艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

孫 濤 馬 野 孫明珠 李曉芳

（海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018）

1 引言

無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)是一種能實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)偵查信息，同時(shí)能夠?qū)o人機(jī)進(jìn)行精確定位及導(dǎo)航的助行設(shè)備[1]。其最核心的部分是合理地使用電子導(dǎo)航（海）地圖，確定飛行位置等即時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，直觀準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)飛行路線的規(guī)劃及修改。在以往的無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，許多設(shè)計(jì)沒有集成電子導(dǎo)航（海）地圖，不易于判斷規(guī)劃的合理性。在導(dǎo)航任務(wù)規(guī)劃中缺乏對(duì)預(yù)規(guī)劃航線的修改等，使得規(guī)劃可操作性差。針對(duì)當(dāng)前艦載無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展需求，本文主要研究艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)中的電子海圖解析和顯示功能，即研究如何讀取顯示S－57標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖數(shù)據(jù)，如何在海圖界面下實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的航線制定，如何實(shí)現(xiàn)在海圖界面上實(shí)現(xiàn)圖形化的交互操作。通過研究電子海圖技術(shù)，為構(gòu)建專業(yè)的艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)打下技術(shù)基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

選擇的編程語言為C＃，集成開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2008，選擇SuperMap Objects.NET 6R作為開發(fā)電子海圖軟件的核心。如圖1所示為SuperMap Objects.NET 6R功能結(jié)構(gòu)[2]，本系統(tǒng)重點(diǎn)使用SuperMap Objects.NET 6R中的數(shù)據(jù)模塊和地圖模塊。

圖1 SuperMap Objects.NET 6R功能結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的實(shí)際需求，系統(tǒng)共分為四個(gè)部分：海圖瀏覽、路線規(guī)劃、信息查詢和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。各部分功能相對(duì)獨(dú)立，又緊密相連，共同組成了艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)。各部分的相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊之間的關(guān)系

2.3 系統(tǒng)流程

艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)是功能集成度很高的軟件，在同一個(gè)界面下集成了很多不同的功能。在對(duì)艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)，通過身份驗(yàn)證，打開海圖文件，讀取顯示海圖，之后可以根據(jù)實(shí)際情況選擇某一功能。在海圖瀏覽、路線規(guī)劃和信息查詢?nèi)蠊δ苤?，海圖瀏覽是其他兩個(gè)功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)運(yùn)行的流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)提出的要求，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)規(guī)模如圖4所示。

圖4 無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.1 海圖數(shù)據(jù)的獲取及轉(zhuǎn)換

論文所使用的SuperMap Object.NET提供了對(duì)smw、sxw、shp、mif、tab等多種地圖數(shù)據(jù)格式的支持，但是不支持S－57數(shù)據(jù)格式。針對(duì)這種情況，使用SuperMap Deskpro把S－57數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS開發(fā)平臺(tái)可以支持的數(shù)據(jù)格式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子海圖數(shù)據(jù)的支持。這種方法極大地降低了開發(fā)難度，節(jié)約了開發(fā)成本，但是系統(tǒng)不能直接讀取S－57數(shù)據(jù)格式，無法實(shí)時(shí)接收最新的S－57數(shù)據(jù)[3～4]。

3.2 海圖文件的讀取與顯示

海圖文件的讀取與顯示是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)海圖讀取與顯示功能的程序流程如圖5所示。

