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基于分组的移动Ad+Hoc网络混合路由协议分析.pdf

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武汉理工大学硕士论文AbstractAs a very important simulator in training sai lor,GMDSSglobal maritimedistress and safety systemis widely used in marine capability training。Thissimulator is mainly used in teaching sailors how to send distress signal tothe terrestrial station or to the satellite with GMDSS when they are in dangerin the sea.It simulates all the compld equipments in GMDSS with puresoftware with many virtues such as true appearance、1iving manipulation andlow price.Because of the high price and difficult maintenance,recently GMSSSfacility is replaced by GMDSS simulator in tuitions in order to economizethe money and human resource.EPRIBSatelliteEmergency Position IndicatingRadio Beaconis a module in this simulator.Nowadays manipulation emulationis achieved in EPIRB module but positioning emulation is not achieved.In this article,the algorithm of satellire positioning is obtainedconsidering the basic principle and the EPIRB module is improved.Accordingto the positioning theory of GPS,in the course of positioning,if the clockin the satellite is synchronous to that in the users’ receivers,thecoordinates of the object in the space reference frame can be worked out byvirtue of the three ats between the three satellites and the objects onthe earth.And after transferring the coordinates,the longitude and thelatitude will be obtained and the course of positioning wiII be finished.In the course of positioning,the satellites will rotate around the earthall the time.So considering the satellites height and running period andconsulting the true data,after calculation,three different orbits will beneeded with nine satellites in each orbits in order to making sure that eachpoint on the each can be covered.As a result of this,each point can bepositioned.In the algorithm many physical factors do not need to beconsidered such as the gravitation of the earth and the sun pressure.Thealgorithm is obtained in ideal state.After getting the algorithm,theinterface of the software is designed out through VC.In the interface,the world map and the coordinates of each satellite at any time is displayed.And then the algorithm is worked out by programming and the course of achievingthe algorithm is detailed introduced.Finally the result is tested.In thetest,when a point in the map is double clicked by the user,the longitudeand the altitude of the point is displayed in a dialog.Next the result is}h。