摘 要

船舶导航设备是保证船舶行驶安全的重要因素之一，是船舶驾驶过程中前提和基础。随着导航技术的日益发展，船舶导航系统已经成为集多种导航设备于一身的综合导航系统。利用电子海图可以实现自动判定，能够快速定位海上障碍、实现障碍规避、进行导航路径规划及图示物理信息的位置，对海上勘探和远航安全起着重要意义。

论文主要研究电子海图的工作原理和实现方法，在PC平台下实现ECDIS。 整体设计思路是利用Qt开发平台进行系统界面的设计，其主要组成部分包括：电子海图显示界面、海图坐标显示、传感器信息显示界面。

论文在最后阶段对电子海图显示系统进行了运行与测试，将运行结果进行收集与处理，最终通过分析发现，电子海图显示系统能够实现设计当中的功能，因此本次设计是比较成功的。

关键词：电子海图；海图缩放；位置标绘；船舶定位

Abstract

Ship navigation equipment is one of the important factors to ensure the safety of the ship, and it is the premise and basis of the ship's driving process. With the development of navigation technology, ship navigation systems have become a comprehensive navigation system that integrates multiple navigation devices. The use of electronic nautical charts can realize automatic judgment, and can quickly locate obstacles at sea, avoid obstacles, plan navigation paths, and map physical information. It is of great significance for maritime exploration and voyage safety.

The paper mainly studies the working principle and implementation method of the electronic chart, and realizes ECDIS under the PC platform. The overall design idea is to use the Qt development platform to design the system interface. Its main components include: electronic chart display interface, chart coordinates display, and sensor information display interface.

At the final stage, the paper runs and tests the electronic chart display system, collects and processes the operating results, and finally finds out through the analysis that the electronic chart display system can achieve the functions in the design, so this design is relatively successful.

Keywords：Electronic charts; chart zoom; position plots; ship positioning

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 电子海图研究现状 2

1.2.2 卫星定位系统研究现状 3

1.3 论文结构安排 4

1.4 论文主要研究内容 4

第2章 系统相关知识 5

2.1 北斗卫星导航系统 5

2.1.1 北斗卫星导航系统的发展 5

2.1.2 系统组成 5

2.1.3 北斗定位原理 6

2.2 北斗导航接收机 8

2.2.1 接收机原理 8

2.2.2 接收机芯片模块 9

2.3 电子海图理论知识 9

2.3.1 s-57数据传输标准 9

2.4 本章小结 12

第3章 电子海图平台的设计和实现 13

3.1 系统需求分析 13

3.2 系统总体结构设计 13

3.3 坐标转换 14

3.2.1 墨卡托投影变换 14

3.2.2 平面坐标到屏幕坐标转换 17

3.3 海图功能的实现 17

3.4 本章小结 18

第4章 基于pc的电子海图系统实现 19

4.1 Qt简介 19

4.2 Qt程序的环境和属性配置 20

4.2.1 主窗口显示 20

4.2.2 传感器显示界面 21

4.3 电子海图显示功能 22

4.3.1 显示模式 22

4.3.2 缩放显示 23

4.3.3 坐标显示 25

4.4 船用导航传感器信息显示 26

4.5 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

船舶导航设备是保证船舶行驶安全的重要因素之一，是船舶驾驶过程中前提和基础。随着导航技术的日益发展，船舶导航系统已经成为集多种导航设备于一身的综合导航系统。现代传播导航系统多有 GPS（全球卫星定位系统）、雷达/ ARPA（自动标绘雷达）、NMARSAT（国际移动卫星通讯系统）、电子海图系统等多种航导一起设备组成。其中电子海图显示和信息系统（electronic chart display and information system，ECDIS）的应用提高了船舶驾驶自动化的程度，也为船舶航行的安全保障。与传统的纸海图相比，电子海图系统信息量更为丰富，且使用方便，操作容易。利用电子海图可以实现自动判定，能够快速定位海上障碍、实现障碍规避、进行导航路径规划及图示物理信息的位置，对海上勘探和远航安全起着重要意义。

