（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式linux的船舶导航和鱼探系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 在本论文中提出并研究设计了一种基于嵌入式l i n u x 的船舶导航和鱼探系 、，一 统。该系统在3 2 位高性能嵌入式处理器m p c 8 2 3 、嵌入式l i n u x 和嵌入式g u i 。一 ( q t e m b e d d e d ) 的基础上设计实现，具有功能丰富、界面友好、结构紧凑、可 靠性高、成本较低等特点。该系统集成了导航和鱼探两项功能，是安全航行和科 学渔业的必备工具。 第一章综合论述了电子海图应用系统、嵌入式l i n u x 和g u i 的发展现状，并 提出了本课题的意义。 第二章对总体功能进行分析，分别论述了电子海图预处理功能、嵌入式船舶 导航和鱼探系统的功能，并提出了系统的总体设计方案。 第三章介绍了系统实现的硬件和软件开发平台，以及相关的背景知识。硬件 设计以嵌入式处理器m p c 8 2 3 为核心，软件的开发平台建立在嵌入式l i n u x 和 q t e m b e d d e d 。以及启动程序p p c b o o t 上。 第四章介绍了系统实现的软、硬件设计。特别是嵌入式软件的设计，软件实 现分成六大模块：海图显示模块，航线设计和航行监视模块，人机界面模块，鱼 探模块，g p s 模块，驱动模块。 第五章给出了本文研究的主要结论，并对系统的发展前景进行展望。 关电子海图嵌入式系统嵌入式l i n u x 图形用户接口 堂幽之塑型些堡苎 塑茎 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as h i pn a v i g a t i o na n df i s h f i n d e rs y s t e mb a s e d o ne m b e d d e dl i n u xi sp r o p o s e d t h i s s y s t e m i s d e v e l o p e db a s e do nh i g h p e r f o r m a n c e3 2 一b i t se m b e d d e dp r o c e s s o r ( m p c b 2 3 ) a n de m b e d d e dl i n u x ，a n d h a sb e e np r o v e dt ob ep o w e r f u l ，h i g h r e l i a b l e ，l o w c o s t i t i n t e g r a t e s t w of u n c t i o n a lc o m p o n e n t sa n db e c o m e san e c e s s a r yt o o lf o rs a f es a i l i n g a n ds c i e n t i f i cf i s h i n g i nc h a p t e r1 ，t h ea u t h o rd e s c r i b e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u s o fe c s ( e l e c t r o n i cc h a r ts y s t e m ) ，e m b e d d e dl i n u xa n dg u i ，a sw e l la s t h e s i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c hw o r k i n c h a p t e r2 ，t h ef u n c t i o n so ft h i ss y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l a n daf e a s i b l es c h e m ei sa d d r e s s e d i nc h a p t e r3 ，t h ed e s c r i p t i o na b o u tt h eh a r d w a r e ，d e v e l o p m e n tp l a t f o r m a n dr e l a t e d b a c k g r o u n dk n o w l e d g ei sg i v e n t h eh a r d w a r ei sd e s i g n e db a s e d o ne m b e d d e dp r o c e s s o r ，w h i l et h es o f t w a r ei sd e s i g n e db a s e do ne m b e d d e d l i n u x ，q t e m b e d d e da n dp p c b o o t i nc h a p t e r4 ，t h es o f t w a r ed e s i g ni sd i s c u s s e di nd e t a i l t h es