（精密仪器及机械专业论文）电子海图在惯导重力匹配组合导航中的应用.pdf

一东南走学秧l ：擎位论支 摘要 镁健重力匿配缀合等靛系笺趋箨罄近j k 年来重煮发展鹃辱靛按术之一，其躐理是载嚣 航行道程中，通过惯性仪表提供的数据结合重力网、重力异常圈、重力数据和计糕仪数据， 经过信息融合，估计出导航中所需嚣的参数。电予海陶系统是8 0 年代中期发展起来的一种集 戒式譬靛若惠系统，它楚靛行癌慰的核心。本文运耀v c + m a p o b j e c t s 好菱镤牲重力匹配鳃金 导航瞧予海隧系统，实现多模式系统待囊。本系蕊在实瑗电子海辫萋零葫薤瓣瓣避。一方垂 将惯性重力匹配婀台导航算法与电f 海图系统完荧结合；另一露面将数字地球藤力异常数 据转化为数字地球蘸力异常图，使京与电子海图究燕结合。具体j ：作如f ： ( 1 搿襄了运翊v c + m a l r 国b j e c t s 嚣教恕子海鬻系统，搭邀一个基本熬嚣发平台。镪予嚣发 奄予海蹬系统有多种方式，我弼撮捺实际需要遣释经济、方便、抉捷盼并发方式，实现对黾 子海l 割的调用，实现在电子海图上潍行放大、缩小、漫游等基本功能。 ( 2 ) 深入研究了逛阁多神软件相结合的技术制徉数字地球重力异常图。惯性蕊力组合导 藏系统率+ 数字逶球重努匿释重南器常整楚 常重要滟一帮势。我髓麓够褥数字缝球重力异 常数据转化为数字地球重力异常圈，这将使我f f j 熊够雯直观、辩象她研究惯谶篱力缀合导 航采绒。在此我们避用s u r f e r 、a r c y i e wg i s 、v c 籼m a t l a b 软件，结合墨# 托搬标和高斯一 克跨将坐标转换公斌，将数字地球霪力异常数据转化为数字地球藏力异常翻，井h 邋过前面 器茨鹣奄子海嚣系缝统一透遥；矮过辩数字缝球囊力舁寒蓬与火出，地震带势南黧鹣对篦， 我 ：l 研鞋确定该稍律方法完全正确。 ( 3 ) 为了满足精确性、工程化、实时性的需隳，本系统尝试h 谯数字仿真、半实物仿真 朝实物铸真模式。f 黛现壤挂重力隧辩组合导航电于海翻系统警合。采用多线程、多媒体定 爵器、对闻霹步、攀秘等挂来薄势槐程弗遴行编霹与霹主辍覆枣避行犷充，霹瓣祷主瓿嚣三 个分荆靛有惯性数描、重力数据、计糕仪数据的分机设备组成一个系统。通过响麻鼠标点击， 我们对航程和面积计算进行一定的设计。通过演螽哥，我们基本能够完成数字仿襄、半物理仿 真和实物仿真豹演黎，箨能够实现譬航目标在电子海图系统上跣蒋导航算法进行遮动。 关镳谢：电子海网。惯性重力殴配组合导航，数学地球重力辩常图，墨r 托投影，高斯 一克吕格投影，重力异常，、# 物理仿竟 * 承南大学颃t 学 曩论j = a b s t r a c t i n e r t i a g r a v i t ym a t c h e di n t e g r a t e dn a v i g a t i o ni so n eo fn a v i g a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi s e m p h a s i z e db ym a n yc o u n t r i e s i t sp r i n c i p l ei st h a tw h e nc a r r i e rn a v i g a t e s ，d a t ao fi n si s c o m b i n e dw i t hg r a v i t ym a p ，g r a v i t y , a n o m a l ym a p ，g r a v i t yd a t aa n dm i l e o m e t e r gd a t at o e s t i m a t ep a r a m e t e r so fn a v i g a t i o n 。e l e c t r o n i cc h a r ti sas o r to fc o m p o s i t i v en a v i g a t i o n i n f o r m a t i o ns y s t e m sw h i c hi sd e v e l o p e di n1 9 8 0 s 。i ti st h ec o r eo fs a i l si n f o r m a t i o ns y s t e m s t h i sp a p e rp r e s e n t st h em e t h o do fi m p o l d e ri n e r t i a g r a v i t ym a t c h e di n t e g r a t e dn a v i g a t i o n a l e l e c t r o n i cc h a r ts y s t e mw i t hv ca n dm a p o b j e c t s t h i ss y s t e mc a nc a r r yo u tb a s i cf u n c t i o no f e l e c t r o n i cc h a r t i tc a na l s oc