（电子科学与技术专业论文）gps航法装置软件系统的研究与实现.pdf

a b s t r a c t o c e a ns h i p sa r ei m p o r t a n tt o o l s o nw h i c hm o d e mo c e a ns h i p p i n gi n d u s t r yr e l i e s f o rs u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t o nt h eb a s i so ft h e p r a c t i c a ln e e d so fm a r i n e t r a n s p o r t a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h er e m o t em a n a g e m e n t o fo c e a n - g o i n gv e s s e l sa n dt h er e m o t ed i s p l a ya n dc o n t r o lo fg p ss a i l i n gd e v i c ei n s h i p p i n gi n d u s t r yh o m ea n da b r o a d a n db a s e do nt h ea c t u a ld e m a n do f t h ev e s s e l u s i n g p r o j e c to ff u r u n os o f t e c h ( d a l i a n ) c o ，l t di nm a r i n er a d i on a v i g a t i o na n d s c i e n t i f i cm a n a g e m e n t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e f i c i e n c i e so ft h ec u r r e n tg p s n a v i g a t i o nd e v i c es y s t e m ，d e s i g n sa n da c h i e v e san e wg p ss a i l i n gd e v i c es y s t e mi n w h i c hn m e a 018 3m a c h i n e sa n dn m e a 2 0 0 0m a c h i n e sc a l lb ec o m p a t i b l e 、 ，i t he a c h o t h e r , a n dt h u si m p r o v e st h eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c ya n de c o n o m i cb e n e f i to fs h i p s 。 t a k i n gf u l la d v a n t a g eo fm o d e mc o m p n t e rt e c h n o l o g y ，m o d e mk n o w l e d g eo f s a i l i n ga n dm a r i t i m es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，an e wg p ss a i l i n gd e v i c e s o f t w a r es y s t e mi sd e s i g n e d i nt h i ss y s t e m ，t h er e l a t e dd a t ai n f o r m a t i o n ，s u c ha st h e n a v i g a t i o nc o n d i t i o n sa n dt h el o c a t i o n ，i ss e n t t on m e am a c h i n er e g u l a r l yt h r o u g h g p sn a v i g a t o ra n di sd i s p l a y e do nt h ei n t e r f a c e t h es o f t w a r es y s t e mc o n s i s t so ft w o p a r t s m e n ua n di n t e r f a c e t h em e n up r o v i d e sg u i d a n c ef o ru s e r s o p e r a t i o n w i t h w h i c hu s e r sc a ns e tt h ep a r a m e t e r st h e yn e e dt oc h e c k i ti sa ni m p o r t a n tp a r to f m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o ni n t e r f a c ei nt h es o f t w a r es y s t e m t h ei n t e r f a c ei sm a i