（计算机应用技术专业论文）分布式船舶实时动态跟踪系统的设计与实现.pdf

摘要 随着计算机网络和新的通信技术的成熟，以及g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) 技术民用的不断普及，船舶的跟踪定位的各项技术都己能适应现实应用 的要求。采用不同于以往的先进思想和技术开发出一个实用的船舶动态跟踪系 统就是论文研究的方向。 传统的开发方法有一些局限，它们开发的往往是一个独立且封闭的系统， 缺乏扩展性、适应性、灵活性，很难适应外部环境的变化，系统的更新和维护 成本都很高。因此，论文把面向对象的开发思想和基于组件的c o r b a ( c o m m o n o b j e c tr e q u e s t b r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 模型融入到论文的研究中。使系统具有良好 的开放性和扩展性，以适应各种应用的需要。 论文在网络中构造出一系列分布式的组件，通过c o r b a 总线进行交互， 通过公开固定的接口互访。每个组件都隐藏了自己的实现细节，相互独立，只 有在需要对方提供的服务时才会建立联系。 根据系统中定位数据的获取，存储，使用这三个过程，论文对各组件的功 能和实现进行了描述。结合数据获取机制，论文对当前热门的无线通信方式进 行了研究和比较，决定采用比较适合船舶动态跟踪信息的突发性和实时性的特 点的c d p d ( c e l l u l a r d i g i t a l p a c k e t d a t a ) 通信系统来传输数据。在数据存取过程 中，论文采用了基于网络的三层数据库体系结构，利用中间层隔离了客户端和 数据库的访问，降低了网络通信负载和数据库的负担。数据库模型采用了面向 对象的思想，以船舶实体为侧进行了研究。本系统跟踪船舶动态信息主要是为 了船舶的定位，论文在此基础上讨论了在电子海图上进行船舶定位的方法。最 后，论文简要讨论了g p s 定位和地图匹配方法的研究。 关键字：船舶定位c o r b ac d p dg p s电子海图 a b s t r a c t w i t ht h e m a t u r i t y o ft h en e wt e c h n o l o g y o f c o m p u t e r n e t w o r ka n d c o m m u n i c a t i o n ，a l s ow i t ht h ep r e v a l e n c ef o rp u b l i cu s e so f t h et e c h n o l o g yo fg p s ， e a c ht e c h n o l o g i e sf o rt r a c k i n ga n dl o c a t i n gs h i p s h a v e c o m e t o a d a p tt o t h e r e q u i r e m e n to ft h ea p p l i c a t i o n s a p p l y i n gaf e wa d v a n c e di d e a sa n dt e c h n o l o g i e s o t h e rt h a na g ot od e v e l o pau s e f u ls h i pr e a l t i m ed y n a m i ct r a i l i n gs y s t e mi so u r s t u d y d i r e c t i o n i ti sc o n c l u d e dt h a tt h el i m i to f s y s t e m sd e v e l o p e db y t h et r a d i t i o n a lm e t h o d si s t h a tt h e ya r es t a n d i n ga l o n e ，o c c l u d e da n dl a c k i n gt h ee x t e r l s i b i l i t y , a d a p t a b i l i t i e s a n df l e x i b i t i t i e s t h a t sd i f f i c u l tf o ri tt oa d a p tt h ec h a n g i n ge n v i r o n m e n ta n dt h e c o s to f e n h a n c e m e n ta n dm a i n t e n a n c ei sv e r yh i g h t h u st h et h e s i sh a v ea p p l i e dt h e o b j e c t o r i e n t e d i d e a sa n dc o r b a - b a s e di n f r a s t r u c t u r ei no u rs t u d y ，t h et h e s i s m a k et h es y s t e ms u c haw i d