基于雷達的近海船舶分布式監控系統

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(1.大連海事大學航海學院，遼寧 大連 116026；2.大連海事大學 計算機科學與技術學院，遼寧 大連 116026)

實現船岸之間的數據交換和通信是船舶監控系統首要解決的問題。

小型船舶(如漁船)的通信、導航設備落后，已有的方法[1-3]都難以實現對其實時監控。因此考慮將ECDIS與嵌入式雷達相結合，構建近海船舶分布式監控系統。

1 系統架構

系統由若干個固定在近海沿岸的雷達監控站和一個中心監控系統組成。雷達監控站采用1臺嵌入式雷達構成，將雷達圖像存儲、壓縮后，利用CDMA/GPRS通信技術向中心發送雷達圖像，并接收中心發來的調度和控制命令。

中心監控系統是整個系統的數據中心和通信控制中心，以電子海圖顯示與信息系統(electronic chart display and information system，ECDIS)為基礎平臺，通過Internet網絡技術，接收雷達監控站發來的雷達圖像，解壓后疊加在電子海圖上。然后實現對目標回波的定位；在電子海圖上劃定報警線，對越過報警線的目標回波進行報警；向雷達監控站發送指令，實現遠程遙控。

雷達站監控平臺通過CDMA/GPRS移動電話網接入Internet，中心監控系統通過ADSL接入Internet，中心監控系統和雷達站組成基于Internet的網絡結構。這樣，利用Internet網絡技術、CDMA/GPRS通信技術、雷達技術和電子海圖技術，建立了近海船舶分布式監控系統。

2 中心監控系統工作原理

中心監控系統的基礎平臺是一個符合國際標準的電子海圖顯示與信息系統，該平臺對符合IHO S—57國際標準[4]的電子海圖實現即插即用，海圖顯示性能符合IHO S—52規范[5]。依據S—52表示庫開發的系統具有海圖顯示與控制(包括放大、縮小、漫游和信息分層、多幅海圖的無縫拼接、雷達圖象疊加)、臨時標繪(包括點、線、圓形、多邊形、文字等)等功能，并可實現航行狀態監控、數據通信[6](連接ARPA/雷達、AIS/GPS、CDMA/GPRS等通信導航設備)、航行安全報警、海圖計算與測量、航線設計、避碰決策支持(DCPA/BCPA/TCPA計算)、臺風和潮汐信息、海上地理信息查詢、海圖改正等功能，系統功能見圖1。

圖1 系統功能框

依據IHO S—57國際標準，將海圖改正信息(包括碼頭、航道、錨地、水深、助航標志、礙航物等物標的變更信息等)制成標準的“海圖改正數據集”；中心指揮系統還可依據《航海通告》對電子海圖進行改正，以使系統使用的電子海圖保持最新。

中心監控系統實現了雷達視頻圖像與電子海圖在不同雷達量程、不同顯示比例尺、不同顯示模式情況下的坐標匹配和同步[7]。雷達監控站將雷達圖像按一定的周期通過CDMA/GPRS通訊模塊發送到監控中心。中心監控系統監視到有船舶進入報警區時，自動以聲、形、文字等方式報警，同時持續跟蹤并記錄時間和圖像。

監控中心采用FTP協議向雷達監控站發送指令文件，每個雷達監控站以其主控計算機的IP作為唯一標識。指令包括2種類型：雷達操作指令和文件發送頻率指令，用于控制雷達(如改變量程等)和改變文件發送頻率。

3 嵌入式雷達控制器件設計

雷達監控站選用的是日本KODEN公司生產的型號為MD-3641/3642雷達，設計開發的嵌入式雷達控制單元采用美國ATMEL公司生產的高檔8位單片機AT89C4051作為CPU，硬件開發平臺為ETX(embedded technology extended)嵌入式PC[8]。

雷達控制器是遙控雷達的主要組成部分，功能是根據約定或數據處理計算機送來的指令給雷達各受控分系統傳送各種控制碼，配合定時器協調雷達各分系統同步工作；自動控制雷達系統各工作方式之間的快速轉換；實現雷達系統監測(分系統BITE監測)；產生隨機跳頻功能；產生模擬信號。

圖2是以ETX嵌入式PC構成的雷達控制器邏輯框圖，由于大量采用數字信號處理器(digital signal processing，DSP)和現場可編程門陣列(field-programmable gate array，FPGA)進行模塊設計，實際的雷達控制器是一個以ETX嵌入式PC為核心的分布式處理系統。

圖2 嵌入式雷達控制器邏輯框

3.1 模塊功能

1) ETX嵌入式PC。雷達控制器的核心部件，實時處理各種輸入輸出的信號，根據雷達系統的要求，把各種指令通過指令分配送給各受控分系統，使處理信息的速度、容量、靈活性有了很大的提高，也使雷達控制器的性能得到了提升。