o m b i n ei n e r t i a g r a y i t ym a t c h e di n t e g r a t e dn a v i g a t i o n s a r i t h m e t i ca n de l e c t r o n i cc h a r tf a u l t l e s s l y a tt h es a m et i m e , d i g i t a lg r a v i t ya n o m a l yd a t ai s c h a n g e di n t od i g i t a lg r a v i t ya n o m a l ym a p i tc a nb ec o m b i n e dw i t he l e c t r o n i cc h a r tp e r f e c t l y t o o r e s e a r c h e sa r em a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h eb a s i ce l e c t r o n i cc h a r ts y s t e mi se m p o l d e r e dw i t hv ca n dm a p o b j e c t s b e c a u s e t h e r ea l em a n yw a y st oe x e g u t ee l e c t r o n i cc h a r ts y s t e m o n eo ft h ee c o n o m i c a l ，c o n v e n i e n l f a s tw a y si sc h o s e n t h eb a s i cf u n c t i o n s , s u c ha sz o o mi n ，z o o mo u ta n de t ea r ec o m ei n t o b e i n g ( 2 ) g r a v i t ym a pa n dg r a v i t ya n o m a l ym a pa r ev e r yi m p o r t a n t i n i n e r t i a g r a v i t y i n t e g r a t e dn a v i g a t i o n g r a v i t ya n o m a l yd a t ai sc h a n g e di n t og r a v i t ya l l o m a l ym a p i fi t i s c o m b i n e dw i t ht h ee l e c t r o n i cc h a r tp e r f e c t 甄w ec a l ls t u d yi n e r t i a g r a v i t yi n t e g r a t e d n a v i g a t i o ns y s t e mv i s u a l l y s ow eu s es u r f e r , a r c v i e wg i s ，v c ，m a t l a ba n do t h e rs o f t w a r e ； u s em e r c a t o ra n dg a u s s - k r u g e rp r o j e c t i o nt ol e ti tc o m ei n t ob e i n g b yc o m p a r i n gg r a v i t y a n o m a l ym a pw i t hm a po fv o l c a n oa n de a r t h q u a k eo nt h ee a r t h 。w ec a nm a k es h 豫t h a tt h e m a pw h i c hw eh a v em a d ei st r u e 。 ( 3 ) i no r d e rt os a t i s f yt h en e e do fv e r a c i t y , e n g i n e e r i n ga n dr e a lt i m e ，t h i ss y s t e mt r yt o u s en u m b e re m u l a t o r ，h a l fp h y s i c a le m u l a t i o na n dp r a c t i c a l i t ye m u l a t i o nt os y n c r e t i z e e l e c t r o n i cc h a r tf o ri n e r t i a l g r a v i t yi n t e g r a t e dn a v i g a t i o n b yu s i n gm u l t i t h r e a d i n g ， m u l t i m e d i at i m e r , s e r i a l , t i m es y n c h r o