eo p e n n e s sa n de x t e n d i b i l i t yt h a ti ti sg u a r a n t e e dt o m e e te a c ha p p l i c a t i o n t h et h e s i sh a v ed e v e l o p e das e r i e so f c o m p o n e n t s i nt h en e t w o r k ，c o o p e r a t i n g o nt h eb a s eo fc o r b a i n f r a s t r u c t u r e t h e yu s et h ec o m m o n i n t e r f a c e st oa c c e s s e a c ho t h e ra n dh i d et h ed e t a i l so f i m p l e m e n to f t h e i ro w n s ot h e ya r ei n d e p e n d e n t e a c ha n de s t a b l i s har e l a t i o n s h i po n l yw h e n t h e yn e e dt h es e r v i c e sp r o v i d e db y t h e o t h e r s a c c o r d i n gt ot h ec o u r s e so fl o c a t i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r i n ga n du s i n g ，t h e t h e s i sd e s c r i b et h ef u n o t i o n so ft h ec o m p o n e n t sa n dt h ec o a r s e so fr e a l i z a t i o n c o m b i n i n g w i t ht h em e c h a n i s mo fd a t aa c q u i s i t i o n ，t h et h e s i ss t u d ya n dc o m p a r e t h em o d e m w a y so fc o m m u n i c a t i o n ，a n dc h o o s et h ec d p dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t ot r a n s f e rt h eo u t b u r s t i n gi n f o r m a t i o nf r o mt h es h i p si nr e a l t i m e m o d e d u r i n g t h ec o u i 墨eo f d a t a s t o r i n g ，t h et h e s i sa p p l yt h et h r e e t i e rd a t a b a s es t r u c t u r eb a s e do n n e t w o r k ，i n s u l a t et h ea c c e s sb e t w e e nt h ec l i e n ta n dt h es e r v e rb yt h em i d d l et i e r , s o a st ol i g h t e nt h el o a do ft h en e t w o r kt r a f f i ca n dd a t a b a s es e r v e r t h em o d e lo f d a t a b a s ei s a d o p t e d t h e t h o u g h t o f o b j e c t - o r i e n t e d ，a n d t h et h e s i s g i v e a d e m o n s t r a t i o no ft h ee n t i t yo f s h i p t h em a i np u r p o s et ot r a c kt h ei n f o r m a t i o no f s h i p i st ol o c a t et h es h i ps ot h et h e s i sd i s c u s st h em e t h o dt ol o c a t et h e s h i po n e c h a r t f i n a l l y , t h et h e s i sd i s c u s sb r i e f l yg p s p o s i t i o n i n ga n dm a p m a t c h k e yw o r d s ：s h i pl o c a t i o nc o r b a c d p dg p se c h a r t 1 1 论文背景与意义 1 概述 随着我国改革开放的进一步深入以及加入世贸组织，对外经贸交流的进一 步扩大，我国船舶航运事业日益繁忙，各港口进出船舶总吨位不断上升，内河 各辖区通航船舶密度加大，同时面对国内外航运界激烈竞争的形势，如何加强 船舶的管理，降低运输成本，提高运输效益：如何提高服务质量，保持船舶准 点运行，保持我航运界良好声誉；如何在恶劣气候条件下加强船位监控，为船 舶航行安全。