y s t e m s o f t w a r ei sd i v i d e di n t os i xm o d u l e s ：e l e c t r o n i cc h a r td i s p l a y i n gm o d u l e ， c o u r s e d e s i g n a n dm o n i t o r m o d u l e ，p e o p l e m a c h i n e i n t e r f a c em o d u l e ， “s h f i n d e rm o d u l e ，g p sm o d u l e ，d r i v e rm o d u l e i nc h a p t e r5 ，t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o ni sg i v e n t h ep r o s p e c to f f u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sa l s od is c u s s e d k e y w o r d ：n a v i g a t i o n ，e c ( e l e c t r o n i cc h a r t ) ，e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e d l 【n u x ( ；l | i i i 浙江大学硕士学位论义致谢 致 。x 9 忉 谢 衷心感谢我的指导老师陈耀武教授。在两年半的硕士学习阶段， 始终得到陈老师的热情关怀和精心指导。一直以来，陈老师在学习、 工作、生活等多方面给予了我诸多帮助与关怀，为我创造了一个良好 的学习环境以及许多难得的锻炼机会。陈老师渊博的学识、丰富的经 验、严谨求实的治学态度、忘我的工作精神使我受益终身。硕士学业 即将完成之际，谨向陈老师致以最衷心的谢意。 衷心感谢汪乐字教授对我学业的关心与支持，为我完成学业提供 了一个良好的工作环境。 衷心感谢周泓老师与耿晨歌老师的无私帮助与指导。 在实验室的工作与学习过程中，得到了各位同学极大的帮助。特 别感谢周昌，胡力，姜海曙同学，没有他们的全心投入，课题无法顺 利完成。同时感谢本实验室的许俊、周凡、吴晓莉、徐力对课题完成 的大力支持。 最后，我要特别感谢我的父母和妹妹，他们始终如一的关怀和鼓 励使我能够j i r 解j 完成学业。 宋盛旭 二三年二月于求是园 浙江大学硕 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电子海图应用系统的发展现状 电子海图是以数字形式表示的、描写海域地理信息和航海信息的海图，它可 存储于光盘、电子盘、磁盘等媒介中。但这种图人们无法直接使用，需要通过计 算机把媒介中存储的数据读进去，通过软件进行处理，然后由彩色显示器把海图 完整地显示出来。电子海图的数据按其存储和显示的方式不同，可分为光栅方式 和矢量方式。矢量方式由于容易实现各种图形处理( 如放大、旋转、开窗、拼接) ， 在实际中应用最广。矢量电子海图一般由由元数据文件、图形文件、索引文件、 和属性文件等四种文件组成“”。 国际上把大型的能替代纸质海图，符合i n t e r n a t i o n a lh y d r o g r a p h i c o r g a n i z a t i o n ，简称i h o ( 国际海道测量组织) 所颁布的规范标准的电子海图应 用系统称为e l e c t r o n i cc h a r td i s p l a ya n di n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称e c d i s ( 电子海图显示与信息系统) ，而把小型的、不满足i h o 所颁布规范标准的电子 海图应用系统称为e l e c t r o n i cc h a r ts y s t e m ，简称e c s ( 电子海图系统) “1 。 使用电子海图的电子海图应用系统，随着导航技术、雷达避碰技术、计算机 技术、电子图像图形处理技术、海洋测绘技术、人工智能技术、数据库管理技术、 无线电通信技术等日新月异的变化，其发展趋势是相当诱人的。据各方面资料显 示，其发展趋向有下列几个方面“1 ： 功能一体化 信息源多路化 操作智能化 软硬件标准化 高自动、高可靠、高精度 ，微型化 目前，世界上许多发达国家都在进行电子海图应用系统的研究，r 本、美国、 加拿大和北欧等囤家在这方而的研究f r f 上界f j j ：列。 塑兰苎娑兰垡笙兰 蔓二皇笪垒 挪威等北欧国家实行的北海工程，投入了挪威、意大利、美国等国家的e c d i s 系统进行实验并获得成功。之后，i m o 公布了e c d i s 的评价标准，使得e c d i s 的 发展具有更好的针对性。1 9 8 6 年7 月，i m o 和i h o 开始合作，成立了e c d i s 协调 小组( h g e ) ，共同研究e c d i s 。之后的近1 0 年间，由于i m o 和i h o 的积极努力，e c d i s 的各类标准和规范不断地建立、更新和完善。