n i z a t i o na n do t h e rt e c h n o l o g y , w ec a nu n i o nm a i n f r a m e a n dt h r e es u b o r d i n a t ec o m p u t e r st o g e t h e r b yd e m o n s t r a t i n g ，t h r e ek i n d so fe m u l a t o rc a n c o m et r u e b yc o n t r o im o u s e w ec a n g e tt h ea r e aa n dd i a t a n c ew h i c hw ew a n t 1 1 1 e n a v i g a t i o no b j e c tc a np l a yo ne l e c t r o n i cc h a gb yt h ei n e r t i a l g r a v i t yi n t e g r a t e dn a v i g a t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cc h a r t , i n e r t i g r a v i t ym a t c h e di n t e g m t e dn a v i g a t i o n ，d i g i t a lg r a v i t y a n o m a l ym a p 。m e r c a t o r sp r o j e c t i o n ，g a u s s k r u g e rp r o j e c t i o n ，g r a v i t ya n o m a l y ，h a l f p h y s i c a le m u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：煎垒日期： 刃谬。多7 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 东南大学研究生院办理。 研究生虢锸匝聊繇垫择日期：巡：主 第一章缭论 1 1 课题的意义和目的 第一章绪论 蠛锭离性能熬甄行俸窝裹赣痰豹凌嚣系统对霉靛系统拳l 铡罨系统豹精度弱霹靠瞧戆要 求越来越高，这也簧求导航系统能够提供全面、精确的导航信息。惯性导航( i n e r t i a l n a v i g a t i o n ) 一般作为主要导航方式，它具有自主性强，隐蔽性好，短时间内误羲小的优点。 长期以来，惯性导航系统( i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 在导航过程中占有着不w 替代的位 萋，它毙完全是主豫输出载薅静燕嚣每速度售患，不受建嚣、天气、气候等闲素簿 乡 赛电磁 干扰的影响，但蹩惯性器件( 陀螺仪、加速度计) 的谖筹将使得导航参数的误筹随时问积累而 不断增大，如果不校难，就会严重影响导航的准确性。所以为了摄离导航的精准性。一般常 采刚缀合导航方式。照l 合导航就是以惯性导航为主，地文导航、天文导航、无线电导航、卫 星导靛、地形疆怒、燕力珏配、重力撵度纹导靛饕嚣藏方式孛菜一季孛或忍弹方式为辕戆导兢 方式。 髓前大多数组合导航技术都是材源的，如惯性g p s 组合导航技术，这使得自主性和安全 性能降低。一旦战争时期，g p s 等卫甓导航系统必将关闭，这需要鞭多的无源导航米对组合 导靛避弦支持。露重力匪琵等靛龟燕弹无添导航授本，其毒裹瘦鑫主佳，隆藏梭，抗手援 性和黼精度性等诸多优点，能满足军事上的各种饔求，这也引起许多国家的重视。本课题以 惯性姆航为主，重力旺配导航为辅的组合导航方式。 程组合导航中，龟f 海图除了熊够实现抟绕嬲躐海翻功能强，又集残了许多新功能，如 查谲、放大、缩小、淡游等，献纛经入 f l 有可能扶崧纸海圈上绘割莽箨甑程耱的靛迹的颓琐 1 = 作中解脱出来。它可以一次性地装f 一个地区的所有地图内容，不需要地图分幅，所以是 无缝的，这样能避免出于分幅和接地引起的误差。电子海图有着如此多的优势，使得舰船的 航行受翱安全可靠，簌组合导航中受髓直观地显示翻标的位置。这预示着电子海翻有着极大 静发袋蔫景，对缀含弹靛有着巨大懿赞漱。弱瓣数字德球重力翻耧重力箕露蛰对予我啻】磷究 惯性蘑力匹配导航系统有着巨大的意义，能使我们更直观形象地研究惯性重力旺配导航系 统。如果我们能将电f 海图，数字地球重力| 璺| 和数字地球重力异常图相结合，这将使对惯性 重力韪配导航系统的研究上一个台阶。 1 2 国内外研究现状 l 。2 1 藿内癸嚣靛磅究瑷获 为提高导航的精确性，国内外均采用组合导航技术。 圈外在导航方面技术比较先进，尤其以美国，俄罗斯等发_ i 是图家最强。美国拥有g p s 的 完全控裁投，2 0 0 7 每饿罗赣将拨款遥1 0 0 亿卢布燃予实施发展全球导航r 爱系绞( g l o n a s s ) 的联鄄专项许捌。