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(1.大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

實(shí)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(dǎo)航設(shè)備落后，已有的方法[1-3]都難以實(shí)現(xiàn)對其實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此考慮將ECDIS與嵌入式雷達(dá)相結(jié)合，構(gòu)建近海船舶分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由若干個(gè)固定在近海沿岸的雷達(dá)監(jiān)控站和一個(gè)中心監(jiān)控系統(tǒng)組成。雷達(dá)監(jiān)控站采用1臺嵌入式雷達(dá)構(gòu)成，將雷達(dá)圖像存儲、壓縮后，利用CDMA/GPRS通信技術(shù)向中心發(fā)送雷達(dá)圖像，并接收中心發(fā)來的調(diào)度和控制命令。

中心監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)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(chǔ)平臺，通過Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，接收雷達(dá)監(jiān)控站發(fā)來的雷達(dá)圖像，解壓后疊加在電子海圖上。然后實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)回波的定位；在電子海圖上劃定報(bào)警線，對越過報(bào)警線的目標(biāo)回波進(jìn)行報(bào)警；向雷達(dá)監(jiān)控站發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。

雷達(dá)站監(jiān)控平臺通過CDMA/GPRS移動電話網(wǎng)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(dá)站組成基于Internet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣，利用Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CDMA/GPRS通信技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)和電子海圖技術(shù)，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(chǔ)平臺是一個(gè)符合國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)[4]的電子海圖實(shí)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(dá)圖象疊加)、臨時(shí)標(biāo)繪(包括點(diǎn)、線、圓形、多邊形、文字等)等功能，并可實(shí)現(xiàn)航行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信[6](連接ARPA/雷達(dá)、AIS/GPS、CDMA/GPRS等通信導(dǎo)航設(shè)備)、航行安全報(bào)警、海圖計(jì)算與測量、航線設(shè)計(jì)、避碰決策支持(DCPA/BCPA/TCPA計(jì)算)、臺風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)，將海圖改正信息(包括碼頭、航道、錨地、水深、助航標(biāo)志、礙航物等物標(biāo)的變更信息等)制成標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了雷達(dá)視頻圖像與電子海圖在不同雷達(dá)量程、不同顯示比例尺、不同顯示模式情況下的坐標(biāo)匹配和同步[7]。雷達(dá)監(jiān)控站將雷達(dá)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(jìn)入報(bào)警區(qū)時(shí)，自動以聲、形、文字等方式報(bào)警，同時(shí)持續(xù)跟蹤并記錄時(shí)間和圖像。

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

3 嵌入式雷達(dá)控制器件設(shè)計(jì)

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

雷達(dá)控制器是遙控雷達(dá)的主要組成部分，功能是根據(jù)約定或數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)送來的指令給雷達(dá)各受控分系統(tǒng)傳送各種控制碼，配合定時(shí)器協(xié)調(diào)雷達(dá)各分系統(tǒng)同步工作；自動控制雷達(dá)系統(tǒng)各工作方式之間的快速轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測(分系統(tǒng)BITE監(jiān)測)；產(chǎn)生隨機(jī)跳頻功能；產(chǎn)生模擬信號。

圖2是以ETX嵌入式PC構(gòu)成的雷達(dá)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(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，實(shí)際的雷達(dá)控制器是一個(gè)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(dá)控制器邏輯框

3.1 模塊功能

1) ETX嵌入式PC。雷達(dá)控制器的核心部件，實(shí)時(shí)處理各種輸入輸出的信號，根據(jù)雷達(dá)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(dá)控制器的性能得到了提升。

2) 接收控制器。接收定時(shí)、反干擾、伺服、和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)等分系統(tǒng)送來的各種信號，經(jīng)排序，送到ETX嵌入式PC和指令分配器中進(jìn)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(shí)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(biāo)檢測器。用于分調(diào)狀態(tài)下，給接收機(jī)提供若干條固定波位的航跡，用于調(diào)試和檢查接收機(jī)、信號處理、目標(biāo)提取、計(jì)算機(jī)及軟件。

5) 全機(jī)監(jiān)測。對雷達(dá)中各分系統(tǒng)的故障信息進(jìn)行分析、匯總并送顯示器顯示，讓監(jiān)控中心的操作員及時(shí)了解雷達(dá)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(shí)時(shí)采集(每個(gè)波位進(jìn)行一次)，把信息及時(shí)送到ETX嵌入式PC，通過分析進(jìn)行接收通道的切換。

6) 圖像壓縮、發(fā)送。雷達(dá)圖象經(jīng)壓縮后，由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊發(fā)往監(jiān)控中心。

根據(jù)雷達(dá)控制器功能需求，加進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)處理和文件處理功能。分別設(shè)計(jì)了4個(gè)任務(wù)：初始化任務(wù)、指令重組分發(fā)任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)接收任務(wù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存任務(wù)。采用輪循(round-robin)任務(wù)調(diào)度機(jī)制，任務(wù)之間、任務(wù)和中斷間同步使用二進(jìn)制信號燈，任務(wù)間通訊采用共享存儲區(qū)方式，存儲區(qū)的設(shè)計(jì)采用“乒乓”緩沖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[9]。

3.2 軟件主要功能

1) 通過網(wǎng)絡(luò)接收來自數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)送來的控制命令。

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

3) 響應(yīng)正北中斷進(jìn)行記數(shù)，在約定狀態(tài)下，記到一定數(shù)時(shí)進(jìn)行通道修正。

3.3 雷達(dá)控制軟件模塊

雷達(dá)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(kuò)充性。根據(jù)具體情況，將模塊劃分為網(wǎng)絡(luò)通信模塊、指令處理模塊2類。

1) 網(wǎng)絡(luò)通信模塊的功能。綁定網(wǎng)卡，初始化發(fā)送方和接收方，及時(shí)接收由數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)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(yīng)定時(shí)中斷，在指定的時(shí)間內(nèi)，按照波位號和區(qū)域號將控制命令，組織成給雷達(dá)各受控分系統(tǒng)的宏指令，通過寫并口送到相應(yīng)的硬件端口。

中斷和任務(wù)間的通訊采用二進(jìn)制信號燈。對網(wǎng)絡(luò)的編程在傳輸層上進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)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(shí)例

系統(tǒng)應(yīng)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(gè)雷達(dá)監(jiān)控站，在營口設(shè)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(dá)監(jiān)控站發(fā)來的3 n mile量程雷達(dá)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(bào)警線進(jìn)行報(bào)警，圖中亮白色標(biāo)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(bào)警界面

5 結(jié)束語

將ECDIS和雷達(dá)相結(jié)合應(yīng)用于導(dǎo)航領(lǐng)域外的近海船舶監(jiān)控，通過通用網(wǎng)絡(luò)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(gè)雷達(dá)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(gòu)成遠(yuǎn)程遙控雷達(dá)，除完成雷達(dá)的基本功能外，通過接收遠(yuǎn)程控制指令，擴(kuò)展了雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。下一步研究的重點(diǎn)是繼續(xù)完善嵌入式雷達(dá)軟硬件功能，擬采用16位或32位的微處理器來提高性能。

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