一種基于衛星通信與GIS的艦隊實時監視系統

王鄭睿

(河南水利與環境職業學院，河南 鄭州450008)

0 引 言

隨著航運業的不斷發展，圖形化的船舶及艦隊狀態監視系統已經得到了廣泛的應用。這種系統可以通過圖形化的方式，直觀的將當前船舶及艦隊的位置、航向等信息顯示出來，相較于傳統的基于雷達等技術的艦隊監視系統，具有直觀、友好、自動化程度高等優點，已經成為了當前商用及軍用艦隊航行中不可或缺的助航裝備。然而，縱觀當前獲得實用的圖形化艦隊監視系統，由于較低的信息刷新速率、較少的信息顯示種類和難以與其他信息系統兼容的特性，使得其使用起來十分不便，且工作效率較低［1］。為了克服以上問題，本文通過深入研究艦隊監視系統的需求，依托當前成熟的通信技術和地理信息系統(GIS)技術，實現了一種信息刷新速率較高且能夠兼容多種信息的艦隊監視系統，在本文中，將對該系統的框架和各部分功能進行詳細描述，并通過性能分析，證明該系統的有效性和可行性。

1 系統整體框架

整個系統由艦隊終端、衛星通信網、岸基服務器和GIS 服務器4 個部分組成。其中艦隊終端安裝于船舶之上，負責收集和傳輸艦隊的信息，并傳輸給系統服務器進行處理;衛星通信網負責提供相應的通信接口，并高效、可靠地將信息發送給岸基服務器;岸基服務器是本系統的核心，其與GIS 服務器相連，根據艦隊傳輸的信息，將各種信息進行融合和計算之后，生成特定的文件，并交給GIS 系統進行處理;GIS 服務器是通用、開放的地理信息服務提供商，如Google Earth、百度地圖等，GIS 服務器通過接收岸基系統服務器提交的文件，對自身的地圖及信息顯示進行更新，進而安裝于船舶之上的GIS 終端可以訪問GIS 服務器，獲得圖形化的艦隊狀態顯示。系統的整體結構圖如圖1 所示。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Structure of the fleet monitoring system

本文所提出的系統中，各種信息的格式采用KML［2］進行定義和描述。KML 是一種基于XML 的地標定義語言，與其他信息格式相比，具備以下優勢:首先，其靈活的描述語言能夠定義多種類型信息，具備較好的可擴展性;其次，由于其基于XML，因而可以方便地使用HTTP 協議進行傳輸，并與GIS 系統進行融合。以下對系統各個關鍵模塊進行功能描述。

1.1 艦隊終端

艦隊終端主要包含3 部分功能:接收來自RS232 接口的信息，通過信息傳輸模塊傳輸數據和圖像信息，包含GIS 終端訪問GIS 系統。

經過多年的研究和開發，海上圖像采集系統［3］已經逐漸成熟，并被如UTM 這樣的機構廣泛使用。類似于海上圖像采集系統、雷達等這樣的裝置，能夠提供船舶和艦隊的位置、航向、航跡等多種信息，并通過相應的協議，如RS232，傳輸給部署于船舶之上的系統終端。

通常情況下，這類信息分為2 種:一種是較為簡單的數據信息，如航速、經緯度等;另一種是較為復雜的圖像信息，如船用攝像機拍攝的圖像等。對于數據信息來說，使用UDP 協議［4-5］傳輸較為合適，該協議使用較為簡單，可以降低艦隊終端的實現復雜性，同時由于其無連接的特性，能夠更好的適應艦隊的移動特性。而對于圖像來說，其發送和接收分別采用wget［6］和rsync［7］應用接口，這2 種接口被廣泛應用于傳輸船舶攝像機采集圖像的傳輸，相比與其他傳輸模式和接口，其更加適合于圖像更新等任務。

GIS 終端具有較大的靈活性，當前的GIS 應用有多種形式，因而GIS 終端可以使用專用的系統應用，采用加密信道訪問專門的GIS 系統;也可以使用通用的個人計算機，通過訪問Web 端的地理信息系統查看艦隊信息;甚至可以使用智能手機配合相應的APP，實現對于GIS 系統的訪問。則可以看出，本文提出的系統與傳統的專用系統相比，采用外部、成熟的GIS 系統，大大降低了實現的難度以及使用的成本。