圖5 海圖讀取與顯示程序流程

3.3 路線規(guī)劃

路線規(guī)劃是艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的核心功能，通過在海圖上標(biāo)繪點(diǎn)、線、面和文本各種要素，形成艦載無人機(jī)的飛行方案。分層結(jié)構(gòu)式電子海圖的基本結(jié)構(gòu)是將不同元素存在于不同圖層上[5]。圖層的創(chuàng)建是此功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。根據(jù)繪制對(duì)象屬性的不同，需要?jiǎng)?chuàng)建點(diǎn)、線、面和文本四種不同類型的圖層，每個(gè)圖層分別存儲(chǔ)顯示不同類型的元素。創(chuàng)建所需要的圖層后，就需要對(duì)創(chuàng)建一系列的方法來完成點(diǎn)、線、面和文本的繪制。這是一個(gè)很復(fù)雜的過程，按照傳統(tǒng)的編程思路，在繪制對(duì)象時(shí)需要定義一系列的事件，來捕獲鼠標(biāo)的動(dòng)作，比如移動(dòng)、單擊、拖拽等；不同的對(duì)象對(duì)事件的響應(yīng)也不同，需要調(diào)用不同的方法，這使得整個(gè)程序非常的復(fù)雜?；诮M件的GIS開發(fā)平臺(tái)提供的一系列功能接口大大簡化了這一過程[6]。在圖層的編輯方面，SuperMap Object.NET提供的多達(dá)30種不同元素的繪制以及完善的修改功能。實(shí)現(xiàn)這些功能，是需要改變MapControl.Action屬性的值，不需要定義事件，甚至不需要調(diào)用方法，大大降低了編程難度。實(shí)現(xiàn)路線規(guī)劃功能需要完成兩個(gè)步驟，首先創(chuàng)建編輯圖層，為繪制圖形元素提供基本條件；然后在所創(chuàng)建的圖層上繪制所需要的圖形，實(shí)現(xiàn)路線的規(guī)劃。

3.4 信息查詢

信息查詢是飛行信息系統(tǒng)最復(fù)雜的部分之一。地理空間數(shù)據(jù)具有多類、多層、多樣、多關(guān)系、多結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，處理這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的查詢篩選，需要用到比較高級(jí)的技巧。

與一般的數(shù)據(jù)庫不同，電子海圖數(shù)據(jù)通常有不同的表現(xiàn)形式。工作空間包含了當(dāng)前使用的所有數(shù)據(jù)信息，同一條數(shù)據(jù)，在Map對(duì)象中，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)不同屬性的圖像符號(hào)，在Recordset對(duì)象中，數(shù)據(jù)直接表現(xiàn)為一組相關(guān)的數(shù)字和字符串，表現(xiàn)模式不同，但是其內(nèi)在本質(zhì)是一樣的，有著密切的內(nèi)部關(guān)系。使用電子海圖系統(tǒng)，更多的是通過鼠標(biāo)在圖形界面下對(duì)海圖元素進(jìn)行直接的操作，因此圖形與數(shù)據(jù)之間的交互和轉(zhuǎn)換顯得尤其重要。

3.4.1 圖查信息

SuperMap Object.NET為圖形對(duì)象與數(shù)據(jù)對(duì)象的轉(zhuǎn)換提供了一系列方法，其中定義了兩個(gè)重要的類：Selection和Recordset。Selection選擇集類用于存儲(chǔ)處理海圖上被選中的對(duì)象。通過Map.FindSelection方法可以直接獲得當(dāng)前在海圖上被選中的對(duì)象，記錄在Selection對(duì)象中。Recordset記錄集類用于實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。Recordset對(duì)象與Selection對(duì)象有著良好的互操作性，可以互相轉(zhuǎn)換。通常在獲取Selection對(duì)象后，通過Selection.ToRecordset方法可以獲得被選對(duì)象的全部數(shù)據(jù)。在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，返回到Selection對(duì)象中，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的高亮顯示。在圖形界面下選擇元素，獲取并顯示元素屬性，程序流程如圖6所示。

圖6 圖查信息程序流程

3.4.2 條件篩選

Recordset記錄集除了從Selection選擇集轉(zhuǎn)換，還可以通過SQL語句查詢獲取。利用SQL語句的靈活性和嚴(yán)謹(jǐn)性，為從大量海圖數(shù)據(jù)中查詢、篩選有效信息提供了高效的方法。

這里使用了SuperMap Object.NET中的DatasetVector.Query（QueryParameter）方法，其中 DatasetVector記錄了各圖層的矢量數(shù)據(jù)集，通過layer.Dataset屬性獲得，QueryParameter包含了查詢參數(shù)，包括SQL語句。此方法最終返回給Recordset記錄集。程序流程如圖7所示。

圖7 條件篩選程序流程

3.4.3 查詢結(jié)果顯示

獲得的Recordset記錄集具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以方便的提取，修改其中的數(shù)據(jù)。為了能夠直觀顯示Recordset記錄集中的數(shù)據(jù)，可以使用.NET框架中的DataGridView控件顯示，最終表現(xiàn)為數(shù)據(jù)表的形式。程序流程如圖8所示。

