GPS船用導航儀的研制與應(yīng)用

樓然苗，李光飛，陳庭勛

(浙江海洋學院公共實驗中心、網(wǎng)絡(luò)中心，浙江舟山 316000)

當前，電子海圖、GPS、聲納等導航器在船舶航行中得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了船舶導航技術(shù)及航船的安全性[1]。常用的導航系統(tǒng)主要分PC機系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)2種。PC機船舶導航系統(tǒng)采用基于Windows的GIS軟件(如MapInfo、MapGIS)設(shè)計，具有系統(tǒng)功能豐富、響應(yīng)速度快、人機交互界面友好等特點，但成本較高，系統(tǒng)集成度差，不適合作為專業(yè)系統(tǒng)使用；嵌入式導航系統(tǒng)分為8位機和32位機，其中8位單片機應(yīng)用系統(tǒng)由于處理器運算能力較弱，資源有限，而且在圖形用戶界面中實現(xiàn)較為困難，近年來已被淘汰，而32位處理器組成的嵌入式系統(tǒng)，由于系統(tǒng)集成度高、硬件成本較低并且運算性能優(yōu)異，目前得到較多應(yīng)用[2]。國產(chǎn)GPS船用導航系統(tǒng)綜合了GPS和電子海圖等功能，使用了32位嵌入式處理器，系統(tǒng)從GPS系統(tǒng)實時獲取船舶位置(包括經(jīng)緯度與時間等)和航行信息(包括船速與航向等)，在電子海圖上顯示相關(guān)導航信息，用戶通過遙控器或鍵盤操作，提供海圖漫游、海圖查詢等航行信息的查詢及管理。

1 GPS船用導航系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

圖1為GPS船用導航系統(tǒng)硬件體系構(gòu)成框架。它主要包括以下模塊：處理器、存儲器(RAM、ROM)、擴展存儲設(shè)備(Nand Flash)、I/O 設(shè)備(鍵盤及顯示設(shè)備)、標準通信接口(UART)等。

本系統(tǒng)使用華邦(winbond)公司的32位嵌入式處理器，該處理器采用嵌入式ARM9處理核，采用RISC技術(shù)，主頻為75 MHz，具有強大的處理能力，可外接鍵盤和鼠標，可直接驅(qū)動VGA顯示器。處理器中有2個標準UART通訊口，一個串口用作調(diào)試接口與PC機超級終端通訊，另一個用作與GPS接收板通訊；遙控(或聲納)采用中斷實現(xiàn)；使用2片HY57V641620HGT-H組成4 M×32 Bit的內(nèi)存空間，用于程序運行；系統(tǒng)外擴16 MB Nand Flash存儲器，用于存放海圖數(shù)據(jù)；512 KB Flash外擴空間，用于存儲操作系統(tǒng)應(yīng)用程序。

圖1 GPS船用導航系統(tǒng)硬件構(gòu)成框架Fig.1 Hardware frameword of GPS navigation system in ship

2 GPS船用導航系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

GPS船用導航系統(tǒng)，采用自主知識產(chǎn)權(quán)的控制軟件，控制功能強，不易移植，產(chǎn)品保密性能好。電子海圖先進行格式轉(zhuǎn)換，刪除冗余數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)壓縮、建立網(wǎng)絡(luò)索引后存入存儲器，在專用控制軟件上使得系統(tǒng)響應(yīng)速度大大加快。GPS船用導航系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2。自底而上包括以下三個層次：(1)硬件驅(qū)動層程序：顯示器驅(qū)動程序、遙控指令碼功能程序、Nand flash讀寫程序、MPU的初始化配置程序、串口等其它設(shè)備驅(qū)動程序；(2)文件管理系統(tǒng)層程序；(3)應(yīng)用程序/用戶層程序。

2.1 硬件驅(qū)動層程序

硬件驅(qū)動層程序主要解決與對應(yīng)的硬件設(shè)備操作時的控制及數(shù)據(jù)、地址傳送問題。在嵌入式電子海圖儀中主要有：Nand flash的讀寫驅(qū)動程序、ROM芯片的操作驅(qū)動程序、VGA設(shè)備的驅(qū)動程序、MPU初始化復位程序等。

2.2 文件管理層程序

文件管理層主要是建立嵌入式文件系統(tǒng)，以對Flash存儲器中的數(shù)據(jù)進行基于文件編號的存儲管理，同時對Flash本身的壞損單元提供有效的壞損管理機制。由于沒有通用的操作系統(tǒng)可移植，這里使用了DOS的FAT進行文件管理，因Nandflash的容量不大，系統(tǒng)用FAT16來對海圖儀中需使用的文件進行管理。