2) 接收控制器。接收定時、反干擾、伺服、和數據處理計算機等分系統送來的各種信號，經排序，送到ETX嵌入式PC和指令分配器中進行處理。

3) 指令分配器。接收ETX嵌入式PC和接收控制器送來的各種信息，并按照一定的時序把各種宏指令和狀態指令發送到各受控分系統。

4) 目標檢測器。用于分調狀態下，給接收機提供若干條固定波位的航跡，用于調試和檢查接收機、信號處理、目標提取、計算機及軟件。

5) 全機監測。對雷達中各分系統的故障信息進行分析、匯總并送顯示器顯示，讓監控中心的操作員及時了解雷達工作狀態及故障情況；對接收分系統傳送的故障信息必須實時采集(每個波位進行一次)，把信息及時送到ETX嵌入式PC，通過分析進行接收通道的切換。

6) 圖像壓縮、發送。雷達圖象經壓縮后，由網絡發送模塊發往監控中心。

根據雷達控制器功能需求，加進了網絡處理和文件處理功能。分別設計了4個任務：初始化任務、指令重組分發任務、網絡接收任務、數據轉存任務。采用輪循(round-robin)任務調度機制，任務之間、任務和中斷間同步使用二進制信號燈，任務間通訊采用共享存儲區方式，存儲區的設計采用“乒乓”緩沖數據結構[9]。

3.2 軟件主要功能

1) 通過網絡接收來自數據處理計算機送來的控制命令。

2) 響應定時中斷，按照波位和區域及時對控制命令進行處理并將宏指令分發給各受控分系統。

3) 響應正北中斷進行記數，在約定狀態下，記到一定數時進行通道修正。

3.3 雷達控制軟件模塊

雷達控制軟件模塊的劃分主要考慮模塊的通用性、移植性和可擴充性。根據具體情況，將模塊劃分為網絡通信模塊、指令處理模塊2類。

1) 網絡通信模塊的功能。綁定網卡，初始化發送方和接收方，及時接收由數據處理計算機送來的各種控制命令，數據包長度為不超過1.5 kb。

2) 指令處理模塊的功能：響應定時中斷，在指定的時間內，按照波位號和區域號將控制命令，組織成給雷達各受控分系統的宏指令，通過寫并口送到相應的硬件端口。

中斷和任務間的通訊采用二進制信號燈。對網絡的編程在傳輸層上進行，網絡協議采用UDP/IP協議，用C語言編程，圖3是嵌入式軟件流程圖。

圖3 嵌入式軟件流程圖

4 實例

系統應用于遼東灣海漁船監控。在遼東灣西起小塢漁港、東至將軍石等地建立9個雷達監控站，在營口設立指揮中心。圖4是中心監控系統主界面。圖5是西河口雷達監控站發來的3 n mile量程雷達與電子海圖疊加后的圖像，中心監控系統發現有漁船越過報警線進行報警，圖中亮白色標繪的是漁船回波的邊緣。

圖4 中心監控系統主界

圖5 系統報警界面

5 結束語

將ECDIS和雷達相結合應用于導航領域外的近海船舶監控，通過通用網絡平臺(Internet)傳輸圖像、文字信息和指令，建立了近海船舶分布式監控系統。通過部署多個雷達監控站，解決了近海小型船舶難于監控的問題。

以嵌入式芯片為核心構成遠程遙控雷達，除完成雷達的基本功能外，通過接收遠程控制指令，擴展了雷達遠程監控能力。下一步研究的重點是繼續完善嵌入式雷達軟硬件功能，擬采用16位或32位的微處理器來提高性能。

[1] 李順亮,張均東.基于Inmarsat-Fleet77的船岸綜合監控系統的設計與實現[J].船海工程,2006,35(1):67-69.

[2] 曹 輝,張均東.視頻技術在船舶領域中的研究與應用[J].船海工程,2007,36(3):122-124.

[3] 劉傳潤,張來保.珠江口水域AIS基站的設計[J].大連海事大學學報,2007,33(1):64-66.

[4] IHO S-57 IHO Transfer Standard for Digital Hydrographic Data Edition 3.1[S].International Hydrographic Bureau MONACO, 2000.

[5] IHO S-52 IHO Specifications for Chart Content and Display Aspects of ECDIS Edition 5.0[S].International Hydrographic Bureau MONACO, 1996.

[6] 趙麗寧,郝江凌.電子海圖導航系統多設備接口動態鏈接庫的開發[J].大連海事大學學報,2003,29(4):18-20.

[7] 周 莉,華承相.雷達圖像與電子海圖的實時匹配算法[J].中國航海, 2006(4):55-56.

[8] 張曉平.基于嵌入式系統的雷達控制器[J].現代雷達, 2004(4):58-59.

[9] 費利那 A,斯塔德F A.雷達數據處理[M].北京:國防工業出版社,1992.