基于GPS的艦船監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化研究

白帆

（中國人民解放軍92941部隊，遼寧省葫蘆島市 125000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)尤其是信息技術(shù)的不斷進步，不同學(xué)科、不同領(lǐng)域技術(shù)的交叉應(yīng)用和融合也越來越明顯。GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)是GIS技術(shù)、GPS定位技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)集成應(yīng)用的結(jié)果。實現(xiàn)了對艦船的位置狀態(tài)實時監(jiān)控、跟蹤、調(diào)度指揮、報警處理和信息查詢等功能。目前，GPS監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公安、消防、交通、金融、醫(yī)療、物流等領(lǐng)域。隨著社會的進步和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，在海洋開發(fā)和石油鉆探和海上打撈救生等行業(yè)，要求實時準確監(jiān)控船位。傳統(tǒng)的單一監(jiān)控中心模式已經(jīng)不能滿足大規(guī)模、大區(qū)域移動目標監(jiān)控的需要，這就需要GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)走向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的航路，形成監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)信息資源的共享和充分利用。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)工作流程為：船載終端設(shè)備接收GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，GPS坐標數(shù)據(jù)由船載終端控制單元處理后經(jīng)過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的通信控制器上，經(jīng)監(jiān)控中心的通信服務(wù)器接收并轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上存儲。監(jiān)控中心將收到的坐標數(shù)據(jù)及其它數(shù)據(jù)還原后，與GIS地理信息系統(tǒng)的電子海圖相匹配，并在海圖上顯示坐標的準確位置，監(jiān)控臺就可以清楚而直觀地掌握艦船的動態(tài)信息（位置、狀態(tài)、行駛速度等）。監(jiān)控中心可發(fā)出控制命令及文字調(diào)度信息，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)送到船載終端單元，進行相應(yīng)的操作或在液晶顯示屏上顯示出調(diào)度信息。

GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)一般由船載終端、監(jiān)控中心、無線通信網(wǎng)絡(luò)組成。

1.1 船載終端

船載終端是整個系統(tǒng)的前端設(shè)備，它負責(zé)把從 GPS衛(wèi)星獲得的定位數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)控中心，同時也要負責(zé)接收和處理監(jiān)控中心發(fā)來的各種監(jiān)控命令，船載終端可以根據(jù)實際需要配備液晶顯示屏、通話手柄和語音監(jiān)聽系統(tǒng)。船載終端一般由定位單元、信息處理單元和通訊單元組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 船載終端結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理中心，船載終端的定位信息和其他信息通過無線通信網(wǎng)傳到監(jiān)控中心并進行相應(yīng)處理，同時監(jiān)控中心可以通過向船載終端發(fā)送監(jiān)控命令來實現(xiàn)監(jiān)控、管理、調(diào)度、報警等操作。通過計算機網(wǎng)絡(luò)和 DDN專線的連接，可以實施多級監(jiān)控中心模式，如總調(diào)度、分調(diào)度和船舶調(diào)度三級監(jiān)控中心。各級監(jiān)控中心負責(zé)監(jiān)控所屬的艦船，同時與主監(jiān)控中心進行定位數(shù)據(jù)和監(jiān)控指令交換，實現(xiàn)信息共享。主監(jiān)控中心除了負責(zé)監(jiān)控本區(qū)域的艦船外，還要協(xié)同各分監(jiān)控中心，對所有的艦船進行監(jiān)控與管理。監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)融GPS定位技術(shù)、GIS地理信息技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)為一體，是“3G”技術(shù)集成的典范。

2.1 定位技術(shù)

GPS定位具有全球性、全天候、定位速度快、定位精度高等特點。船載終端上的GPS模塊接收每秒鐘衛(wèi)星發(fā)來的廣播數(shù)據(jù)，GPS模塊需要至少四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)來計算出自己的位置數(shù)據(jù)，對于移動中的艦船，還需要另外一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)來計算艦船的運動速度和運動方向。在實踐中一般采用差分GPS定位技術(shù)和組合定位技術(shù)來提高定位精度。在艦船監(jiān)控系統(tǒng)中定位由GPS定位、航跡推算、海圖匹配三部分來完成。其中航跡推算是一種經(jīng)典的艦船定位技術(shù)，它的基本原理是利用方向和距離傳感器來推算艦船的位置，由于航跡推算的過程是一個累積過程，長時間的單一使用會有較大的定位誤差。海圖匹配是指根據(jù)艦船行駛的航路以及電子海圖信息對傳感器融合得到的定位數(shù)據(jù)進行匹配，從而獲得艦船在海圖中的準確位置，實現(xiàn)艦船行駛軌跡和電子海圖的最佳吻合。定位示意圖見圖3所示。