在FAT16文件管理系統(tǒng)程序的編制中，需要有掃描存儲器并標記壞存儲頁的程序，使能對Nand Flash存儲器進行格式化。在建立FAT16文件系統(tǒng)后，嵌入式應(yīng)用平臺上就可使用文件來對數(shù)據(jù)進行管理，并可以調(diào)用fopen()、fwrite()、fread()、fclose()等文件管理功能函數(shù)對數(shù)據(jù)進行訪問，大大地提高了嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理能力及數(shù)據(jù)訪問速度。

圖2 GPS船用導航系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure of GPS navigation system in ship

2.3 應(yīng)用層程序

嵌入式電子海圖儀中應(yīng)用層程序大大小小很多，主要用以實現(xiàn)不同的操作及設(shè)置功能(如系統(tǒng)在線下載程序、GPS信息的處理與顯示程序、電子海圖的顯示刷新程序及各種功能按鍵的操作程序等)。由于采用非實時操作系統(tǒng)，也不太分得清應(yīng)用程序與接口函數(shù)的界線，通常把嵌入式程序分成兩部分，即前臺程序和后臺程序。前臺程序通過中斷來處理事件，其結(jié)構(gòu)一般為無限循環(huán)；后臺程序則掌管整個嵌入式系統(tǒng)軟、硬件資源的分配、管理以及任務(wù)的調(diào)度，是一個系統(tǒng)管理調(diào)度程序。這就是通常所說的前后臺系統(tǒng)。一般情況下，后臺程序也叫任務(wù)級程序，前臺程序也叫事件處理級程序。在程序運行時，后臺程序檢查每個任務(wù)是否具備運行條件，通過一定的調(diào)度算法來完成相應(yīng)的操作。

3 電子海圖數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)

國產(chǎn)化嵌入GPS電子海圖儀中海圖的數(shù)據(jù)使用自定義的數(shù)字矢量格式，按屬性不同分為以下三類數(shù)據(jù)：(1)點數(shù)據(jù)(標注)。表示海圖上的一個點位置，具有經(jīng)緯度參數(shù)或用來說明的中文字符或英文字符、數(shù)字等，象助航標志、錨地設(shè)施、海上物標、礙航物等。(2)線數(shù)據(jù)。表示海圖上的一開放線段，有直線、折線、任意弧線。由最小點分辨率的點構(gòu)成，象航道航線、等深線等。(3)面數(shù)據(jù)。表示海圖上的由一封閉線條構(gòu)成的面，代表某一區(qū)域面積，像陸地、碼頭、不同水深區(qū)、灘地，都是由不同的普染(顏色)區(qū)域顯示出來。

3.1 電子海圖數(shù)據(jù)的格式

嵌入式電子海圖儀中，電子海圖數(shù)據(jù)的格式需按點、線、面類型分類，并且按一定的規(guī)律連續(xù)存儲[3]。從第一個起始地址開始，首先要指明是點、線還是面，另外還需指明點、線或面的類型，如果是線或面數(shù)據(jù)還應(yīng)指明有多少個點數(shù)據(jù)，緊接著是表示點特性的數(shù)據(jù)。不同的點因?qū)傩圆煌?，后面的?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不盡相同。如一條表示線的組成點數(shù)據(jù)，在存儲器中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在線數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)中，第一字節(jié)是用來區(qū)別是點還是線或面，如0表示點，1表示線，2表示面。第二個字節(jié)是標明線類型的，如0表示電纜線，1表示等深線，一共可表示256種線的類型。第3到6個字節(jié)(共32位四字節(jié))表示組成線的點的個數(shù)，最大點個數(shù)可達232個。從第七個字節(jié)開始是連續(xù)的點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，每個點的經(jīng)度及緯度各占四個字節(jié)，數(shù)據(jù)是按度分秒的十進制數(shù)排列得到的，如124°13′58″的經(jīng)度值，在存儲器中的值是1241358(H)。

圖4是面數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)圖，它的特征意義與線數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)相似。

點數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)在嵌入式海圖系統(tǒng)中有幾種不同的結(jié)構(gòu)，因為標征不同類別的點內(nèi)容不同，因此結(jié)構(gòu)也有差別。圖5是地名數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)。前2個字節(jié)的意義與線或面一樣，因是點數(shù)據(jù)，所以第三個字節(jié)開始就是該點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。接著為了顯示地名時的分級控制，有一個表示顯示級別的字節(jié)，就是控制海圖顯示在不同的放大倍數(shù)下該點地名是否顯示，接著的字節(jié)是說明地名的標注。當顯示點是燈標時，第11個字節(jié)是用來表示燈標屬性，因不同的燈標圖符不同。

