基于北斗短報(bào)文的船舶連續(xù)軌跡傳輸壓縮方法

汪連賀

（天津海事測(cè)繪中心，天津 300222）

關(guān)鍵字：北斗短報(bào)文；數(shù)據(jù)壓縮；連續(xù)軌跡

引 言

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)終端能夠向指定終端號(hào)的接收機(jī)終端發(fā)送短報(bào)文信息，也能夠接收其它接收機(jī)終端發(fā)送的短報(bào)文；民用北斗接收機(jī)終端發(fā)送短報(bào)文頻度為每分鐘發(fā)送一次，每次最多發(fā)送70個(gè)字節(jié)的信息。船舶在航行的過(guò)程中定位儀不間斷地輸出船舶航行的軌跡，形成（時(shí)間、經(jīng)度、緯度）的坐標(biāo)序列；一般情況下，坐標(biāo)序列時(shí)間格式為HH:MM:SS格式（8字節(jié)），經(jīng)度為dddmmss.ssss格式（12字節(jié)），緯度為ddmmss.ssss格式（11字節(jié)）；每個(gè)位置信息的坐標(biāo)對(duì)字節(jié)總數(shù)為31字節(jié)；利用民用北斗卡每次最多傳輸兩個(gè)坐標(biāo)對(duì)（傳輸信息總字節(jié)數(shù)需不大于70字節(jié)），也就是30 s傳輸一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)；對(duì)于航行船速為20 kn船舶，30 s航行距離為 300 m左右，對(duì)于航行船速為40 kn船舶，30 s航行距離為600 m；因坐標(biāo)位置時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，船舶航行距離間隔過(guò)大，故此不能真實(shí)地記錄船舶航行軌跡，造成船舶航行路線失真；在現(xiàn)實(shí)生活中有很多需要查看船舶運(yùn)行連續(xù)軌跡的需求，比如：因船舶事故等原因需要追蹤船舶運(yùn)行航線，不能記錄真實(shí)的軌跡則無(wú)法準(zhǔn)確地回放。

因此，如何改變現(xiàn)有常規(guī)手段進(jìn)行傳輸船舶位置的信息，使其快捷有效傳輸船舶航行連續(xù)軌跡，提供一種基于北斗短報(bào)文的船舶連續(xù)軌跡傳輸壓縮方法，是該領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)著手解決的問(wèn)題之一。

1 船舶連續(xù)軌跡壓縮原理

船舶在航行的過(guò)程中船舶定位儀不間斷地輸出船舶航行的軌跡，形成時(shí)間、經(jīng)度、緯度的坐標(biāo)序列；因?yàn)榇斑\(yùn)行不屬于劇烈的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)速度每間隔1～5 s記錄一個(gè)位置可以滿足常規(guī)工作需要，如果每秒鐘記錄一個(gè)點(diǎn)則每分鐘可以記錄60組相應(yīng)的坐標(biāo)序列；在傳輸船舶連續(xù)軌跡過(guò)程中，發(fā)射端和接收端均使用具有短報(bào)文傳輸功能的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)，并為兩端終端配置北斗sim卡，通過(guò)北斗sim卡號(hào)確定唯一的北斗接收機(jī)終端；北斗短報(bào)文可以傳輸代碼、漢字、混合三種信息類型；針對(duì)本方法采用代碼類型進(jìn)行傳輸，代碼類型的信息可以更好的節(jié)約短報(bào)文存儲(chǔ)空間。

在船舶北斗接收終端機(jī)發(fā)送坐標(biāo)時(shí)，對(duì)坐標(biāo)序列進(jìn)行抽稀壓縮處理，根據(jù)不同船速進(jìn)行不同程度的抽稀，形成新的坐標(biāo)序列；在對(duì)坐標(biāo)序列壓縮過(guò)程中，總是把第一個(gè)坐標(biāo)對(duì)中時(shí)間、經(jīng)度、緯度作為起始基準(zhǔn)，坐標(biāo)序列中后面的坐標(biāo)對(duì)總是以前面坐標(biāo)對(duì)的時(shí)間、經(jīng)度、緯度作為相對(duì)基準(zhǔn)值，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)相鄰坐標(biāo)對(duì)的差值，即時(shí)間差、經(jīng)度值的差值、緯度值的差值，形成坐標(biāo)差值序列進(jìn)行記錄并組合生成短報(bào)文；在此方案中，北斗接收機(jī)短報(bào)文前10個(gè)字節(jié)為本次發(fā)送短報(bào)文信息的文件頭信息，包含當(dāng)前坐標(biāo)序列的時(shí)間、經(jīng)度、緯度基準(zhǔn)值信息，數(shù)據(jù)格式分別為時(shí)間（時(shí)分，占2字節(jié)）、經(jīng)度（度分秒，占3字節(jié)）、緯度（度分秒，占3字節(jié)），另外一個(gè)字節(jié)表示信息類型，一個(gè)字節(jié)作為保留字節(jié)，共10個(gè)字節(jié)，如表1。

