的電子地圖進(jìn)行匹配，并在地圖上顯示坐標(biāo)的正確位置。指揮控制中心可清楚及時(shí)掌握船舶的動(dòng)態(tài)信息（位置、速度、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)和分析等），同時(shí)中心也可以對船舶進(jìn)行指揮調(diào)度（語音通話、發(fā)送交通和調(diào)度信息、救援和違章警告等）。在遇到緊急情況時(shí)，可以通過船載終端，采用手動(dòng)或自動(dòng)報(bào)警，將船舶所在位置、報(bào)警類型等數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，將船舶精確位置顯示在電子地圖上，并向海事、救助等機(jī)構(gòu)報(bào)告，以實(shí)施緊急救援。3.1 GPS船載終端GPS船載終端的主要功能是通過GPS模塊接收GPS衛(wèi)星定位信號，中央處理單元對定位

6、信號進(jìn)行計(jì)算處理得到位置信息(經(jīng)緯度、速度、方位角、時(shí)標(biāo))，再由通信模塊將信息發(fā)至監(jiān)控服務(wù)器。中央處理單元也可以通過通信模塊接收來自監(jiān)控中心的指令，從而完成其他的一些功能，例如通過其他功能模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警、通話等。中央處理單元GPS模塊移動(dòng)通信模塊其他功能模塊無線網(wǎng)卡圖1 船載終端結(jié)構(gòu)示意圖船載終端的功能及工作流程：(1)登錄和注銷。船只出航時(shí)必須向監(jiān)控中心登錄，歸航時(shí)向監(jiān)控中心注銷。(2)監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí)，監(jiān)控中心對船只實(shí)施監(jiān)控。·與規(guī)定的行駛路線誤差超過了允許的范圍；·船只在行駛過程中停留時(shí)間超過了監(jiān)控中心允許的時(shí)間；·監(jiān)控中心較長時(shí)間無法接收到船只的信號；

7、·監(jiān)控中心收到求助信號。(3)緊急報(bào)警功能。遇到緊急情況時(shí)，通過船載終端向監(jiān)控中心報(bào)警。(4)行駛記錄功能。按照預(yù)定的時(shí)間間隔，定時(shí)記錄船只運(yùn)行情況，包括時(shí)間、經(jīng)緯度、速度、方向、水位等。(5)導(dǎo)航功能。配備了導(dǎo)航軟件和電子地圖的船載終端可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。(6)數(shù)據(jù)管理·對用戶信息數(shù)據(jù)的管理；·對船舶信息數(shù)據(jù)的管理；·對短消息或其他信息數(shù)據(jù)的管理。3.2 通信子系統(tǒng)通信子系統(tǒng)是系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳遞的樞紐，負(fù)責(zé)用戶終端采集數(shù)據(jù)的上傳和系統(tǒng)調(diào)度控制命令的下達(dá)，它由短消息通訊網(wǎng)關(guān)或GPRS網(wǎng)關(guān)配合移動(dòng)通訊運(yùn)營商或其它通訊服務(wù)商的短消息服務(wù)中心設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞、信

8、息緩存、協(xié)議和代碼轉(zhuǎn)換等功能。通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：·與用戶終端的接口；·與移動(dòng)通信服務(wù)運(yùn)營商的接口；·與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫的接口；·與其它應(yīng)用的接口。3.3 監(jiān)控中心監(jiān)控中心硬件部分主要由通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、監(jiān)管應(yīng)用服務(wù)器、WebGIS服務(wù)器、Internet專線接入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。監(jiān)控中心軟件部分主要由GIS模塊、應(yīng)用程序模塊和通信模塊構(gòu)成。GIS核心模塊的主要功能包括: 數(shù)據(jù)輸入和編輯功能、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和集成、基本GIS功能、完整的數(shù)據(jù)查詢和顯示工具、地理數(shù)據(jù)管理用戶界面，系統(tǒng)二次開發(fā)接口、提供地圖制作的數(shù)據(jù)輸出，報(bào)表生成及制作高精度的地圖功