随着e c d i s 标准的逐步确立，以及 计算机软硬件技术的迅猛发展，各种具有优良性能的e c d i s 产品，也在不断地推 陈出新。目前在世界范围内，从e c d i s 的功能、海图信息的提供和更新、已销售 的产品数量等角度看，最具实力的产品有以下几种：俄罗斯t r a n s a sm a r i n e 的 n a v i s a i l o r 2 4 0 0 型e c d i s ，美国s p e r r y 公司的v m s v t 型e c d i s ，德国r a y t h e o n 公司的n a u t o p a t h 型e c d i s ，德国s t na t l a se l e c t r o n i k 公司的c h a r t p i l o t 型 导航工作站，英国r a c a l d e c c a 公司的c h a r tm a s t e rc m 5 0 0 型e c d i s ，它们均 基本符合i m o 和i h o 的各项标准，在某些功能上甚至高于标准的最低要求“”。 在我国，航保部海军测绘研究所研制的h d t i o i e n c 系统是我国第一代电 子海图应用系统，分装在北海和南海3 0 0 0 吨级以上的辅助船上，受到用户好评。 之后国内许多厂所院校，如船舶系统工程部，船总7 0 7 所、哈尔滨船舶工程学院、 上海海运学院、大连海运学院、大连舰艇学院等，相继开展了电子海图应用系统 的研制工作。但由于计算机的不断更新换代，图形加速卡功能的不断增强，软件 水平的日益提高，因而各家研制的产品规格各异、格式也不统一。如何研制出符 合我国国情和统一标准的电子海图应用系统，是目前国内研究的热点。 1 2 嵌入式l in u x 和g u l 现状 1 2 1 嵌入式l in u x 在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键，而嵌入式 操作系统则是嵌入式系统的灵魂，它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率， 并且有利于软件的可移植性。 目f i 订，流行的商用嵌入式操作系统主要有w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p s o s 、q n x 、 f ) a l m o s 、o s - - 9 、l y n x o s 等。这些专j b 操作系统均属于商业化产品竹晰昂贵： 斯阻，f b 于它们各自的 l ! ：汁鹏4 i 公丌使得f _ 个系统l ：的应用软件与其e 系统鄙 塑兰奎兰堡主堂堡垒壅 兰二童堕堡 无法兼容。并且，由于这种封闭性还导致了商业嵌入式系统在对各种设备的支持 方面存在很大的问题，使得对它们的软件移植变得很困难。 l i n u x 的出现打破了这一局面。l i n u x 是一种在网络上产生的操作系统，他 的产生来自于一名芬兰学生l i n u st o r v a l d s 的业余爱好。在网络上l i n u x 的开 发成为众多人热衷的项目，使得l i n u x 在短期内就成为了一个稳定，成熟的操作 系统。而且，l i n u x 的开发都是在g p l ( g n up u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下， 因此l i n u x 内核的所有源代码都是采取开放源代码的方式。 嵌入式l i n u x 是将日益流行的l i n u x 操作系统进行裁剪、修改使之能在嵌入 式计算机系统上运行的一种操作系统。既继承了i n t e r n e t 上无限的开放源代码 资源，又具有嵌入式操作系统的特性。相对于w i n c e 、p s o s 、p a l mo s 等其他商 用嵌入式操作系统( r t o s ) 而言，它具有以下几个主要特点”1 ： 1 ) 免费获取与自由发布 l i n u x 按照g n u 的普通公共许可协议发布，基本上是“免费的”，你无需购 买l i c e n s e ，可以从i n t e r n e t 自由下载。任何人可以自由复制或修改l i n u x 的 源代码。 2 ) 稳定性和安全性 l i n u x 采用了众多的安全技术。l i n u x 吸取了u n i x 系统将尽1 4 世纪发展的 经验，体现了最先进的现代化操作系统的设计理念和最经得住时间考验的设计方 案。l i n u x 开放源代码的开发模式，保证了任何系统的漏洞都能被及时发现和改 正。 3 ) 良好的硬件支持特性 l i n u x 能运行在r i s c 或c i s c 、3 2 位或6 4 位等各种所知的处理器上，如i n t e l x 8 6 和s t r o n g a l 瑚c p u ，w o t o r o l a 公司6 8 k 和p o w e r p cc p u 、c o m p a q 和d i g i t a l 公司的a l p h ac p u 、m i p s 、s u n 公司的s p a r c 和u l t r a s p a r cc p u 等等。 4 ) 标准兼容性 开放源代码的l i n u x 没有所有权的特性。