表1 短報(bào)文頭信息

表1中，type表示信息類別，取值可以是16進(jìn)制的A5、A6，A5表示用方案一傳輸，A6表示用方案二傳輸。其余60個(gè)字節(jié)用于傳輸本分鐘時(shí)間內(nèi)坐標(biāo)序列信息，計(jì)算要傳輸?shù)淖鴺?biāo)序列相鄰位置的經(jīng)度值的差值和緯度值的差值，把計(jì)算的差值按照設(shè)計(jì)的壓縮編碼規(guī)則填寫(xiě)到60個(gè)字節(jié)空間內(nèi)。根據(jù)不同船速確定兩種壓縮編碼方案。

1.1 方案一

表2 坐標(biāo)對(duì)壓縮方案一

表2中，點(diǎn)號(hào)同時(shí)代表時(shí)間，如點(diǎn)號(hào)1表示當(dāng)前基準(zhǔn)分鐘時(shí)間的第0秒，點(diǎn)號(hào)2表示第2秒，點(diǎn)號(hào)3表示第4秒，點(diǎn)號(hào)n代表第2×（n-1）秒，直到點(diǎn)號(hào)30表示第58秒，n取1，2，...，30。L1表示點(diǎn)1的經(jīng)度值與表1中基準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)度值的差值；B1表示點(diǎn)1的緯度值與表1中基準(zhǔn)點(diǎn)緯度值的差值；L2表示點(diǎn)2的經(jīng)度值與點(diǎn)1經(jīng)度值的差值；B2表示點(diǎn)2的緯度值與點(diǎn)1緯度值的差值；L3表示點(diǎn)3的經(jīng)度值與點(diǎn)2經(jīng)度值的差值；B3表示點(diǎn)3的緯度值與點(diǎn)2緯度值的差值；Ln表示點(diǎn)n的經(jīng)度值與點(diǎn)n-1經(jīng)度值的差值；Bn表示點(diǎn)n的緯度值與點(diǎn)n-1緯度值的差值。

如果船速小于40 kn時(shí)，經(jīng)度值的差值占用1個(gè)字節(jié)，單位為0.01 s，字節(jié)的第一個(gè)bit標(biāo)識(shí)正負(fù)，0為正，1為負(fù)，則表示的經(jīng)度值的差值范圍可以滿足-1.28～1.28 s，同樣緯度值的差值也占用1個(gè)字節(jié)，字節(jié)的第一個(gè)bit標(biāo)識(shí)正負(fù)，0為正，1為負(fù)，則表示的緯度值的差值范圍可以滿足-1.28～1.28 s；在地球表面，每秒最大距離是33 m，相當(dāng)于船速為80 kn的船舶每秒航行的距離；每個(gè)點(diǎn)包含經(jīng)度值的差值和緯度值的差值的信息，所以每個(gè)點(diǎn)占用2個(gè)字節(jié)，60個(gè)字節(jié)可以包含30個(gè)點(diǎn)的信息；在方案一中對(duì)60個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行抽稀，只選取0，2，4，...，58 s處的經(jīng)緯度差值形成坐標(biāo)序列，坐標(biāo)對(duì)在坐標(biāo)序列中的點(diǎn)號(hào)也就表示了該坐標(biāo)對(duì)的時(shí)間，如點(diǎn)號(hào)1表示當(dāng)前基準(zhǔn)分鐘時(shí)間的第0秒，點(diǎn)號(hào)2表示第2秒，點(diǎn)號(hào)3表示第4秒......直到點(diǎn)號(hào)30表示第58秒；也就是船速小于40 kn時(shí)可以采用方案一。