n l yu s e d t od i s p l a ys a i l i n gi n f o r m a t i o n , 、加t hw h i c hu s e r sc a nc h e c ka n dm a n a g et h ei n f o r m a t i o n a n dm a s t e rt h es a i l i n gs t a t ec o n v e n i e n t l yt om a k ea c c u r a t ej u d g m e n tf o rt h eo p e r a t i n g s t a f fo nb o a r da n de n s u r et h es e c u r i t yo fs h i pn a v i g a t i o n a d o p t i n g n e tt e c h n o l o g ya n dm o d u l a r i z a t i o ni d e o l o g y ，d e t a i l e dd e s i g ni sc a r d e d o u tf o rt h ew h o l es y s t e m a l lt h er e l a t e dp a r a m e t e r sa r ed i v i d e di n t os e v e nm o d e s ，a n d e a c hm o d ei s p r o c e s s e da sas e p a r a t em o d e l ，t h e nt h e s e v e nm o d e sa r eu n i f i e d m a n a g e m e n tb yo n em o d e lt om a k es u r et h ee n t i r es y s t e mi sd e s i g n e ds i m p l ya n d o r d e r l y ，a n di m p r o v e st h ef l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo ft h es y s t e m t h em e t h o da n dp r o c e d u r e so ft h es y s t e mt e s ta r eg i v e na tt h ee n do ft h i sp a p e r t h ee n t i r es y s t e mi st e s t e ds t r i c t l yf r o ma n a l o gt e s tt or e a lm a c h i n et e s t t h er e s u l to f t h es y s t e mt e s ts h o w st h a tt h eg p ss a i l i n gd e v i c es y s t e mm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h es y s t e mh a sb e e nd e l i v e r e dt ot h ec u s t o m e r ，a n dw i l lb ep r o d u c e ds o o na n dp u ti n t o a c t u a lu s e k e yw o r d s ：n e t ：m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ni n t e r f a c e ；n m e a 0 18 3 ；n m e a 2 0 0 0 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：q 墨航鎏装置鞑仕丕统鳇亟究皇塞现：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：多隆道垒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论文全文 数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和 提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名：却寸矛函师签名：讥l 、厶童 1 日期：力杪夕年易月枷 g p s 航法装置软件系统的研究与实现 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 远洋运输业作为国民经济的重要组成部分，是一个国家或地区经济正常运行 和快速发展的重要基础。我们知道，地球表面7 0 以上的面积为海洋所覆盖，远 洋运输业充分利用了这片辽阔的天然水域，使其较之于整个交通运输综合体系中 的其他运输方式具有运量大、运距长、成本低、能耗少等优点。自1 5 世纪中叶葡 萄牙航海家第一次拉开人类航海事业的巨幕至今，跨国海上运输己成为国际货运 的最主要方式，据统计，如今世界贸易量的9 0 以上是通过国际航运来完成的。 而且，随着世界经济全球化的发展，世界各国家、地区间的交往与贸易愈发频繁， 远洋运输业连接着全球的物质生产和物质消费，在国际贸易中必将发挥更加巨大 的作用。 