电子海图与海事雷达
电子海图信息系统（ECDIS）在船舶航行中的应用
电子海图信息系统（ECDIS）在船舶航行中的应用蔡新梅【摘要】为进一步丰富电子海图信息系统的功能，更好地发挥电子海图信息系统在海上航行中的作用，本文主要介绍ECDIS与雷达、AIS、VTS的兼容作用，进行数据融合，优势互补，为船舶导航提供可靠的信息。
通过兼容作用确保船舶安全航行、船舶避碰和岸基服务具有十分重要的意义。
%To further enhance the functionality of ECDIS and better serve the navigation of oceangoing ships, this paper introduces the compatibility of ECDIS with radar, AIS ＆ VTS in terms of data fusion, the complementary roles between these platforms for the requisite information navigation of ocean-going ships. Compatibility of the system with other platforms plays a significant role in ensuring safe navigation, collision avoidance and shore-based services.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2012(032)006【总页数】3页(P32-34)【关键词】电子海图信息系统;雷达;AIS;VTS【作者】蔡新梅【作者单位】辽宁省葫芦岛市渤海船舶职业学院,辽宁葫芦岛125005【正文语种】中文【中图分类】TP391.410 引言电子海图显示信息系统(Electronic Chart Display Information System，ECDIS)是在综合导航系统的设计理念基础上逐步发展起来的一种智能化海图，解决了在传统纸质海图上定位而产生的船位获取滞后的问题，可以自动地将即时船位显示在海图上。
电子海图及其在航海中的应用
电子海图及其在航海中的应用发表时间：2016-10-17T15:18:38.383Z 来源：《科技中国》2016年6期作者：王式平[导读] 相信通过科学的进步和技术的提高，电子海图及其系统将会得到进一步发展和丰富，其可靠性和优越性将进一步展现。
北海航海保障中心烟台航标处山东烟台 264000摘要：随着高科技的快速发展，各行各业呈现出技术融合的趋势。
依靠成熟的计算机及图像处理技术，产生了以数字形式表示的电子海图以及各种电子海图应用系统，航海技术已经进入了信息化时代。
电子海图的出现被称为航海技术的第三次革命。
他们的出现是水道测量领域和航海领域的一场新技术革命，使海图研究、生产以及使用跨入了一个新的纪元，也促使航海自动化迈上一个新台阶。
电子海图能自动的将船位实时地显示在海图上，方便驾驶员进行判断和采取进一步行动。
电子海图的出现将驾驶员从繁重的传统海图作业中解放出来，更好的进行值班，确保航行安全。
同时电子海图系系统报警可以提醒驾驶员潜在的危险，进而确保航行安全的安全性。
本论文主要介绍了电子海图相关概念和电子海图及其在航海中的应用。
最后，论文介绍了使用电子海图的风险，告诫用户不应过度依赖电子海图。
[关键词]电子海图；显示；信息系统；ECDIS；航海图1电子海图的相关概念及标准1.1 电子海图的相关概念电子海图是在显示器上显示出海图信息和其他航海信息，所以也叫做“屏幕海图”。
电子海图及其应用环境组成电子海图系统。
电子海图是描述海域地理信息和航海信息的数字化产品，主要涉及海洋及其毗邻的陆地，详细描述了岸形、岛屿、礁石、沉船、水深、底质、助航标志、潮流、海流等航海所需的资料。
1.1.1 电子海图的分类电子海图按照制作方法可以分为矢量电子海图和光栅电子海图两大类。
矢量电子海图是以矢量形式表示的数字海图。
海域中的每个要素都是以点、线、面等几何元素的形式储存在电子海图数据文件中，具有存储量小、精度高、显示速度快、支持智能化航海等优点。
航海导航基础知识与应用技术
航海导航基础知识与应用技术航海导航是船舶安全航行的基础，它使用各种现代科技手段和设备进行船舶的定位、航向控制和导航决策。
本文将介绍航海导航的基础知识和应用技术，帮助阅读者理解并应用于实际操作中。
一、航海导航基础知识1. 经度和纬度经度和纬度是地球表面坐标系统的基本概念。
经度表示东西方向位置，范围为0°（本初子午线）到180°东（西）经；纬度表示南北方向位置，范围为0°（赤道）到90°南（北）纬。
2. 船舶定位船舶定位是确定船舶位置的过程。
目前常用的船舶定位技术有全球卫星定位系统（GPS）、卫星导航（GNSS）、惯性导航系统（INS）等。
这些技术通过接收信号并计算数据，精确地确定船舶的经纬度位置。
