基于GPS和电子海图的嵌入式船舶导航系统设计

基于GPS和电子海图的嵌入式船舶导航系统设计[日期：2005-9-16]来源：电子技术应用

作者：胡力陈耀武汪乐宇[字体：大中小]

摘要：介绍了一种基于GPS和电子海图、使用嵌入式Linux操作系统的船舶导航系统，讨论了船舶导航GUI、电子海图数据的预海图显示等关键技术，并给出了解决方案。

关键词：船舶导航电子海图嵌入式LinuxQTMVCF以GPS和电子海图为技术核心，为航海用户提供安全航行所必需的海图、航路等信息的船舶导航系统目前正在全世界得到广泛应用，大大提高了船舶导航技术与船航行的安全性。船舶导航系统目前主要有PC机系统、单片机系统和嵌入式系统等三种实现方式。常见的PC机船舶导航系统采用基于Windows的GIS软件（如MapInfo、MapGIS）设计，具有系统功能丰富、响应速度快、人机交互界面友好等特点，但成本较高、系统集成度差，不适合用为专业系统使用。单片机电子海图应用系统由于处理器运算能力较弱，资源有限，支持网络化困难，而且在图形用户界面实现较为困难，近年来已较少使用。随着嵌入式系统的发展，电子海图应用系统有了更好的选择，使用嵌入式32位处理器和嵌入式操作系统的产品逐渐出现。由于系统集成度高、硬件成本较低等特点，在近几年获得较多应用。而采用WindowsCE、Vxworks、PalmOS等商用嵌入式操作系统，存在软件开发成本较高的缺点。本文提出并设计了一种基于GPS和电子海图，使用嵌入式32位处理器和嵌入式Linux的船舶导航系统。该系统采用Motorola公司的MPC823E嵌入式处理器，外接GPS接收仪和256色液晶显示器，基于嵌入式Linux操作系统，具有源码开放、易移植、模块化、资源丰富的优势。图形用户界面（GUI）采用QT/Embedded图形开发库，电子海图用海司航保部的符合国家军用标准的矢量海图，并预先对电子海图数据进行预处理，删除冗余数据，进行二维几何数据压缩、建立网络索引。在此基础上进行船舶导航系统软件设计，使得系统响应速度大大加快。

1系统硬件结构和软件开发平台系统整体结构如图1所示。本系统使用Motolora公司的MPC823E嵌入式处理器，该处理器采用嵌入式PowerPC处理核，采用RISC技术，主频为75MHz，具有强大的处理能力，并针对通信进行优化，通过独立的通信模块（CPM）专门处理通信事务。系统通过通用串行总线控制器（USB）外接键盘和鼠标；通过液晶显示（LCD）控制器外接一个256色的TFTLCD640×480彩色液晶显示器，用于图形用户界面的显示；通过RS232外接GPS接收仪；系统外扩32MBFlash空间，用于存储Linux内核、应用程序和电子海图数据；系统外扩32MBSDRAM，用于操作系统内存空间，存放动态数据和运行程序。系统软件基于嵌入式Linux操作系统，使用C++语言进行软件开发，并选择QT/Embedded作为图形用户界面（GUI）开发环境。QT是Trolltech公司推出的跨平台C++图形用户开发库，QT/Embedded是QT面向嵌入式应用的版本，具有可移植性强，支持Linux、Windows、Mac的优点，移值到新平台时，只需用该平台的编译器重新编译即可；面向对象，采用C++语言，加上特有的信号/槽（singal/slot）机制，使得面向对象的程序设计变得简单而有效；可裁剪，通过去掉无关模块可以调整库文件的大小、适合嵌入式系统使用；GUI界面支持大量标准的窗口部件，并提供了界面设计工具designer；支持国际化，支持中文显示，并提供了多语言支持工具linguist。QT/Embedded强大的图形绘制功能在电子海图的应用系统中得到了充分的应用。

3系统软件的设计与实现系统软件如图2所示，主要由以下模块组成：系统界面与管理模块、海图数据模块、海图算法模块、海图显示模块、航行信息管理模块、GPS接收模块等。系统界面与管理模块：实现系统主界面和操作菜单，通过调用其它模块实现海图漫游、自动对中、海图查询、管理航线、保存航行记录等功能。海图数据模块：负责读取电子海图文件，实现海图查询功能。通过dbase属性文件搜索地图要素，可以通过SQL语句在属性文件中找到该要素，从而得到该要素在索引文件中的位置。海图算法模块：包括程序中用到的各种算法，如地理坐标、墨卡托投影坐标和屏幕坐标之间的相互转换，点与点、点与线之间距离，线的长度，多边形的周长和面积等。海图显示模块：海图显示是系统的核心模块。该模块根据管理模块给出的中心点位置及显示范围的参数，确定需要绘图的网格，根据网格索引，快速完成绘制海图的功能。考虑到海图漫游通常是连续的，使用了位图缓存来提高响应速度，每次画图的时候，先在缓存中找，找不到则扩大范围画图，并保存到位图缓存，对缓存的管理采用最近最少使用替换算法（LRU）。具体流程如图3所示。航行信息管理模块：完成航线设置、航线偏移报警、保存航迹等航行管理功能。航线设置是根据航海用户对目的点的连续选择，形成一条航线，并对该航线设置一个偏航极限。本模块定时从GPS接收模块获取地图坐标信息，判断当前位置到航线的距离，若超出偏航极限，则发出报警。航迹保存是定时记录船舶位置并显示，醒目、直观的航迹显示可以使航海人员对船位信息、航行历程及周边环境有清楚的了解。

GPS接收模块：负责定时读取GPS接收仪的数据，解析出地理经纬度坐标、时间、航速与航向等信息。外置的GPS接收仪通过RS232连接到系统，GPS接收仪会定时往系统发送符合NMEA（美国航海电子协会）标准的数据。该模块只需定向读取RS232串口数据，根据NMEA格式解析出地理经纬度坐标、时间、航速与航向的信息即可。本系统的部分界面如图4所示。目前本系统已经出海试运行，实践证明本系统能实时显示船舶当前航行状况，快速响应用户操作，为航海人员提供可靠的电子海图信息。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统设备的性能逐步提高，船