圖8 顯示查詢結(jié)果程序流程

3.5 附加信息的顯示

附加信息包括經(jīng)緯度、比例、尺網(wǎng)格、當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)等，涉及很多方面的內(nèi)容，為海圖作業(yè)提供了大量的輔助信息，同時(shí)便于作業(yè)者掌握當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)，在整個(gè)電子海圖系統(tǒng)中占有重要地位。實(shí)現(xiàn)附加信息的基本思路是通過GIS開發(fā)平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)接口獲得所需要的參數(shù)，通過特定的格式在地圖上顯示出來。

3.6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

相比其他功能模塊，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫并不提供直接的可操作的功能，但其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性和可維護(hù)性有重要的意義。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可設(shè)計(jì)為三個(gè)部分：用戶信息、操作日志和錯(cuò)誤記錄。用戶信息數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)用戶的用戶名、登錄密碼、使用權(quán)限和登錄日志等信息。操作日志主要記錄使用無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)所進(jìn)行的操作，按操作的時(shí)間順序排列。錯(cuò)誤記錄主要記錄系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生的錯(cuò)誤信息，便于查找錯(cuò)誤原因。數(shù)據(jù)庫本身必須加密，確保日志信息的安全，保證只有海圖系統(tǒng)本身才能訪問和修改數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫訪問與修改

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，可以構(gòu)建一個(gè)功能比較完善的軟件產(chǎn)品。如圖10所示是打開后顯示海圖的界面，左側(cè)是輔助面板，顯示全局圖和放大圖，下方狀態(tài)欄顯示當(dāng)前比例尺和經(jīng)緯度，上方功能區(qū)集成了所有的功能按鈕。

圖10 海圖顯示界面

5 結(jié)語

艦載無人機(jī)是獲得信息的重要手段，如何有效地使用艦載無人機(jī)獲取的信息對(duì)提高信息化作戰(zhàn)具有重要意義。與電子海圖相結(jié)合，將大大提高艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的信息集成化程度，有利于信息的融合。同時(shí)利用電子海圖化的控制方法，將大大提高艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的使用效率[7～9，12]。論文從研究艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)出發(fā)，論述了如何在C＃開發(fā)環(huán)境下，使用SuperMap Object.NET開發(fā)組件構(gòu)建一套功能相對(duì)完善的無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)。針對(duì)無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)電子海圖軟件，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的基本功能；實(shí)現(xiàn)瀏覽海圖的漫游、縮放等基本操作，能夠顯示全局圖和放大圖功能；實(shí)現(xiàn)在電子海圖上繪制各種幾何元素，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的路線規(guī)劃功能；實(shí)現(xiàn)對(duì)海圖元素信息進(jìn)行查詢和搜索；嘗試使用第三方工具箱構(gòu)建先進(jìn)的Ribbon界面，使整個(gè)程序美觀大方，可操作性強(qiáng)。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還有很多不足的地方，需要在今后的研究中擴(kuò)充和完善：一是無法直接讀取S－57海圖數(shù)據(jù)，需要通過軟件轉(zhuǎn)換后才能讀取使用，這樣大大降低了使用效率，使得軟件無法讀取實(shí)時(shí)S－57數(shù)據(jù)的要求。下階段可以使用自行編寫的S－57解析模塊，或者使用一些商用的控件實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)S－57的讀??；二是沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載無人機(jī)飛行路徑的實(shí)時(shí)跟蹤。作為艦載無人機(jī)導(dǎo)航信息系統(tǒng)的重要功能，對(duì)艦載無人機(jī)位置的實(shí)時(shí)顯示與跟蹤將為我們更好的掌握無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。下階段將加入位置路徑跟蹤功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控艦載無人機(jī)實(shí)際飛行路徑與指定路徑是否匹配；三是沒有實(shí)現(xiàn)多海圖的拼接功能。當(dāng)前軟件只能讀取顯示單一的海圖文件，無法在大海域發(fā)揮作用。下階段軟件將能夠讀取多個(gè)連續(xù)的海圖數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)顯示上的拼接。

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