圖3 定位示意圖

2.2 GIS地理信息技術(shù)

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）則是在計算機硬件與軟件的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)技術(shù)研究也已經(jīng)從傳統(tǒng)GIS向多維GIS、組建式GIS、Web GIS、嵌入式GIS等方向發(fā)展。在GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)中，GIS地理信息子系統(tǒng)安裝在監(jiān)控端，主要實現(xiàn)以下功能：

（1）矢量化電子海圖的放大、縮小、漫游，分層顯示，距離量算(直線、折線)，地理信息查詢等，并提供海圖打印服務(wù)。

（2）用不同的顏色、圖標將不同種類的艦船實時地顯示在電子海圖上。

（3）實時顯示指定艦船的行駛軌跡，并提供歷史軌跡查詢。

（4）提供最優(yōu)路徑分析功能。

2.3 無線通信技術(shù)

在 GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)中無線通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目罩小皹蛄骸?，負?zé)船載終端與監(jiān)控中心之間的通信。通常的通信網(wǎng)有無線專網(wǎng)，GSM(全球移動通信網(wǎng))，GPRS(通用分組無線服務(wù))，CDMA(碼分多址)，VHF電臺等，包括語音信道和短消息控制信道。由于海上工作條件的限制我們經(jīng)常采用電臺通信，一般利用短消息來傳輸定位信息和控制信息，利用語音信道來傳輸語音信息。各種通信方式在覆蓋范圍、通信費用、系統(tǒng)容量、組網(wǎng)成本、通信穩(wěn)定性等方面在不同的應(yīng)用領(lǐng)域具有各自的優(yōu)勢，因此必須根據(jù)實際情況選擇適當?shù)耐ㄐ欧绞剑瑫r應(yīng)考慮不同通信方式的兼容性。

目前可以采用的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是由 GPS船載用戶臺、數(shù)據(jù)電臺、基準站、發(fā)射天線、接收天線組成的，如圖4所示。由于對傳輸數(shù)據(jù)率有不同的要求，所以船載用戶臺通常采用不同的電臺傳輸數(shù)據(jù)，基準站采用同步方式通過 RS-232口接收艦載臺和靶載臺的數(shù)據(jù)。

圖4 船載用戶臺數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意圖

2.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是 GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系的樞紐。在多級監(jiān)控模式下，各級監(jiān)控中心之間與各級監(jiān)控中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸都是基于TCP/IP或UDP/IP協(xié)議的。目前，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳遞的方法主要是采用TCP傳輸控制協(xié)議。TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，它比較安全、穩(wěn)定，但是效率不高，占用資源較多，在基于消息通信的應(yīng)用程序中，這將不可避免地增加系統(tǒng)的開銷并降低通信的效率。UDP協(xié)議系統(tǒng)開銷小、速度快、效率高、占用資源少，對絕大多數(shù)基于消息包傳遞的應(yīng)用程序來說，基于報式的數(shù)據(jù)通信（UDP）比基于流式的數(shù)據(jù)通信（TCP）更為直接和有效。但UDP的缺點也很明顯：UDP數(shù)據(jù)報的傳送是不可靠的傳輸，它不像TCP協(xié)議一樣有重傳、確認、流量控制等機制，因此采用 UDP協(xié)議的信息在傳送過程中很容易丟失。因此，為 UDP數(shù)據(jù)傳輸增加可靠性設(shè)計諸如確認技術(shù)、超時重傳、流量控制等關(guān)鍵技術(shù)十分必要。

