基于雷達的近海船舶分布式監(jiān)控系統(tǒng)

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(1.大連海事大學航海學院，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學 計算機科學與技術學院，遼寧 大連 116026)

實現(xiàn)船岸之間的數(shù)據(jù)交換和通信是船舶監(jiān)控系統(tǒng)首要解決的問題。

小型船舶(如漁船)的通信、導航設備落后，已有的方法[1-3]都難以實現(xiàn)對其實時監(jiān)控。因此考慮將ECDIS與嵌入式雷達相結合，構建近海船舶分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)由若干個固定在近海沿岸的雷達監(jiān)控站和一個中心監(jiān)控系統(tǒng)組成。雷達監(jiān)控站采用1臺嵌入式雷達構成，將雷達圖像存儲、壓縮后，利用CDMA/GPRS通信技術向中心發(fā)送雷達圖像，并接收中心發(fā)來的調度和控制命令。

中心監(jiān)控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心和通信控制中心，以電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(electronic chart display and information system，ECDIS)為基礎平臺，通過Internet網絡技術，接收雷達監(jiān)控站發(fā)來的雷達圖像，解壓后疊加在電子海圖上。然后實現(xiàn)對目標回波的定位；在電子海圖上劃定報警線，對越過報警線的目標回波進行報警；向雷達監(jiān)控站發(fā)送指令，實現(xiàn)遠程遙控。

雷達站監(jiān)控平臺通過CDMA/GPRS移動電話網接入Internet，中心監(jiān)控系統(tǒng)通過ADSL接入Internet，中心監(jiān)控系統(tǒng)和雷達站組成基于Internet的網絡結構。這樣，利用Internet網絡技術、CDMA/GPRS通信技術、雷達技術和電子海圖技術，建立了近海船舶分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

2 中心監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

中心監(jiān)控系統(tǒng)的基礎平臺是一個符合國際標準的電子海圖顯示與信息系統(tǒng)，該平臺對符合IHO S—57國際標準[4]的電子海圖實現(xiàn)即插即用，海圖顯示性能符合IHO S—52規(guī)范[5]。依據(jù)S—52表示庫開發(fā)的系統(tǒng)具有海圖顯示與控制(包括放大、縮小、漫游和信息分層、多幅海圖的無縫拼接、雷達圖象疊加)、臨時標繪(包括點、線、圓形、多邊形、文字等)等功能，并可實現(xiàn)航行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信[6](連接ARPA/雷達、AIS/GPS、CDMA/GPRS等通信導航設備)、航行安全報警、海圖計算與測量、航線設計、避碰決策支持(DCPA/BCPA/TCPA計算)、臺風和潮汐信息、海上地理信息查詢、海圖改正等功能，系統(tǒng)功能見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能框

依據(jù)IHO S—57國際標準，將海圖改正信息(包括碼頭、航道、錨地、水深、助航標志、礙航物等物標的變更信息等)制成標準的“海圖改正數(shù)據(jù)集”；中心指揮系統(tǒng)還可依據(jù)《航海通告》對電子海圖進行改正，以使系統(tǒng)使用的電子海圖保持最新。

中心監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了雷達視頻圖像與電子海圖在不同雷達量程、不同顯示比例尺、不同顯示模式情況下的坐標匹配和同步[7]。雷達監(jiān)控站將雷達圖像按一定的周期通過CDMA/GPRS通訊模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。中心監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視到有船舶進入報警區(qū)時，自動以聲、形、文字等方式報警，同時持續(xù)跟蹤并記錄時間和圖像。

監(jiān)控中心采用FTP協(xié)議向雷達監(jiān)控站發(fā)送指令文件，每個雷達監(jiān)控站以其主控計算機的IP作為唯一標識。指令包括2種類型：雷達操作指令和文件發(fā)送頻率指令，用于控制雷達(如改變量程等)和改變文件發(fā)送頻率。

3 嵌入式雷達控制器件設計

雷達監(jiān)控站選用的是日本KODEN公司生產的型號為MD-3641/3642雷達，設計開發(fā)的嵌入式雷達控制單元采用美國ATMEL公司生產的高檔8位單片機AT89C4051作為CPU，硬件開發(fā)平臺為ETX(embedded technology extended)嵌入式PC[8]。

雷達控制器是遙控雷達的主要組成部分，功能是根據(jù)約定或數(shù)據(jù)處理計算機送來的指令給雷達各受控分系統(tǒng)傳送各種控制碼，配合定時器協(xié)調雷達各分系統(tǒng)同步工作；自動控制雷達系統(tǒng)各工作方式之間的快速轉換；實現(xiàn)雷達系統(tǒng)監(jiān)測(分系統(tǒng)BITE監(jiān)測)；產生隨機跳頻功能；產生模擬信號。

圖2是以ETX嵌入式PC構成的雷達控制器邏輯框圖，由于大量采用數(shù)字信號處理器(digital signal processing，DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)進行模塊設計，實際的雷達控制器是一個以ETX嵌入式PC為核心的分布式處理系統(tǒng)。

圖2 嵌入式雷達控制器邏輯框

3.1 模塊功能

1) ETX嵌入式PC。雷達控制器的核心部件，實時處理各種輸入輸出的信號，根據(jù)雷達系統(tǒng)的要求，把各種指令通過指令分配送給各受控分系統(tǒng)，使處理信息的速度、容量、靈活性有了很大的提高，也使雷達控制器的性能得到了提升。