远洋船舶是远洋运输业赖以生存和发展的重要工具，远洋船舶在远离大陆的 茫茫大海中航行，船舶的无线电导航和船舶自身的运行安全显得格外重要。一方 面，船上作业人员需要及时掌握船舶的航行状态，从而设计出最佳的航运路线和 管理方案，达到最佳的营运效率和最高经济利益；另一方面，船上作业人员需要 对船舶自身的系统运行状况进行实时监控，保证船舶在航行过程中的安全，特别 是在出现险情的紧要关头，做到险情提前预警，防患于未然，保证财产和人员的 安全。 越来越多的航运企业和船务公司出于对安全保障、经济效益等因素的考虑， 迫切希望及时、准确的掌握船舶的航行状态，船上设备的运转情况，以便于对其 进行监控和管理，近年来，随着日新月异的计算机技术、网络技术及海上卫星通 信技术等的发展和应用，这一愿望也逐步成为现实【1 1 。 论文的项目来源于大连古野软件有限公司的船用项目。之前开发的g p s 航法 装置，在运行过程中逐步暴露出来一些功能和性能的不足，不能很好的满足用户 的要求。具体来说包括以下两点： 第1 章绪论 ( 1 ) 在功能方面，显示的固定和死板，用户无法完全实现按照个人需求对显示 的信息进行调整。 ( 2 ) 在显示方面，同一个参数显示单调，无法完成在数字、模拟和图表之间的 转换，显示不直观，不友好。 论文针对以上这些问题，应用计算机技术和古野公司多年开发积累的图形库， 探索g p s 航法装置远程显示和控制的新途径。 1 2g p s 航法装置的现状与发展 g p s 航法装置作为一种远程显示和控制系统，信息的显示是其主要作用，所 以，液晶显示技术【2 】的发展对此类系统的影响是至关重要的。在以往开发的g p s 航法装置中，例如r d 3 0 和g p 3 2 ，由于受当时显示技术的限制都采用了黑白 s t n l c d 。s t n l c d 是通过光干涉显示原理进行显示的，是一种有色模式显示， 常见的有黄蓝模式和蓝绿模式等。有色的背景降低了对比度，也难以彩色化。如 果在液晶显示器和偏光片之间增加一个光学延迟片，将透过液晶显示器的圆偏光 改变为线偏振光，实现了黑白显示，这种显示从效果来看比较单调，可视化不强， 而本系统采用的是彩色s t n 显示3 1 ，所谓的彩色s t n 显示是将上面的黑白 s t n l c d 用微彩色膜技术处理后，即可以实现彩色显示。由于s t n 显示的灰度级 别不高，使彩色s t n 的彩色级别也不多，我们称之为伪彩色，后来由于彩色( 真彩) 的1 r i 叮l c d 的成本日益下降，使彩色s t n ( 伪彩) 显示退出这一领域。不过，近几 年由于移动通信的迅速发展，在不需要高速视频活动界面显示的领域，彩色s t n 又得到迅速发展。 从下面两图的对比我们可以看出r d 3 3 显示更加细腻，这是因为像素密度的提 高，r d 3 3 采用的是4 8 0 x 2 7 2 个像素点，而r d 3 0 只有1 2 0 x 6 4 个像素点，不能 满足显示的高清晰度和小面积、大容量显示方面的要求。对两个系统的显示对比 如图1 1 所示。 g p s 航法装置软件系统的研究与实现 图llr d 3 0 和r d 3 3 显示效果对比 w i g1 1c o m p a r e o f i m s p l a y e f f e c t s o f r d 3 0a n d r d 3 3 随着存储技术“l 的发展，系统显示的信息量也随之增加，以往的产品受存储空 问的限制，信息量较小，所以只能选择一些重要的信息进行显示，这样对于船舶 的航行管理存在报多不足，也造成很多安全上的隐患，倒如r d 3 0 只有h i g h w a y , g r a p h i c a l ，s p e e d o m e t e r , t e x tm o d qa n c r n o m g i c r 五种显示界面，而新开发的r d 3 3 会有7 种显示界面，信息量将更加庞大。 在人机交互p 1 方面，以往的机型自定义程度不够，不能满足用户的个性需求， 显示的单调性也是问题之一。主要表现为在自定义程度上，可咀自由选择的信息 参数有限，而且基本上只能进行数字显示，虽然简洁直观，但可视化程度不高， 而新开发的r d 3 3 系统能够实现所有信息参数的自由选择，某些参数更能在数字显 示、模拟显示和图表显示之间自由切换，信息量的增加，使得自定义程度更高。 综合上述几方面的对比，我们可以发现，g p s 航法装置是随着液晶显示技术、 存储技术和人机交互技术的发展而发展的，随着下一代液晶显示技术和存储技术 的发展，g p s 航法装置将会朝着高信息量、高清晰显示的方向不断发展，随着市 场的不断扩大，国际化将更为明显，更加满足用户的个性需求。 1 3 论文主要研究内容 本论文在古野公司的船用项目的基础之上，结合n m e a 0 1 8 3 和n m e a 2 0 0 0 协议，综合利用海事卫星通信技术1 6 1 和嵌入式技术，通过计算机进行研究开发g p s 航法装置。g p s 航法装置即是一种遵循国际上通用的n m e a 通信协议，通过处理 接收过来的卫星数据和船舶自身系统运行的重要数据，进行航行控制的远程显示 第1 章绪论 和控制系统。通过全球统一的n m e a 通信协议，实现g p s 航法装置与其它航海仪 器的兼容。 论文的主要研究内容包括： ( 1 )调查研究已开发的航法装置的系统构架和工作原理，结合用户的需求进 行分析，提出g p s 航法装置系统的体系结构，重点研究系统的界面部 分。 ( 2 ) 研究g p s 全球定位系统和现代航路航法知识。研究全球定位系统的组 成和工作原理，对从卫星接收过来的航海数据进行分析和处理；研究 n m e a 0 1 8 3 和n m e a 2 0 0 0 通信协议，深入理解n m e a 0 1 8 3 协议的数据 格式，及其在系统中的数据处理；研究n m e a 2 0 0 0 各层的通信要求， 并结合其接口予以实现。 ( 3 ) 设计并实现g p s 航法装置的软件系统。该系统是基于v i s u a ls t u d i o n e t 进行主机模拟开发，利用古野公司多年开发积累的图形库并运用移植性 能好的c 语言在h o s t 环境下进行开发。 ( 4 ) 提出系统的测试方案和具体步骤，对整个系统进行调试，重点对本论文 的研究重点，即界面部分进行主机调试，开发后期进行实机联合调试。 一4 一 g p s 航法装置软件系统的研究与实现 第2 章全球定位系统和航路航法简介 2 1 全球定位系统 2 1 1 全球定位系统概述 g p s 是n a vs t a r g p s ( n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的简称，是由美国国防部研制的导航卫星测距与授时、定位和 导航系统。此系统由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成，这2 4 颗卫星等间 隔分布在6 个互成6 0 。的轨道面上，这样的卫星配置基本上保证了地球任何位置 均能同时观测到至少4 颗g p s 卫星。它具有海、陆、空全方位实时三维导航与定 位能力，是美国第二代卫星导航系统，其特点是全天候、高精度、应用广，是迄 今最好的导航定位系统。它广泛的应用价值，引起了各国科学家的关注和研究， 前苏联和西欧各国的科学家在积极开发利用g p s 信号资源的同时，还致力于研究 开发各自的卫星导航定位系统。同时，它的出现也导致了测绘行业一场深刻的技 术变革。 2 1 2 全球定位系统的组成 全球定位系统由三大部分组成，即空间部分、地面监控部分、用户设备部分。 如图2 1 所示。 图2 1 全球定位系统的组成 f i g 2 1c o m p o n e n t o fg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 一5 一 第2 章全球定位系统和航路航法简介 ( 1 ) 空间部分 g p s 系统的空间部分是指g p s 工作卫星星座，其由2 4 颗卫星组成，其中2 1 颗工作卫星，3 颗备用卫星，均匀分布在6 个轨道上。卫星轨道平面与地球赤道面 倾角为5 5 0 ，各个轨道平面的升交点赤经相差6 0 0 ，轨道平均高度为2 0 2 0 0 k m 。卫 星运行周期为1 1 小时5 8 分( 恒星时) ，同一轨道上的各卫星的升交角距为9 0 0 。g p s 卫星的上述时空配置，基本保证了地球上在任何地点，任何时刻均至少可以同时 观测到4 颗卫星，以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。g p s 卫星的主体 呈圆柱形，直径约为1 5 m ，重约7 7 4 k g ，两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能 自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星带有四台高精度原子钟，其 中2 台为铷钟，2 台为铯钟。g p s 卫星上设有微处理机，可以进行必要的数据处理 工作，它主要的3 个基本功能：根据地面监控指令接收和储存由地面监控站发来 的导航信息，调整卫星姿态、启动备用卫星；向g p s 用户播送导航电文，提供导 航和定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。 ( 2 ) 地面监控部分 由5 个地面站组成，其中1 个主控站，其位于美国本土科罗拉多斯平士 ( c o l o r a d os p i n g s ) 的联合空间执行中心c s o c ；3 个注入站，分别设在印度洋的迭 哥加西、南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰。5 个监控站，其中4 个与主 控站、注入站重叠，另外一个设在夏威夷。主控站的主要任务为g 根据各监控站 提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、卫星钟差、和大气层修正参数并把这 些数据传送到注入站；提供g p s 系统的时间标准；调整偏离轨道的卫星，使之沿 预定的轨道运行；启用备用卫星以取代失效的工作卫星。注入站的主要任务为： 在主控站的控制下，把主控站传来的各种数据和指令等正确并适时地注入到相应 卫星的存储系统。监测站的主要任务为：给主控站编算导航电文提供观测数据， 每个监控站均用g p s 信号接收机，对每颗可见卫星每6 秒钟进行一次伪距测量和 积分多普勒观测，并采集气象要素等数据。 ( 3 ) 用户设备部分 g p s 航法装置软件系统的研究与实现 用户设备部分由g p s 接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终 端设备组成。