1.2 方案二

表3 坐標(biāo)對(duì)壓縮方案二

表3中，點(diǎn)號(hào)同時(shí)代表時(shí)間，如點(diǎn)號(hào)1表示當(dāng)前基準(zhǔn)分鐘時(shí)間的第0秒，點(diǎn)號(hào)2表示第4秒，點(diǎn)號(hào)3表示第8秒，點(diǎn)號(hào)n代表第4×（n-1）秒，直到點(diǎn)號(hào)15表示第56秒，n取1，2，...，15。L1表示點(diǎn)1的經(jīng)度值與表1中基準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)度值的差值；B1表示點(diǎn)1的緯度值與表1中基準(zhǔn)點(diǎn)緯度值的差值；L2表示點(diǎn)2的經(jīng)度值與點(diǎn)1經(jīng)度值的差值；B2表示點(diǎn)2的緯度值與點(diǎn)1緯度值的差值；L3表示點(diǎn)3的經(jīng)度值與點(diǎn)2經(jīng)度值的差值；B3表示點(diǎn)3的緯度值與點(diǎn)2緯度值的差值；Ln表示點(diǎn)n的經(jīng)度值與點(diǎn)n-1經(jīng)度值的差值；Bn表示點(diǎn)n的緯度值與點(diǎn)n-1緯度值的差值。

如果船速大于40 kn時(shí)，經(jīng)度值的差值占用2個(gè)字節(jié)，單位為0.01 s，字節(jié)的第一個(gè)bit標(biāo)識(shí)正負(fù)，0為正，1為負(fù)，則表示的經(jīng)度值的差值范圍可以滿足-327.67～327.67 s，同樣緯度值的差值也占用2個(gè)字節(jié)，字節(jié)的第一個(gè)bit標(biāo)識(shí)正負(fù)，0為正，1為負(fù)，則表示的緯度值的差值范圍可以滿足-327.67～327.67 s；基本滿足現(xiàn)實(shí)中的任何船速；每個(gè)點(diǎn)包含經(jīng)度值的差值和緯度值的差值的信息，所以每個(gè)點(diǎn)占用4個(gè)字節(jié)，60個(gè)字節(jié)可以包含15個(gè)點(diǎn)的信息；在方案二中對(duì)60個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)序列進(jìn)行抽稀，只選取0，4，8，...，56 s處的經(jīng)緯度差值形成坐標(biāo)序列，坐標(biāo)對(duì)在坐標(biāo)序列中的點(diǎn)號(hào)也就表示了該坐標(biāo)對(duì)的時(shí)間，如點(diǎn)號(hào)1表示當(dāng)前基準(zhǔn)分鐘時(shí)間的第0秒，點(diǎn)號(hào)2表示第4秒，點(diǎn)號(hào)3表示第8秒......直到點(diǎn)號(hào)15表示第56秒；也就是船速大于40 kn時(shí)可以采用方案二。

2 船舶連續(xù)軌跡壓縮示例

表4為船舶定位儀某日13點(diǎn)50分每秒輸出一次的船舶一分鐘的連續(xù)軌跡坐標(biāo)，共60個(gè)點(diǎn)，因篇幅關(guān)系，本文僅列取前后各5個(gè)點(diǎn)。

船舶航行速度小于40 kn，按照方案一進(jìn)行編碼壓縮根據(jù)規(guī)則，只選取0，2，4，...，58 s處的經(jīng)緯度形成坐標(biāo)序列，共30個(gè)點(diǎn)，僅列取前后各5個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)，如表5。

表4 1 分鐘船舶連續(xù)軌跡坐標(biāo)對(duì)示例

表5 1 分鐘船舶連續(xù)軌跡抽稀坐標(biāo)對(duì)示例

根據(jù)短報(bào)文的編碼規(guī)則計(jì)算短報(bào)文文件頭各個(gè)字節(jié)的值：船速小于40 kn，字節(jié)0信息類別為A5。