小武汉理工大学硕士论文compared with the true result.For example,when the point of Beijing is doubleclicked,the result in the dialog is nearly the same to the true result.Sothe result is highly accurate.And the algorithm is accurate and feasible.KeywordsGMDSS,simulator,EPIRB,emulate,the positioning principle of GPS,the algorithm of satellite positioning武汉理工大学硕士论文目 录第1章绪论....11.1课题来源及意义.....11.2 GMDSS系统.........11.3系统仿真........41.4航海模拟器简介.....41.4.1 GMDSS在航海模拟器中的作用......51.4.2 STW公约对GMDSS模拟器的要求....61.4.3 GMDSS模拟器研究现状...61.5研究内容及创新点7第2章GPS系统92.1 GPS系统的组成..92.1.1空间部分..92.1.2地面控制部分...102.1.3用户部分....112.2 GPS系统定位原理..112.3卫星轨道基本参数......132.4卫星运动的摄动力..152.5 GPS卫星在轨位置的计算方法....152.6.2国际原子时..172.6.3世界时...182.6.4不同时间系统的转换关系..192.7坐标系统.......192.7.1协议地球参考系统CTS.........192.7.2地心惯性参考系....202.7.3星固坐标系.....202.7.4 RTN坐标系......202.7.5坐标系统的转换....202.8本章小结..........22第3章Cospas-sarsat系统与EPl舳..233.1 Cospassarsat系勿E...233.2 EPIRB...................253.3本章小结....26第4章卫星定位算法27武汉理工大学硕士论文4.1 Cospassarsat系统的卫星运行模型....274.2 Cospassarsat系统的卫星定位算法....294.3坐标系的转换............314.4本章小结....31第5章软件设计与实现.325.1卫星的实时坐标......326.2 cospassarsat系统的卫星定位算法的实现.....345.3坐标转换的实现...375.4本章小结...37第6章运行测试及分析.386.1卫星坐标界面......386.2定位结果....386.3本章小结.40第7章总结与展望..427.1本文工作总结...427.2后续工作展望...42参考文献..44致 谢..47攻读硕士学位期间发表论文.48武汉理工大学硕士论文1.1课题来源及意义第1章绪论该课题主要是来源于GMDSSglobal maritime distress and safety system.全球海上遇险与安全系统模拟器,该模拟器是一款纯软件的模拟器,系统的模拟了GMDSS系统的各个设备,可以方便替代真实的GMDSS模拟器,并且具有界面真实,操作简单等特点。EPIRBSatelliteEmergency Positioning Indicating Radio Bean,船载应急无线示位标作为GMDSS系统的一部分,在该模拟器中也得到了很好的模拟,但是该模拟模块只是实现了EPIRB功能的模拟,并未实现卫星定位算法的模拟,即在训练船员的过程中,船员只能对该模块进行操作,但是船员并不知道该模块是如何进行定位的。本文参考了GPS定位的原理,并对GPS定位的原理进行了提取和精简,提出了用于EPIRB模块中的定位算法。由于该算法是在模拟器中使用的,因此该算法忽略了很多实际的物理因素,例如地球非球形引力摄动、固体潮摄动、相对论效应摄动,太阳光压等因素。该算法是在理想环境下提取的算法。接着利用VC对该算法进行了编程,实现了该算法,并制作了软件界面,显示了最后的结果,并对该结果进行分析,结果与原先预期的效果基本一致。1.2 GMDSS系统在保障船舶海上正常行驶方面,船舶无线电通信发挥着重要的作用。随着航运行业的快速发展,船舶科技水平也飞速的提高,各个国家对保障海上船舶安全方面的不断关注,以调幅无线电通信方式为主的海上遇险通信系统已不能满足这一发展的要求。在计算机和数字通信高速发展的基础之上,1992年2月1日开始,由IMO国际海事组织提出的一个新型的通信系统全球海上遇险和安全系统全面实施。这套系统为各国船舶的海上安全提供了有力的保障。GMDSS系统是一个全球性的现代化通信网络,它遵守1979年提出的国际海上搜寻和救助公约。国际海上搜救和救助公约的目的是在相邻国家的沿海和相邻海洋之间建立起全球性的海上搜救计划,以便发生海上遇险事故时能相互支持和相互救助。当船舶遇险的时候,岸上的搜救机构能够迅速的获得遇险船舶的报警信号,并在最武汉理工大学硕士论文短的时间内开展搜救和救助行动。GMDSS系统同样能进行紧急、安全、日常通信,并能向其他船舶发出海上安全信息。