9、能。通信模塊主要采用Windows網(wǎng)絡(luò)編程來實(shí)現(xiàn)，聯(lián)接到監(jiān)控服務(wù)器，由監(jiān)控服務(wù)器來轉(zhuǎn)發(fā)各種指令。應(yīng)用程序模塊可以包括監(jiān)督系統(tǒng)、報(bào)警處理系統(tǒng)、GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。監(jiān)控中心的主要功能包括：(1)定位功能。通過通信模塊查詢監(jiān)控服務(wù)器上面的位置信息數(shù)據(jù)庫，能夠得到船的實(shí)時(shí)位置，并且通過GIS模塊在電子地圖上顯示，這樣就可以方便一些相關(guān)的單位或職能部門進(jìn)行一些基本的監(jiān)控和調(diào)度等工作。(2)傳播查詢功能。提供基于矢量圖單目標(biāo)查詢、分組列表查詢、邏輯條件查詢等功能。(3)指揮調(diào)度。通過通信系統(tǒng)向船只發(fā)出指揮調(diào)度信號。(4)緊急救援功能。當(dāng)接受到船載終端發(fā)來的報(bào)警信號后，監(jiān)控中心及時(shí)發(fā)送指揮調(diào)度指令，并通知

10、海事救助部門和救援部門，實(shí)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)行動(dòng)。(5)預(yù)警功能。通過所得到船只位置信息，判斷船只行駛的水域是否安全,判斷船只之間的距離是否在安全范圍以內(nèi)，從而能夠在船舶出現(xiàn)危險(xiǎn)的時(shí)候，及時(shí)通知相關(guān)人員，調(diào)整船舶的行駛狀況。(6)到港預(yù)報(bào)。通過所得到船只位置信息，計(jì)算船只當(dāng)前位置與將到港距離，預(yù)測到達(dá)時(shí)間，并發(fā)送相關(guān)信息到港口碼頭。(7)其他功能。船只行駛軌跡記錄、船況監(jiān)聽、系統(tǒng)管理等。3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)(1)定位精度高。GPS船舶定位系統(tǒng)采用單GPS模塊的方式，其定位精度小于15米。為了滿足某些其他用戶高精度定位的需求，則可以采用差分GPS的方式，根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式可以將差分GPS定位

11、分為3類:位置差分、偽距差分和相位差分。這3種差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準(zhǔn)站發(fā)送修正值，由用戶接收并對其測量結(jié)果進(jìn)行修正，以獲得精確的定位結(jié)果。不同的是發(fā)送修正值的具體內(nèi)容不一樣，其差分精度也不同。其中偽距差分是將移動(dòng)臺的GPS數(shù)據(jù)及差分基準(zhǔn)站的GPS數(shù)據(jù)同時(shí)送到中心進(jìn)行二次差分來抵消公共誤差部分，以提高其定位精度。(2)覆蓋范圍廣。GPS船舶定位系統(tǒng)只要在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方均可監(jiān)控，從而可以實(shí)現(xiàn)跨省甚至全國的監(jiān)控。利用先進(jìn)的衛(wèi)星通信手段和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)船舶監(jiān)管機(jī)構(gòu)與船舶間遠(yuǎn)距離方便快速的信息交換，擴(kuò)大海事部門對海上航行船舶的監(jiān)控管理范圍，提高船舶監(jiān)管水平和船舶安全航行能力。(3)信息容量大，交互更及時(shí)便捷。利用衛(wèi)星通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，建立基于同步定位衛(wèi)星通信系統(tǒng)船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶靜、動(dòng)態(tài)信息資源共享及船舶監(jiān)管機(jī)構(gòu)與船舶之間方便快捷的信息交流，從而有利于加強(qiáng)船舶的監(jiān)控管理與指揮調(diào)度力度，有效地提高船舶營運(yùn)效益。4 結(jié)語該系統(tǒng)定位是一個(gè)基于現(xiàn)代衛(wèi)星定位和無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的、開放的、面向多用戶、多種應(yīng)用的水上安全動(dòng)態(tài)監(jiān)控及預(yù)警綜合服務(wù)平臺，是針對水上安全管理的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，利用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)等高新技術(shù)建立的船舶定位監(jiān)控平臺。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)防撞預(yù)警、船岸及船只之間的信息快速傳遞，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防范、快速救援及