基于電子海圖的北斗船舶監管系統設計

王玉璽 杜 鵬 侯岳麟

一、概述

由我國獨立研發的北斗導航系統，除了具備其他衛星系統所具備的導航、定位和授時功能外，還具備短報文通信功能，能夠提供雙向主動通信，短消息內容部分最大能夠達到1 680位[1]，通過北斗短報文可以實現船舶狀態、指揮控制數據傳輸以及北斗短報文與移動通信短消息的互聯互通[2]。同時，互聯網技術的迅速發展，使傳統電子海圖信息顯示平臺面臨多樣服務模式的挑戰，管理部門和涉海人員更加傾向于借助互聯網查看船舶在電子海圖上的位置、航線等信息[3]。本文通過對北斗短報文通信協議進行分析，論證了使用北斗短報文進行短小數據傳輸的可行性，提出了一種基于網絡電子海圖和北斗導航系統的船舶監管系統，利用北斗定位授時以及短報文通信功能，將船舶狀態信息發送給監控平臺，通過電子海圖直觀地展示船舶狀態，輔助管理部門快速高效地完成船舶的集中監管、搶險救援等任務。

二、系統方案

1.總體思路

本系統由北斗衛星導航系統、船端、岸端和涉海人員等部分組成。其中船端主要由北斗船載終端、北斗手持機等北斗設備組成。岸端主要由北斗指揮型用戶機、電子海圖監控平臺以及存儲網絡設備等組成。北斗指揮型用戶機用于監控下屬北斗設備位置并與下屬北斗設備互相通信；電子海圖監控平臺用于管理部門船舶狀態監控及指揮調度，同時，電子海圖監控平臺可通過互聯網向第三方平臺推送船舶信息。涉海人員主要由船運公司及船員家屬等組成，涉海人員可通過移動手機、互聯網等手段關注船舶狀態。系統結構示意圖如圖1所示。

一方面，船舶北斗設備通過北斗短報文通信向電子海圖監控平臺上報位置、航速、航向、時間等船舶狀態信息，監控平臺收到上報信息后，將船舶信息在電子海圖上顯示；另一方面，管理部門可通過電子海圖監控平臺向指定船舶或全部船舶發送控制指令，如通知、警告等；另外，通過移動通信短信網關可建立手機與北斗終端的通信關系。

2.北斗信息接收處理

將北斗短報文協議中“通信申請”指令的“電文內容”字段進行自定義，根據北斗終端北斗卡的通信內容長度和服務頻度，建立北斗船載終端與監控中心的自定義北斗通信協議，如果一次數據超過了北斗短報文的長度限制，需分包發送[4]。自定義北斗通信協議如表1所示。

圖1 監控系統結構示意圖

表1 自定義北斗通信協議

由于北斗定位和短報文通信受北斗終端的服務頻度限制，監控平臺應根據事件緊急程度對終端定位和通信進行優先級排序，如發送危險報警應作為最高優先級事件處理，定時的位置申請和航向航速上報則在通信空閑時進行。

3.基于web電子海圖的信息疊加顯示

（1）Web電子海圖

Web電子海圖監控平臺服務端采用電子海圖瓦片金字塔預處理技術在服務器生成并部署電子海圖瓦片數據。客戶端運用Ajax技術根據用戶請求的電子海圖顯示范圍及比例尺等信息，計算電子海圖瓦片級數，從而獲取覆蓋電子海圖顯示范圍內的電子海圖瓦片數據，實現電子海圖在客戶端的無縫,接顯示。采用電子海圖瓦片顯示技術，可提高用戶體驗，并可減輕客戶端電子海圖顯示計算壓力[3]。根據官方海道測量組織發布的電子海圖更新數據，對服務器端的電子海圖瓦片數據進行定期更新，保證電子海圖數據的現勢性，滿足船舶的安全航行需求。

（2）船位信息疊加顯示

船載北斗終端上報的坐標位置信息通常采用CGCS2000國家大地坐標系，為實現船位在電子海圖上的準確疊加顯示，需進行從經緯度表示的大地坐標系轉換為屏幕坐標系及電子海圖顯示平臺的界面控件坐標系，實現船位坐標在電子海圖顯示平臺上的正確疊加顯示。

（3）區域信息疊加顯示

海事管理部門根據天氣、氣象等條件以及演習等特殊任務的情況，在電子海圖上制定安全航行區域、禁止穿越區域等區域標繪，并根據船舶上報位置信息，監控船舶是否離開安全航行區域、進入禁止穿越區域。如果出現危險情況，電子海圖顯示平臺可向北斗終端發送危險警告。

三、系統功能（見圖2）

1.位置監控功能

船載北斗終端在開關機時向北斗指揮機發送開關機狀態報文信息；設備開機后定時向北斗衛星發送定位申請及航向、航速信息，在電子海圖顯示平臺上標識終端設備在線情況、船舶所在位置以及船舶狀態信息。

2.危險預警功能

圖2 系統界面圖

電子海圖監控平臺根據天氣及特殊任務通知，繪制霧區、禁航區等重點監控水域，向下屬船舶推送重點監控水域范圍，在監控平臺將監控水域范圍以北斗通播短報文的形式向終端發送區域數據更新。監控平臺需要實時計算下屬終端位置是否在平臺設定的監控區域內，根據對船舶的危險情況向航行船舶發出不同等級的預警和相關的信息提醒。

3.救援調度功能

船舶遇險或事故發生時，可通過北斗終端“一鍵報警”功能向監控平臺發送求救信息。當監控平臺接收到來自終端的報警消息時，在電子海圖上可以快速定位事故地點，并按照報警級別發出相應的警告消息，平臺給出明顯提示或聲音報警。監控平臺通過電子海圖的動態顯示與船舶進行通信，實現船舶調度和動態監控，指揮現場最近的船舶施救，最大限度地減少人員傷亡和財產損失。

4.調查取證功能

電子海圖監控平臺根據船載北斗終端上報的位置、航向、航速等信息，可對船舶的航行歷史軌跡進行回放，可定位船舶事故發生的航行狀態信息，為分析事故原因提供參考依據。

5.信息服務功能

電子海圖監控平臺可作為海事、航道、公安等管理部門的信息發布平臺，向船舶提供天氣、水文、航道等信息。

另外，監控平臺可通過短信網關建立手機與北斗終端的通信。北斗終端向平臺指揮機號碼發送短報文，平臺接收后，通過短信網關轉發給手機；手機向監控平臺發送短信，平臺短信網關收到短信后，通過指揮機向船載北斗終端轉發。

四、結束語

本系統利用電子海圖直觀展示和北斗終端定位通信等功能，建立動態信息和靜態信息的關聯，實現了對船舶的位置監控、危險預警、救援調度、調查取證及信息服務等功能，可以廣泛應用于對各類船舶的監控管理，如漁業船舶、公務船等。鑒于北斗短報文通信的報文長度及頻度限制，在近岸區域，可使用移動通信作為北斗短報文通信的補充；而在移動通信信號較弱的區域，使用北斗終端短報文通信。