一种基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统的制作方法

本发明属于航海导航信息化应用技术领域，更具体地，涉及一种基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统。

背景技术：

复杂海域主要指水文气象条件复杂多变、可航水域狭窄、航道多转向交汇、碍航物多而复杂、各类船只活动密集等航行环境复杂从而造成安全航行难度大的海区，如我国舟山和澎湖海区、日本濑户内海、马六甲海峡、澳大利亚大堡礁、欧洲波罗的海等。这类海区极易发生碰撞、触礁、搁浅等航行安全事故，以舟山海区为例，2003年至2007年该海区共发生商船与渔船碰撞事故27起，这些事故均与海区通航环境复杂、航海人员对海区不熟悉、航前准备不充分、没有配备最新的航海图书资料有关。

为有效保障复杂海区的安全航行，航海部门引航任务重、责任大，要求航海长具备多年熟练的航行经验才能胜任。即便如此，舰船航经复杂海区前，仍然需要全面掌握海区通航环境特点，拟定合理周密的计划航线。航行过程中需要掌握常用航法，准确掌握航线附近的水文气象信息，观察判断周围船只运动状态，快速准确地定位和航行绘算，掌握实时、全面的航行态势，及时正确地做出航行、避险、转向的指挥和控制决策，涉及的工作内容多、节奏快、工作负荷大。

目前常用的电子海图系统在面对上述情况，表现出以下不足：

(1)只能工作于固定舱室，不利于航海长在舰桥内外甲板等多个场合使用；

(2)只能显示海图信息，无法显示和便捷更新各类航行安全辅助信息，航海人员无法及时、全面、直观、方便地了解各类航行安全辅助信息；

(3)缺乏能便捷地进行各种航海绘算和必要的航海辅助决策的计算工具，需要人工绘算，效率低、人员工作强度大；

(4)各类航海图书资料无法实现与电子海图的紧密结合，需要航海人员自行翻阅，严重降低工作效率。

因此，现有的电子海图功能单一，无法对航行过程进行安全指示、绘算及辅助决策；开发一种能够实现复杂航行安全辅助信息指示的系统，以减小航海人员的工作难度和强度，提高决策的科学性、灵活性、快捷性，增强复杂海区安全航行的支持能力，是一项具有重要现实意义且迫在眉睫的任务。

技术实现要素：

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统，其目的在于解决现有的电子海图系统存在的功能单一，无法对航行过程进行安全指示、绘算及辅助决策的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统，包括信息处理平台，该信息处理平台内例化有数据存储与查询单元和航行安全辅助单元；

所述数据存储与查询单元用于从外部设备获取航行安全辅助信息并进行电子化存储；

所述航行安全辅助单元用于获取与导航信息相关联的所述航行安全辅助信息并将其以独立图层的形式插入在电子海图中，形成辅助信息数据层；并在电子海图的显示界面上生成相应的物标标注，在接收到外部输入的对物标标注的触屏指令或者导航信息指示船舰进入重点区域后将对应的航行安全辅助信息显示在电子海图上。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，其信息处理平台还包括辅助绘算单元；

所述辅助绘算单元用于通过添加、移动、删除航路点的方式在电子地图上制定计划航线，通过物标定位、物标引航、物标转向和物标避险在海图界面上对所述计划航线进行人机交互绘算、操作和检核，实现船舶定位、航线规划与修正，以确保舰船安全航行。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，其辅助绘算单元包括定位模块、引航模块、转向模块和避险模块中的任一种或多种；

所述定位模块用于采集任意两个观测点的坐标，通过船舰与所述观测点的距离和/或方位计算船舰的位置，实现船舰定位；

所述引航模块用于根据采集的两个物标的位置坐标生成导航方位线，计算船舰与所述导航方位线的最小距离以及当前航迹向与所述导航方位线的夹角；判断所述最小距离和夹角是否均在预设的误差阈值内；若是，则表明船舰航向正确；若否，则计算偏移距离和偏移角度，并给出航向的修正量；

所述避险模块用于根据选取的物标和设置的导标方位角生成避险限制线，计算当前航迹向与所述导标方位角之间的夹角以及当前舰位点与所述避险限制线的最小距离；根据所述夹角和最小距离判断船舰航行状态是否安全；若不安全则计算并显示航向修正量；