其主要功能是接收g p s 卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信 息及观测量，并经简单数据处理实现实时导航和定位，最后用后处理软件包对观 测数据进行精加工，以获取精密的定位结果。 2 1 3 全球定位系统的工作原理 g p s 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来 几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星 历，精度为几米至几十米( 各个卫星不同，随时变化) ；以及g p s 系统信息，如卫 星状况等。 g p s 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星 钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0 a 码测得的伪距称为u a 码伪距，精 度约为2 0 m 左右，对p 码测得的伪距称为p 码伪距，精度约为2 m 左右。 g p s 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上 的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位， 它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相 位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记 录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的， 起始历元的相位整数也是不知道的，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测 值的精度高至毫米，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位 观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。 按定位方式，g p s 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 【8 】。定位就是根据 一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用 于车船等的概略导航定位。相对定位( 差分定位) 是根据两台以上接收机的观测数据 来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测 量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 第2 章全球定位系统和航路航法简介 在g p s 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等 误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部 分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个 频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离 较远时( 大气有明显差别) ，应选用双频接收机。 在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车 船等概略导航定位的精度为3 0 1 0 0 m 的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位 的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级的相位差分定位( r a x ) ， 实时差分定位需要数据链将两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。在定 位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测 时，一般均采用这种方式由几台接收机同时观测，它能最大限度地发挥g p s 的定 位精度，专用于这种目的的接收机被称为大地型接收机，是接收机中性能最好的 一类【9 】。目前，g p s 已经能够达到地壳形变观测的精度要求，i g s 的常年观测台站 已经能构成毫米级的全球坐标框架。 2 1 4 全球定位系统在航海中的应用 1 9 9 4 年3 月，g p sc a 码向所有用户开放，为用户提供高精度的三维位置、 速度和时间信息，在海陆空许多领域得到广泛的应用。g p s 导航仪可用来存贮航 路点、存贮航线、用数据或图像显示船舶的速度、航向、航行偏差和到达距离、 航行时间等航行资料，提供各种航行警告。还可以与其他通信导航系统和航海仪 器结合，在航海中发挥重要的作用，在航海中的应用【1 0 l 主要有以下几个方面： ( 1 ) 为电子海图提供信息； ( 2 ) 船位报告和船舶动态监视； ( 3 ) 船舶交通管理； ( 4 ) 浮标和锚位以为监测； ( 5 ) g p s 与雷达配合使用，可使船舶避开视在的和潜在的固定障碍物，确保航 行安全； g p s 航法装置软件系统的研究与实现 ( 6 ) 水下定位； ( 7 ) g p s 与其他设备的组合应用。