基于电子海图的北斗船舶监管系统设计

王玉玺 杜 鹏 侯岳麟

一、概述

由我国独立研发的北斗导航系统，除了具备其他卫星系统所具备的导航、定位和授时功能外，还具备短报文通信功能，能够提供双向主动通信，短消息内容部分最大能够达到1 680位[1]，通过北斗短报文可以实现船舶状态、指挥控制数据传输以及北斗短报文与移动通信短消息的互联互通[2]。同时，互联网技术的迅速发展，使传统电子海图信息显示平台面临多样服务模式的挑战，管理部门和涉海人员更加倾向于借助互联网查看船舶在电子海图上的位置、航线等信息[3]。本文通过对北斗短报文通信协议进行分析，论证了使用北斗短报文进行短小数据传输的可行性，提出了一种基于网络电子海图和北斗导航系统的船舶监管系统，利用北斗定位授时以及短报文通信功能，将船舶状态信息发送给监控平台，通过电子海图直观地展示船舶状态，辅助管理部门快速高效地完成船舶的集中监管、抢险救援等任务。

二、系统方案

1.总体思路

本系统由北斗卫星导航系统、船端、岸端和涉海人员等部分组成。其中船端主要由北斗船载终端、北斗手持机等北斗设备组成。岸端主要由北斗指挥型用户机、电子海图监控平台以及存储网络设备等组成。北斗指挥型用户机用于监控下属北斗设备位置并与下属北斗设备互相通信；电子海图监控平台用于管理部门船舶状态监控及指挥调度，同时，电子海图监控平台可通过互联网向第三方平台推送船舶信息。涉海人员主要由船运公司及船员家属等组成，涉海人员可通过移动手机、互联网等手段关注船舶状态。系统结构示意图如图1所示。

一方面，船舶北斗设备通过北斗短报文通信向电子海图监控平台上报位置、航速、航向、时间等船舶状态信息，监控平台收到上报信息后，将船舶信息在电子海图上显示；另一方面，管理部门可通过电子海图监控平台向指定船舶或全部船舶发送控制指令，如通知、警告等；另外，通过移动通信短信网关可建立手机与北斗终端的通信关系。

2.北斗信息接收处理

将北斗短报文协议中“通信申请”指令的“电文内容”字段进行自定义，根据北斗终端北斗卡的通信内容长度和服务频度，建立北斗船载终端与监控中心的自定义北斗通信协议，如果一次数据超过了北斗短报文的长度限制，需分包发送[4]。自定义北斗通信协议如表1所示。

图1 监控系统结构示意图

表1 自定义北斗通信协议

由于北斗定位和短报文通信受北斗终端的服务频度限制，监控平台应根据事件紧急程度对终端定位和通信进行优先级排序，如发送危险报警应作为最高优先级事件处理，定时的位置申请和航向航速上报则在通信空闲时进行。

3.基于web电子海图的信息叠加显示

（1）Web电子海图

Web电子海图监控平台服务端采用电子海图瓦片金字塔预处理技术在服务器生成并部署电子海图瓦片数据。客户端运用Ajax技术根据用户请求的电子海图显示范围及比例尺等信息，计算电子海图瓦片级数，从而获取覆盖电子海图显示范围内的电子海图瓦片数据，实现电子海图在客户端的无缝,接显示。采用电子海图瓦片显示技术，可提高用户体验，并可减轻客户端电子海图显示计算压力[3]。根据官方海道测量组织发布的电子海图更新数据，对服务器端的电子海图瓦片数据进行定期更新，保证电子海图数据的现势性，满足船舶的安全航行需求。

（2）船位信息叠加显示

船载北斗终端上报的坐标位置信息通常采用CGCS2000国家大地坐标系，为实现船位在电子海图上的准确叠加显示，需进行从经纬度表示的大地坐标系转换为屏幕坐标系及电子海图显示平台的界面控件坐标系，实现船位坐标在电子海图显示平台上的正确叠加显示。

（3）区域信息叠加显示

海事管理部门根据天气、气象等条件以及演习等特殊任务的情况，在电子海图上制定安全航行区域、禁止穿越区域等区域标绘，并根据船舶上报位置信息，监控船舶是否离开安全航行区域、进入禁止穿越区域。如果出现危险情况，电子海图显示平台可向北斗终端发送危险警告。

三、系统功能（见图2）

1.位置监控功能

船载北斗终端在开关机时向北斗指挥机发送开关机状态报文信息；设备开机后定时向北斗卫星发送定位申请及航向、航速信息，在电子海图显示平台上标识终端设备在线情况、船舶所在位置以及船舶状态信息。

2.危险预警功能

图2 系统界面图

电子海图监控平台根据天气及特殊任务通知，绘制雾区、禁航区等重点监控水域，向下属船舶推送重点监控水域范围，在监控平台将监控水域范围以北斗通播短报文的形式向终端发送区域数据更新。监控平台需要实时计算下属终端位置是否在平台设定的监控区域内，根据对船舶的危险情况向航行船舶发出不同等级的预警和相关的信息提醒。

3.救援调度功能

船舶遇险或事故发生时，可通过北斗终端“一键报警”功能向监控平台发送求救信息。当监控平台接收到来自终端的报警消息时，在电子海图上可以快速定位事故地点，并按照报警级别发出相应的警告消息，平台给出明显提示或声音报警。监控平台通过电子海图的动态显示与船舶进行通信，实现船舶调度和动态监控，指挥现场最近的船舶施救，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。

4.调查取证功能

电子海图监控平台根据船载北斗终端上报的位置、航向、航速等信息，可对船舶的航行历史轨迹进行回放，可定位船舶事故发生的航行状态信息，为分析事故原因提供参考依据。

5.信息服务功能

电子海图监控平台可作为海事、航道、公安等管理部门的信息发布平台，向船舶提供天气、水文、航道等信息。

另外，监控平台可通过短信网关建立手机与北斗终端的通信。北斗终端向平台指挥机号码发送短报文，平台接收后，通过短信网关转发给手机；手机向监控平台发送短信，平台短信网关收到短信后，通过指挥机向船载北斗终端转发。

四、结束语

本系统利用电子海图直观展示和北斗终端定位通信等功能，建立动态信息和静态信息的关联，实现了对船舶的位置监控、危险预警、救援调度、调查取证及信息服务等功能，可以广泛应用于对各类船舶的监控管理，如渔业船舶、公务船等。鉴于北斗短报文通信的报文长度及频度限制，在近岸区域，可使用移动通信作为北斗短报文通信的补充；而在移动通信信号较弱的区域，使用北斗终端短报文通信。