图1.1 GMDSS系统工作示意图GMDSS系统具有搜救协调通信、救助现场通信、遇险报警、定位、常规的公众业务通信、海上安全信息的播发、驾驶台对驾驶台的通信等七大功能I啦l。我国相关部门早在上个世纪70年代就已经开始关注GMDSS系统的发展,并向有关部门提出了构建海上遇险与安全通信系统方面的想法,1985年交通部向下属各个有关单位进行了系统的部署。为了进一步改善海上航行的安全,进一步改善我国船舶的通信状况,相关部门于1987年在北京开始建造INMARSATinternational marinesatellite association卫星通信地面站,与此同时我国开始在沿海部署构建安全信息播发系统,并更新了岸台通信设施,增宽覆盖区域,以适应GMDSS系统发展的需要。1992年我国的相关部门开始着手进行我国全球海上遇险和安全系统的规划布局工作。该规划要求,我国的所有沿海海岸电台形成链状的A2航区DSC覆盖区域,于此同时对A3航区进行区域性的DSC值守。在北京完成Cospas/sarsat LUT和MCC的建设工作,并把北京的INMARSAT卫星岸站建设成为具有B/M系统功能的岸站,并为我国那些行驶于航行密度较大的区域的船舶提供服务,以便适应我国远洋运输事业的发展。近些年,我国又开始建设更为先进的INMARSAT-F系统,进一步确保了海上航行的安全【3’4】。GMDSS系统主要包括两大通信系统地面通信系统和卫星通信系统。地面通信系统是指使用频率工作在MF/HF/ⅧF频段的通信设备来完成通信的子2武汉理工大学硕士论文系统。其设备包括MF/HF无线电话、VHF无线电话、数字选择性呼叫DSC、窄带直接印字电报NBDP、NAVTEX、搜救雷达应答器SART和VHF CH70的应急无线电示位标EPIRB。其中MF/HF/vHF通信设备是主体,所有终端都必须通过MF/HF/VHF通信设备进行通信【51。DSC一般与MF/HF SSB发射机、VHF FM电话设备一起使用,完成收发信号的功能,DSC设备本身并不能直接完成信号的收发。DSC是GMDSS系统中一个重要的终端设备。NBDP是按照CCIR有关建议所采用的一种自动通信技术。它占据较窄的带宽,且以直接打印方式给出信息。作为MF/HF通信设备的终端,可用于遇险与安全通信和常规通信。NAVTEX是在518KHZ频率上,由各国主管部门指定的岸台向400n mile海域内船舶用英语定时播发海上安全信息,船上NAVTEX接收机自动接收该信息,并打印输出。SART是在船舶发生遇险时,船员开启SART,此时该模块进入待命状态,不发送信号,但可以接受9GHZ雷达信号,当收到这个雷达信号后立即发送一个脉冲信号,于是在搜救船舶或飞机上导航雷达探测脉冲作用下,雷达应答器发射的信号能使搜救船舶或飞机上的导航雷达荧光屏显示出SART的确切位置。船载应急无线示位标EPIRB是一个小型信号发射器。它一般用于海上通信,其主要作用是为遇险的船舶发送遇险信号,通过该设备,将遇险信号发送给全球卫星搜救系统,搜救系统再将信号发送给离遇险地点较近的地面站台,由站台组织营救工作。卫星通信系统包括INMARSAT国际海事卫星通信系统和COSPAS/SARSAT极轨道卫星搜救系统。使用的船用设备有INMARSATB/C/E/F船站、1.6GHz的EPIRB、EGC接收机、406/121.5MHz的EPIRB【6J。INMARSAT国际海事卫星通信系统主要有三个部分组成空间段、卫星通信地面网含网络协调站NCS、地面站LES和卫星移动通信终端MES。INMARSAT系统中的卫星相对于地球来说是静止的,这些卫星分布在三个轨道圆内,每个轨道圆覆盖地球表面积的三分之一。INMARSAT-A于1982年投入使用,有NCS 2个美国SOUTHBURY站负责AOR-W/E两洋区的网络协调,日本YAMAGUCHI站负责POR/IOR两洋区的网络协调,海岸地球船站CES有27个。A系统开发的主要业务有遇险通信、电传、电话、传真和数据的自动传输。该系统已于2007年12月31日推出历史舞台17】。INMARSAT-B系统是于1993年10月开始运行的一个全部采用数字技术的新系统。它在A系统的基础上,提高了卫星功率和带宽的利用率,而且还可以进入更先进入更完善的陆地数据网络,因此B系统取代了A系统。现在开放B系统业务的LES共有17个,开放的主要业务有双工电话、船对岸的单工电话、岸到船的业务通话和A3武汉理工大学硕士论文系统开放的业务。INMARSAT-C系统是只能处理数字化报文和数据的卫星通信系统。C系统现有3个NCS3个LES。C标准SES是一种简易型船站,天线小而无方向性,整个船站可制成便携式。C系统开放的业务主要有遇险和安全通信、双向电传和数据及船到岸的传真。INMARSATE系统是通过静止卫星来获得遇险船只或人员位置等信息的卫星EPIRB系统。该系统的1.6GHz EPIRB在遇险时可人工启动或自动启动,实现船对岸的遇险报警。1.3系统仿真最近几年,系统仿真技术得到了广泛的应用。这种技术广泛的应用于军事、国防、交通、能源、经济、交通、工业、农业、管理等工程和非工程领域【引,除此之外,它还被应用于产品研制的各个阶段,如方案测评、设计分析、生产制造、试验评估、培训和维护等【9’Ⅻ。系统仿真技术是--N交叉学科,它涵盖了很多相关的学科,如相似原理、计算机技术、控制理论、信息技术以及应用领域等,它主要是以计算机和各种电子设备为工具,利用系统模型对现实的系统进行动态研究的--I“3综合性技术[nl。1.4航海模拟器简介国际海事组织对航海模拟器进行了系统的定义。根据该定义,航海模拟器是一种为满足特定的目的而设计的一种能真实的模拟实际状况而设计的装置【12】。