为船舶海难救助提供更好的指挥条件，这些都是我航运界十分关 注的问题【9 l 。在这种形势下，对船舶进行实时动态跟踪的要求也越来越明显。 据最新统计消息上海港已经成为仅次于香港和新加坡的世界第三大集装箱进 出港。同时沿海各大城市也积极兴建适宜远洋船舶的大型港口。在这种情况下 如果能实时的监控船舶运动，在海图上显示出来，就能减少船舶在我国沿海各 港口的拥塞状况，提高入港效率。随着国家开发中西部的战略的逐步实施，内 河航运也逐渐繁忙，各内河港口管理调度难度不断加大。应用高科技技术实现 对船舶的实时动态跟踪，可以有效的加强对船舶的调度管理，同时对于船舶的 确定船位、指引航向、躲避浅滩暗礁等障碍物、就近支援等也有着不可估量的 现实意义。 我们正在研究的船舶实时动态跟踪系统( s r d t s ) 所能提供的服务包括： 船舶进出港调度，船舶就近调遣，船舶位置监控，信息发布。航道报告，提取 信息，预定服务等。对于特定部门船队也可以提供单独的监控管理。总之，该 系统不仅能够对船舶进行实时定位跟踪，加强港口调度管理和对航道船舶的日 常管理，密切管理机关与站船的信息交流，还能提高对航道突发事件的应急反 应能力，提高船舶航行的安全质量。我们研究的系统可广泛应用于各港口、引 航站、船运公司、救捞局、海警及内河水上警察、航道局等水上部门。 1 2 国内外概况 自从全球定位系统问世以来，基于g p s 的船用卫星定位在世界范围内得到 了广泛的应用。g p s 定位仪普遍应用于航海船舶上用于导航，相应各引航站也 应用中央监控系统对移动船舶进行实时监控。在海运发达国家，船舶报告系统 有的利用i n m a r s a t ( 国际海事通信卫星) 系统实施船舶报告的自动发送与接收。 近年来被国际航运界逐渐采用的a i s 系统( 即自动识别系统，包括船载a i s 和 岸基m s ) ，采用的是v h f 通信方式【l j 。日本在1 9 9 7 年就开展了旨在管理海上 交通的实时监视系统的研究，这个海上交通管理卫星系统将跟踪船舶的确切船 位并记录其航速，目的在于减轻日本各港口的拥塞。在该系统中计划使用卫星 全球定位系统( g p s ) 和i n l c i a r s a t 来确定船位和航速，并将信息显示在海图上， 目前船岸之间的联系是通过船一岸专用电话系统进行1 2 】。美国早在3 0 年前就由 海岸警卫队建立了被动式的自动船舶报告系统( a 州e r s ) 【3 l 。后来随着美国掌握 的g p s 系统的成熟，基于g p s 的船舶监控导航系统在美国得到了广泛的应用。 美国在1 9 8 9 年提出了长达3 0 年的智能交通运输系统i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m ) 的高科技战略研究计划。该系统将先进的信息技术、数据 通信传输技术、计算机处理技术、电子控制技术和电子传感技术等有效地集成 而建立起来的能在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确及高效的综合运输 管理系统。在港航智能交通运输信息系统中，主要有战略决策系统、运营管理 系统、作业管理系统和船舶调渡管理系统等n ”。英国也开发出来了为船舶公 司提供可靠透明的船岸之间信息交换的船舶监控管理系统。目前，世界上已形 成美国( 日本参加) ，欧盟和俄罗斯三大研究集体。每个研究集体都组织了上 百个跨部门的企业、高校和研究机构，积极进行各项子系统的研究开发。预计 在2 l 世纪头1 0 年实现船舶航运的智能化。 国内基于6 p s 的船舶监控系统也有着广泛的应用。早期大连海事大学提出 的基于g p s 的船舶动态监测系统采用的是甚高频的无线通信方式 6 1 。上海航道 局的电子海图与船舶监控系统在2 0 0 0 年初即得到了应用，在船舶导航、站船 管理、船舶进出港等方面使用效果不错u i 。不过他们在无线通信方面采用的是 g s m 短消息，而且软件开发上采用的还是传统的软件开发模式。福建轮船总公 司的船舶跟踪和管理系统采用的是c 站的通信方式。由于通信方式的滞后，很 多系统只能提供非常简单的调度功能。由于g s m 短消息服务在实际应用中的平 均时延大概在5 5 秒左右【s 】，在船舶比较密集的港口当船舶进出港比较繁忙时 不能很好地对船舶进行定位，就会带来一些麻烦，相应系统的实际应用也会大 打折扣。另外当出现危险情况时，实时性的缺乏也会造成事故的不可避免。同 时传统的面向过程的软件开发方法在网络应用时会出现很多问题，也不利于系 统的维护和升级。本系统在这两方面都有较大的改进，相应提高了系统的性能。 无线通信上我们采用的是全国刚刚推广的c d p d 通信网，提高了系统容量，也 降低了传输时延。系统构建上我们采用了基于c o r b a 的组件技术，十分适合分 布式应用，系统架构非常灵活，易于扩充。 