基于GPS的船舶定位监控系统

基于GPS的船舶定位监控系统

□华南理工大学郑志恒

摘要：为减小海上船舶海损事故的发生，提高船舶监管能力，同时为了更好地对海上运输进行监督管理、提高遇险救助能力，建立高效的水上交通管理系统，在GPS及相关技术的基础上，探讨船舶定位监控系统的解决方案。

关键词：GPS 船舶定位

1 目前主要的船舶管理技术

目前我国对海上船舶的管理主要通过沿岸各港口的船舶交通管理系统(VTS)。VTS是负责增进交通安全和提高交通效率以及保护环境的主管部门所实施的服务系统。其功能有数据搜集、数据评估、信息服务、航行协助服务、交通组织服务、支持联合行动。

1.1 VTS的系统组成

VTS由信息获取、信息传输、信息处理三大部分组成。雷达设备是VTS中的信息获取设备，其作用是对水域目标采集与监视导航。通信设备是将雷达站采集到的信息传送至VTS控制中心；将VTS控制中心发出的对系统的控制信号送到各雷达站，建立VTS控制中心与船舶间的信息交换。数据处理设备将对各雷达站的雷达信息进行综合处理显示；对监视区域内航道，锚地的船舶与航标的动静态信息处理与评估、预测潜在危险并报警；记录信息收集和信息服务的情况。

1.2 VTS存在的不足

由于目前的VTS主要利用雷达作为技术手段，而雷达存在着观测性能的局限性，使得所提供的目标位置精度及分辨率不高，目标特征参数少，不易识别，以至造成目标的误、漏跟踪，目标丢失及动态监测精度不高；特别是在目标密集、机动性大或海浪、雨雪干扰杂波大时更为严重，制约系统的整体性能。

同时,目前我国各地的VTS中心，覆盖范围小，基本上还处于相互独立、分散管理，只能监测到本水域范围内的船舶航行状况，而对于相邻水域或其它水域有关的船舶航行状况尚不能很好地了解。因此，寻求一种更可靠的船舶检测定位技术去支持VTS是很有必要的。

2 GPS及技术优点

2.1 GPS概述

是由美国研制的导航、授时和定位系统。它由空中卫星、地面跟踪监测站、地面卫星数据注入站、地面数据处理中心和数据通讯网络等部分组成。用户只需购买GPS接收机，就可享受免费的导航、授时和定位服务。

2.2 GPS的优点

(1)全球地面连续覆盖。由于GPS卫星数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点均可同时观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续地三维定位。

(2)功能多、精度高。GPS可为多类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。GPS提供两种服务：标准定位服务（SPS）定位精度为25米左右和精密定位服务（PPS）定位精度为10米左右。

(3)实时定位。利用GPS可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可以保障运动载体沿预定航线运行，也可以实时地监视和修正航行路线，并可以选择最佳航线。

3 基于GPS的船舶定位监控系统方案

船载终端接收GPS卫星每秒钟发来的定位数据，并根据来自三颗以上不同卫星发来的数据计算自身所处的位置坐标，将该位置连同船舶的状态、报警器和传感器输入等信息发送到监控指挥中心，经过监控中心计算机处理后，与计算机系统上的电子地图进行匹配，并在地

图上显示坐标的正确位置。指挥控制中心可清楚及时掌握船舶的动态信息（位置、速度、报警、统计和分析等），同时中心也可以对船舶进行指挥调度（语音通话、发送交通和调度信息、救援和违章警告等）。在遇到紧急情况时，可以通过船载终端，采用手动或自动报警，将船舶所在位置、报警类型等数据发送到控制中心，经计算机处理后，将船舶精确位置显示在电子地图上，并向海事、救助等机构报告，以实施紧急救援。

3.1 GPS船载终端

GPS船载终端的主要功能是通过GPS模块接收GPS卫星定位信号，中央处理单元对定位信号进行计算处理得到位置信息(经纬度、速度、方位角、时标)，再由通信模块将信息发至监控服务器。中央处理单元也可以通过通信模块接收来自监控中心的指令，从而完成其他的一些功能，例如通过其他功能模块实现报警、通话等。