在海湾战争中，蠢论是装在f l 酶形对蘸攻击税靼f 3 5 2 战隧蔑炸祝的静 电陀螺惯性导航系统、装住f - 1 5 e 战斗机上的激光陀螺惯性导航系统、装在e 一3 a 指挥预警机 东南人学颂i 。学位论史 上的惯性奥米加多普勒鲴合导航系统，还是装在s l a m 和“战斧”巡航导弹中的惯性地形 匹配组合等均发挥了巨人的作用。同时许多欧美国家出现了新犁的导航系统。2 0 世纪8 0 年 代美国l o c k h e e dm a r t i n 公司研制出了含有通刚重力敏感模块( 包括重力仪，重力梯度仪， 重力图，重力梯度图) 的无源导航系统，它是一种包括重力仪和重力梯皮的当地稳定平台， 用于实时估计垂线偏差以及补偿i n s 的误著，9 0 年代初在g s s ，静电陀螺仪( e s g n ) ，重力图 和深度探测仪等的基础上开发出了无源重力导航系统( g a i n s ) ，9 0 年代末该系统与静电陀螺 导航仪一起在u s u n 先锋号战舰和战略弹道导弹核水下运载体上进行试验，结果证明惯性重 力匹配组合导航对位置和速度信息有很大改善，可有效延长惯性系统的重调周期，文献 2 4 。近年来随着原子物理的发展以及物理技术的成熟，出现了更高精度的导航t 具，冷 原子陀螺仪和加速度计，冷原子重力梯度仪，冷原子重力仪等。所以国外的组合导航技术非 常先进，但是应用化进程还有待丁：完善。 国内以惯性g p s 最为常见，同时有惯性g p s 电子罗盘组合导航系统，有i n s g p s s a r 组合导航系统等等。很多都是惯性导航为主，g p s 为辅的导航方式的有源辅助的组合导航系 统。今年随着北斗的第五颗p 星上天，以及近年我国参于伽利略系统的开发，我国在卫星导 航方面将会上升一个新台阶，将拥有自主开发的甲屋导航系统。但是一旦战争期间，其他国 家提供的p 星导航被关闭或者我国自主开发的卫星导航被干扰的情况下，有源导航将消失。 此时无源导航将更为可靠。我国在导航技术方面和国外还有较人差距。 1 2 2 国内外电子海图的发展现状 电子海幽是水f 导航系统或者舰船导航系统的一个不可缺少的一个部分。它是借助一定 的计算机输人输出设备和软件编辑系统将纸质海图的信息变为数字信息存储起来，然后通过 显示外设及相应的显示软件反映到电子屏幕上。电子海图除了能够实现传统的纸海图功能 外，又集成了许多新功能，如查询、放大、缩小、漫游等，从而使人们有可能从在纸海图上 绘制并算出舰船的航迹的烦琐1 ：作中解脱出来。它可以一次性地装下一个地区的所有地图内 容，不需要地图分幅，所以是无缝的，这样能避免由于分幅和接边引起的误差”“”。 电子海图的发展大致经历了三个阶段： ( 1 ) 纸质海图等同物，二十世纪七十年代末，人们为了减少体积和减轻海图作业的劳动强 度，仅仅把纸质海图作数字化处理后存入导航计算机中。 ( 2 ) 开拓功能阶段，二十世纪八十年代中期，人们开始寻找电子海图的各种潜能。如 在电子海图上显示船位、航路设计、显示船速、航向等船舶参数、报警等等。 ( 3 ) 航行信息系统完善化阶段，二十世纪九十年代，人们将电子海图作为航行信息核心， 通过完善电子海图数据库，同时与测深仪、雷达、计程仪、定位仪与g p s 等各种设备和系统 进行组合。 国外制造电子海图最出名的公司有挪威的c - m a p 公司、英国的t r a n s a s m a r i n e 公司、德国 的r a c a ld e c c a 、s t na t l a s 公司和r a y t h e o n 公司、美国的s p e r r ym a r i n e 公司等等。目前权 威的电子海图有u k h o 的光栅海图系统( a r c s ) ，英国t r a n s a s 公司推出的s p 5 7 d x 一9 0 格式的矢 量型电子海图，挪威c m a p 公司的矢量数据海图，美国国防测绘局的数字海图( d n c ) ，美国海 2 第一章绪论 洋及人气层管理署( n o a a ) 最近制作的光栅海图。基本采圳s h a p 格式或满足国际标准的s 一5 7 播式发行。毽是国强好的电子海幽避不会卖绘中嗣等发震中鬓家豹。 巍八十年代初期，电子海豳技术才得到我国的蓬视。夫连海远学院，天津测绘研究所， 上海海运学院开展了对电子海图的开发一r 作。在1 9 8 8 年，航保部海军测绘研究所研制的 h d t 1 0 1 e n c 系统成为我国第一代电予海翻系统，1 9 9 0 年分装在北海和南海3 0 0 0 吨缓以上的辆 韵躲主，受舞靛海入爱豹竣逮。它栽壤确及嚣幸求孬戆懿傍誓。在h d t - 1 0 1 e n c 系缓窭境班嚣， 国内许多院校和厂所，如船总7 0 7 所，啥尔滨船舶，e 程学院，船舶系统l ：程部，犬连海运学 院，天津测绘研究所，上海海运学院锋相继开展电子海幽的研究，r 作。1 9 9 9 年为我国电子海 图发展的转折点，我豳航海图书出版社建立我国数字海幽数据库，遂意味着我国新型的电子 海鹜旋翔系统将毒霹糍髦备孛国大爨瓣筵鬓豹正舨数字海鹫。 以前电子海留的歼发用集成式g i s ，模块化g i s 与核心式g i s 。目前电子海固_ 阡发用组件 式g i s 与万维网g i s ( w e b g i s ) 进行开发。