第一個(gè)點(diǎn)的經(jīng)度為117度43分57.93405秒，字節(jié)1、字節(jié)2、字節(jié)3分別為第一個(gè)點(diǎn)經(jīng)度值的度分秒，即：117、43、57（秒只取整數(shù)部分）；第一個(gè)點(diǎn)的緯度為38度59分19.763928秒，字節(jié)4、字節(jié)5、字節(jié)6分別為第一個(gè)點(diǎn)緯度值的度分秒，即：38、59、19（秒只取整數(shù)部分）；第一個(gè)點(diǎn)時(shí)間為13點(diǎn)50分，字節(jié)7、字節(jié)8為第一個(gè)點(diǎn)時(shí)間的時(shí)分，即：13、50。把得到的數(shù)值按照表1填寫(xiě)，即得到短報(bào)文的文件頭信息，如表6。

表6 短報(bào)文文件頭示例

再計(jì)算短報(bào)文的信息，根據(jù)方案一得到的0，2，4，...，58 s處的經(jīng)緯度差值形成坐標(biāo)序列，坐標(biāo)對(duì)在坐標(biāo)序列中的位置（點(diǎn)號(hào)）也就表示了該坐標(biāo)對(duì)的時(shí)間，最終形成下表的坐標(biāo)序列，共30個(gè)坐標(biāo)序列，僅列取前后各5個(gè)坐標(biāo)序列，如表7。

根據(jù)表7計(jì)算結(jié)果，把30個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度值的差值填寫(xiě)到60個(gè)字節(jié)中，第n個(gè)點(diǎn)（n取0，1，2，3，...，29）的經(jīng)度值的差值和緯度值的差值分別放在第2n和2n+1字節(jié)的位置，形成如下短報(bào)文信息，如表8。

表7 1 分鐘船舶連續(xù)軌跡壓縮坐標(biāo)序列示例

表8 1 分鐘船舶連續(xù)軌跡壓縮短報(bào)文信息示例

文件頭的10個(gè)字節(jié)與短報(bào)文信息的60個(gè)字節(jié)連接在一起就形成了70字節(jié)的一分鐘的船舶航行的連續(xù)軌跡，這70個(gè)字節(jié)可以通過(guò)安裝sim1卡的發(fā)射北斗接收機(jī)發(fā)送到安裝sim2卡的接收北斗接收機(jī)。sim2北斗接收機(jī)終端接收到短報(bào)文信息后再按照方案一的反過(guò)程解析壓縮的短報(bào)文信息得到船舶航行的連續(xù)軌跡的（時(shí)間、經(jīng)度、緯度）坐標(biāo)序列，數(shù)據(jù)傳輸軌跡流程如圖1。

圖1 北斗吳雙短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸流程

對(duì)于船速大于40 kn的船舶，發(fā)射端北斗終端機(jī)部分同樣可以按照方案二進(jìn)行壓縮船舶航行軌跡坐標(biāo)序列，接收端北斗接收機(jī)終端部分解析壓縮的短報(bào)文信息得到船舶航行的連續(xù)軌跡的（時(shí)間、經(jīng)度、緯度）坐標(biāo)序列。

3 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)采用本壓縮方法壓縮后，航行船速為40 kn以下的船舶每分鐘可以傳輸30個(gè)坐標(biāo)對(duì)，即每2 s有一個(gè)坐標(biāo)對(duì)；對(duì)于航行船速為20 kn船舶，2 s航行距離為20 m左右，對(duì)于航行船速為40 kn船舶每分鐘可以傳輸15個(gè)坐標(biāo)對(duì)，即每4 s有一個(gè)坐標(biāo)對(duì)，4 s航行距離為80 m左右；通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，船舶連續(xù)軌跡的真實(shí)性分別提高了15倍和7.5倍，但對(duì)于高速船舶運(yùn)行軌跡曲率變化更小，傳輸?shù)淖鴺?biāo)序列基本真實(shí)的記錄了船舶連續(xù)運(yùn)行軌跡；需要回放船舶運(yùn)行軌跡時(shí)能夠真實(shí)有效的反映船舶實(shí)時(shí)航行位置。

采用該傳輸壓縮方法在不增加其它成本的情況下船舶連續(xù)運(yùn)行軌跡的真實(shí)性極大提高，從根本上解決了船舶連續(xù)航行軌跡的傳輸問(wèn)題。