所述转向模块用于根据选取的物标和设置的转向方位角生成转向方位线，计算当前舰位和物标之间的方位角与所述转向方位角之间的差值并判断所述差值是否在预设的误差阈值内，若是，则生成转向信息以指示船舰转向至所述转向方位线上。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，其数据存储与查询单元还用于在电子海图上模拟预先规划的航行计划航线，在模拟航行经过重点区域时，自动暂停模拟航行并显示航行安全辅助信息。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，其辅助绘算单元还用于在计划航线上标注各航段的航向和航程，自动检测出所述计划航线经过的重点区域。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，其航行安全辅助信息包括航海图、潮汐表、对景图、气象预报、航路指南、舰艇实时航行状态。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，其物标标注包括点状物标、线状物标、面状物标和文字标记；所述电子化方式包括但不限于图片、视频、动画。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，还包括卫导接收机和便携式微型惯性测量单元；所述卫导接收机和便携式微型惯性测量单元均与信息处理平台具有通讯连接；

所述卫导接收机用于获取舰体的位置信息，所述便携式微型惯性测量单元用于根据从卫导接收机获取的位置信息生成舰体的航向和姿态信息。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，还包括扩展式底座，信息处理平台通过所述扩展式底座连接舰船导航传感器以获取舰体的导航信息；所述扩展式底座与信息处理平台的连接处设有电源信号接口，实现对信息处理平台的电池充电和键盘鼠标操作。

优选地，上述复杂海域航行安全辅助信息指示系统，其信息处理平台具有镁铝合金外壳以及设于外壳四角处的钢化橡胶垫脚；所述外壳上开设有lan、hdmi和usb接口且所述接口均设置在起防护作用的密封小门内。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统，数据存储与查询单元、航行安全辅助单元以电子海图为基础实现多种航行安全辅助信息的图形化集成显示和便捷更新，使航海人员能及时、全面、直观、方便地了解各类航行安全辅助信息，为航海人员表册查阅和信息更新节约时间、提供便利，以形象直观的方式提高认知效果；

(2)本发明提供的基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统，辅助绘算单元与电子海图结合，实现了各种航海绘算和必要的航海辅助决策，便于快速、正确地进行定位、航行、避险、转向决策；

(3)本发明提供的基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统，数据存储与查询单元中存储有齐全的、必要的各类航海图书资料中的航行经验，采用形象直观的方式进行人员培训，便于航海人员在航行过程中便捷查阅，快速熟悉复杂海区的通航环境并掌握航行要点；

(4)本发明提供的基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统，提供两种工作方式，在配合卫导接收机和便携式mimu模块的情况下，信息处理平台可脱离舱室环境工作，便于在舰桥内外甲板等多个场合使用。

附图说明

图1是本实施例所提供的一种基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统的逻辑框图；

图2为本实施例提供的物标标注界面示意图；

图3是本实施例提供的西沪港的地理概况信息在电子地图上显示的界面示意图；

图4是本实施例提供的西沪港的水文气象信息在电子地图上显示的界面示意图；

图5是本实施例提供的航道信息在电子地图上显示的界面示意图；

图6是本实施例提供的制定计划航线的界面示意图；

图7是本实施例提供的叠标导航设计示意图；

图8本实施例提供的方位限制线避险设计示意图；

图9本实施例提供的导标方位转向设计示意图；

图10本发明实施例提供的信息处理平台的侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例所提供的一种基于电子海图的复杂海域航行安全辅助信息指示系统的逻辑框图，如图1所示，该复杂海域航行安全辅助信息指示系统包括信息处理平台、卫导接收机、便携式微型惯性测量单元(miniatureinertialmeasurementunit，mimu)；

其中，卫导接收机用于获取舰体的位置信息，便携式mimu通过从卫导接收机获取的位置信息生成舰体的航向和姿态信息；

信息处理平台直接与卫导接收机、便携式mimu相连接以获取舰体的位置、航向和姿态信息；可独立于舰船导航设备运行，实现便携使用，可工作于舱室内外任意地点。

信息处理平台包括电子海图、数据存储与查询单元、航行安全辅助单元、辅助绘算单元、勤务绘算单元；

其中，数据存储与查询单元用于从外部设备获取航行安全辅助信息，该航行安全辅助信息包括航海图、潮汐表、对景图、气象预报、航路指南、舰艇实时航行状态等；其中，航海图、潮汐表、对景图、航路指南为海事局、海洋局下发的电子版文件资料；气象预报为气象传真机、船舶气象仪等设备产生的数据；舰艇实时航行状态主要是位置、速度和航向，由卫导接收机、便携式mimu或舰船舱室内部的导航设备给出。数据存储与查询单元采取电子化方式存储该航行安全辅助信息，建立系统、规范、方便扩展和维护的资料数据库；电子化方式包括但不限于图片、视频、动画等类型；

进一步的，数据存储与查询单元还用于在电子海图上模拟预先规划的航行计划航线，在模拟航行经过重点区域时，自动暂停模拟航行并显示与重点区域相关的航行安全辅助信息，通过图片、视频、动画等多种形式提供直观、系统的目标海区港口、航门、航法、航标等航行安全辅助信息；通过航法模拟构建模拟环境，帮助航海人员快速、准确、全面、深入地熟悉航行环境的特点并掌握常用航法。

