基于GPS和電子海圖的嵌入式船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用C++語言進(jìn)行軟件開發(fā)，并選擇QT/Embedded作為圖形用戶界面(GUI)開發(fā)環(huán)境。QT是Trolltech公司推出的跨平臺(tái)C++圖形用戶開發(fā)庫，QT/Embedded是QT面向嵌入式應(yīng)用的版本，具有可移植性強(qiáng)，支持Linux、Windows、Mac的優(yōu)點(diǎn)，移植到新平臺(tái)時(shí)，只需用該平臺(tái)的編譯器重新編譯即可；面向?qū)ο?，采用C++語言，加上特有的信號(hào)/槽(singal/slot)機(jī)制，使得面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)變得簡單而有效；可裁剪，通過去掉無關(guān)模塊可以調(diào)整庫文件的大小，適合嵌入式系統(tǒng)使用；GUI界面支持大量標(biāo)準(zhǔn)的窗口部件，并提供了界面設(shè)計(jì)工具designer；支持國際化，支持中文顯示，并提供了多語言支持工具linguist。QT/Embedded強(qiáng)大的圖形繪制功能在電子海圖的應(yīng)用系統(tǒng)中得到了充分的應(yīng)用。
　　系統(tǒng)從全球定位系統(tǒng)GPS實(shí)時(shí)獲取船舶位置(包括經(jīng)緯度與時(shí)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(dǎo)航信息，用戶通過精簡的鼠標(biāo)鍵盤操作，提供海圖漫游、海圖查詢和航行信息管理等功能。
2 電子海圖數(shù)據(jù)處理
2.1 電子海圖數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)
　　本系統(tǒng)使用海司航保部的軍用矢量海圖格式MVCF(Military Vector Chart Format)^[1]海圖。MVCF以圖幅為單位組織，采用目錄結(jié)構(gòu)，目錄名即為電子海圖的編號(hào)。一個(gè)圖幅目錄由一個(gè)元數(shù)據(jù)文件和多個(gè)海圖層次文件組成。元數(shù)據(jù)文件記錄每幅圖的比例尺、基準(zhǔn)緯度等控制信息，海圖層次文件由40多種圖層文件組成。例如海洋陸地層、港口設(shè)施層等。每一種圖層文件由圖形文件、索引文件和屬性文件組成。其中圖形文件記錄了海圖要素的墨卡托投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)，索引文件記錄了對(duì)應(yīng)的圖形文件中海圖要素在圖形文件中的偏移量，屬性文件是dbase表文件，記錄了海圖要素的屬性，包括要素的名字、備注等。
　　這樣一幅海圖包括130多個(gè)文件，本系統(tǒng)使用的海圖包括中國總圖、沿海航行圖、港灣圖等共74幅海圖，占用空間260多兆字節(jié)。由于嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)空間和處理器運(yùn)算能力的限制，需要在PC機(jī)上對(duì)電子海圖進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡壓縮和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。
2.2 電子海圖數(shù)據(jù)壓縮
　　(1)刪除冗余數(shù)據(jù)
　　MVCF海圖數(shù)據(jù)量大，線狀要素和多邊形要素細(xì)節(jié)豐富，而嵌入式電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)由于液晶顯示器的大小和分辨率的限制，有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)浪費(fèi)。本系統(tǒng)使用的液晶顯示器分辨率為640480，長和寬為21cm15cm，可以計(jì)算出像素間距約為0.031cm。用各種比例尺的電子海圖顯示時(shí)，線狀或面狀實(shí)體的某些點(diǎn)的間隔如果小于像素間距，顯然無法顯示，應(yīng)刪除這種冗余點(diǎn)。以像素間距作為閥值，刪除海圖冗余數(shù)據(jù)，算法如下：
　　選定一個(gè)線狀或面狀實(shí)體，順序遍歷其坐標(biāo)點(diǎn)，除起點(diǎn)和終點(diǎn)外，對(duì)每個(gè)點(diǎn)計(jì)算該點(diǎn)與上一個(gè)點(diǎn)的距離，若小于閥值，則刪除該點(diǎn)。
　　(2)二維幾何壓縮
　　使用合適的二維幾何壓縮算法能使電子海圖在保持形狀的前提下減少數(shù)據(jù)量。本系統(tǒng)使用Douglas-Poiker算法^[2]進(jìn)行線狀和面狀實(shí)體的壓縮。該算法的思想是，從一個(gè)近似的形狀開始，逐步修正。該算法同樣需要一個(gè)閥值，本系統(tǒng)可使用上文的同一閥值。以面狀實(shí)體為例，算法過程如下：
　　選擇多邊形P的兩個(gè)頂點(diǎn)V1和V2，考慮V1、V2，V1組成的多邊形Q是P的一個(gè)近似，掃描P中其他頂點(diǎn)，選擇距離Q的邊最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)W，把W加入到Q中形成新的多邊形，繼續(xù)掃描P中的其他頂點(diǎn)，直到P中剩余的頂點(diǎn)距離Q邊的最長距離小于閥值為止。多邊形Q即為壓縮結(jié)果。
2.3 建立網(wǎng)格索引
　　高效的索引結(jié)構(gòu)是提高數(shù)據(jù)訪問效率的關(guān)鍵。MVCF海圖數(shù)據(jù)量大，電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)際使用過程中，顯示的區(qū)域通常只是一個(gè)圖幅的一部分，如果能快速搜索到這部分的海圖數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度將大大提高。本系統(tǒng)使用網(wǎng)格索引，MVCF海圖按比例尺分為從1：4000000到1：25000共10多級(jí)，對(duì)每一種比例尺的海圖，都建立一個(gè)網(wǎng)格索引，方法如下：
　　用一個(gè)矩形網(wǎng)格與海圖要素逐個(gè)進(jìn)行相交或包容判斷，凡是在網(wǎng)格中的海圖要素，就記錄下該要素在圖形文件內(nèi)的偏移量，最后形成網(wǎng)格索引文件。其中，多邊形要素與矩形網(wǎng)格的相交判斷方法是，若多邊形的一部分端點(diǎn)落在矩形內(nèi)，而另一部分卻落在矩形的外部，則兩者是相交的；多邊形與矩形的包容判斷是，若多邊形所有的端點(diǎn)落在矩形內(nèi)則是包容于關(guān)系，若矩形所有的端點(diǎn)落在多邊形內(nèi)則是包容關(guān)系。線狀要素也可用相似的方法判斷。
3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)軟件如圖2所示，主要由以下模塊組成：系統(tǒng)界面與管理模塊、海圖數(shù)據(jù)模塊、海圖算法模塊、海圖顯示模塊、航行信息管理模塊、GPS接收模塊等。