1.2 衛星通信網

實現艦隊終端與衛星通信網的互聯，主要采用甚小口徑天線地球站(VSAT)實現，通過VSAT 能夠將艦隊終端接入SEAMOBIL 和HISDESAT 衛星通信網絡，這2 種衛星通信網在海事、通信等領域，均已得到廣泛的應用，具有大量的地面衛星站，并覆蓋了除兩極之外絕大多數的地球表面，如圖2所示。

圖2 衛星通信網示意圖Fig.2 Satellite communication network diagram

VSAT 通信采用C 波段或X 波段，相比與國際海事衛星(INMARSAT)終端，VSAT 能夠提供更好的數據傳輸容量。同時INMARSAT 采用艦隊船舶共享連接的方式，為每艘船舶提供的帶寬有限，而VSAT 則采用的是專用信道，能夠提供給船舶和艦隊更加穩定的傳輸信道和更高的傳輸質量。另外，與INMARSAT 相比，VSAT 具有更低的獲取成本和使用成本，因而使用VSAT 具有更好的經濟性。

通過以上介紹的衛星通信網，使得艦隊終端和岸基服務器之間能夠建立持久穩定的網絡連接，從而可以提供實時的、高信息刷新速率的數據服務。

1.3 岸基服務器

岸基服務器是整個系統的核心，由圖1 顯示的岸基服務器與艦隊終端之間的交互過程，可以看出整個系統是一個中心化的結構。

岸基服務器共有3 個主要功能:接收衛星通信網傳輸的數據和圖像信息;根據接收到的信息融合并計算生成KML 文件;通過HTTP 協議棧［8］將KML傳輸給相應的GIS 服務器。

根據第1. 1 節的敘述，岸基服務器具有2 種不同的數據接收接口，其中UDP 協議棧負責接收艦隊終端傳輸的數據信息，而“rsync”應用接口負責接收傳輸的圖像信息。這2 種接口與艦隊終端接口類似，均可使用軟件實現，并已得到廣泛應用。

岸基服務器中的KML 文件產生模塊是岸基服務器的關鍵功能，其能夠根據實現定義的KML 文件格式，和各種信息的內容，將信息嵌入KML 文件模板中，產生正確可用的KML 文件，進而通過HTTP 協議，將其傳輸給綁定的GIS 服務器。

2 KML 文件的格式與生成

KML 文件時當前GIS 系統廣泛使用的地標文件，由于KML 由XML 發展而來，因而KML 文件的格式和定義方法集成了XML 的特點。

2.1 KML 文件的格式

與一般基于XML 的語言類似，其廣泛采用標記定義各種數據塊。其主要含有以下幾個部分:位置數據、模型數據、航跡數據、圖像數據和字節數據。各個部分的格式如下所示:

通過以上的KML 文件格式，可將不同類型的信息嵌入其中形成KML 文件。

2.2 KML 文件的生成

KML 文件生成的過程，就是根據KML 文件格式，不斷分析與填充相應數據的過程［9］。KML 文件生成的流程圖如圖3 所示。

圖3 KML 文件生成流程圖Fig.3 Flow chart of KML files′ generation

KML 文件的生成過程應遵循以下步驟:首先，KML 文件產生模塊需要根據信息來源判斷和識別船舶的信息;然后根據導航信息生成基本的數據，之后再根據信息中包含的媒體信息和其他信息［10］，對KML 文件進行完善;最后形成完整的KML 文件，并使用HTTP 協議進行傳輸。

3 系統實現與仿真

最后，本文在OPNET 中構建模擬的衛星通信網，并仿真實現了艦隊終端和岸基服務器，模擬了艦隊終端與岸基服務器之間的交互過程，并利用Google Earth 證明了生成KML 文件的正確性。在OPNET 中的實驗拓撲圖如圖4 所示。