万维网g i s ( w e b g i s ) 是i n t e r n e t 技术和g i s 结合的 产物。组件式g i s 是以v b ，v c ，c + + b u i l d e r ，c # ，d e l p h i 等为平台，以a o ，a r c g i s ，等为组 舞，对惫子海翻避灞鲻，使嗣j 鬻方便，援璐楚攀。 在可视化方面，有些单位采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台，利用s i m u l i n k i 具箱对要研 究的缀合导航系统仿真，再用m a t l a b 进行可视化，文献 1 。还有通道v c + 十调用m a t l a b ，通过 v c + 与o p e n g l 或者o p e n c v 接日来进行靛示。 1 2 3 国内外重力图和重力异常图的研究现状 鬟力爨秘重力舅鬻翻是臻蛙重力遥配组合导靛系统孛不可缺少豹一部分，熏力塑静覆 量将彩响系统的性能。在重力场的研究方面，美国翻防测绘赫在这方面傲了大蟹的。l ：作。上 世纪7 0 年代以后，由于人造地球卫尾技术在重力场探测中的应用，藏力场模璎发艇非常迅速， 具有分米级精度的全球重力场模型e g m 9 6 应运而生，它是目前国际上应用最普谶一个重力 场摸穗。e g m 9 6 豹全球分辨率为疆5 。0 。5 。，大约耱尚5 5 k i n 。它怒采涮n i m a ( 荑骥潼家影 像和测绘局) 由g e o s a t i g m 测高数据计算的o 5 。0 5 平均重力异常。建立模跫的正作组目 前正枉集中力量进一步改进这一模型，具体做法是艘进不同数据之间的相对权重，并密切注 视随时变化的重力效麻。随着卫星跟踪卫星，卫星藤力梯度测餐的逐步付诸实施，更高精度 豹重力臻援犁霉望褥裂。 相对t 欧美、俄罗斯和前苏联等豳，国内在无源重力导航及其相关技术方面的研究的起 步则较晚。中船重 集团七零七所在七十年代与中科院测量与地球物理研究所合作，就地球 重力场对惯性导航系统艉影响进行了理论研究，并对太平洋地区部分区域豹重力场及霉线偏 差避行7 分轿番l 诗筹。逅，l 年来，东褒大学蠢开展了东f 重力秘馔馁信息疆台定 ! ；= 技本的簿 究文献 5 - 7 1 。在重力场方面，武汉人学( 原武汉测绘大学) j 2 淬生等学者于上世纪9 0 年 代初利h 椭球谐分析辑i 球谐分析理论，结合全球羊i l 我国o 5 。0 5 。￥均空间重力异常以及卫 星跟踪资斟接求的g e m t 2 摸璎，确宠的3 6 0 阶重力场模犁。我国鹾安测绘研究所基1 二重力 场禳型e g m 9 6 及o s u 9 t a ，裁勰我滏1 5 l ，及5 5 重力异常数据，采蠲筠郝袄分馥遂 的谱权综合方法，解算了更高阶次的地球重力场模型d q m 9 9 a 、( b 、c 、d ) 文献u o t 。 3 东南人学顺j 学位论史 1 3 本课题研究的主要内容 本课题主要研究内容如f ： 第一章为绪论。介绍本文的课题背景，研究意义和目的，国内外在电子海图、组合导航 技术方面的进展咀及本文的研究内容与文章结构。 第二章为基- 于v c + m a p o b j e c t s 开发电子海图。介绍了电子海图方面的专门术语，电子海 图各种开发方式的优缺点对比；本系统开发工具( m a p o b j e c t s ) 的介绍，j 云用v c + m a p o b j e e t s 开发界面的函数，美观界面的c b u t t o n s t 类及派生类以及最后的界面效果显示。 第三章为基于电子海图的数字地球重力异常图的制作。我们先对数字地球重力模型和数 据的发展做个介绍；再通过对比确定开发下具与方法：接着通过对墨 托( m e r c a t o r ) 投影算 法和高斯一克吕格( g a u s s k r u g e r ) 投影算法的对比分析，确定最优地图算法；再次介绍运用 a r c v i e wg i s3 2 ，m a t l a b 6 5 ，v c + + 6 0 ，s u r f e r 8 o 等软件综合开发数字地球重力异常圈的 具体过程，实现电子海图与数字地球重力异常图完美结合。通过把数字地球重力异常图与火 山，地震带分布图的对比，我们可以确定该制作方法完全正确。 第四章为惯性重力匹配组合导航电子海图系统整合。我们先对仿真技术做介绍，因为 惯性重力匹配组合导航电子海幽系统中要用到三种仿真技术：再确定系统的软硬件的整体 组合方案；接着对时间同步进行初步探讨，通过串口通讯实现多路信号同步传输；晟后在多 种模式下，对电子海幽和数字地球重力匹配异常图进行统一调用，使可视化界面雨i 导航算法 统一，使导航目标随着导航信息的变化而实时地运动起来，同时界面能实时地显示导航信息。 并且对航程和面积能够进行较为准确的计算。 第五章为总结与展望。首先是对本惯性重力匹配组合导航屯子海图的功能做一评价： 通过数字地球重力异常图效果演示，发现重力异常与地震发生、资源发掘有着密切联系；同 时我f f 、j 能够较为精确地计算出航程和面积。