而g n u 的许可协议确保l i n u x 按照 l in u x 社区所接受的针对系统而进行的改动得以延续下去。l i n u x 与p o s i x 相兼 容的，它所构成的子系统支持所有相关a n s i ， s o ，i e t f 和w 3 c 业界标准。 5 ) 资源仁富 l i n u x 是以开放和分散的模式发展的，而非许多其他软件的封闭而集中的模 塑垩查堂堡主堂堡垦苎 苎二兰竺堡 式。这表明目前发布的版本总是公开的。开发资源丰富，全世界的自由软件开发 者提供支持。嵌入式l i n u x 支持几乎所有的嵌入式c p u 和被移植到几乎所有的嵌入 式o e m 板。 6 ) 强大的网络功能 l i n u x 诞生于i n t e r n e t ，它具有的u n i x 血统特性保持了它支持所有标准的 i n t e r n e t 协议( 实事上，l i n u x 是第一个支持i p v 6 的操作系统) 。 目前，国外不少大学、研究机构和知名公司都加入了嵌入式l i n u x 的开发工 作，较成熟的嵌入式l i n u x 产品不断涌现，下面介绍几个较为著名的系统： r t - l i n u x ( r e a l t i m el i n u x ) 由美国新墨西哥理工学院开发的基于标准l i n u x 的嵌入式操作系统。截至目 前为止，r t l i n u x 已成功应用于从航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控到 电影特技图像处理等广泛的应用领域。 一e m b e d i x 由嵌入式l i n u x 行业主要厂商之- - l i n e o 推出，是根据嵌入式应用系统的特点 重新设计的l i n u x 发行版本。e m b e d i x 提供了超过2 5 种的l i n u x 系统服务，包括w e b 服务器等。系统需要最d x s m 内存，3 mr o m 或f l a s h 。 u c l i n u x u c l i n u x 是最火的嵌入式l i n u x 之一。u c l i n u x 是一个完全符合g n u g p l 公约的 项目，完全开放其代码，现在由l i n e o 公司支持维护。在u c l i n u x 这个英文单词中 u 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制的意思，所以u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r o l l i n u x ，字面上的理解就是微控制领域中的l i n u x 系统。它专门针对没 有删u 的c p u ，并且专为嵌入式系统做了许多小型化的工作。 一m o n t a v i s t al i n u x 由m o n t a v i s t as o f t w a r e 的创立者j i mr e a d y 领导的世界顶尖级l i n u x 专家和 嵌入式系统专家开发的嵌入式l i n u x 。系统启动和执行应用程序可以自动进行， 可以从r o m 启动和无盘工作，提供可裁减的l i n u x 内核，可裁减到仅占用5 0 0 k 字节 r o m 空间大小。支持c o m p a c t p c is y s t e ma n di ob o a r d ，支持p c 1 0 4 ，e b x ，支 持f o r c e ，m o t o r o l a ，z i a te c h ，a m p r o ，w i n s y s t e m s ，a n de m b e d d e dp l a n e t 。支 持压缩的f i h 启动姘 实时一眺能。在一n 眦界t a v i s t “l i i u x 支持最广泛的 ， 苎塑型塑竺生譬型塑垒苎一 笙二皇笪笙 处理器和目标板。 糊牟童按用卓穗薪0 垃妇持悖摹班 图1 11 9 9 8 2 0 0 0 年嵌入式操作系统使用趋势 如图l l 所示，嵌入式l i n u x 在嵌入式系统中越来越受到欢迎，其主要的应 用领域有：信息家电、p d a 、机顶盒、d i g i t a lt e l e p h o n e 、数据网络、e t h e r n e t s w i t c h e s ，r o u t e r 、a t m 、远程通信、医疗电子、交通运输、计算机外设、工业 控制、航空航天领域等。总之，从i b m 的大型服务器到摩托罗拉的智能手机，嵌 入式l i n u x 应用领域非常广泛。 1 2 1 嵌入式g u 随着手持式设备等嵌入式系统的硬件条件的提高，许多都配备了彩色液晶显 示器，如机顶盒、d v d v c d 播放机、w a p 手机等，图形化功能越来越丰富。而这 一切均要求有一个高性能、高可靠的g u i 系统的支持。 u n i x 环境底下的图形窗口标准为xw i n d o ws y s t e m ，l i n u x 作为u n i xl i k e 的 系统，其g u i 系统兼容于标准x 的x f r e e 8 6 系统。虽说xw i n d o ws y s t e m 架构不错， 却不太适合于嵌入式环境，因为过于庞大，故有很多嵌入式l i n u xg u i 系统都是 直接基于f r a m e b u f f e r 接口而专门设计的。