包括g p s 搜救信标、g p s 与航海黑匣子和自 动驾驶仪连接、g p s 与鱼探仪组合等。 ( 8 ) g p s 修正和测量其他导航系统误差。主要包括修正劳兰c 误差、测定雷达、 罗京和测向仪的误差等。 2 2 航路航法 航路航法是指用数学计算或查表来确定航向、航程或推算船位的航行作业方 法，又称航迹计算。一般涉及航向、航程和经差、纬差的换算，经差和东西距的 换算等问题。1 5 1 7 世纪，航海家们经过长期实践和研究总结出八大航法，形成 以平面三角和球面三角的解算为基础的航海学。 2 2 1 航路航法分类 八大航法为平面航法、流中航法、折航法、等纬航法、中分纬度航法、墨卡 托航法、大圆航法和混合航法【1 。 ( 1 ) 平面航法：把地球面看作平面的航法。航向、航程、纬差、东西距之间的 数学关系可用直角平面三角形表示。如图2 2 所示。 纬 差 东西距 图2 2 平面航法示意图 f i g 2 2d i a g r a mo f p l a n es a i l i n g 。第2 章全球定位系统和航路航法简介 图中，纬度= 航程x s i n ( 航向) ：东西距= 航程x s i n ( 航向) 。此法计算简单， 曾使用了数世纪。但是因其准确性差，多用于近距离航行。 ( 2 ) 流中航法：把流向、流程当作一个附加的航向、航程的航法。用于流中推 算船位或计算能抵消流的影响的驾驶航向。 ( 3 ) 折航法：多航向的航法。计算时先分别求出各航向段的纬差和东西距的总 和，再求直航向和直航程，即相当的单一航向和航程。1 4 3 6 年出现折航表， 简化了计算过程。过去帆船抢风曲折航行常使用此航法，现在机动舰船也 使用此法。 ( 4 ) 等纬航法：东西向航行时，涉及东西距和经差换算的航法。这是最简单的 球面航法，其关系式为： 经差= 东西距s e 纬度)( 2 1 ) 过去在海上不能测定经度的时代常用此法。现在混合航法中也仍使用。 ( 5 )中分纬度航法：斜向航行时用中分纬度解决经差【3 5 1 和东西距换算问题的球 面航法( 纬差计算同平面航法) 。其关系式为： 经差= 东西距s e c ( 中分纬度)( 2 2 ) 当两地( 纬度同名) 的经度线在某纬度圈上所截弧长等于该两地的东西距时， 此纬度称为中分纬度。在该两地平均纬度附近，航程2 0 0 海里以内，可用 平均纬度作为中分纬度。航程小于6 0 0 海里，而且纬度小于6 0 0 时，用平均纬 度代替中分纬度计算经差所产生的误差约为1 。如果要求得到准确值，则 要按航海表中的中分纬度修正量表加以修正。中分纬度航法出现于1 7 世纪， 用以解决平面航法不准确的问题，虽不如墨卡托航法准确，但仍有用。 ( 6 ) 墨卡托航法：利用墨卡托投影中经度线上的纬度渐长率型3 5 】进行航行计算 的航法，又称恒向线航法。墨卡托航法示意图如图2 3 所示。 g p s 航法装置软件系统的研究与实现 其关系式为： 经差 图2 3 墨卡托航法示意图 f i g 2 3d i a g r a m o fm e r c a t o rs a i l i n g 经差= 纬度渐长率差t g ( 航向)( 2 3 ) 墨卡托投影是在将球面投影于平面时，使经度线和纬度线同比例地渐长。 纬度渐长率差就是两地纬度渐长率之差( 纬度同名时相加) 。纬度渐长率表发 表于1 5 9 9 年，可在航海表中找到，它是墨卡托航法的基础。此航法很准确， 但当靠近东西向航行时应使用中分纬度航法，因正切在9 0 0 附近变化很快， 航向稍有误差将引起很大的经差误差。 ( 7 ) 大圆航法：采用地球面上两地间最短航线，即大圆航线的球面航法【1 2 】。已 知起迄两点的经纬度，可用球面三角的边余弦公式解算由地极和起迄两点 形成的三角形求得航程，再用正弦公式计算起迄点的航向。也可利用大圆 顶点将该球面三角形分为两个直角三角形以简化计算。这些解法和天文三 角形的解法相似，可借用天文航海用表计算。大圆航法发表于1 5 3 7 年，由 于当时对风、流的知识和测定经度的方法尚未掌握，直到1 9 世纪才获得推 广。 第2 章全球定位系统和航路航法简介 ( 8 ) 混合航法：当大圆航线受陆地、冰山或恶劣天气的限制时，将大圆航法和 其他航法混合使用的航法。此法是将限制纬度作为大圆顶点计算大圆航线， 其余按有关航法计算。 2 2 2 航路航法的应用 航法计算不如海图作业直观、简单，所以一般仅在如下情况使用： ( 1 ) 海图比例尺太小，图上作业的准确度不够高时； ( 2 ) 在无线电定位和天文定位中，不能直接在海图上作图时； ( 3 ) 转向频繁，难以进行海图作业时。 2 3 本章小结 对g p s 航法装置系统涉及到的g p s 全球定位系统和航路航法分别进行介绍。 “g p s 航法装置”一词在国内并不常见，为了清晰的解释这一系统的定义，本章从 两个方面分别进行阐述。首先对全球定位系统做了简单清晰的介绍，此系统主要 通过接收卫星天文数据，并进行数据处理达到用户可以识别的信息，科学管理船 舶的航行；其次，对现代航法进行了简单的介绍，对各种航法的应用范围做了清 晰的阐述，通过两方面的整合，从而对g p s 航法装置有了比较清晰的认识。 