摘 要

在导航技术日益发展的今天，随着海洋资源的开发和利用，船舶导航系统也成为重要的一部分。电子海图的出现、应用与发展，使得各项技术已经逐步趋于成熟。能完成海图的显示、信息收集显示、航线设计等功能，为海洋发展提供了帮助。电子海图通过北斗卫星导航系统可以显示地图等静态信息，并可以实现航线设计、航线监控管理等功能，这可以使得驾驶者能更加全面的掌握海图信息作出判断，即增加了安全性又提高了效率。

本论文以电子海图和北斗卫星导航系统为相关理论基础，对北斗海上导航系统进行设计。本系统具备的功能包括，实现海图缩放以及显示。再经北斗卫星导航系统实现船舶位置的标绘等功能。此过程使用了坐标转换、墨卡托投影变换、冗余处理对原始数据进行分析处理。

最后，本设计在Qt环境中进行，使用C 语言编写。实现了北斗用户电子海图的基本显示、海图缩放、船舶定位等功能；并在PC机上验证了系统的有效性。

关键词：北斗卫星导航系统；电子海图；缩放；船舶定位

Abstract

With the development and utilization of Marine resources, Marine navigation system has become an important part in the development of navigation technology. The emergence, application and development of electronic chart have made the technology mature gradually. Can complete the display of chart, information collection display, route design and other functions, for the development of the ocean to help. Electronic chart through the beidou satellite navigation system can show the static information such as maps, and can realize the function such as course design, course management, this allows the driver can judge for more comprehensive grasp chart information, increase the safety and efficiency.

Based on the theory of electronic chart and beidou satellite navigation system, this paper designs the beidou maritime navigation system. The functions of this system include the realization of chart zooming and display, color selection, language selection and so on. The navigation system of the beidou satellite navigation system is used to realize the plotting, route design, route management and so on. This process USES coordinate transformation, Mercator projection transformation and redundant processing to analyze the raw data.

Finally, this design is conducted in the Qt environment and is written in C language. It has realized the basic display of beidou user electronic chart, chart zooming, ship positioning, route management, etc. The effectiveness of the system was verified on the PC.

Keywords: beidou satellite navigation system; Electronic chart; Zoom; Course management

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 2

1.1选题背景及意义 2

1.2国外研究现状 4

1.3国内研究现状 4

1.4论文的主要工作与内容安排 5

第2章 相关技术基础理论 7

2.1 北斗卫星导航系统 7

2.1.1 北斗卫星导航系统的发展 7

2.1.2北斗系统结构 7

2.1.3北斗定位原理 8

2.2北斗导航接收机 10

2.2.1接收机工作原理 10

2.3电子海图理论知识 13

2.3.1 S-57数据传输标准 13

2.3.2 S-52显示内容与规范标准 15

第3章 电子海图平台的设计与实现 17

3.1系统总体结构设计 17

3.2坐标转换的实现 17

3.2.1墨卡托投影变换 18

3.2.2墨卡托投影反变换 21

3.2.3平面到屏幕坐标的变换 22

3.3海图的信息处理与显示 23

3.3.1内存映射 23

3.3.2海图显示步骤 24

3.4海图功能的实现 24

3.4.1 缩放显示模块 24

3.5本章小结 26

第4章 船舶定位显示的实现 27

4.1接收机软件模块 27

4.1.1 北斗信息处理格式 27

4.1.2 数据获取 27

4.1.3 船体定位功能的实现 28

4.2本章小结 32

第5章总结与展望 34

5.1总结 34

5.2展望 34

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

21世纪是海洋的世纪，海洋在全球的战略地位日益突出。海洋已成为世界经济发展的新领域，新趋势，由近海走向深海已成为发展海洋能源和经济的必然趋势和重大战略部署。随着我国综合国力的不断提升，走向深海已成为我国的必然选择。由此会造成海域航行船舶逐渐增多，海洋航行安全问题将被愈来愈重视。在海洋上航行我们也需要导航地图，电子地图对于纸质地图而言，它可以实时的获取海域信息方便航行者进行判断以及决策，甚至可以直接在系统上进行航线的规划，是否偏离航线，以及航行数据的实时显示。由此可见，电子海图可以极大的提高航行的安全性，特别是在不确定和陌生海域航行时，我们能够通过电子海图掌握航行信息，从而可以使驾驶员简化操作船舶的难度，以达到提升航行效率的目的。

近数十年来，电子海图的使用和发展也是显而易见的，最初研究者将海图信息进行数字化处理后存放于计算机中，这种差别与原版的纸质海图并不大，属于一种简单的电子复制品，后逐步发展成一套电子海图系统，属于船舶导航系统，以及辅助决策系统，它能够对目标对象船舶进行定位，并且手机和反馈目标对象航海中的相关信息，驾驶员能够快速的对所遇情况进行处理，防范可能带来的航海风险。目前研究者们正在对海图进行更加深入的研究，海图今后也将具备更加完善的功能，基于较为完善的海图系统再配合上卫星导航系统等设备相结合，将会实现更加强大的功能，特别是对于航海领域的作用是举足轻重的。

卫星导航系统也对航行的安全性和高效性起到保障作用，也是重要的基础设施。目前国际上著名的四大导航系统，首先是美国的GPS全球定位系统，是最早投入运营的卫星系统，也是目前最完善的卫星系统，此系统可以保证在任何时刻，同时有四颗卫星能观测到地球上任一地点。第二是，俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS），该系统运营时间为2007年始，开始只在俄境内开放，2009年后范围延展至全球，主要是检测和记录海陆空目标的位置坐标以及运动速度等信息。第三个是欧盟研发的伽利略卫星导航系统，1999年欧委会发布该计划，至2016年，具备早期操作能力，预计2019年将具备完全操作能力。2000年年底我国建成北斗一号系统，服务区域是中国国内；2012年年底，建成北斗二号系统，服务区域为亚太区域；预计在2020年左右，建成北斗全球系统，可将服务区域扩展至全球。