1 3 关键技术的分析 船舶实时动态跟踪系统是个包含了多种商新技术的复杂系统，它包括结 合电子海图的空间定位技术、提供固定设备和移动设备间的交互的无线通信技 术、分布式组件技术、基于三层体系结构的数据库访问技术、地理信息系统等。 传统的开发方法在经过一系列诸如需求分析、软件设计、编码、测试等过 程后开发出的软件所具有的各项功能是固化在一起的。一般说来，各成份很难 更动和替换，维护的成本很高，难以适应复杂多变的外部应用环境。如果该系 统需要与其他系统交互，就需要通过设立一组系统服务接口a p i 来达到目的。 假如是在同一地址空间中调用a p i ，问题并不复杂。但若要进行跨地址甚至跨 地址跨平台的调用时，传统的开发方式就不是那么合适了。 随着阿络特别是i n t e r n e t 的发展，基于多服务器的广域网的分布式对象体 系结构在应用系统的集成方面发挥着重要的作用m1 1 l 。在当前信息化网络化的 应用环境下，要求封装方法中的对象变量可以在分布异构环境中远程传输及异 地保存，因此采用分布对象计算来进行应用系统的开发成为研究的热点f 】2 1 。在 我们的论文研究中，采用了分布式对象的思惩，并通过分布式组件技术来解决 系统的开发问题。利用可复用的软件组件技术，通过智能地重用有用的部件， 我们可根据客户钓要求提供不同酶服务。 1 3 1 定位技术的选择 定位通常是指确定地球表面某种物体在某一参考坐标系中的位置”。定位 与导航是密不可分的，导航是指引导交通工具或其他物体从一个位置到另个 位置的过程，这一过程通常需要定位进行辅助。目前，可以采用的定位方法通 常有三类：推算定位、接近式定位和无线电定位。 我们主要讨论适用于全球导航的无线定位。无线定位可分为卫星无线定位 和地面无线定位。卫星定位利用g p s 、g l o n a s s 、北斗双星等卫星系统的多 个卫星实现移动目标的三维定位；地面无线电定位则通过测量无线电波从发射 机到接收机的传播时间、时间差、信号场强、相位或入射角等参数来实施目标 移动终端的二维定位。国际民用航空组织( i c a o ) 由于认识到卫星导航系统 的巨大优越住正在积极倡导各国使用卫星导航系统，从而导致了地面无线电 定位导航系统的逐步淘汰。本论文采用的是在全世界范围内得到广泛应用的 g p s 全球定位系统。 g p s 是英文n a v i g a t i o ns a l e i l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m 的字头缩写词n a v s t a r g p s 的简称，它的含义是，利用卫星的测时 和测距进行导航，以构成全球卫星定位系统。g p s 系统是目前技术上最成熟且 已实用的一种卫星导航和定位系统，能够廉价便捷地在全世界任何地方任何时 候提供商精度和连续位置、速度、航向、姿态和时闻信息。它具有如下特点： - 全球及全天候导航定位； 定位精度高； 实时定位速度快； 抗干扰性能好，保密性强。 g p s 方案是由2 4 颗卫星组成的实用系统。这些卫星分布在互成1 2 0 。的三 个轨道平面上，每个轨道平面平均分布8 颗卫星。这样，对于地球任何位置， 均能同时观测到6 曲颗卫星。设计粗码定位精度为1 0 0 米左右，精码定位精度 为1 0 米左右。2 4 颗卫星分布在互成6 0 。的6 个轨道面上，轨道倾角为5 5 。，由 2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成。卫星的分布使得在全球的任何地方、 任何时间都可观测到4 颗以上的卫星。并能保持良好定位解算精度的几何图形， 这就提供了在时间上连续的全球导兢能力。g p s 系统包括三大部分：空间部分 g p s 卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分g p s 信号接收机。世界上许多公司都在进行高精度g p s 设备的研制，并出现了许 多高性能的产品。美国的高通和加拿大的n o v a t e l 等公司的高动态、高数据输 出率g p s 接收机的单机定位精度可达1 0 米，差分精度最高可达l 厘米左右， 若进行数据后处理精度可达5 毫米，用于船舶导航定位的导航型接收机也有各 种各样的成熟产品。在本论文研究的系统中，各受控船舶上均需装备g p s 组 件。 3 2 分布式对象技术的选择 分布式对象体系结构的出现已经有十多年了，它在解决包括组件的包装、 跨语言的互操作性、进程间通信以及机器间通信等大型软件系统设计者所面临 的问题上具有相当的潜力1 1 4 j 。分布式对象技术是面向对象技术与广域网发展相 结合的产物，它把应用程序分割成独立于操作系统平台、网络协议和编程语言的 构件，使其在客户朋匣务器的结构上协调运行，并使应用程序的结构随着网络结 构的变化面变化。当前国际上有三大分布式对象技术标准： 一是由对象管理组织( o m g ) 所创建的公共对象请求代理体系结构 ( c o r b a ) 。c o r b a 规范概括了在相同或者不同机器上的进程间进行通信的 基础设施，同时提供了跨语言、跨平台、甚至跨开发商的互操作性。 二是由m i c r o s o f t 推出的分布式组件对象模型( d c o m ) 。