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1系統整體框架

1.1艦隊終端艦隊終端主要包含3部分功能:接收來自RS232接口的信息，通過信息傳輸模塊傳輸數據和圖像信息，包含GIS終端訪問GIS系統。經過多年的研究和開發，海上圖像采集系統［3］已經逐漸成熟，并被如UTM這樣的機構廣泛使用。類似于海上圖像采集系統、雷達等這樣的裝置，能夠提供船舶和艦隊的位置、航向、航跡等多種信息，并通過相應的協議，如RS232，傳輸給部署于船舶之上的系統終端。通常情況下，這類信息分為2種:一種是較為簡單的數據信息，如航速、經緯度等;另一種是較為復雜的圖像信息，如船用攝像機拍攝的圖像等。對于數據信息來說，使用UDP協議傳輸較為合適，該協議使用較為簡單，可以降低艦隊終端的實現復雜性，同時由于其無連接的特性，能夠更好的適應艦隊的移動特性。而對于圖像來說，其發送和接收分別采用wget［6］和rsync［7］應用接口，這2種接口被廣泛應用于傳輸船舶攝像機采集圖像的傳輸，相比與其他傳輸模式和接口，其更加適合于圖像更新等任務。GIS終端具有較大的靈活性，當前的GIS應用有多種形式，因而GIS終端可以使用專用的系統應用，采用加密信道訪問專門的GIS系統;也可以使用通用的個人計算機，通過訪問Web端的地理信息系統查看艦隊信息;甚至可以使用智能手機配合相應的APP，實現對于GIS系統的訪問。則可以看出，本文提出的系統與傳統的專用系統相比，采用外部、成熟的GIS系統，大大降低了實現的難度以及使用的成本。

1.2衛星通信網實現艦隊終端與衛星通信網的互聯，主要采用甚小口徑天線地球站(VSAT)實現，通過VSAT能夠將艦隊終端接入SEAMOBIL和HISDESAT衛星通信網絡，這2種衛星通信網在海事、通信等領域，均已得到廣泛的應用，具有大量的地面衛星站，并覆蓋了除兩極之外絕大多數的地球表面，如圖2所示。VSAT通信采用C波段或X波段，相比與國際海事衛星(INMARSAT)終端，VSAT能夠提供更好的數據傳輸容量。同時INMARSAT采用艦隊船舶共享連接的方式，為每艘船舶提供的帶寬有限，而VSAT則采用的是專用信道，能夠提供給船舶和艦隊更加穩定的傳輸信道和更高的傳輸質量。另外，與INMARSAT相比，VSAT具有更低的獲取成本和使用成本，因而使用VSAT具有更好的經濟性。通過以上介紹的衛星通信網，使得艦隊終端和岸基服務器之間能夠建立持久穩定的網絡連接，從而可以提供實時的、高信息刷新速率的數據服務。

1.3岸基服務器岸基服務器是整個系統的核心，由圖1顯示的岸基服務器與艦隊終端之間的交互過程，可以看出整個系統是一個中心化的結構。岸基服務器共有3個主要功能:接收衛星通信網傳輸的數據和圖像信息;根據接收到的信息融合并計算生成KML文件;通過HTTP協議棧［8］將KML傳輸給相應的GIS服務器。根據第1.1節的敘述，岸基服務器具有2種不同的數據接收接口，其中UDP協議棧負責接收艦隊終端傳輸的數據信息，而“rsync”應用接口負責接收傳輸的圖像信息。這2種接口與艦隊終端接口類似，均可使用軟件實現，并已得到廣泛應用。岸基服務器中的KML文件產生模塊是岸基服務器的關鍵功能，其能夠根據實現定義的KML文件格式，和各種信息的內容，將信息嵌入KML文件模板中，產生正確可用的KML文件，進而通過HTTP協議，將其傳輸給綁定的GIS服務器。

2KML文件的格式與生成

KML文件時當前GIS系統廣泛使用的地標文件，由于KML由XML發展而來，因而KML文件的格式和定義方法集成了XML的特點。

2.1KML文件的格式與一般基于XML的語言類似，其廣泛采用標記定義各種數據塊。其主要含有以下幾個部分:位置數據、模型數據、航跡數據、圖像數據和字節數據。各個部分的格式如下所示。通過以上的KML文件格式，可將不同類型的信息嵌入其中形成KML文件。

2.2KML文件的生成KML文件生成的過程，就是根據KML文件格式，不斷分析與填充相應數據的過程［9］。KML文件生成的流程圖如圖3所示。KML文件的生成過程應遵循以下步驟:首先，KML文件產生模塊需要根據信息來源判斷和識別船舶的信息;然后根據導航信息生成基本的數據，之后再根據信息中包含的媒體信息和其他信息［10］，對KML文件進行完善;最后形成完整的KML文件，并使用HTTP協議進行傳輸。

3系統實現與仿真

最后，本文在OPNET中構建模擬的衛星通信網，并仿真實現了艦隊終端和岸基服務器，模擬了艦隊終端與岸基服務器之間的交互過程，并利用GoogleEarth證明了生成KML文件的正確性。在OPNET中的實驗拓撲圖如圖4所示。

3.1系統功能實現通過艦隊終端產生的信息，仿真寬帶衛星通信網絡，UDP流量約為25～36kb/s，持續時間約為20s，丟包率小于1%。而傳輸圖像數據的速率約為80～120kb/s，持續時間約為15s。根據以上仿真可知，本系統中采用的通信接口和鏈路，其帶寬能夠滿足系統信息的傳遞以及更新需求。按照第2.2節中方法，生成KML文件，并在GoogleEarth中導入，生成的實時監視狀態圖，如圖5所示。通過圖5可看到，KML文件可以在通用的GIS系統中得到顯示和應用，不僅包含了船舶的位置、航向等，還能夠根據需求顯示詳細的航跡信息及其他信息。

3.2負載測試在系統的實際使用過程中，由于本系統結構采用中心化的結構，因而岸基服務器將承擔較大的負載。本文將利用圖4所示拓撲，繼續對岸基服務器的工作負載進行測試，主要測試內容是KML文件產生時，對服務器資源的占用。在仿真中，采用通用X86計算機模擬服務器，采用Corei3雙核處理器，4G內存，運行Win7(64bit)操作系統，采用軟件實現KML產生模塊，設計各個艦隊終端的信息到達服從泊松分布，在第3.1節中研究的信息通信負載下進行測試，最終得到CPU的占用率如圖6所示。通過以上測試結果可知，在實際使用過程中，當帶寬滿足系統傳輸要求時，CPU的占用率約為16%～22%，證明岸基服務器能夠滿足本系統用戶的實際需求。

4結語

圖形化的艦隊實時監視系統，是近年來出現的船舶及艦隊用助航設備，憑借其自動化和圖形化的特點，迅速得到了廣泛的應用。然而由于設計的缺陷和技術的制約，當前使用的船舶及艦隊狀態監視系統，仍有許多不足，無法完全滿足用戶的需求。本文針對以上問題，提出了一種基于衛星通信與GIS的艦隊實時監視系統，對該系統的整體框架進行了設計，并對各個主要模塊進行了功能描述，設計了KML文件的格式與生成算法。最終對系統功能進行了實現和仿真，在通用的GIS平臺上驗證了本文提出方法的正確性和可用性，并在OPNET仿真平臺上，測試了系統核心模塊的工作負載，證明了本系統的高效性和可靠性。

作者：王鄭睿單位：河南水利與環境職業學院