1.2国外研究现状

国际上，对于电子海图的研究，制定了一系列相关的要求与规范。其中S-57数据传输标准以及S-52海图显示内容与规范被广泛认可，并在各个国家推广使用。西方的发达国家早期已进行了大量研究，在日本、英国、美国、挪威等地，技术已经相对成熟。著名的公司有挪威的C-MAP公司、美国的Sperry公司、英国的Racal-Cecca公司以及德国的STN Atlas Electronik公司等。

目前我们比较熟悉的导航系统有四种，美国的GPS全球定位导航系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的GALILEO系统、中国的北斗卫星导航系统。GPS系统的运营已趋于成熟，在军用方面给美国提供了强有力的保障，已广泛应用到国防与军事化建设领域，在民用方面，美国为了保证自身的安全性，在对全球民众开放GPS使用权的过程中，增加了定位精度限制并在系统上设计了密码，以提供给不同用户的不同精度定位需求，GPS系统由三部分组成，分别是空间部分、控制部分、用户部分（GPS用户部分包括GPS接收机和用户团体）。空间部分拥有21颗工作卫星和3颗备用卫星，使得地球任一位置可同时观测4颗或以上卫星，并具有预存导航信息能力，不过由于存在大气摩擦等外部因素，导航精度可能会随时间略有下降；控制部分即地面控制系统，由检测站、主控制站和地面天线组成，地面控制系统的主要功能是接受卫星传送回地球的信息，通过信息对星历、相对距离以及大气校正等数据进行计算；用户部分是为对GPS信号进行接收。俄罗斯的GLONASS系统，该系统最早由苏联国防部研发使用的第二代军用系统，也开设了民用窗口。GLONASS技术可实现连续地、全时段提供高精度时间、目标位置、目标速度检测信息。由于俄罗斯经济下滑使得GLONASS相关设备发展缓慢，且设备体积较为庞大，移动性也并不理想。GALILEO系统，空间段有30颗卫星，它们均匀的分布于三个高度适中的地球轨道上，轨道高度约为23600千米左右，，每个轨道会留有一颗备用卫星，若有工作卫星突然失效，别用卫星会快速补充，替代工作卫星位置及功能。地面段含2个伽利略控制中心、29个伽利略传感器站，控制中心位于欧洲，传感器站分布于全球。

1.3国内研究现状

我国也早已开始对电子海图系统进行研究，基于各种因素，暂时还处于研究、试制阶段，唯有海军测研所的海图系统已投入于军舰导航的使用。早期发展缓慢是因为大多是通过采购成品进行再开发，近些年由于航海行业的快速发展，对于海图的研究投入国家各部分给予了更大的关注与投入，逐步我国也推出了自己的电子海图产品。大连海事大学、深圳大学、浙江大学等高校都做出了杰出贡献，他们分别开发出以数字海图为基础的中国船位报告系统、基于电子海图的导航与搜救终端、基于电子海图显示与信息系统的防避台智能辅助决策系统。我们研究出的电子海图产品将越来越完善，各性能指标将逐步提高，虽然和发达国家的技术还有一定的差距，其中比较著名的公司有德国7CS、英国Transas Marine、日本JRC、德国ATLAS、日本Furuno等。我国目前符合ECS标准的公司不在少数，但能够达到ECDIS性能标准的单位并不多，我们也正在努力弥补不足。

北斗卫星导航系统是我国2006年向世界公布的项目，整个卫星导航行业处在一个多技术融合，多系统并存的发展阶段。北斗卫星导航系统相比于GPS系统，新增了短报文通信服务能力，能传送120个汉字讯息，在无信号区域内也可有短信形式通信以及传输位置等信息。目前二代导航系统可直接通过卫星发射的信号定位，工作的效率和覆盖率得到了大大提升。北斗卫星导航系统同样也分为三大部分，即空间段、地面段、用户段。空间段包括五颗静止轨道卫星和数十颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站、监测站等，而北斗用户终端和其他终端属于用户段。随着我国科技的发展以及系统的升级，定能将北斗系统的功能以及精度提升至新的高度。

北斗卫星系统自身具有许多其他定位系统没有的优点，第一表现在卫星的分布上，该系统并未以其他卫星系统作为参照，是通过中、高轨道组合阵列实现导航功能，这种方式可以实现特有的通信功能，是其他系统不具备的，第二表现在，北斗卫星导航系统不是与其他国家合作研发的，是完全我国自主研发的卫星导航系统，其系统的设计、导航规划具有极强的针对性，完全按照我国的具体需求和重点进行研发，能够更准确的与地面站进行对接并提高导航精度。

1.4论文的主要工作与内容安排

该论文题目为基于电子海图和北斗的船舶导航系统开发，基于电子海图和北斗卫星进行船舶导航系统的开发，拟定实现海图缩放、船舶位置定位、航线设计以及航线管理的功能。论文具体安排如下文所示：

第1章为绪论部分，分为三块，重点介绍了论文的设计目的即意义、综述所研究领域目前的国内外研究现状、最后对论文的工作与安排进行说明。

第2章主要讲述了关于电子海图与北斗卫星系统的相关基础理论知识。该章节由三部分组成，首先对电子海图的相关知识进行阐述，然后具体介绍北斗卫星系统实现的基本原理，最后对北斗卫星导航系统地面段以及用户段部分进行详细的讲解。