d c o m 是m i c r o s o f t 为适应分布式计算的发展由c o m ( 组件对象模型) 拓展而来。d c o m 使用与开 放软件基金会( o s r ) 的远程过程调用兼容的r p c 机制，使处于网络上不同节点 的构件对象得以相互作用，并保证网络的透明性和通信的自动化，使编程者感 觉所有构件对象都在本地一样f i l j 。 三是由s u n 推出的基于j a v a 的远程方法调用( r m i ) ，它是一种仅适用于 j a v a 的解决方案，可以对j a v a 对象进行远程方法调用。 通过比较上述三种标准，我们发现在跨平台方面d c o m 基本只能用于微软 的w i n d o w s 系列操作系统，j a v ar m i 能在装上了j a v a 虚拟机的客户端上实现 跨平台通信，丽符合c o r b a 规范的产品几乎可用在所有的操作系统上；在跨 语言支持的能力上，d c o m 实现主要依赖于c + + 语言，j a v ar n i i 一定要用j a v a 语言实现，而c o r b a 产品对c 、c + + 、j a v a 、s m a l l t a l k 、c o b o l 以及a d a 编 程语言提供标准的映射：在体系结构上，d c o m 和c o r b a 以及j a v ar m i 都 采用了客户服务器结构，但在c o r b a 体系中，组件既可以是客户，也可以是 服务器，因此其实现具有极大的灵活性：在安全性能方面，使用d c o m 实现 的a c t i v e x 控件不含严格的安全性检查，控件具有其资源的所有权限，这样就 缺乏固有的安全性，而r m i 的安全性完全依赖于j a v a ，与此同时，o m g 已经 为基于c o r b a 的系统指定了广阔范围的安全服务。 从以上对比中，我们可以看到c o r b a 规范提供了健壮的跨语言、跨平台 以及跨开发商的支持，从而可以在众多的操作系统平台上创建服务器，它是目 前主流的远程体系结构，是创建中间层和后台服务器的可靠选择。因此在我们 的论文中，我们采用基于c o r b a 的分布式对象技术来构建应用系统。 1 3 3 无线通信方式的选择 现有各种无线通信系统可用于各种专用定位监控系统，诸如集群、v h f 、 g s m 系统、c d p d 系统等，它们在覆盖范围、可靠性、安全性、通信费用、 系统容量、工作方式等方面各不相同。其中半双工的集群系统( t r u n k i n g 6 s y s t 。m ) 是将通信技术和微处理器技术紧密结合，完成多用户信道共享的指挥 调度功能的通信系统，它主要应用于船舶监控系统，服务于公安、消防、出租 车等部门。过去船舶运输上广泛采用的v h f 由于通信质量差、无法实现双工 且难以与当前网络相融合等原因已逐渐被淘汰。基于g s m 的短消息服务构建 的应用系统在定位数据传输上具有覆盖范围大，软硬件技术比较成熟等优势， 但是其时延问题和指挥调度功能是制约其发展的瓶颈【1 。而利用全国正大力推 广的c d p d ( c e | l u l a rd i g i t a | p a c k e td a t a 蜂窝数字分组数据) 无线交换网l i 5 】作为 本系统的数据传输网络，不仅可以降低时延，增加定位精度，而且可以充分利 用网络带宽降低成本。这也是我们论文研究的一个重要方面。 下面将适用于船舶跟踪定位的两种通信方式的优劣作一简单比较。工作模 式上g s m 短消息和c d p d 均为全双工，都是数字的：安全性和可靠性二者 都很好；平均数据速率c d p d 比g s m 快一倍，达到1 9 2 k b p s ，可以降低时延； 在覆盖范围上，g s m 已覆盖全国，而采用c d p d 技术建设的中国公用无线数 据通信网始建于1 9 9 7 年，覆盖率相对要低一些，但其发展目标是尽快覆盖全 国。 结合到实际船舶动态跟踪系统来看，无论是移动终端送至监控中心的定位 数据还是下传的控制指令，都是属于小数据量突发的信息，实时性很强，而 c d p d 网络由于采用分组交换，适合突发数据的传输，同时避免了电路交换在 数据通信前由于建立连接过程造成的接续时间很长而实际传输时间又很短的 弊病，节约了带宽，降低了时延。同时由于c d p d 网络是纯数据通信网络，链 路的使用效率较高，费用比较便宜。同时由于c d p d 是基于t c p i p 的开放系 统，可以方便的接入i n t e r n e t ，每个无线终端都有自己的i p 地址所有基于 t c p i p 协议的应用软件都可以直接使用。尽管c d p d 网络还具有覆盖范围较 小的弱点，但在全国各大港口城市都已覆盖，以发展的眼光来看也会在不久的 将来覆盖全国，作为一个未来系统的研究来看，适当超前是可行的。综合以上 考虑，我们认为c d p d 无线通信网络是一个比较理想的选择。 论文主要研究工作 随着网络技术、通信技术的发展，新的无线数据通信网的建立，使得更好 利用网络带宽开发出实时性更好的船舶动态跟踪系统成为很现实的目标。本论 文主要研究在已有g p s 成熟应用的基础上，开发出构建于c d p d 无线通信网 络上的实时性强的船舶动态跟踪系统，用于在广大范围内的船舶定位。 