另外，数据存储与查询单元中还存储有培训案例，航海人员可以便捷地查询和学习这些案例，来提高自身的航行工作能力。

航行安全辅助单元用于从数据存储与查询单元中获取航行安全辅助信息，并将不同类型、来源、格式和时态的航行安全辅助信息以独立图层的形式插入在电子海图中，形成辅助信息数据层；并在电子海图的显示界面上生成相应的物标标注，在接收到外部输入的对物标标注的触屏指令或者导航信息指示船舰进入指定区域后将对应的航行安全辅助信息显示在电子海图上；

航行安全辅助单元采用多源异构信息集成技术将上述各种航行安全辅助信息综合集成在电子海图上，实现了以电子海图为背景的地理、水文、气象、航行状态等多种重要信息的图形化显示，以及便捷更新。以往航行安全辅助信息与电子海图没有关联，需要航海人员自行收集查询更新各种文件资料，本发明将上述信息通过图表、图像、视频等多种形式与电子海图集成起来，使得孤立的、分散的、不关联的航行安全辅助信息与电子海图相结合，通过点物标、面物标等方式以独立图层形式嵌入到电子海图，结合位置、速度等导航信息，以自动、手动两种方式进行触发，帮助用户直观、系统、全面的掌握航行安全辅助信息；将航行安全辅助信息与电子海图集成到航行安全信息指示系统中，可通过对系统软件的更新功能，利用在线或离线方式完成航行安全辅助信息的自动更新。航路指南中包括了复杂海域中重点位置处的推荐航线和航法，可指导航行人员应对复杂的航行环境。

图2为本实施例提供的物标标注界面示意图；该物标标注包括点状物标、线状物标、面状物标和文字标记等，对于港口/锚地/潮汐等重点信息突出显示；图3和图4分别是本实施例提供的西沪港的地理概况信息和水文气象信息在电子地图上显示的界面示意图，从图中可以看出，西沪港的地理概况信息和水文气象信息可以通过图片、文字等方式在电子海图上呈现出来，便于航行人员直观获取航行信息，快速熟悉复杂海区的通航环境；还可以根据需求在电子海图上查询重点区域在不同年份和月份的潮汐数据，点击单日潮汐数据，可显示出单日的不同时刻的潮汐数据并以连线方式进行显示，便于航行人员分析潮汐数据变化规律，掌握航行要点。图5是本实施例提供的航道信息在电子地图上显示的界面示意图，从图中可以看出，可在对景图上显示出推荐航线并进行动态模拟，有助于航行人员掌握航行要点，避免发生安全事故。航行辅助信息的显示可通过手动方式(点击左侧列表或海图上的对象)和自动方式(导航传感器指示舰船进入指定区域)进行触发。

辅助绘算单元用于通过添加、移动、删除航路点的方式在电子地图上制定计划航线，通过物标定位、物标引航、物标转向和物标避险在海图界面上对计划航线进行人机交互绘算、操作和检核，实现船舶定位、航线规划与修正，以确保舰船安全航行；图6是本实施例提供的制定计划航线的界面示意图；辅助绘算单元还用于在计划航线上标注各航段的航向和航程，自动检测出所述计划航线经过的重点区域。

辅助绘算单元包括定位模块、引航模块、转向模块和避险模块；

其中，定位模块用于采集任意两个观测点的坐标，通过船舰与两个观测点的距离和/或方位计算船舰的位置，实现船舰定位；具体包括三种实现方式：一是位置线定位，输入两个观测点坐标及舰船到观测点的距离，计算交汇点位置；二是方位角位置线定位，输入两个观测点坐标及舰船到观测点的方位角，计算交汇点位置；三是位距离位置线定位，输入观测点坐标及舰船到观测点的距离与方位，计算舰船位置。

引航模块用于根据采集的两个物标的位置坐标生成导航方位线，计算船舰与该导航方位线的最小距离以及当前航迹向与导航方位线的夹角；判断该最小距离和夹角是否均在预设的误差阈值内，若是，则表明船舰航向正确；若否，则计算偏移距离和偏移角度，并给出航向的改正量。具体包括三种实现方式；叠标导航法、导标导航法和浮标导航法；图7所示是本实施例提供的叠标导航设计示意图，如图所示，该叠标导航法包括以下步骤：①输入两个物标a、b的位置坐标，生成射线ab作为叠标方位线；②计算舰位p与ab的最小距离d和当前航迹向ca与叠标方位ma的夹角α，考虑到误差因素，设定允许距离误差值△d和方位误差值△α；③判断修正：若d<△d且α<△α，则认为船只是在叠标线上航行，否则认为不在叠标线上，显示出偏离距离d和偏离角度α，并给出航向的修正量。导标导航法和浮标导航法的实现方法与叠标导航类似，区别在于所选对象不同及判断修正方法略有差异，此处不再赘述。