g p s 航法装置软件系统的研究与实现 第3 章n m e a 0 1 8 3 和n m e a 2 0 0 0 通信协议 3 1n m e a 0 1 8 3 通信协议 3 1 1n m e a 0 1 8 3 协议概述 n m e a 0 18 3 协议标准是为了解决航海仪器、导航设备和通信设备之间互连 时接口不统一的问题而提出的，为上述设备之间通信提供可满足需要的数据。此 协议标准支持单个发送设备到单个或者多个接收设备的单向数据传输。发送的数 据包括方位、速度、深度等可打印的a s c i i 码。信息长度为l1 - 7 9 个字符，传输 时间间隔小于一秒。此协议标准不适用于高带宽仪器，例如雷达、可视图像和文 件传输设备等。 数据传输采用与美国国家标准协会( a n s i ) 标准一致的异步方式。数据的第一 位是起始位，紧跟着的八位为数据位，最后一位是停止位。需要设置的参数如下： ( 1 ) 波特率4 8 0 0 b p s ( 2 ) 数据位数8 ( d 7 = o ) ( 3 ) 奇偶校验无 ( 4 ) 停止位数 l 数据格式如图3 1 所示。 d 0d 1d 2d 3d 4 d 5 d 6 d 7 图3 1 眦e a 0 1 8 3 数据格式 f i g 3 1d a t af o r m a to f n m e a 0 1 8 3 具体地说，n i v i e a 0 1 8 3 的信息格式为： 第3 章n i 也a 0 1 8 3 和n m e a 2 0 0 0 通信协议 $ a a a a a ，d f l ，d f 2 , - - - 所有的信息是以$ 开始，以换行结束，紧跟着$ 后的五个字符解释了信息的基 本类型，多重信息之间用逗号隔开。 共有三种基本的类型：信息源、查询、属性【1 4 1 。 ( 1 ) 信息源的标准格式： $ t t s s s ，d f l ，d f 2 ， 紧跟$ 后的两个字符用来识别作为信息内容识别码的后3 个字符，信息识别码 定义了保留的数据区，在n m e a 0 1 8 3 标准下，每个类型的数据区的信息内容是符 合标准的。举例如下： $ h c h d m ，3 2 8 ，m “h c ”说明信息源作为一个磁性的罗盘，“h d m 指明以下是磁性的船首向航 向，2 3 8 是船首向航向的值，“m ”指明船首向航向的值是磁性的。 ( 2 ) 查询的标准格式： $ t t l l q ，s s s ， 头两个字符作为请求者信息源的识别码，后两个字符作为被查询设备的信息 识别，最后一个字符说明这是一个查询。紧跟着的字段( s s s ) 包含了三个字的被查 询内容的记忆信息。举例如下： $ c c g p q ，g g a “c c ”这个设备( 计算机) 正从“g p ”这个设备( g p s ) 查询g g a 的内容。g p s 将每 隔一秒传送这个内容，直到有别的查询请求。 ( 3 ) 属性的标准格式： $ p m 匝加a ，d f l ，d 也， “p ”是属性内容，“m m m 定义为厂商信息代码，a ( 瓜龙) ”表明信息类型。这 对厂商来说是一种没有在标准下预定义的特殊内容的方法。 g p s 航法装置软件系统的研究与实现 3 1 2n m e a 0 18 3 通信协议的域和语句 所有传输的数据都要以a s c i i 码的形式，中间的数据位在传输过程中保证第 七位是零。保留位用于特殊目的，例如语句和域的定界。 域是一组有效字符串，或是一个空域，位于两个适当的分隔符之间。地址域 是一个句子中第一个域，以“$ ”或“! ”作为分隔符，用于定义句子。“$ ”分隔符适用 于含有常规参数的，可分割的域组成的语句，而“! ”分隔符适用于含有特殊目的封 装的，不可分割的域组成的语句。地址域不能为空，只有含有下面三种类型的地 址域的语句才能够传输： ( 1 ) - a p p r o v e da d d r e s sf i e l d 包括5 个数字和由此标准定义的几个字母。起始的两个字符是发送设备的标 识符。此标识符定义传输数据的性质。含有多种接收设备的能够传输此种数据的 设备必须传输合适的发送设备标识符，例如一个含有g p s 接收机和l o r a n c 接收 机的设备，当到达指定g p s 接收机的位置时，必须以g p 为标识符，而到达使用 l o r a n - c 接收机的位置时以l c 为标识符，当两者的位置重合时以i n 为标识符。 剩下的三个字符用于定义数据的类型和格式。 ( 2 ) q u e r ya d d r e s sf i e l d 包括5 个字符，主要用于从一个已标识的发送设备的一个单独的总线上请求 传输一个特殊的语句。起始的两个字符是请求传输数据的设备的发送设备的标识 符，接下来的两个字符是被找到地址的设备的发送设备的标识符，最后一位是此 地址域的标识位“q ”。 ( 3 ) p r o p r i e t a r ya d d r e s sf i e l d 此地址域以标志字符p ”作为第一位，随后是三个字符组成制造商的助记码， 主要用于指示一个合适的语句和任何请求的其他字符的发送设备。不同的制造商 通过不同的助记码进行识别。 语句是所传输的数据格式整体的总称。一个语句最多含有7 9 个字符，这些字 符中最大的a s c i i 值不能超过8 2 ，最小的a s c i i 值是1 ，一个语句的第一个域是 地址域，包括发送设备的标识符和语句的格式，而语句格式规定了数据域在语句 第3 章n m e a 0 1 8 3 和n l f f 淝0 0 0 通信协议 中的长度，数据的类型和数据域在传输的过程中的顺序。