为了达到我们的研究目标，我的论文研究工作主要包括以下几个方面： 1 学习掌握船舶定位应用的基本原理和主要技术，了解它们在系统中的 作用和相互问的关系：广泛收集和查阅国内外相关系统的资料以及类似研究的 进展情况，确定本论文是否在定程度上具备前瞻性和独创性：对比国内外各 现实系统的实现成本和实现条件，确定本论文是否具备可行性及发展前景。 2 对现有系统进行分析，确定采用一些新的思想和技术来开发不同于咀 往的新的系统，摈弃旧有系统中一些不适合当今应用要求的弊病，提出一个比 较先进的实现方案。 3 针对新的设计方案的各个技术细节进行研究。主要包括面向对象的思 想，将系统中各物理实体抽象成对象实体：基于组件的软件重用技术 t 4 t t t g a 9 l ，系统各模块由相互独立而又紧密联系的组件组成，各组件相互配 搭可完成多种功能；c d p d 通信技术1 1 6 2 1 ，22 1 ，利用新的分组交换蜂窝数字网进 行数据传输，消除既往g s m 系统由于建立连接造成的实时往差以及带宽不足 的缺陷；实现系统所用的j a v a 语言f 2 3 2 4 , 2 5 1 ，利用j a v a 语言跨平台运行的优势 实现系统的无缝运行；基于b t s 的三层数据库访问技术f 2 5 , 2 6 2 7 1 。中阊层的加入， 降低了服务器的运行负荷以及网络拥塞；g p s 运行原理以及电子海图的使用原 理，包括坐标变换以及海图信息、船位信息、船舶动态参数的集中处理等。 本论文包括船舶实时动态跟踪系统通信系统简介及其所采用的技术原 理，然后依次介绍了系统监控中心总体结构以及所采用的基于组件的实现原理 和技术，再按照数据的流程详述了数据采集过程、数据访问过程和数据处理过 程中所用组件的功能和实现过程，以及各组件的对外接口。 8 硕士学位论文 m a s i e r s1 _ i 亚s i s 2 船舶实时动态跟踪系统通信系统及其技术原理 2 1 通信系统概述 为了克服现有系统容量小和实时性差的弊端，在移动终端与监控中心的无 线通信上，本论文采用了新建的c d p d ( 蜂窝数字分组数据) 交换网作为传输 系统。新的传输系统具有带宽增倍( 9 6 k b p s 到1 9 2 k b p s ) p a 及显著降低时延( 5 5 s 到2 s 以下) 驯的作用，非常适合传输一些突发性短消息，且具有安全性高的 特点，成本也比较低廉。c d p d 同时是无线的i p 网络，每个无线终端都有自 己的i p 地址，可以方便地与基本通信网络( 如d d n 、x 2 5 等) 进行互联，便 于信息的交流。通信系统总体结构见图2 ，l 。 图2 1 通值系统总体结构 9 2 2c d p d 技术原理 2 2 1c d p d 工作原理 c d p d 是以数字分组数据技术为基础，以蜂窝移动通信为组网方式的移动 无线数据通信技术。分组数据交换，就是将要传输的数据按一定的长度分组i 并给每一分组加上收发地址及其它控制信息，然后把来自不同数据源的数据在 一条信道上交织进行传输。各分组不分先后到达目的地后在根据其控制信息将 其组装成完整的数据报文。c d p d 传输时，先寻找一个空闲的话音信道，将 分组数据在空闲信道上进行传输，当蜂窝话音用户要求占有该信道时，c d p d 系统将重新寻找新的空闲信道，并利用信道跳频技术自动跳到新的空闲信道 上。如此反复，直到传完为止1 2 l l 。 2 2 2c d p o 组成及功能 c d p d 通信系统是由移动数据基站( m d b s ) ，移动数据中介系统( m d i s ) ， 移动终端系统( m e s ) 。m d b s 和m d i s 间的数字数据专线( d d n ) 以及m d b s 和m e s 阃鲍空中链路( a i r l i n k ) 构成【2 ”。箕结构图见图2 2 。 a i r l i n g s 鬯r m e s f ) 图2 2c d p d 结构图 c d p d 在整个通信网中的作用与数字数据网( d d n ) 以及分组交换数据网 1 0 ( p s d n ) 类t g 在功能上是它 f 】的补充和延伸一提供移动服务，进一步扩展上述 两网的覆盖面：在网络结构上与移动电话网类似一同是采用以无线基站为基础 的蜂窝状覆盖，同频复用与小区分裂的无线组网方式。 1 m d i s ( m o b i l ed a t ai n t e r m e d i a t es y s t e m ) 为移动数据中介系统，它是 c d p d 网络的核心，大部分的通信工作都是由它来完成的。m d i s 在网络中的 作用类似于一部交换机，对需要进行通信的m e s 提供虚拟的空中连接，传送 分组。它又像是一个对移动有知觉的路由器，在任何给定的时间都知道m e s 的位置，从而可以根据其当前的位置执行路由功能。m d i s 中的主要部件是 a s ( a d m i n i s t r a t i o ns e r v e r ) 、p s 旧a c k e ts e r v e r ) 和n m s ( n e t w o r km a n a g es y s t e m ) 。 a s 是m d i s 乃至整个网络实际运行的管理设备。