2) 接收控制器。接收定時、反干擾、伺服、和數(shù)據(jù)處理計算機等分系統(tǒng)送來的各種信號，經排序，送到ETX嵌入式PC和指令分配器中進行處理。

3) 指令分配器。接收ETX嵌入式PC和接收控制器送來的各種信息，并按照一定的時序把各種宏指令和狀態(tài)指令發(fā)送到各受控分系統(tǒng)。

4) 目標檢測器。用于分調狀態(tài)下，給接收機提供若干條固定波位的航跡，用于調試和檢查接收機、信號處理、目標提取、計算機及軟件。

5) 全機監(jiān)測。對雷達中各分系統(tǒng)的故障信息進行分析、匯總并送顯示器顯示，讓監(jiān)控中心的操作員及時了解雷達工作狀態(tài)及故障情況；對接收分系統(tǒng)傳送的故障信息必須實時采集(每個波位進行一次)，把信息及時送到ETX嵌入式PC，通過分析進行接收通道的切換。

6) 圖像壓縮、發(fā)送。雷達圖象經壓縮后，由網絡發(fā)送模塊發(fā)往監(jiān)控中心。

根據(jù)雷達控制器功能需求，加進了網絡處理和文件處理功能。分別設計了4個任務：初始化任務、指令重組分發(fā)任務、網絡接收任務、數(shù)據(jù)轉存任務。采用輪循(round-robin)任務調度機制，任務之間、任務和中斷間同步使用二進制信號燈，任務間通訊采用共享存儲區(qū)方式，存儲區(qū)的設計采用“乒乓”緩沖數(shù)據(jù)結構[9]。

3.2 軟件主要功能

1) 通過網絡接收來自數(shù)據(jù)處理計算機送來的控制命令。

2) 響應定時中斷，按照波位和區(qū)域及時對控制命令進行處理并將宏指令分發(fā)給各受控分系統(tǒng)。

3) 響應正北中斷進行記數(shù)，在約定狀態(tài)下，記到一定數(shù)時進行通道修正。

3.3 雷達控制軟件模塊

雷達控制軟件模塊的劃分主要考慮模塊的通用性、移植性和可擴充性。根據(jù)具體情況，將模塊劃分為網絡通信模塊、指令處理模塊2類。

1) 網絡通信模塊的功能。綁定網卡，初始化發(fā)送方和接收方，及時接收由數(shù)據(jù)處理計算機送來的各種控制命令，數(shù)據(jù)包長度為不超過1.5 kb。

2) 指令處理模塊的功能：響應定時中斷，在指定的時間內，按照波位號和區(qū)域號將控制命令，組織成給雷達各受控分系統(tǒng)的宏指令，通過寫并口送到相應的硬件端口。

中斷和任務間的通訊采用二進制信號燈。對網絡的編程在傳輸層上進行，網絡協(xié)議采用UDP/IP協(xié)議，用C語言編程，圖3是嵌入式軟件流程圖。

圖3 嵌入式軟件流程圖

4 實例

系統(tǒng)應用于遼東灣海漁船監(jiān)控。在遼東灣西起小塢漁港、東至將軍石等地建立9個雷達監(jiān)控站，在營口設立指揮中心。圖4是中心監(jiān)控系統(tǒng)主界面。圖5是西河口雷達監(jiān)控站發(fā)來的3 n mile量程雷達與電子海圖疊加后的圖像，中心監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有漁船越過報警線進行報警，圖中亮白色標繪的是漁船回波的邊緣。

圖4 中心監(jiān)控系統(tǒng)主界

圖5 系統(tǒng)報警界面

5 結束語

將ECDIS和雷達相結合應用于導航領域外的近海船舶監(jiān)控，通過通用網絡平臺(Internet)傳輸圖像、文字信息和指令，建立了近海船舶分布式監(jiān)控系統(tǒng)。通過部署多個雷達監(jiān)控站，解決了近海小型船舶難于監(jiān)控的問題。

以嵌入式芯片為核心構成遠程遙控雷達，除完成雷達的基本功能外，通過接收遠程控制指令，擴展了雷達遠程監(jiān)控能力。下一步研究的重點是繼續(xù)完善嵌入式雷達軟硬件功能，擬采用16位或32位的微處理器來提高性能。

[1] 李順亮,張均東.基于Inmarsat-Fleet77的船岸綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].船海工程,2006,35(1):67-69.

[2] 曹 輝,張均東.視頻技術在船舶領域中的研究與應用[J].船海工程,2007,36(3):122-124.

[3] 劉傳潤,張來保.珠江口水域AIS基站的設計[J].大連海事大學學報,2007,33(1):64-66.

[4] IHO S-57 IHO Transfer Standard for Digital Hydrographic Data Edition 3.1[S].International Hydrographic Bureau MONACO, 2000.

[5] IHO S-52 IHO Specifications for Chart Content and Display Aspects of ECDIS Edition 5.0[S].International Hydrographic Bureau MONACO, 1996.

[6] 趙麗寧,郝江凌.電子海圖導航系統(tǒng)多設備接口動態(tài)鏈接庫的開發(fā)[J].大連海事大學學報,2003,29(4):18-20.

[7] 周 莉,華承相.雷達圖像與電子海圖的實時匹配算法[J].中國航海, 2006(4):55-56.

[8] 張曉平.基于嵌入式系統(tǒng)的雷達控制器[J].現(xiàn)代雷達, 2004(4):58-59.

[9] 費利那 A,斯塔德F A.雷達數(shù)據(jù)處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1992.