避险模块用于根据选取的物标和设置的导标方位角生成避险限制线，计算当前航迹向与导标方位角之间的夹角以及当前舰位点与避险限制线的最小距离；根据夹角和最小距离判断船舰航行状态是否安全；若不安全则计算并显示航向修正量；具体包括两种实现方式：方位限制线避险和距离限制线避险；图8所示为本实施例提供的方位限制线避险设计示意图，如图所示，该方位限制线避险方法包括以下步骤：①输入物标a坐标位置和导标方位角ma，生成方位角为ma的射线ab作为方位限制线；②计算该航段(通过转向点来判断)航迹向ca与方位限制线的方位ma的夹角α、舰位点p与ab的距离d；③判断修正：若α>0(某些情况下为α<0)且d<△d，则认为舰艇航行状态安全，否则认为航行状态危险，在屏幕上显示距离d和偏航角度α，并给出航向修正量。距离限制线避险的实现方法类似，区别在于采用距离物标位置的安全距离作为避险条件，判断修正方法略有差异，此处不再赘述。

转向模块用于根据选取的物标和设置的转向方位角生成转向方位线，计算当前舰位和物标之间的方位角与转向方位角之间的差值并判断该差值是否在预设的误差阈值内，若是，则生成转向信息以指示船舰转向至该转向方位线上；若否，则维持当前航向。具体包括三种实现方法：导标方位转向法、逐渐转向法和平行方位转向法；图9所示为本实施例提供的导标方位转向设计示意图，如图所示，该导标方位转向法包括以下步骤：①在转向区域选定合适的物标a并设定合适的方位角ma，设定所允许的安全角度误差△α；②计算当前舰位p与物标a间的方位角pa与ma的差值α,一旦α<△α,则立即开始转向直到转到新航向上ma上。逐渐转向法和平行方位转向法的实现方法类似，此处不再赘述。

辅助绘算单元将复杂海区航行常用的参照各类物标进行定位、引航、避险、转向等经验航法整合到电子海图绘算中，贴近复杂海区航行实际，便于充分发挥复杂海区导航物标众多的优势；同时充分发挥计算机自动绘图高效率、计算高速度的特点，快速完成辅助绘图与计算，为复杂海区安全航行提供了一种新的实用工具。

勤务绘算单元用于在电子海图上进行真航向与罗航向换算、雷达避碰绘算、风流压预配与修正、转向绘算、陆标定位、舰艇运动性能测定、目标运动要素测定、舰艇机动绘算，帮助航海人员在复杂、紧张的航行工作环境下进行快捷、准确、高效航海绘算和及时准确决策，有效克服了手工绘算和表册查阅的不足，降低工作负荷，弥补了现有电子海图系统缺乏系统的自动化辅助绘算工具的不足。

图10所示为本发明实施例提供的信息处理平台的结构示意图，如图所示，该信息处理平台相当于一个平板电脑，由于海上工作环境的限制，采用镁铝合金外壳，抗冲击加强设计，辅以钢化橡胶垫脚，可承受80cm高度跌落而无损坏。核心部件经特殊加固处理，独特防水密封设计，具有更高的可靠性和可维护性，可在振动、湿热、砂尘、宽温、电磁干扰等恶劣环境下稳定的工作。经过改进设计，通过机壳散热，避免粉尘的进入。所有的接口均放在密封小门内，可有效防止水滴和灰尘的进入。此外，系统硬件具有较好的扩展性，具有1个lan、1个hdmi、2个usb接口，可根据用户需求适当增加配件。

在一个优选的实施例中，该复杂海域航行安全辅助信息指示系统还包括便于拆卸的扩展式底座，信息处理平台通过该扩展式底座连接舰船导航传感器，获取舰体的导航信息；因此，本实施例提供的信息处理平台有两种工作模式，一是独立于舰船导航传感器工作，通过卫导接收机、便携式mimu获取舰体导航信息；此时信息处理平台可脱离舱室环境工作，便于在舰桥内外甲板等多个场合使用，实现便携使用，可工作于舱室内外任意地点；；二是通过扩展式底座连接舰船导航传感器来获取舰体导航信息；航行人员可根据具体的应用需求选择合适的工作模式，有效增加支持多源外部信息接入能力和系统操作控制能力。扩展式底座通过接口与信息处理平台相连，连接部分设有电源信号接口，实现对信息处理平台的电池充电和键盘鼠标操作；信息处理平台还可以通过扩展式底座与舰船的信息总线相连，通过以太网、串口等形式自动获取周围船只和本舰的相应信息，此时信息处理平台可以扩展为自动计算系统；扩展式底座还方便航海人员进行台面作业。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。