a s 主要承担用户数据库管理、 接入管理及计费管理，如用户鉴权、用户计费信息收集、d n s 域名服务等。 a s 可作冗余配置，一个是激活的，另一个作为热备份。p s 的主要功能是连接 管理，对m e s 送来的分组加以计数、编码以及确定路由。一个p s 最多可支持 3 0 个m d b s 。n m s 主要对网络进行维护和控制，进行配置管理、故障管理、 性能管理等“刿。 2 m d b s ( m o b i l ed a t ab a s es t a t i o n ) 为移动数据基站，m d b s 在网络中呈 蜂窝状分布，是构成网络的主要元素。它包括一个控制计算机、两个电源f 作 为冗余配置) 、6 个无线收发信机，每个无线收发信机提供一条1 9 2 k b s 的数据 信道，满配置时则可提供6 个无线信道，冗余的控制计算机是可选的。m d b s 的主要任务是管理网络侧到m e s 的无线接口，对传输的数据进行g m s k 调制 与解调，t c p f l p 分组头压缩及v 4 2 b i s 数据压缩、前向纠错及跳频控制等。 3 m e s ( m o b i l ee n ds y s t e m ) 为移动终端系统，在本系统中，m e s 是安装 在船舶上的设备，由一个c d p d 无线调制解调器与一个g p s 接收机组成。无 线m o d e m 负责m e s 与附近的m d b s 间的通信，c d p d 无线m o d e m 既可 内置也可外接，发射功率从o 6 - - 3 w 可变。g p s 接收机负责接收定位卫星发送 的船舶定位信息，目前已经有很多种用于船舶导航的成熟产品可供选用。当 o p s 接收机接收到卫星信号后，就能计算出自己的位置、速度、高度以及时间 信息，并通过无线m o d e m 将数据发送出去，远端主机就能显示该船舶的确 切位置，并向它发出各种控制信息。 2 2 3c o p d 通信过程 当用户向c d p d 运营商申请无线数据通信业务时运营商即向用户所购置 的m e s 赋予一个内部i p 地址，称为n e i ( n e t w o r ke n t i t yi d e n t i f i e r ) ，格式为 1 0 x x i x x x 。n e 作为一个网络设备识别符，它唯一固定地表征一个m e s ， 参与从登录到撤消登录以及计费等整个通信过程。m e s 登陆过程可通过图2 3 的信号流程来描述。 m e sm d b s 蜘略璃 一一一一一， 再娩十吏啊帕c d 胁黛m 一一一一一一 一一一一一一一一一一审- 相蓑棒一十他l 一一一一一一一一 一一一一一一一一一_ _ 避入葺予m 翻j 堂奎_ 互j ! 璺作 一一一一一一 一一一一一一一一一一售蝣望曩 一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一n 芑1 叠储尝试与证实 一一一一一一一 一一一一一一一一一一p 寻址遇镛 图2 ，3m e s 登陆过程的信号流程 其中t e i ( t e m p o r a r ye q u i p m e n ti d e n t i f i e r ) 为临时设备识别符，m d l p ( m o b i t e d a t al i n kp r o t o c 0 1 ) 为移动数据链路协议。登陆完毕后，即进行分组数据传输。 在本论文中，移动船舶i p 寻址通信的过程如下：m d b s 收到移动船舶发 来的分组后，通过数字线路送至m d i s ，m d i s 根据分组内源地址送至数据通 信组件，而数据通信组件中维护着对应于移动船舶对象的i p 地址表，经比对 l p 地址后，相应的移动船舶对象收下此包，同时由数据通信组件向移动船舶发 出确认信号。如移动船舶收不到确认信号，则重传此包，直到收到确认信号或 鼠超时放弃本次传输。数据通信组件中的移动船舶对象收到这些分组后，去掉 2 l p 鲍址和相应的开销后，将数据还原成完整数据报通过c o r b a 接口调用 发送至数据监控中心。 2 2 4c o p o 技术特点 c d p d 主要有以下技术特点： l ，信道共享 c d p d 的空中链路( 无线信道) 是一种共享资源，可由多个移动装置共享及 争用。每个c d p d 无线信道可允许多个移动装置同时使用。c d p d 采用了一种 类似于以太网中使用的载波侦听多路访问，冲突检测( c s m a c d ) 的数字感知 多重接入( d s m a ) 机制。由于移动装置不能够探测到其他移动装置的传输， 因此在d s m a 中，在前向信道加入一个“忙闲”和“解码状态”信道指示器。 “忙闲”信道状态指示器由m d b s 在侦测信道时建立，“解码状态”指示器 由反向信道作c d p d 传输时建立。移动装置利用“忙，闲”信道状态指示器来 获知另一个移动装置是否已经在信道上传输。而利用“解码状态”指示器指示 接收到的传输数据解码是否成功。移动装置将一次失败的指示解释为一次可能 的碰撞，并初始化此次进程进行重传，从而实现无线信道的共享。 2 前向纠错编码 为了在噪声干扰和其他信道恶化条件下最大限度地减少重传的需求，c d p d 采用了一种称为“李德所罗门”( r e e d s o l o m o n ) 的前向纠错编码机制。