语句的其他部分可能包 括0 或者多个数据域。 在一个语句中允许域中最大的a s c i i 值仅局限于最大语句的长度( 8 2 个字符) 。 当一个域中的数据无效时，在句子中用空域来表示。所有的语句以分隔符“$ ”或者 “! ”开始，以分隔符“ ”结束。 语句的分类主要有以下几种： ( 1 ) p a r a m e t r i cs e n t e n c e s 此类语句以分割符“s ”开始，表示有标准定义的a p p r o v e ds e n t e n c e s 的大部分。 这类语句的基本规则如下： 语句以分隔符“$ ”开始； 只有a p p r o v e ds e n t e n c e s 的格式才允许使用，其他用于特殊目的的语句不可 以使用； 只有有效的字符允许使用； 只有a p p r o v e df i e l d 的类型允许使用； 数据域被单独分隔，而且其内容被此标准详细地鉴定和描述； 没有分隔符的封装的数据域不允许使用； ( 2 ) e n c a p s u l a t i o ns e n t e n c e s 此类语句以分隔符“! ”开始。这种用于特殊目的的语句结构的功能是当特殊数 据的内容不知道或者需要更高的信息带宽时，提供传送信息的一种方法。好比一 个调制解调器，只是传送信息，而不必知道这个信息是如何解码的。 这类语句的基本规则如下： 语句以分隔符“$ ”开始； 只有a p p r o v e ds e n t e n c e s 的格式才允许使用，常规参数的语句不可以使用； 只有有效的字符允许使用； 只有a p p r o v e df i e l d 的类型允许使用； 只有6 位编码可能用于创建此类语句； g p s 航法装置软件系统的研究与实现 语句定义必须由一个e n c a p s u l a t e dd a t af i e l d 和任意数目的以分隔符“，” 分开的p a r a m e t r i cd a t af i e l d s 。 语句包括一个叮o t a ln u m b e ro fs e n t e n c e s ”域； 语句包括一个“s e n t e n c e sn u m b e r ”域； 语句包括一个“s e q u e n t i a lm e s s a g ei d e n t i f i e r ”域； 语句包括一个“f i l lb i t s ”域，后面紧跟着一个e n c a p s u l a t e dd a t af i e l d 。 ( 3 ) q u a y s e n t e n c e s 此类语句用于在双向通信中请求传输a p p r o v e ds e n t e n c e s 。这就要求在通信中， 在一条总线上既能作为发送设备，又可以作为接收设备。其以分隔符“$ ”作为语句 的开始。t h ea p p r o v e dq u e r ys e n t e n c e s 包括如下几个要素： “$”hex2 4 一语句的起始符 请求者的发送标识符 被请求的数据的设备的发送标识符 唧标识q u e r ya d d r e s s “，”数据域分隔符 被请求的数据的a p p r o v e ds e n t e n c e s 格式 窄校验和域 hex o do a 一语句的结束符 ( 4 ) p r o p r i e t a r ys e n t e n c e s 当制造商使用此语句结构传输数据的长度超过a p p r o v e ds e n t e n c e s 的时候， p r o p r i e t a r ys e n t e n c e s 将被使用。主要是基于如下理由考虑的。 数据用于同一制造商生产的另一种特殊的设备，而不是满足广大用户的一种 数据格式或类型； 数据用于采纳a p p r o v e ds e n t e n c e s 之前的测试目的； t h ep r o p r i e t a r ys e n t e n c e s 包括如下几个要素： “$ ”o r “! ”h e x 2 4 或h e x 2 1 一语句的起始符 “p ”h e x 5 0 一p r o p r ie t a r ys e n t e n c e si d 第3 章i 慨a 0 1 8 3 和n m e a 2 0 0 0 通信协议 制造商的助记码 ，矿”，“，” 制造商的数据 “半” 校验和域 hex o oo a - 语句的结束符 p r o p r i e t a r ys e n t e n c e s 必须包含校验和，而且确认来自的请求必须限制在数据的 总长度范围之内。制造商的数据域必须是以分隔符“ ”或者“，”分离。 3 1 3n m e a 0 1 8 3 的数据内容 n m e a 0 18 3 通信协议的域的定义如下： ( 1 ) 特殊格式域 域的类型 s t a t u s 符号 a l a t i t u d e i i i i i i l 0 n 酉t u d ey y y y y y y t i m e 定义 单一的字符域： a = y e s ，d a t av a l i d ，w a r n i n gf l