0 引　言

随着各国海上运输业越来越发达，对舰船导航水平要求越来越高。一个较好的舰船导航系统不仅可节省舰船海上航行时间^[1]，也可有效提升其航行的安全性。但目前应用的舰船导航系统均存在不同程度问题，如张昊楠等^[2]设计的海上三维综合导航系统，该系统在应用时使用评估算法定位舰船当前位置。由于评估算法的评价指标具备主观性，导致其应用效果不佳。而张佳斌等^[3]设计的船舶入港的发光二极管导航系统，该系统以舰船发出闪烁灯光形式定位其位置，受特殊天气影响使，其作用效果不够理想。将无线网络引入到舰船导航过程中，设计无线网络的舰船智慧导航系统，以提升舰船导航技术水准^[4]。

1 基于无线网络的舰船智慧导航系统 1.1 舰船智慧导航系统技术结构

基于C/S架构和国家地理信息系统以及无线通信技术，设计舰船智慧导航系统，实现舰船在海面上导航、海图生成和信息处理等控制功能。无线通信网络的舰船智慧导航系统技术结构如图1所示。其中信息接收模块利用卫星获取舰船当前海上位置信息将其发送到舰船上的GPS接收器内，得到舰船当前航行位置信息。利用纸质海图导入功能获取海域地图信息，并将2种信息存储到数据库内。利用无线网络将信息传输的电子海图管理模块和查询统计模块内。利用电子海图管理模块加载海图数据、舰船运动轨迹展示和海图导出等管理，使用查询统计模块完成舰船方位、航行距离以及舰船航行速度等功能。将电子海图管理模块和查询统计模块内相应操作信息传输到航行管理模块，通过显示屏内呈现给用户，且用户可利用彩色显示屏执行舰船计划航线导入、船型参数设置和舰船导航等操作。

1.2 舰船位置信息接收模块设计

信息接收模块是获取卫星舰船定位信息和区域海图信息的渠道。在此选择开放数据库互连结构作为信息传输时数据库的连接方式，利用该方式的舰船位置信息接收模块的信息流流程如图2所示。

纸质海图转换为电子海图是实现舰船导航的重要组成部分，是舰船位置信息来源的基础^[5-6]。在信息接收模块内的纸质海图扫描过程中，设置比例尺区间为1∶600000～1∶10000，以海岸线为起点至260 nmile区间海域为舰船导航区间，其中电子海图的参照为国家出版的权威海图数据。利用扫仪器扫描纸质海图过程如图3所示。由于纸质海图扫描过程中受纸质海图清晰度和明暗度影响，使扫描得到的栅格海图不够清晰，使用图像增强方法对栅格海图进行增强后，对其进行二值细化处理。对二值细化处理后的栅格海图进行海域数据提取处理，识别海域地物(如岛屿、礁石等)并对其进行文字代码标记。将地物标记完成的栅格海图与初始栅格海图进行对照检索，确认无遗漏之后输出栅格海图。

1.3 导航信息传输无线通信模块

无线通信是支撑舰船导航的重要技术手段，无线通信速度影响舰船接收导航指示信息的及时性^[7-8]。为提升舰船智慧导航系统通信传输能力，在其无线通信模块内使用TP-LINK TL-WN781N型无线网卡实现系统间导航信息的无线传输。TP-LINK TL-WN781N型无线网卡支持多种无线通信协议，且其传输速度高达20 Mbps，无线通信传输距离较远^[9]。使用PC/104总线协议连接舰船上的导航设备并扩展出独立的PCI无线网卡，由此构建舰船智慧导航系统的无线通信网络。无线通信网络结构如图4所示。

为使无线通信模块和舰船之间通信不受干扰，无线通信模块与舰船导航系统间的固定通信频段如表1所示^[10]。

1.4 坐标转换和墨卡托投影转换的舰船导航算法

在航行管理模块内，用户使用舰船导航子模块实现海面上舰船导航。 $ (Q,L,H) $ ， $ (X,Y,Z) $ 分别为大地和舰船空间直角坐标系的经度、纬度和高程， $ (Q,L,H) $ 转换为 $ (X,Y,Z) $ 表达式为：