下面介绍几种基于嵌入式l i n u x 的g u i 系统： t i n yxs e r v e r t i n yxs e r v e r 是x f r e e 8 6p r o j e c t 的一部分，d q k e i t hp a c k a r d 先生发起， 他本身就是x f r e e 8 6 项目的核心成员之一。k e i t hp a c k a r d 以x f r e e 8 6 为基础，去 掉一些功能而形成了t i n yxs e r v e r ，它的体干j 可以小到几百k b 。最大的优点是 弹性卡存易侈机，似是却有体秽 人的缺，t ? ，i 。 蛳懒帐燃粥擞烈mm聃仉 塑垩尘兰堡主兰堡笙塞 笙二童堑堡 q t e m b e d d e d q t 是t r o l l t e c h 公司开发的一个跨平台f ra l t l e w o r k 环境，采用c + + 的语法以及 面向对象设计，跨平台的特性非常好。q t e m b e d d e d 是专门针对了嵌入式系统设 计的版本。本论文第二章将详细介绍它的特点。 一g t k f b 自从q t 推出e m b e d d e d 版本之后，虽然g t k + 并非商业公司所发展，但也推出了 g t k f b 项目。与q t e m b e d d e d 类似，g t k f b 也跳过x 层直接与f r a m e b u f f e r 交互，因 此也具有q t e m b e d d e d 的几项优点。不过毕竟不是商业软件，发展速度较为缓慢。 m i c r o w i n d o w s m i c r o w i n d o w s 是针对体积小的装置，建立的一套先进的窗口环境。目前由美 国一家公司在主持开发。该项目的开发非常活跃，国内也有人参与了其中的开发， 并编写了g b 2 3 1 2 等字符集的支持。m i c r o w i n d o w s 的主要特色在于提供了比较完善 的图形功能，包括一些高级的功能，比如a l 曲a 混合，三维支持，t r u e t y p e 字体 支持等。但作为一个窗口系统，该项目提供的窗口处理功能还需要进一步完善， 比如控件或构件的实现还不完备，键盘和鼠标等的驱动还不完善。 m i n i g u l 由中国魏永明先生所主持的项目，m i n i g u l 对于中文的支持非常好，支持 g b 2 3 1 2 与b i g 5 字符集，其它字符集也容易加入。支持多种格式字体，例如： t r u e t y p e 、a d o b et y p e l 等。g d i 函数( m o v e t o 、l i n e t o 、f i l l 8 0 x 、r e c t a n g l e 等) 。 它有两个版本，m u l t i - t h r e a d 版和无m u l t i - t h r e a d 的m i n i g u ll i t e 版。 比较上述几个面向嵌入式系统的g u i ，应用最多比较成熟的是：m i n i g u i 、 m i c r o w i n d o w s 和o t e m b e d d e d 。m i n i g u i 和m i c r o w i n d o w s 均为自由软件。这两个系 统的技术路线有所不同。m i n i g u i 的策略是建立在比较成熟的图形引擎之上，比 如s v g a l i b 和l i b g g i ，开发的重点在于窗口系统、图形接口上；m i c r o w i n d o w s 目 前的开发重点则在底层的图形引擎上，窗口系统和图形接口方面的功能还比较欠 缺”。 q t e m b e d d e d 主要特点是可移植性较好、国际化支持好、功能强大和丌放源 码。由于是商业公司的产品，费用也比较昂贵，但可靠性、健壮性高，适合复杂 、的蚓臣应川j 发。 浙江大学顾： j 学位论文 第一霄绪论 1 3 课题提出及意义 导航系统在船舶航行中有着不可或缺的重要作用。天文导航和指南针导航这 两种简单而原始的导航方法，使人们摆脱了海岸，但在雾天、阴天、复杂的海区 就可能出现误差而酿成悲剧。在无线电导航、雷达导航、卫星导航产生后，人类 才真正做到了“海阔凭船行”，才真正获得了海上航行的自由。航海学家将其称 为“并不轰动但极有力量的航海革命”“”。随着卫星导航技术和嵌入式技术的 迅速发展，航海导航系统也在不断进步。近年来，全球定位系统( g p s ) 在导航 技术领域的重大突破，使得基于g p s 的航海导航系统成为船舶导航的主要手段。 目前，船舶导航和鱼探系系统主要有两种实现方式。一种方式是基于普通计 算机系统，由p c 机构成系统主机，通过串行口从g p s 和鱼探仪采集信息并显示。 系统软件采用基于w i n d o w s 操作系统的地理信息系统( g i s ) 软件( 如m a p l n f o ， a r c i n f o ) 进行设计。系统功能强大，界面友好，但存在系统可靠性，空间与成 本等问题。另一种方式是基于单片机实现的导航和鱼探系统，这是一种比较廉价 的实现方案，但由于单片机往往资源有限，在图形化用户界面实现上比较困难， 系统扩展性较差，并对以后的设备网络化有较大制约。 