圖6是嵌入式電子海圖文件中的點線面數(shù)據(jù)格式例子。

3.2 電子海圖顯示數(shù)據(jù)的塊計算

在嵌入式電子海圖顯示系統(tǒng)中，為了提高顯示的速度，使用了顯示區(qū)域緩存技術(shù)，要顯示的數(shù)據(jù)都是以塊為單位組織的。數(shù)據(jù)塊的大小與顯示的屏幕尺寸有對應(yīng)關(guān)系，如顯示器采用分辨率為800×600點，則顯示緩存塊數(shù)據(jù)的大小也必須為4：3，這樣電子海圖顯示數(shù)據(jù)的塊單位可定為經(jīng)度方向120′，緯度方向為90′。當顯示一屏海圖數(shù)據(jù)時，按每點一個字節(jié)(256色顯示)計算需要的顯示緩存為480 000字節(jié)。圖7為海圖顯示緩存數(shù)據(jù)塊中的經(jīng)緯度比例范圍圖。

圖3 線數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)Fig.3 Storage sturcture of line data

圖4 面數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)Fig.4 Storage structure of surface data

4 電子海圖顯示程序的處理

電子海圖數(shù)據(jù)的實時顯示是系統(tǒng)的核心程序。該程序根據(jù)給出的中心點位置(通常為GPS給出的船位點坐標)及顯示比例范圍參數(shù)，確定需要顯示的空間數(shù)據(jù)范圍，并從海圖文件中找出符合顯示范圍的數(shù)據(jù)，從海圖文件中讀出圖層分層控制信息以實現(xiàn)電子海圖的分層顯示控制，最后按各類實體對應(yīng)的符號要素代碼繪制相應(yīng)的圖形符號在內(nèi)存中快速完成海圖的繪制[4-6]。電子海圖顯示流程如圖8所示。

嵌入式電子海圖顯示系統(tǒng)中使用了16 M字節(jié)的內(nèi)存空間，電子海圖數(shù)據(jù)一般在10 MB左右，剩下4 MB中用于顯示緩存作圖的為480 KB，這是按800×600點顯示屏幕計算的。剩下的空間用于程序計算及漢字庫、文本等數(shù)據(jù)的存放。由于顯示緩存只有一塊，因此在每次顯示范圍發(fā)生變化時，都要從內(nèi)存中將海圖數(shù)據(jù)重新讀算一遍，再重新進行畫圖。這在海圖移動操作中會影響刷新的速度，使用大容量位圖緩沖內(nèi)存技術(shù)可提高海圖在移動或漫游時的刷新速度。圖9為GPS船用導航系統(tǒng)信息顯示窗口圖。

圖5 點(地名)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)Fig.5 Storage structure of the data

圖6 電子海圖文件中的點線面數(shù)據(jù)格式例子Fig.6 Sample of dot,line and surface data structure in electronic chat files

5 GPS船用導航器主要技術(shù)指標

中央處理器：ARM RISC CPU 100M

存儲器：16M SDRAM 16M FLASH MEMORY

顯示：SVGA 800X600 256 COLOR

接收器：十二通道C/A碼單頻GPS接收板

定位精度：±20 m(2DRMS)

測速精度：0.02 M/S

捕獲時間：10S(典型值)

跟蹤動態(tài)：速度850節(jié)、加速度4 G

輸入輸出：NMEA-0183

工作溫度：-10℃ ～+50℃

存儲溫度：-40℃ ～+80℃

相對濕度：40℃時為95%

電源：DC10V ～40V

功率：3.5W

航路點：1000

標記：1000

即時船位：1000

航線：20條 每條50點

圖7 海圖顯示數(shù)據(jù)塊中的經(jīng)緯度比例范圍Fig.7 The scale range of coordinates in chat display data block

圖8 嵌入式電子海圖顯示流程圖Fig.8 Embedded electronic chat display flow chat

6 小結(jié)

國產(chǎn)化GPS電子海圖導航系統(tǒng)，使用嵌入式32位處理器及文件管理系統(tǒng)，具有海圖漫游、海圖查詢和航行信息管理等功能，具有價格低、操作方便、使用可靠等優(yōu)點，已經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用2年多。電子海圖儀中海圖數(shù)據(jù)使用自定義數(shù)據(jù)格式，方便實現(xiàn)分級顯示、放大縮小等海圖操作功能，而且有利于知識產(chǎn)權(quán)的保護，也可大大減小文件數(shù)據(jù)的容量。有待改進的地方有：VGA分辨率不夠高(目前為800×600點)、海圖不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)(現(xiàn)可作 90°旋轉(zhuǎn))。

圖9 GPS船用導航系統(tǒng)信息顯示圖Fig.9 GPS navigation system in ship information display chat

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