$ \left\{ \begin{gathered} X = Y = N*\cos Q\cos L + H\cos Q\cos L，\hfill \\ Z = \left[ {N - N*{e^2}} \right]\sin Q + H*\sin Q 。\hfill \\ \end{gathered} \right. $

(1)

式中： $ N $ 表示卯酉半径； $ e $ 表示椭球第一偏心率。

经过大地坐标系和舰船空间直角坐标系转换后，即得到统一的舰船导航坐标系。 $ (\lambda ,D) $ 表示舰船导航坐标系的经纬度坐标，进行墨卡托投影正反变换处理，投影公式为：

$ \left\{ \begin{gathered} x = r0*\lambda，\hfill \\ y = r0*q。\hfill \\ \end{gathered} \right. $

(2)

式中： $ q $ 为等量纬度； $ r0 $ 为基准纬度的纬圈半径。

将投影坐标导入到电子海图内，并将若干投影坐标相连后，即可生成舰船电子海图导航图。将该舰船电子海图导航图使用无线通信模块发送至舰船接收端显示器内，实现舰船导航功能。

2 实验结果分析

以某引航船为研究对象，该牵引船作业海域范围为188 n mile，在其作业海域内存在多条海洋暗流，且小型岛屿与暗礁众多。Matlab仿真软件搭建引航船作业海域环境和局域网假设环境。

2.1 信息接收功能测试

以某区域纸质海图为实验对象，测试其信息接收能力，结果如图5所示。从图5可知，本文方法可有效将纸质海图转换成电子海图，且在转换后的电子海图海岸线与纸质海图的海岸线重合度高，并将引航船活动范围以褐色点标记出来。综合上述结果，本文系统具备较好的纸质海图转换电子海图能力，为舰船导航提供清晰明了的电子海图指示功能。

2.2 无线通信性能测试

无线通信功能是影响舰船导航效果重要指标之一，在不同长度的通信队列情况下，通信的实时业务量和模拟业务量数值如图6所示。分析图6可知，本文系统在进行无线通信时，在相同时间传输的业务量随着传输队列长度的增加而降低，模拟通信业务量和本文系统实际通信业务量完全重合，表明本文系统进行导航通信时传输不存在信息丢失情况，具备较好的信息传输能力。

2.3 电子海图舰船定位功能测试

在海域内设置6艘引航船，对6艘引航船进行定位并以电子海图形式呈现其位置，结果如图7所示。分析图7可知，本文系统将6艘引航船位置均定位出来，并以电子海图形式呈现给用户，且将6艘引航船用醒目的圆圈标记出来，使其所在位置更为醒目，这表明本文系统可有效定位海上舰船，具备较好的定位功能，也从侧面说明其舰船导航效果较佳。

2.4 舰船运动轨迹显示

以1艘引航船为例，分析本文系统舰船运动轨迹显示性能，结果如图8所示。分析图8可知，本文系统呈现的舰船运动轨迹与仿真软件模拟的运动轨迹完全重合，说明其绘制的舰船运动轨迹极其精准，描述舰船运行情况的可靠性较高，具备较好的应用性。

2.5 舰船导航性能测试

以坐标转换能力作为衡量本文系统舰船导航性能指标，设置三维坐标轴差值不得高于0.8 m。以5组引航船直角坐标为实验对象，测试对其进行转换后三维坐标轴差值情况，结果如表2所示。分析表2可知，本文系统在转换引航船直角坐标系时，其三维方向坐标最大差值仅为0.55 m，远低于所设阈值。说明本文系统获取的导航线路位置较为准确，具备较强的导航能力。

进一步验证本文系统实际应用性，给出本文系统导航引航船电子海图画面，如图9所示。分析图9可知，本文系统给出的舰船导航电子海图内不仅可以呈现舰船未来航行路线，且可标记舰船的安全航行范围。提升了舰船航行的安全性。

3 结　语

本文通过设计无线网络的舰船智慧导航系统，并使用Matalb仿真软件构建仿真环境对其进行验证。验证结果说明该系统具备较好的舰船运动轨迹显示功能、直角坐标转换功能以及舰船导航功能，具备较好的应用性。