本课题提出并设计了一个基于嵌入式l i n u x 的船舶导航和鱼探系统。从总体 上讲，该系统主要由两个既相对独立又相互关联的部分组成，即导航与鱼探。该 系统采用嵌入式处理器、嵌入式操作系统和嵌入式g u i 进行设计。具有功能丰富、 界面友好、结构紧凑、可靠性高、成本较低等优点。不仅为航海用户提供基于电 子海图的地理信息与导航功能，而且给捕鱼人员提供鱼群信息，是远航用户实现 安全航行与科学管理的必备工具，又是提高渔业生产的良好辅助。这正是本课题 提出的意义所在。 论文主要讨论了基于嵌入式l i n u x 的船舶导航和鱼探系统的软件设计和 具体实现。首先分析了系统的功能，提出系统总体解决方案。然后讨论了系统开 发平台，即嵌入式处理器m p c 8 2 3 的介绍，嵌入式l i n u x 系统的建立，q t e m b e d d e d 图形库的编程技术，启动程序p p c b o o t 的移植，电子海图应用系统的基础知识。 接着详细论述了系统的软硬件设计，特别是软件的设计和实现。软件实现分成六 人模块：海图显示模块、航线设汁t f 【i 航行监视模块、人f c 界而模块、仇探模块、 g p s 模块、驱动程序模块，并分别介绍了具体模块的实现。 塑坚壁堡主兰垡兰塞 兰三童墨竺生丝塑璺堡丝生 第二章系统功能和总体设计 2 1 总体功能分析 嵌入式航海导航系统是为航海用户提供基于电子海图的地理信息与导航功 能，并给捕鱼人员提供鱼群信息，是远航用户实现安全航行与科学管理的必各工 具，又是实现科学渔业生产的辅助工具。嵌入式导航和鱼探系统具有般电子海 图应有系统的共同点，但也具有它的特殊性。由于原始电子海图文件很大，而嵌 入式系统存储器有限，故必须对海图包括大小和格式方面进行剪裁和加工，以适 应嵌入系统的特殊要求。 系统结构如图2 1 所示，其中海图预处理部分由p c 上的海图预处理软件完 成，加工过的专用海图格式再给嵌入式导航和鱼探系统使用；而嵌入式系统主要 由两个既相对独立又相互关联的部分组成，即基于电子海图的导航子系统与鱼探 子系统。 图2 - - 1 系统结构图 2 2 海图预处理功能设计 电子海图以图幅为单位组织，采用目录结构，目录名即为数字海图的编号， 由标志符加图号组成。电子海图有元数据文件、图形文件、索引文件、和属性文 件等四种文件组成( 见图2 2 ) 。 图形文件为直接存取的可变长记录文件，记录了海图要素的坐标位置数据； 索引文件 己录州i 述了对岫1 勺陶形文件记录相对于罔形文件丌始点的偏移量：时r l ： 文件为d b a s e 农文件结i f - j ，u 录了海图要豢的偶陀。图形文件记录j 属性文什址 鲨塑：堂主堂些! 垒生 蔓三皇墨竺：! 堂塑璺堡堡生 录通过记录号一。对应。注记文件不具有独立的文件类型，由一组图形文件、索 引文件、属性文件组成。 数字海图 元数据文件il 图形文件 ll 索引文件 il属性文件 a s c i i 码 文件记录 每幅圈的 拄制信息 文件头记录 记录头1 记录内容l 记录头n 记录内容n 文件头记录 记录1 记录n d b a s e 文 件包含任 何需要的 要素属性 图2 2 数字海图组织 元数据文件( z e c ) 记录每幅图的控制信息，由2 3 个数据项组成，每项数据 位一行，以文本文件方式保存。 数字海图每类要素都有一个图形文件( s h p ) ，存储要素非拓扑几何信息。 要素的几何信息被存储为一系列矢量坐标。图形文件支持数据编辑功能。可被编 辑的图形要素文件包括点、线、面。面要素被表示为封闭的多边形。各个要素的 图形文件数据记录与索引文件数据记录、属性文件数据记录一一对应关系。图形 文件由一个定长的文件头和一系列变长记录组成。每个变长记录又一个定长的记 录头和变长的记录内容组成。 索引文件( s h x ) 中第一个记录存储了图形文件中第一个记录的偏移量与 内容长度。在图形文件里一个记录的偏移量是指从图形文件的开始到这个记录的 第一个字节的字( 2 b t y e s ) 为单位的长度。存储在索引文件中的内容长度与存储 在图形文件记录头中的长度是一致的，索引文件的记录结构见表2 一l 。 表2 - - 1 索引文件记录 位置域名值数据类型子序 b y t e0 o f f s e to f f s e t i n t e g e rb i g b y t e4 c o n t e n tl e n g t hc o n t e n tl e n g t h i n t e g e rb i g 属性文件( d b f ) 包括所描述要素的属性。它的格式是标准的d b f 文件， 可以被基于w in d w s 和d o s 的l 午多表格应用程序使用。 电子海图坝处理将通过读墩与分析某一f 乜f 海图的元数孰! ：文件、所有层的图 形文件、索引文件和属性文件，抽取其中对于导航系统真工f 实用的信息，将此简 化的结果存储到自定义的数据文件组中( 全局信息文件、点信息文件、线信息文 件、面信息文件与标注信息文件) 。综合考虑实际系统的运行效果与效率，中间 需要经过一系列处理过程，如图2 - - 3 所示。以下对于各阶段进行分析说明。 藩1 盈蒌，虹墅 压缩 结果 文件 1 过滤阶段 s h p 叩：f 海闰处理 h ( m a p c a d ) w p w t 。