根据实际情况，本论文做了一些展望。具体如下： 航空重力测茸有待f 进一步提高；再次组合导航中加入我国的北斗系统；再次分析重力匹配 加入的时机：再对时间同步问题进行展望；考虑研究冷原子陀螺仪、加速度仪、重力梯度仪 等更高精度的导航仪器，并将其实际应用：实现嵌入式系统与最终j ：程化的推，“以及在电子 海图系统中加入船舶交通管理系统，实现安全导航等等。 参考文献： 1 何英基于m a t l a b 的重力辅助惯性导航可视化仿真系统设计与实现 d 】：硕士学位论文 南京：东南大学，2 0 0 6 年3 月 2 武风德水下导航技术的最新发展 j 】舰船导航，2 0 0 1 3 l o w r e yja s h e l l e n b a r g e rjc p a s s i v en a v i g a t i o nu s i n gi n e r t i a ln a v i g a t i o ns e n s o r sa n dm a p s n a v a le n g i n e e r sj o u r n a l ，m a y1 9 9 9 4 b e h z a dk a m g a r - p a r s ia n db e h r o o zk a m g a r - p a r s i v e h i c l el o c a l i z a t i o no ng r a v i t ym a p s a p a r to fs p i ec o n f e r e n c eo ou n m a n n e dg r o u n dv e h i c l et e c h n o l o g y c 1 9 9 9s p i ev 0 1 3 6 9 3 1 8 2 1 9 l 5 c a it i j i n g n o v e lg r a v i t yp a s s i v en a v i g a t i o ns y s t e m j j o u r n a lo fs o u t h e a s tu n i v e r s i t y 4 第一章绪论 ( e n g l i s he d i t i o n ) 2 0 0 6 ，v 0 1 2 2 ，n o 1 6 ，蔡薅蒋无源重力嚣簸系统 畚褒入乓 学掇，v 0 1 3 2 ，n o 2 ，2 0 0 2 7 稃力，蔡体菁重力辅助惯性导航系统中的一种新的相关匹配算法( j 】仪器仪表学报2 0 0 6 ， 第6 期增刊：2 2 3 5 2 2 3 6 s 韩麟地理信息系统舞发- - m a p o b j e c t s 方法【m 】第l 舨，武汉：藏汉大学出版社，2 0 0 4 年1 ，1 5 9 朱世成电子海图应用系统设计【m 】北京，国防工业出版社，1 9 9 7 1 n 李建成，陈俊勇，宁津生，等地球重力场逼避理论与中国2 0 0 0 似大地水准掰的确定 东南大学顺l 学住论文 第二章基于￥e + 赫a p o b j e c t s 开发电子海图 2 1 引言 馔馒爨力匿配缀台黪靛系统是一种勰罐的无源缀套嚣靛系统，它不受终爨售怠予撬， 特别受到军方的欢迎，在战争时期，它能够实现精确导航，完全自主导航。丽屯子海潮系统 能使我们毙赢观地，形象地，实时地了解导航信息。我们将两者完美绪含，制作出惯性重 力计程仪缀合导航系统样机，在p c 机承lw i n d o w s 系统上实现其各种功能，为其在船舶导航 领域豹全瓣攘广打卜坚实的基穑。 电子海圈系统是地理信息系统( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m 印o l s ) 中的一种，我 们可以按照开发g i s 的方法开发电子海圆。地理信息系统技术( g i s ) 融经广泛渗透到了多 种学科领域，从比较简单的、单一功能的、分散的系统发展刮多功能的、共享的综合性信息 系统，势淘多媒俸g i s 、麓缝纯、三缍、纛瓠现实及廷终方囱发疑，掰必豹逵理售惑系绞蒋 运用专家系统知识，进行分析、预报和辅助决策。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是介于信息科举、空间科学和地球 科学之间的交义科学与新技术学科，它楚计算机科学、撩感技术、信息l j 程与现代地学理论 魏方法豹有辊结合。建瑾嫠惑系绕是基于数据痒系统、缝鞠静可援纯摹l 魄瑾信息麓空闼分耩 的计算机系统，处理的数据是具有地理特征和表征地学现象之间空间戈系的属性数据。地理 信息系统的主爱功能有：采集、存储、管理、检索、查询，分析、显示和输出多种数据，进 行数据维护与更新、区域空闯分析、多要索综合分析和动态预测等。 本章嚣先奔绍电子海翻静基本知识：辑对荐狰开发方式进行对眈，确定本系统静舞发电 子海图方案，即运用v c + m a p o b j e c t s 开发电子海图平台；接着叙述本策统的开发软件以及系 统框架开发过程，实现对所有的电子海幽避行调用和基本的放大、缩小、漫游等功能；为最 磊获得馁馊霪力匹配组会导航电子海豳系统做好充分准豢。 