圖4 仿真拓撲圖Fig.4 The simulation topology

3.1 系統功能實現

通過艦隊終端產生的信息，仿真寬帶衛星通信網絡，UDP 流量約為25 ～36 kb/s，持續時間約為20 s，丟包率小于1%。而傳輸圖像數據的速率約為80 ～120 kb/s，持續時間約為15 s。根據以上仿真可知，本系統中采用的通信接口和鏈路，其帶寬能夠滿足系統信息的傳遞以及更新需求。

按照第2.2 節中方法，生成KML 文件，并在Google Earth 中導入，生成的實時監視狀態圖，如圖5 所示。

圖5 Google Earth 中加載KML 文件圖Fig.5 KML file loaded in Google Earth

通過圖5 可看到，KML 文件可以在通用的GIS系統中得到顯示和應用，不僅包含了船舶的位置、航向等，還能夠根據需求顯示詳細的航跡信息及其他信息。

3.2 負載測試

在系統的實際使用過程中，由于本系統結構采用中心化的結構，因而岸基服務器將承擔較大的負載。本文將利用圖4 所示拓撲，繼續對岸基服務器的工作負載進行測試，主要測試內容是KML 文件產生時，對服務器資源的占用。

在仿真中，采用通用X86 計算機模擬服務器，采用Core i3 雙核處理器，4G 內存，運行Win7(64bit)操作系統，采用軟件實現KML 產生模塊，設計各個艦隊終端的信息到達服從泊松分布，在第3.1 節中研究的信息通信負載下進行測試，最終得到CPU 的占用率如圖6 所示。

圖6 CPU 負載測試結果Fig.6 Result of CPU load test

通過以上測試結果可知，在實際使用過程中，當帶寬滿足系統傳輸要求時，CPU 的占用率約為16% ～22%，證明岸基服務器能夠滿足本系統用戶的實際需求。

4 結 語

圖形化的艦隊實時監視系統，是近年來出現的船舶及艦隊用助航設備，憑借其自動化和圖形化的特點，迅速得到了廣泛的應用。然而由于設計的缺陷和技術的制約，當前使用的船舶及艦隊狀態監視系統，仍有許多不足，無法完全滿足用戶的需求。本文針對以上問題，提出了一種基于衛星通信與GIS 的艦隊實時監視系統，對該系統的整體框架進行了設計，并對各個主要模塊進行了功能描述，設計了KML 文件的格式與生成算法。最終對系統功能進行了實現和仿真，在通用的GIS 平臺上驗證了本文提出方法的正確性和可用性，并在OPNET 仿真平臺上，測試了系統核心模塊的工作負載，證明了本系統的高效性和可靠性。

［1］Google Earth main features［EB/OL］.http://earth.google.com/intl/es/tour.html

［2］KML language definition［EB/OL］. http://code. google.com/intl/esES/apis/kml/documentation/kml _ 21tutorial.html.14/04/2009.

［3］SORRIBAS J，TUDELA A，CASTELLóN A，et al. An oceanographic data acquisition system (ODAS)for ethernet LAN for spanish research vessels ［C］//Oceans′ 98 Conference Proceedings (IEEE，ed.)，1998(1):93 -97.

［4］UDP Protocol.RFC specification［S］.

［5］National Marine Electronics Association，The NMEA 0183 Protocol，Version 3.0［S］.

［6］Wget.Official Documentation［S］.

［7］TRIDGELL A. Efficient algorithms for sorting and synchronization［S］.San Diego:University of San Diego，1999.

［8］GOUSIOS G，SPINELLIS D. A comparison of portable dynamic web content technologies for the apache web server［C］//Proceedings of the 3rd International System Administration and Networking Conference SANE 2002，2002(3):103 -119.

［9］TRULLOLS E，SORRIBAS J，DEL RIO J，et al. A virtual distributed measurement system［C］//IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，2003(5):368 -375.

［10］GAMMA E，HELM R，JOHNSON R，et al.Design patterns:elements of reusable object-oriented software ［M］.Massachusetts:Adisson - Wesley Professional Computing Series，1995:289 -315.