软嚣詈磊，斛。用掌鼻豁入， 刊黼( m a p c 分块a d ) p( 软件自动生成) r 1 1 ( 用户界面录入) r 1r 卜_ 图2 3 海图预处理流程 海图过滤包括两个阶段，第一阶段是删除当前不用的海图层次文件，只保留 系统所需的面、线、点与标记文件；第二阶段是根据层中内容的编码值，删除某 些层中不需要的内容，只保留层中所需的内容，描述如下表所示。 面 序 文件名类型备注 号 1 保留：双线河、湖泊、盐田、双线时令河、双线运 d m g n m 水系 河、双线沟渠、沼泽 2o b s t n ti障碍物全要 3t r a k n tl航道全要 40 c l d n t a 海洋陆地保留：陆地区、浅海区、次深区、深区 线 序 文件名类型 备注 号 1保留：车行桥( 半依) 、活动桥( 半依) 、浮桥( 半 依) 、 t r s p p l ! 交通运输 烈层桥( 、r 依) 、引桥( 、r 依) 、道路、桥( 依) 边 线 浙江大学硕士学位论文 第二章系统功能和总体醍计 2o c l d n t i 海洋陆地保留全部等深线 3p o r t n t l 港口设施全要 4t r a k n t l 航道全要 5a x c a n t l区域界线全要 点 序 文件名类型备注 号 1 o c l d p t p 海洋陆地只需要岛点 2 s o u d p t p 水深底质全要 3 p o r t p t p 港口设施全要 4 a m v g p t p 助航设备全要 5 o b s t p t p障碍物 全要 6 t r a k p t p 航道全要 7 a r e a p t p 区域界线全要 8 s e r v p t p 服务设施全要 标记 序 文件名类型 备注 号 1 a l l e o v p 点注记层全要 2 海图合并阶段 将所在文件夹下所有海图目录下包括的海图层次文件进行合并，主要考虑的 是序号需要依次添加。合并后的结果是合并后的结果是每个海图层次均只包括一 个s h p 、s h x 与d b f 文件。 3 海图处理阶段 在m a p c a d 环境下，利用工具带有的文件转化功能，将s h p 文件成批转化为 w p 、w t 、w l 格式，并利用m a p c a d 的图形编辑工具对区、线等进行处理。处理的 目标是生成质量好、无重叠的海图文件，依然保存了w p 、w t 、w l 格式。注意， 对于侮一层均有对应的文件。 ， ! 堑! 三查兰堡主兰堡垒兰 苎三兰墨竺些堂塑璺堡鲨生 4 海图分块阶段 考虑到最终的显示实时效率，必须将大幅海图进行切分为大约每块大小为 2 0 0 k 左右的文件才可以达到海图刷新速率为2 秒的效果。本阶段实质包括两个 阶段工作，是利用m a p c a d 工具将经处理的w p 、w t 、w l 文件进行分块，分块的 结果是对应各个层的w p 、盯、w l 文件；二是先利用m a p c a d 的文件输出功能将 w p 、w t 、w l 转化为m i f 格式文件，再用a r c v i e w 中的m f f s h a p e 程序将m i f 文件 逆转化为s h p 、s h p x 与d b f 文件。在这个过程中，d b f 文件实质除了i d 编号后， 已经没有包括更多的信息，需要重新补充生成。 5 海图录入阶段 这个阶段主要是补充生成经过逆转化失效的d b f 文件。对于除了海洋陆地层 ( 包括o c l d n t a 面文件与o c l d n t l 线文件) 以及点注记层外的其它d b f 文件，后 续操作中所需的层次编码可以根据层文件名自动生成。因此我们重点关注 o c l d n t a 面文件、o c l d n t l 线文件与a n n c o v p 标记文件。对于o c l d n t a 面文件， 需要海图数字化人员对每一个多边形选择对照原始海图确定是属于哪种类型( 陆 地区、浅海区、次浅区还是深海区) ，软件将该类型自动转化为层次编码，并可 根据该编码值进行分别显示。由于软件界面上提供了所有多边形的经纬度范围， 对照原始海图，海图数字化人员可以确定出该区所属的类型，并填入到软件界面 提供的表格中。对于o c l d n t l 线文件，主要是等深线，需要用户确定每一条等深 线是多少米的类型( 从列表中选择) 。录入后的结果将存为标准的d b f 文件。而 对于点标记文件，主要是根据标记的经纬度值，重新录入所需的信息。注意，并 非所有点都需要标记信息。 6 海图压缩阶段 将前一阶段生成的各s h p 、s h x 与d b f 文件进行合并，生成最终嵌入式系统所 需的自定义的面文件、线文件、点文件与标注文件，该结果可直接用为嵌入式导 航系 鲨鬯垡芝塑翌堂坚一苎三翌墨堕垫墼塑：望竺堡生 2 3 导航和鱼探系统功能设计 2 3 1 数据流分析 嵌入式系统数据流如图2 - - 4 所示，系统数据来源主要是：电子海图文件， 鱼探仪，g p s 接收仪，用户。电子海图是系统核心数据，一般是不变的，其他均 为动态数据源。系统内部产生的数据有系统配置文件，航路点文件，目的地文件， 航线文件，航迹记录文件。 图2 4 嵌入式系统数据流图 电子海图经过预加工后主要有点、线、面、标注四种文件。 