　　系統(tǒng)界面與管理模塊：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主界面和操作菜單，通過調(diào)用其它模塊實(shí)現(xiàn)海圖漫游、自動(dòng)對(duì)中、海圖查詢、管理航線、保存航行記錄等功能。
　　海圖數(shù)據(jù)模塊：負(fù)責(zé)讀取電子海圖文件，實(shí)現(xiàn)海圖查詢功能。通過dbase屬性文件搜索地圖要素，可以通過SQL語句在屬性文件中找到該要素，從而得到該要素在索引文件中的位置。
　　海圖算法模塊：包括程序中用到的各種算法，如地理坐標(biāo)、墨卡托投影坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換^[3]，點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與線之間距離，線的長度，多邊形的周長和面積等。
　　海圖顯示模塊：海圖顯示是系統(tǒng)的核心模塊。該模塊根據(jù)管理模塊給出的中心點(diǎn)位置及顯示范圍的參數(shù)，確定需要繪圖的網(wǎng)格，根據(jù)網(wǎng)格索引，快速完成繪制海圖的功能?？紤]到海圖漫游通常是連續(xù)的，使用了位圖緩存來提高響應(yīng)速度，每次畫圖的時(shí)候，先在緩存中找，找不到則擴(kuò)大范圍畫圖，并保存到位圖緩存，對(duì)緩存的管理采用最近最少使用替換算法(LRU)。具體流程如圖3所示。

　　航行信息管理模塊：完成航線設(shè)置、航線偏移報(bào)警、保存航跡等航行管理功能。航線設(shè)置是根據(jù)航海用戶對(duì)目的點(diǎn)的連續(xù)選擇，形成一條航線，并對(duì)該航線設(shè)置一個(gè)偏航極限。本模塊定時(shí)從GPS接收模塊獲取地圖坐標(biāo)信息，判斷當(dāng)前位置到航線的距離，若超出偏航極限，則發(fā)出報(bào)警。航跡保存是定時(shí)記錄船舶位置并顯示，醒目、直觀的航跡顯示可以使航海人員對(duì)船位信息、航行歷程及周邊環(huán)境有清楚的了解。
　　GPS接收模塊：負(fù)責(zé)定時(shí)讀取GPS接收儀的數(shù)據(jù)，解析出地理經(jīng)緯度坐標(biāo)、時(shí)間、航速與航向等信息。外置的GPS接收儀通過RS232連接到系統(tǒng)，GPS接收儀會(huì)定時(shí)往系統(tǒng)發(fā)送符合NMEA(美國航海電子協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。該模塊只需定向讀取RS232串口數(shù)據(jù)，根據(jù)NMEA格式解析出地理經(jīng)緯度坐標(biāo)、時(shí)間、航速與航向的信息即可。

　　本系統(tǒng)的部分界面如圖4所示。目前本系統(tǒng)已經(jīng)出海試運(yùn)行，實(shí)踐證明本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示船舶當(dāng)前航行狀況，快速響應(yīng)用戶操作，為航海人員提供可靠的電子海圖信息。
　　隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的性能逐步提高，船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)建有了更多的選擇。本文提出的基于GPS和電子海圖的嵌入式船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，使用嵌入式32位處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，具有海圖漫游、海圖查詢和航行信息管理等豐富的功能，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作簡便、功能可靠、快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到實(shí)際的海上應(yīng)用。