2 2 电子海图的舆体介绍 睦子澎耀是按照一定躲数学趣娥，掇攒曩俸崩途经过选择秘概括，瓣簿号将海洋上鑫转 自然和享会现象的分布、捩况和联系缩小在平面上焉形成的。最初人们将海圈印在纸上，这 就是我们常说的纸海图。纸海图经过儿白- 年的使用和改进，在航海史上怒过很人作用。但是 在人类社会逐步进入数字化和信息化时代的今天，纸海图已经不能满足人竹j 对航海方法和技 术手段交鼙熬要求。为了态瑕纸海翻的缺点，人弼在计棼撬辘勤作圉懿纂穑上，把海强数字 纯，产生了珏数字形式表零静，描写海域魄理蓿息系统秘航海信息的电子海翻和电子海圈应 用系统。多劝能电子海图系统在8 0 年代中期发展起来，该系统是一种集成式的导航信息系统。 它用于船舶，t ，可把本船能嚣、本船所处的静态环境以及周围的动态目标艘示在一个屏幕上， 势能皇动宠藏借助纸海翻避努靛海霹褒痒豹手：海圈j 簦她。戈了更好避了解电子海毽系统， 我翻首先介绍下电子海潮的相关术语。 6 第一牵蟋于v c + m a p o b j e c t s 歼发电了：海强 2 2 1 电子海圈的相关术语 e c s ( e l e c t r o n i ec b a 畦s y s t e m ，惫- j ：海蛰系统愚释商韭臻矮翁电子海鹫系统蔗并不完 全适用_ r 国际海事组缎的s o l a s 公约的全部要求。e c s 主要用1 二助航，同时也作为纸质海图 功能缺陷的一种补充。 e c d i s ( e l e c t r o n i ec h a r td i s p l a ya n di n f o r m 采i o ns y s t e m ，电子海翻鼗示与巷息累绫) 是一静 使耀墩子导航海闰蠛黉其他功能类识的海圈并完全适用 s o l a s 公约要求的一种电子海鹜 系统。e c d i s 是由主计算机系统、呶f 海图数据库、输入传感器、输出终端设备锋四个基本 部分构成： 主诗算羲象统是电子海潮熬核o ，雾要弼它完褒大鼙谤葵，售息控裁，逻辑攫瑾 以及对计算机图形的处理。 ( 2 ) e c d b ( e l e c t r o n i ec h a r td a t a b a s e ，电子海剧数据库) 是由官方授权发行，除可以显示 精确静电子海图以外，还应显示本船黠位，航速，航向及周围g 据黝舂关信息，一般出光拇 海鹜攀l 矢量海翟缀成。 ( 3 ) 输入传感器包括导航传感器及其他信息佟感器，为导航菜统提供其它辅助信息。 ( 4 ) 系统终端设蔷包括翻形盟承嚣、打印枫及航迹记录仪等。 它要显示熙览输出海图 各项靛学要素弱数撰、天规对话戆蠹褰、告警售怠辨及供靛海入员撩作使蠲静熬穗鞫菜摹等。 e n c ( e l e c t r o n i cn a v i g a t i o nc h a r t ，电子导航海图) 是由国家授权的水道测晕部门发行且符 合标准的电子海图。 e n c d b ( e l e e t r o n i cn a v i g a t i o nc h a r td a t a b a s e ，电子导靛海蛰数攥痒) 是生产如子导航海翻 的数据痒。 s e n c ( s y s t e me l e c t r o n i cn a v i g a t i o nc h a r t ，系统电子导航幽) 是电子海嘲显示与信 息系统的数据库。 2 2 2 电子海圈的分类 电子海圈可分为官方海图茅| l 移非官方海幽”】。 雷方海圈是捂密鳇瓣援投静承遂测鼙部fj 测鼙绘潮的海豳。 非官方海图是指由一些民间组织绘制的海图。椎官方海图在绘制标准的严格性羊l l 数据的 准确蚀上与官方海图有一定的差异。 努一静分类方式霄分隽 r n c ( r a s t e rn a v i g a t i o ne l a a r t ，光攘母靛海蓬) 与v c f ( v e c t o r c h a r tf o r m a t ，矢最海豳格式) 。 r n c ( r a s t e rn a v i g a t i o nc h a r t ，光栅导航海图) 是由国家授权的水道测馘部fj 发行的 光摆搏靛海疆。是邋过对纸质海嬲的次性扫接，形成单一的数字信息文件。可以把光栅导 靛海鞠看做楚纸震海隧淘电子复制箍。 v c f ( v e c t o rc h a r tf o r m a t ，矢鲢海幽格式) 一种只存储海图地理要素何置坐标年属性信 7 象街天学颁l 学位论文 息，而不存储其拓扑天系倩息的地理数据格式。v c f 文r l ：以图幅为单位组织，采目录结构， 曩录名酆为数字海圈的编号，由标识簿加喇号缎成。v c f 文传由元数撼文骷、图形文传、索 ；| 文 牛羊l l 筑性文转等登释文箨组戒( 参掘潮2 1 ) 。失罐海翻数据显示由一套规划辑支配。 电子海刚数据是被分层次存储的。例如，肖线条重叠时，次要的线条就不会显示。是把物标 的相关信息显示在同一个位置，不论这个位置是否有别的东明存在。使川矢餐海图e c d i s 有 蘧个优点； ( 1 ) 是能够在显示中消除一些不需器的杂乱的信息，丽纸质海圈辩i 光橱海翻就缎不到。 ( 2 ) 是可以根据需要显示，图像可以在屏幕上随意移动，易丁| 观察。 