3 網(wǎng)絡(luò)化模式分析

3.1 C/S結(jié)構(gòu)模式

任何應(yīng)用系統(tǒng)從簡單的單機系統(tǒng)到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，都由三層組成：顯示邏輯部分（表示層）、事務(wù)處理邏輯部分（功能層）和數(shù)據(jù)處理邏輯部分（數(shù)據(jù)層）。傳統(tǒng)的 C/S結(jié)構(gòu)被設(shè)計成兩層模式。顯示邏輯和事務(wù)處理邏輯均被放在客戶端，數(shù)據(jù)處理邏輯部分和數(shù)據(jù)庫放在服務(wù)器端。隨著應(yīng)用程序復(fù)雜程度的不斷提高，傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)暴露出了許多問題。當用戶的需求改變時，客戶端應(yīng)用軟件可能需增加新功能或修改用戶界面等，當客戶數(shù)量很大時，維護的難度就大大增加。另外，C/S結(jié)構(gòu)所采用的軟件產(chǎn)品大都缺乏開放的標準，一般不能跨平臺運行。由于運行在局域網(wǎng)環(huán)境中，數(shù)據(jù)不容易被截取或丟失。但是由于顯示邏輯和事務(wù)邏輯全部集中在客戶端，用戶數(shù)量和范圍都受到一定的限制。

3.2 B/S結(jié)構(gòu)模式

B/S結(jié)構(gòu)是將C/S模式的結(jié)構(gòu)與Web技術(shù)密切結(jié)合而形成的三層（或多層）體系結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的C/S方式相比，具有如下優(yōu)點：

（1）具有分布性特點，可以隨時隨地進行業(yè)務(wù)處理；

（2）業(yè)務(wù)擴展維護簡單方便，只需要改變服務(wù)器，即實現(xiàn)所有用戶的同步更新；

（3）開發(fā)簡單，共享性強。基于 B/S結(jié)構(gòu)模式的GPS艦船監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決了C/S結(jié)構(gòu)模式中的一些缺陷，使個人用戶通過 Internet注冊認證，來訪問監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的Web服務(wù)器，能及時更新海圖數(shù)據(jù)，并能及時獲取自己艦船的位置和其他信息。其功能框圖如圖5所示。

圖5 B/S結(jié)構(gòu)模式的監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

圖6 C/S與B/S混合模式的監(jiān)控系統(tǒng)框圖

3.3 C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)混合模式

由于GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性，該系統(tǒng)不僅要完成監(jiān)控中心內(nèi)部管理的功能，還要與外部的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，所以采用C/S和B/S相結(jié)合的混合模式是GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)最佳的選擇，C/S和B/S混合軟件體系結(jié)構(gòu)是一種典型的異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)。監(jiān)控中心管理人員直接通過C/S結(jié)構(gòu)模式的局域網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，來完成監(jiān)控、調(diào)度等管理操作。被授權(quán)的個人用戶通過Internet訪問Web服務(wù)器，再通過Web服務(wù)器來訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來獲取自己的艦船信息。C/S和B/S的混合模式把兩種模式有機地融合在一起，相輔相成、揚長避短，充分地發(fā)揮了各自的優(yōu)勢。同時，外部用戶只需一臺接入 Internet的計算機并獲得用戶注冊認證信息就可以通過Internet查詢相關(guān)的艦船位置信息，使用便利?；贑/S和B/S混合模式的艦船監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點是外部用戶不能直接訪問監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，能保證監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫的相對安全性。同時系統(tǒng)具有可擴展性、跨平臺性、可配置性等優(yōu)點，可以更方便地根據(jù)用戶的需要對軟件功能進行擴充。其功能框圖見圖6所示。

4 結(jié)束語

對 GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)的幾種網(wǎng)絡(luò)化模式進行了討論和比較，分析了C/S結(jié)構(gòu)模式和B/S結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)缺點，提出了GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)的最佳網(wǎng)絡(luò)化模式C/S和B/S混合模式。由于目前國內(nèi)的GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)化模式、系統(tǒng)容量、數(shù)據(jù)通信格式、設(shè)備兼容性等方面不統(tǒng)一，還有待于進一步完善與改進，從而達到真正的信息資源共享。

[1]李德仁,李清泉等.論空間信息與移動通信的集成應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版,2002,27（1）.

[2]張其善,楊東凱.GPS艦船監(jiān)控系統(tǒng)與導(dǎo)航儀的研制及應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2001.3.

[3]付建萍,于銀輝.GPS與GIS集成在公安交通指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2003,21（1）.

[4]陳紅英,李衛(wèi)華.C/S和B/S模式合用的移動目標監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用,2001,21（12）.

[5]霍亮,盧戰(zhàn)偉,戚銘堯.移動目標監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)研究[J].測繪通報,2002,10