图1 船载终端结构示意图

船载终端的功能及工作流程：

(1)登录和注销。船只出航时必须向监控中心登录，归航时向监控中心注销。

(2)监控。当发生以下情况时，监控中心对船只实施监控。

·与规定的行驶路线误差超过了允许的范围；

·船只在行驶过程中停留时间超过了监控中心允许的时间；

·监控中心较长时间无法接收到船只的信号；

·监控中心收到求助信号。

(3)紧急报警功能。遇到紧急情况时，通过船载终端向监控中心报警。

(4)行驶记录功能。按照预定的时间间隔，定时记录船只运行情况，包括时间、经纬度、速度、方向、水位等。

(5)导航功能。配备了导航软件和电子地图的船载终端可以实现导航功能。

(6)数据管理

·对用户信息数据的管理；

·对船舶信息数据的管理；

·对短消息或其他信息数据的管理。

3.2 通信子系统

通信子系统是系统中负责数据传递的枢纽，负责用户终端采集数据的上传和系统调度控制命令的下达，它由短消息通讯网关或GPRS网关配合移动通讯运营商或其它通讯服务商的短消息服务中心设备实现数据传递、信息缓存、协议和代码转换等功能。

通信子系统实现的功能：

·与用户终端的接口；

·与移动通信服务运营商的接口；

·与监控中心数据库的接口；

·与其它应用的接口。

3.3 监控中心

监控中心硬件部分主要由通信网关服务器、数据库服务器、监管应用服务器、WebGIS

服务器、Internet专线接入设备和输出设备组成。

监控中心软件部分主要由GIS模块、应用程序模块和通信模块构成。GIS核心模块的主要功能包括: 数据输入和编辑功能、数据转换和集成、基本GIS功能、完整的数据查询和显示工具、地理数据管理用户界面，系统二次开发接口、提供地图制作的数据输出，报表生成及制作高精度的地图功能。通信模块主要采用Windows网络编程来实现，联接到监控服务器，由监控服务器来转发各种指令。应用程序模块可以包括监督系统、报警处理系统、GPS数据处理系统等。

监控中心的主要功能包括：

(1)定位功能。通过通信模块查询监控服务器上面的位置信息数据库，能够得到船的实时位置，并且通过GIS模块在电子地图上显示，这样就可以方便一些相关的单位或职能部门进行一些基本的监控和调度等工作。

(2)传播查询功能。提供基于矢量图单目标查询、分组列表查询、逻辑条件查询等功能。

(3)指挥调度。通过通信系统向船只发出指挥调度信号。

(4)紧急救援功能。当接受到船载终端发来的报警信号后，监控中心及时发送指挥调度指令，并通知海事救助部门和救援部门，实行统一协调行动。

(5)预警功能。通过所得到船只位置信息，判断船只行驶的水域是否安全,判断船只之间的距离是否在安全范围以内，从而能够在船舶出现危险的时候，及时通知相关人员，调整船舶的行驶状况。

(6)到港预报。通过所得到船只位置信息，计算船只当前位置与将到港距离，预测到达时间，并发送相关信息到港口码头。

(7)其他功能。船只行驶轨迹记录、船况监听、系统管理等。

3.4 系统特点

(1)定位精度高。GPS船舶定位系统采用单GPS模块的方式，其定位精度小于15米。为了满足某些其他用户高精度定位的需求，则可以采用差分GPS的方式，根据差分GPS基准站发送的信息方式可以将差分GPS定位分为3类:位置差分、伪距差分和相位差分。这3种差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送修正值，由用户接收并对其测量结果进行修正，以获得精确的定位结果。不同的是发送修正值的具体内容不一样，其差分精度也不同。其中伪距差分是将移动台的GPS数据及差分基准站的GPS数据同时送到中心进行二次差分来抵消公共误差部分，以提高其定位精度。

(2)覆盖范围广。GPS船舶定位系统只要在移动网络覆盖的地方均可监控，从而可以实现跨省甚至全国的监控。利用先进的卫星通信手段和网络技术，可实现船舶监管机构与船舶间远距离方便快速的信息交换，扩大海事部门对海上航行船舶的监控管理范围，提高船舶监管水平和船舶安全航行能力。

(3)信息容量大，交互更及时便捷。利用卫星通信技术、计算机技术、网络技术等，建立基于同步定位卫星通信系统船舶监控管理系统，实现船舶静、动态信息资源共享及船舶监管机构与船舶之间方便快捷的信息交流，从而有利于加强船舶的监控管理与指挥调度力度，有效地提高船舶营运效益。

4 结语

该系统定位是一个基于现代卫星定位和无线数据通信技术的、开放的、面向多用户、多种应用的水上安全动态监控及预警综合服务平台，是针对水上安全管理的现状和特点，利用GPS卫星定位技术、移动通信技术和GIS地理信息系统技术等高新技术建立的船舶定位监控平台。系统可以实现防撞预警、船岸及船只之间的信息快速传递，实现主动防范、快速救援及航运信息一体化，提高安全防范和管理预控能力，降低水上事故率，促进航运事业的发展。■