蟊玉v c f 静绩耩 2 2 3 电子海图的相关标准 嚣鼯髋遴溅量缝织( 1 鞑。溺国藩海攀缍缓( i m o ) 鞋及国际奄工委受会( e c ) 共阉渊定了 关于e c d i s 的性能、显示和数据标准1 7 1 。并于1 9 8 7 年5 月在摩纳哥召开豹1 3 届国际海道组织 测量会议提交了( k e c d l s 海图内容于显示规范( s - 5 z ) ，该标准主要规范了如f 内容： 1 e n c 的最基本数据和附加数据的内容，e n c 数攒麾所要求的特性，如海图的区幅、海 塑数字纯豹密度、海燕数豢簸霉靠洼与念球兼赛毪戳蒇蒺缝靛海结患熬生残。 2 e n c 显示的最基本内容和附加内容，要素的符号、颜色及分配色泽的标准，数据表示 的比例尺范围以及与已有的i h o 海图规范中标准化了的纸质海图符号的适当兼容性。 3 及瓣改正e n c 瓣方法鞋及确保改正系统数据熬全球兼骞魏的手段。 4 在海道测鼍部f j 之间进行数字交换以及提供数据用户的标准格式的规定，数据交换和 8 第二章甚于v c + m a p o b j e c t s 歼发电了海 蕃l 提供数据的方法和费用。 1 9 9 2 年5 箕，在摩纳鼙举行熬第1 6 糍蓬嚣海遂测辍会议上，国际缀绫i m o 又魏撵to h o 数字海遴测餐数据传输标准( s - 5 7 ) 。s - 5 7 描述了用了n 各国航道部“之间的数字化海道测鼙 数据的交换以及向航海人员、e c d i s 生产商发布这类数据的标准，遮贱标准包括了海图数据 的格式、d x - 9 0 格式、e n c 产品规范与e n c 更新概述等等。 2 2 4 电子海图改正以及更新的实现方法 电子海翟改正及豫掰方法有多静，常用豹如下： ( 1 ) 全自动改的实现方法：将要敬王e 的圈鼍俸一张薪静电子海凿，输入系统纛，代替 相对虑的原来的电子海圈 ( 2 ) 自动政正的实现方法：在s 5 7 规范中，详细规定了改正文件的格式，在s - 5 2 标准中， 翅8 2 1l 模块筑定了接牧s - 5 7 援范孛教蠢文箨。将 譬会s - 5 7 孛撬定静菠燕文赞输入奄予簸海强 系统，系统中的应嚣 软件调瑚8 2 1 l 模块就完成海醋的自动改正。s h a p e 格式的数孕海图的 自动改戚尚在研究中，目前还不能实现自动改正。 ( 3 ) 手动改正：由予s h a p e 格式比较简单，编制数字海翻的手动小改正容易实现。辩i 户操 圣# 瞧不怒缀复杂，一艘蠢子海鹫系绫鄂其有霓瑰镌；懿盎接段s - 5 7 海麴拜重要实瑷齄凌施藏较 复杂，遂楚因为s 5 7 海嘲其有拓扑关系，一个要素由多个属性决定，使得使用界面爨得很复 杂，用户不易使用。 一般电子海缓系统最进行且项筒肇簧素的手动数越以便应急使矧，主要海翻改溅越出全 自动改燕释自动改正方法完戒。 一般来说更新电予海图有三种途径： ( 1 ) 从电子海翻的制造商在各地建立的服务站购茨最新版本的光盘； ( 2 ) 逶过瓣至蠹蔽获割遗商瓣弼主下载； ( 3 ) 以卫星通讯的方式修改数据文件，这对装有电子海图的组合导航系统是非常方便。 2 。3 毫子海霞拜发方式的选择 2 3 1g i s 专业歼发方式发展 麸专避开发f ：具她缀成结构上，g i s 专韭开发方式珂以归纳为集成式g i s 、模块纯g i s 、 绕件式g t s 和网络g 1 s 等死个主要类嬲，其发展过稀鲡翻2 - 2 所示： 9 东南人学倾i 学位论文 图2 - 2g i s 的专业开发工具的发展过程 ( 1 ) 集成式g i s 。它是集合各种功能模块的人犁g i s 软件包。e s r i 公司推出的a r e l n f o ， g e n a s y s 公司的g e n a m a p 等都是集成式g t s ，其优点是集成g i s 的各项功能，形成独立的完整 系统，缺点是系统复杂，成本高，难以与其它系统集成。 ( 2 ) 模块化g i s 。它是把g i s 按功能划分成一系列模块，统一于基础环境中。i n t e r g r a p h 公司的m g e 就是一个具有代表性的模块化g i s 。它具有较强的l ：程针对性，便于开发运用。 ( 3 ) 核心式g i s 。为解决系统集成问题，提出了核心式g i s ( c o m g i s ) 的概念。它是操 作系统的基本扩展，开发时可以通过应用程序接e i ( a p i ) 访问内核所提供的g i s 功能，这样给 用户提供了更人的灵活性。但是，由于它提供的组件过丁底层，也给应用开发带来一定难度。 ( 4 ) 万维网g i s ( w e b g i s ) 。它是i n t e r n e t 技术和g i s 结合的产物。如m a p l n f o 公司的m a p p r o s e r v e r 和m a px t r e m e ，i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i aw e bm a p ，e r i s 公司的i n t e m e tm 卸 s e r v e r f o r a r