电子海图是指能够直接显示并对各种航海信息进行解释，将各种信息融合成一体的一种实时导航系统，是在雷达/ ARPA之后，在船舶导航研究领域的又一项巨大的技术突破创新。 ECDIS具有传统海图无法相比的优势，在实践应用上已充分证明了其在动态目标处理和实时信息更新显示等方面的强大作用，国际水道组织认识到ECDIS对于现代航海技术的重要性，因此在上世纪末电子海图的相关技术被开发出来，并逐步投入使用。通常观念上指的“电子海图”是一种很模糊的概念，广义上认为具有数字式显示功能的海图及其应用衍生系统被统称为电子海图。

常见的电子海图主要包括以下几方面。

（1）电子航海图（electronic nautical / navigational chart，ENC）。ENC是由国家官方机构编辑，符合国际标准的数据库，专门满足ECDIS使用。ENC除了包含满足安全航行必需的海图信息，此外还可能含有沿岸港口绘标、航路规划等其它有效信息。其数据类型主要有栅格型数据和矢量型数据两种。

（2）电子海图（electronic chart，EC）。主要是指非官方标准的数字式海图。通常由设计者自行编写，用于相关专业的系统应用，其界面功能、数据类型和内容表述均可以由设计者根据需求自主定义。

（3）电子海图系统（electronic chart system，ECS）。与EC功能相近，ECS是指各种非官方的电子海图应用系统，配合搭建其他功能，适用于专业领域。

（4）电子海图显示与信息系统（electronic chart display and information system，ECDIS）。ECDIS是电子海图的核心部分，专指符合各项数据符合国际标准的电子海图系统。它基于电子航海图（ ENC），通过计算机，测深传感器、卫星定位系统、雷达等，实现船舶航行状态参数的实时更新，驾驶人员利用航线信息、航行测绘、资源勘探等工具，搭建地理信息汇集地专题系统。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电子海图研究现状

国外对电子海图的研究成果较显著，比较著名的公司如英国船商公司 TransasMarine，研制的海图系统己经相当成熟， 在硬件设备的搭建上非常完善，具有独立制作海图成品的能力。挪威的 C- Map公司是全球最大的海图数据库供应商，其生产的CM-93产品为许多公司的电子海图硬件设备、海图显示界面设计以及海图数据库提供支持。

国内由于各方面原因对电子海图应用技术的研究比较晚，不过近年来，经过相关科研院所、院校等不断的努力，取得了较快的发展，我国也推出了自己的海图产品。2002年，国际海道测量组织发布电子海图国际标准之后，中国开始以此为规范对附近海域进行数据测量，目前海司航保部通过自己多年的努力，完善了多个不同比例尺下的海图数据版本。2011年，在中国官方电子海图发布会，中国首次对外发布符合国际标准的中国海区电子海图，并且提供给广大用户。上海海事局和相关海事研究所，海事研究院校研究工作逐步推进，取得了不错的进展。

目前大多数船舶所使用的电子海图系统是基于 PC平台，但是其产品的硬件成本较高、操作复杂，并且在一些小型船舶中不需要那么复杂的电子海图系统，造成了资源的浪费。随着嵌入式系统近年的发展，相比于基于 PC机的电子海图系统，嵌入式由于其内存小、处理器运算能力差等特点，嵌入式电子海图在功能实现上存在部分障碍;随着无限通讯网络的进步，嵌入式电子海图设备不断更新，功能逐渐强大，以其体积小、成本低、功耗低、可靠性高、便于携带等特点，应用越来越广泛，嵌入式电子海图用户机将成为未来船舶导航系统发展的必然趋势。 相关的科研院校及公司也做了一些尝试，取得了一些成绩。 哈尔滨工程大学开发基于VxWorks的电子海图显示平台，该平台具有用户命令模块、组合导航模块、水文信息查询、航海作用、雷达信息等功能;浙江大学开发在Linux环境下，利用Qt平台构建基于GPS和电子海图的嵌入式船舶导航系统; 深圳大学开发基于Windows CE6.0的嵌入式电子海图，完成电子海图的显示，并且实现放大、缩小、显示模式、颜色方案等基本功能。北京视酷伟业科技有限公司开发了视酷移动海图，该海图系统是基于 IOS系统的，它在电子海图上叠加港口码头、船舶、监控视频等实时信息，为航海人员的航行提供有效的管理。

1.2.2 卫星定位系统研究现状

目前全球有四大卫星定位系统，分别为美国的全球定位系统、俄罗斯的CLONASS定位系统、欧洲的GALILEO定位系统和国内近年来自主研发的北斗卫星导航系统。下面分别对这些技术进行简单的介绍。

（1)GPS

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