1 ) 点信息文件格式如下： 层号，x 坐标，y 坐标 2 ) 线信息文件格式如下： 点数，层号，( x 坐标，y 坐标) 3 ) 面信息文件格式如下： 点数，层号，( x 坐标，y 坐标) 4 ) 标注文件格式如下： ( x 坐标，y 坐标) ，长度，标注 航路点文件是一系列航路点记录。航路点包括编号、经度、纬度、类型、描 述等属性，是海图作业的基本数据。一切海图元素点都可以作为航路点。目的地 是f i 的地的子集，表示航行可能的终点。航线文件是航线的集合。航线由系列 帆蹄j 吲【j 茂，具体包括航线编扎描述航跚j 表等腻性，。已j f jj i 侏仔川j 、汁 浙江大学硕士学位论义 第二章系统助能和总体设计 划航线。导航报警就是依据航线数据完成的。航迹文件是船舶航行实际轨迹的记 录，包括一系列的地理坐标点。系统配置文件包含界面模式，工作模式，航迹参 数，报警参数，其他参数等等。 g p s 接收仪的数据包括卫星状态、当前时间、当前船位( 经纬度) 、航速、航 向。鱼探数据为水深、水温、深度一回波强度。 2 3 2 功能分析 导航系统可以有三种工作方式：无目的地方式，单一目的地方式，计划航线 方式。这三种方式是互相排斥的。系统缺省工作方式为无目的地方式。 单一目的地工作方式时，首先需要从预先设定的航路点列表中选择目的地， 导航界面中只显示该目的地编号以及到该目的地地距离与时间。 计划航线工作方式时，首先需要从预先设定地航线列表中选择当前航线，航 线中包含多个目的地，导航界面上将根据实际航行过程依次显示当前目的地信 息。此时，界面还将显示当前航线编号。计划航线方式及单一目的地方式关闭 后，导航系统进入无目的方式，界面上不会显示目的地信息。 对系统数据流等的分析，系统主要功能如图2 5 所示。 图2 5 系统功能模块 一定位功能 接收d g p s 或g p s 数据，获取当前船位、航向、航速等信息。 二海图作业 可完成在如图纸质海图上的作业，如设置航路点和目的地，拟定计划航线、 标绘航迹、图f 最筛、导航计j ? ：o ，包括如下： ， 一航路点管理 浙江大学硕上学位论文 第_ 二章系统功能和总体设计 1 ) 添加航路点有两种添加方式：一种是光标添加方式，在光标处设置航路点。 选择该方式后，光标变为十字形状，在光标点击处添加一个新的航路点，光标释 放表示添加完毕，添加后弹出一个信息框，显示添加的导航点的经纬度信息：另 一种为本船位置添加方式，即添加本船所在的位置为一个新的航路点，添加后弹 出一个信息框，显示其经纬度信息。 2 ) 编辑航路点可使用光标添加，在相应编辑框内输入待编辑导航点编号，确 认后光标变为手形，在导航海图显示界面通过光标拖放实现对导航点的编辑；光 标释放表示编辑完成，此时显示编辑后导航点的经纬度信息；还可以经纬度编辑 方式编辑，在相应的编辑框内输入待编辑导航点编号，输入航路点新的经纬度进 行编辑。 3 ) 删除航路点删除所选的导航点，选择该菜单后，弹出删除面板，输入待删 除导航点的编号，确认后删除该导航点。 4 ) 标志航路点用四种不同的标志分别表示渔场、港口、危险区域、自定义航 路点。选择该菜单后，弹出设置标志面板，先输入导航点编号，同时选择以下其 中一种标志表示该导航点。 5 )点信息显示选择该菜单后，弹出选择导航点面板，输入航路点编号，确认 后显示选择航路点的经纬度、方位、离本船距离、预计到达时间等信息。 6 1 航路点列表以列表形式显示所有航路点信息。 _ 目的地管理 1 ) 添加目的地有四种添加方式可选择：经度纬度设置方式时，弹出相应的添 加面板，通过输入经纬度设置目的地；光标设置方式时，通过光标移动设置目的 地；选择后光标变为十字形状，在显示界面上光标点击处设置为目的地，光标释 放表示添加完毕，设置后弹出信息框，显示该目的地的经纬度信息；地名设置方 式，选择该方式后，弹出相应的添加面板，通过输入地名设置目的地。航路点选 择方式时选择该方式后，弹出相应的添加面板，通过输入导航点编号设置目的 地。 2 ) 删除目的地删除所选的目的地。选择该菜单后，弹出删除面板，输入待删除 目的地的编号，确认后删除陔目的地。 ：”选择h 的地选择恢菜单j l 讨p 选择面板，通过输入h n ! j 地卡，j ：号选扦内地 浙江大学硕e 学位论文 第一章系统功能和总体设汁 一航线管理 1 ) 添加航线弹出航线添加面板，可以通过设置一系列的航路点来确认新的航 线。 2 ) 编辑航线选择该菜单后，弹出航线编辑面板，通过输入待编辑航线的编号， 确认后进入该航向的编辑界面，可以通过增加、删除、移动航路点实现航线的编 辑。 3 ) 删除航线选择该菜单后，弹出航线删除面板，输入待删除航线的编号，确 认后即删除该航线。 4 ) 航线倒转原存在的航线可以倒转成为新的一条航线。选择该菜单后，弹出航 线倒转面板，输入待倒转航线的编号，确认后实现该航线的倒转。 列表，以列表的形式显示所有航线。 5 ) 航线优化对于用户设置的航线，系统会根据实际地理情况对航线进行优化 ( 避开岛屿、暗礁等障碍或危险区域) 最终获得最佳路径。选择该菜单后，弹出 航线优化面板，输入待优化航线的编号，确认后进行航线分析，分析完后以列表 形式显示分析结果。 6 ) 航线目的地变更选择该菜单后，弹出航线目的地变更面板，输入选择航线 的编号，同时选择进退方式。选择+ 1 ，表示当前航线目的地进l ；选择一1 ，表示 当前航线目的地退l 。 7 ) 航线