该装置可以让受训者不使用真实的航海设备而使用一种操作方式与真实设备几乎一致的环境进行操作训练以提高操作的熟练程度。如今在航海培训和教学方面,航海模拟器的应用越来越频繁,该模拟器在其他领域也发挥着巨大的作用,如科学研究、工程设计、系统分析和海事分析等领域。国际海事组织一直在倡导和鼓励将航海模拟器【131应用于航海领域的教学与培训中。1995年7月1日,在国际海员公约中,国际海事组织多次提到了航海模拟器在航海类教学方面的重要性,并船舶驾驶专业的培训内容中加入了ARPA和雷达模拟器的培训,更重要的是,船员的海上工作时间【14】中将包含船员接受模拟器训练的时间。我国的有关部门也制定了新的航海模拟器训练标准,根据该标准,ARPA操作和雷达标绘列的操作被强制性的单独列为了培训科目,同时还提倡在超大型船舶的操作训练内容中加入航海模拟器的培训。经过多年的不断研制和不断的更新,航海模拟器从简单走向复杂,从功能单一到4武汉理工大学硕士论文功能综合。目前,航海界已经一致性的将航海模拟器分为如下这四个级别A级功能完备的模拟器,即全功能模拟器。该种模拟器能完整的模拟船舶内部的操作环境,包括在一些特定的受限水域进行操作和引航训练。B级多功能模拟器。这种航海模拟器能够完整的模拟船舶的内部环境,但不能模拟在一些受限水域进行操作和引航训练。C级有限功能模拟器。该种模拟器能模拟船舶内部的环境无实景,仅靠仪器操作,可以进行有限制的航行和避免碰撞的操作。D级单一功能模拟器。这种模拟器能模拟特定的航海仪器的操作,但操作者不能置身在逼真的驾驶台环境中。1.4.1 GMDSS在航海模拟器中的作用目前很多航海类的模拟器都无法实现遇险搜救训练,其中一个重要的原因就是航海模拟器中缺少GMDSS。通过网络,GMISS模拟器内部可以和其他的航海模拟器进行数据的交换,这些数据包括本船的位置,因此可以和航海模拟器配合一起使用,实现搜救训练。 ·据调查显示,目前国内开发的GMDSS模拟器中,很少有能和航海模拟器相联网的,这种模拟器一般只用在两个方面,一方面是用于培训船员的GMDSS操作,另一方面是用于教学。作者研究使用过国内生产的一款GMDSS模拟器,总的说来,该款模拟器具有以下的优点 ’第一,该模拟器的界面很友好,采用了真设备的图片作为模拟器的界面,物理真实感强。模拟器的操作完全和真实设备的操作步骤一样,可以达到和真设备一样的训练效果。第二,由于本模拟器能够通过网络与航海模拟器相连,可以获得所有本船的数据,因此可以和航海模拟器一起使用,达到更好的训练效果。第三,在上船工作以前,船舶的驾驶员可以模拟器上进行团队工作的模拟训练,以便让受训人员能适应海上变化多端的环境,增强他们的团队合作能力和应变能力,一定程度上降低了船舶安全事故。因此“驾驶台团队管理“实训或者“驾驶台团队管理”实训课程在航海类院校的日常教学中受到了格外的重视。如果在船舶操作训练的课程中没有GMDSS模拟器,这种训练将是有问题的。第四,可拓展性良好。本模拟器既可以与航海模拟器相连,又可以单击使用,而且数量没有限制。第五,在该款GMDSS模拟器中,教练员站的功能强大,包括制作可以实现制作练习题和发送练习题,实时的查看学院的学习情况,最后进行检查。只需一个教练通5武汉理工大学硕士论文过网络界可以管理很多船舶站的学员【1引。1.4.2 STW公约对GMDSS模拟器的要求合格的GMDSS模拟器系统必须符合国际海事组织A.17317决议和最新的STCW95公约的要求。该要求能保证在正常的条件下,模拟器能够模拟所有的GMDSS子系统和设备,并确保这些设备能正常的运行【161。除此之外,功能齐全和效果逼真的GMISS模拟器应该具有如下功能一能够模拟GMDSS系统的所有设备;二该模块设备的界面和操作必须和真实的设备一致;三GMDSS模拟器必须能够实现联网,既可实现单机训练也可以实现联网训练;四GMDSS模拟器还应该能够与雷达或者航海模拟器相连,便于实现海上遇险应急搜救的训练【17】。由我国制定的{GMDSS模拟器性能标准【18】中对于“海船船员适任考试和评估大纲”中关于船舶驾驶人员的评估要求、船舶对GMDSS设备的管理和使用,结合我国对GMDSS教学情况,该标准中对一下的几个方面内容提出了确切的要求第一,GMDSS模拟器所模拟的设备必须是船上真实使用的设备,不能是那些虚拟的设备或者功能不满足GMDSS模拟器性能要求的设备。第二,模拟的效果一定要“逼真“,即模拟器一定要和所模拟的设备具有完全一样的界面、操作过程、过程、功能和结果。第三,能够使用GMDSS设备完成遇险报警通信。第四,当操作人员对模拟器的操作不正确的时候能显示不正确的提示和帮助。第五,只对主要的设备和功能的模拟提出要求,作为模拟器并不对所有设备的界面、功能、过程及结果进行模拟【191。1.4.3 GMDSS模拟器研究现状近年来,随着航海业的迅猛发展,市场对海员的需求越来越大,航海类院校的招生规模也越来越大。但是由于培训海员所需的GMISS系统费用开销巨大,很少有航运类院校能够承担这些费用。于是人们就采用系统仿真的原理,用GMDSS模拟器软件去代替这些硬件以节省费用。在进行船员培训时,与使用真设备相比,航海模拟器节省了航海类院校的费用开支、方便管理、便于更新【20】自从上个世纪90年代以来,各国都开始专注于航海专业模拟器的研发,GMDSS模拟器就是典型的代表,具有代表性的模拟器主要分为两种【2¨,一种是纯软件的GMDSS模拟器,另一种是软硬结合的GMDSS软件。纯软件的GMDSS模拟器可以分为单6
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