这样， 即使一定量b i t 被破坏，接收器也能执行一个解码算法，以恢复原来的数据而 不需要重传。 3 数据安全 c d p d 提供一种安全的空中链路，数据分组使用一种帝d i f f i e - i - l e l l m a n 无线 可变密钥4 0 b i t 版的r c 4 编码算法编码。使用这一算法，编码的密钥决不会在 空中广播。编码的密钥数量庞大且不断变化，从而系统中的每个m e s 有一个 唯一的不断变化的编码密钥，安全性极高。另外，m e s 每次登录m d i s 都要 进行一次授权检查。移动终端登陆一次，m d i s 就自动核对其发来的用户鉴权 随机码用户鉴权序列，并产生新的用户鉴权随机码，用户鉴权序列发给m e s ， 以便下次登陆时使用，如号码经核对有误，则服务被拒绝。 4 开放的接口 c d p d 是无线的i p 网络，以t c p i p 为基础，基于开放的系统平台，便于 与其他网络互联。同时由于存在众多的厂商进行产品的生产以及应用开发，有 利于本系统采用一些成熟设备，对成本的降低和技术的推广有着巨大的优势。 2 2 5b d p d 网络协议 c d p d 的网络结构大都是基于i s o o s i 的数据通信模式。其网络协议见 图2 4 。 图2 4c d p d 网络协议 c d p d 通信模型由网络层、数据链路层和物理层组成。其中，网络层和数据 链路层又各分成两个独立的功能层，前者包括：i p ( 互联网协议) 层和s n d c p ( 子 网相关会聚协议) 层；后者包括m d l p ( 移动数据链路协议) 层和m a c ( 媒体接 入控制) 层。适用于无线接口的数据链路层的协议是m a c 和m d l p 。m d b s 与m d i s 之间是通过地面数据链路相连的，其传输质量比无线高得多f 4 ”，因而 它们在数据链路层采用帧中继的传输方式，在物理层是d s o5 6 k b p s 的信道。 m 哪a s t e r 雠s t h e 文s i s 在m e s 和m d b s 间通过物理层的射频信道的r f 信道进行传输。同时，图中 未画出的m e s 与固定终端系统间使用t c p 作为传输控制协议。 2 3 数据传输格式 本通信系统中的数据传输分为上行和下行两部分。上行数据主要为移动船 舶的用户地址、实时位置、速度、时间、状态等；下行数据主要为用户地址、 调度命令、确认信息等。 1 上行数据格式 l 数据报头i 用户地址 纬度f 经度i 速度f 时间船舶状态f 一一一。j l j 2 下行数据格式 f 数据报头f 用户地址调度命令j 确认信息f 上行和下行数据报头不同，用于对上行、下行数据的解码。用户地址是指各移 动船舶的识别号码，上行中对应由数据通信组件中的哪个接收对象接收相应数 据，下行中对应由哪艘船舶上的m e s 接收i p 包。纬度、经度、时间均为g p s 系统所传送的信息，再由m e s 转发至m d b s 。调度命令为监控中心对相应地 址船舶的调度t 包括入港安排、就近支援、原地等待等。 可以看出系统中的数据具有突发实时信息量小的特点，而c d p d 通讯网正 适合传输这种类型的数据。 硕士晕位淹文 m a s r sn ! e s i s 3 船舶实时动态跟踪系统监控中心 监控中心是船舶数据的分析处理中心，由局域网( l a n ) 中一系列可重用 的组件构成。每个组件的实现各自独立，通过c o r b a 接口协同工作，实现各 自的功能。网络结构如图3 1 所示。 图3 1 监控中心网络结构 3 1 监控中心系统设计 监控中心是搭建在个局域网的环境里，由分布式的组件实现船舶数据分 析处理的各项功能。按照对数据的处理的过程分类，可以分为数据采集、数据 访问和数据处理三个环节。 “； 数据采集的过程是i v i e s 中的g p s 接收机接收到卫星传来的定位信息用于 自身导航后，经简单处理即通过c d p d 网络传至设在m d i s 里的数据通信组件， 再由数据通信组件通过事先注册c o r b a 对象采用消息唤醒的方式和设在监控 中心内部的数据采集组件进行通信来实现的。 数据访问涉及到存储组件、数据采集组件和远端的i n t e r n e t 用户问的交互 过程，它们构成三层的数据库访问体系结构，数据采集组件是数据库访问的中 间件。这种结构可以大大提高系统的性能，使中间层的业务逻辑处理与数据层 的数据紧密结合在一起，而无需考虑客户的具体位置，也可提高系统的伸缩性， 同时能提高系统带宽和事务处理速度。 数据处理主要包括对船舶位置显示、路径信息分析、地理信息的查询和维 护等功能的实现过程。监控中心的数据处理是通过数据采集组件、数据存储组 件和g i s 组件分工协作完成。 3 2 组件的功能和特点 到目前为止，我们提到过的组件有设置于移动船舶上的g p s 组件，位于 c d p d 网络m d i s 中的数据通信组件，位于监控中心局域网内的数据采集组件、 数据存储组件和g i s 组件。下面一一介绍它们的功能。 1 g p s 组件：g p s 组件位于船舶内，主要用于将接收到的g p s 定位信息 进彳亍显示，