3. 航向和航速航向是船舶所采取的航行方向，用以确保航程正确。
航速是船舶在单位时间内所通过的距离，常用节（nautical mile per hour）作为单位。
4. 航行计划航行计划是船舶在航行前制定的详细计划，包括起点、终点、航行路线、预期时间和校核点等。
它有助于船舶合理安排航程，降低风险，并确保到达目的地。
二、航海导航应用技术1. 电子海图系统（ECDIS）ECDIS是基于计算机技术的航海导航系统，通过数字化的电子海图显示船舶位置、航道信息、水深、浮标和障碍物等。
它为船员提供实时的导航数据，并支持航行计划、船位监控和碰撞预警等功能。
2. 自动识别系统（AIS）AIS是一种无线通信系统，通过VHF无线电频率传输船舶的静态和动态信息。
它能够实时监测船舶在海上的位置、航向、航速等信息，并提供给其他船舶和岸基站点，以增强船舶的安全性和防碰撞能力。
3. 海上雷达系统雷达是船舶常用的导航工具之一，它利用电磁波与目标物的反射信号，实时显示周围海域的目标位置和距离。
雷达在航行中可以帮助船员避开障碍物、寻找港口或者调整航向。
4. 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统是中国自主开发的卫星导航系统，它通过北斗卫星的信号传输定位数据，为用户提供全球覆盖的导航定位服务。
正确认识电子海图
系统终端设备包括图形显示器、打印机及航迹记录仪等。它要显示或输出海图各项航行要素的数据、人机对话的内容、告警信息，供航海人员操作使用的热键和菜单等。
电子海图显示与信息系统的发展趋势
目前ECDIS的性能标准、海图显示规范、数据标准均已确立。为其合法化和普及铺平了道路。今后要解决的关键问题就是：要尽快建立覆盖全球的ENC以及海图改正服务网络；扩充ECDIS的标准功能，使其具备智能化的特点；同高精度定位系统、雷达避碰系统、船舶通信系统、车舵控制系统等进行集成，辅助制定操船决策，同时可以控制船舶以最经济的方式航行在最优航路上，提高航运效益。
正确认识电子海图
电子海图显示与信息系统(ECDIS)是继雷达／ARPA之后在船舶导航方面又一项伟大的技术革命，已发展成为一种新型的船舶导航系统和辅助决策系统。它不仅能连续给出船位，还能提供与航海有关的各种信息，有效地防范各种险情。目前世界上安装电子海图的舶船在20万艘以上。随着各国官方电子海图(ENC)逐步完备、标准ECDIS的出现以及IMO的认可，未来十年左右ECDlS将全面取代纸海图，成为21世纪航海信息综合处理手段。
目前，世界上某些海运技术开发公司已将其ECDIS同导航系统、ARPA、自动舵等连接在一起，构成了所谓的组合船桥系统。主要思路是将来自这些航海仪器的信息进行综合处理，向航海人员提供一个集成的信息环境，使其能迅速地做出操船决策，提高航行的安全性。让机器代替航海人员完成这项工作，以减小人为因素造成海难事故发生的可能性并且减少船员定额，已成为当今海运界关注的课题。
电子海图与雷达图像叠加显示的实现的开题报告
电子海图与雷达图像叠加显示的实现的开题报告一、选题背景随着航海技术不断进步，电子海图的应用也变得越来越普遍。
电子海图能够为船舶提供准确的航线规划、实时的交通信息和安全提示等功能，是现代航行不可缺少的重要工具之一。
而实时显示雷达图像则能够帮助船舶避免潜在的危险，提高航行安全性。
因此，将电子海图与雷达图像进行叠加显示，不仅能够更加直观地呈现船舶的实时位置及周围环境，还能够提高船舶的导航和安全性能。
二、研究内容电子海图与雷达图像叠加显示的实现，需要解决以下几个关键问题：1. 数据源的获取：需要将来自船舶设备的雷达图像和 GPS 位置信息传输到电脑系统上，同时需要获取电子海图数据。
2. 数据处理：将获取的雷达图像和GPS位置信息进行处理，将其转换为图像文件并与电子海图数据进行匹配，以便进行叠加显示。
3. 叠加显示算法：需要设计一种算法，将两个图像进行叠加显示，以便船员能够更加清晰地看到船舶的位置及周边环境。
4. 界面设计：需要开发用户友好的界面，展示电子海图和雷达图像的叠加效果，并提供一些实用的功能，如船舶航线规划、雷达控制等。
三、研究意义通过电子海图与雷达图像叠加显示的实现，可以加强船舶航行的安全性能，提高船员的操作效率和航行质量。
具体来说，该技术可以实时显示船舶的位置及周围环境，让船员能够更加直观地了解周围情况，避免可能的危险和冲突，并规划更加安全和有效的航线。
另外，该技术还可以减少船员的工作量，提高船舶的导航效率，从而节省时间和资源成本。
四、研究方法首先，需要采集船舶设备的雷达图像和GPS位置信息，并获取电子海图数据。
其次，需要根据所采集的数据，设计合适的处理算法，包括图像转换、匹配和叠加显示等步骤。
最后，需要开发用户友好的界面，实现电子海图和雷达图像的叠加显示，并提供一些实用的功能，如航线规划、雷达控制等。
五、预期效果电子海图与雷达图像叠加显示的实现，能够为船舶提供更加安全、高效的航行指导和控制，提高航行的质量和效率。
雷达图像与电子海图叠加的研究的开题报告
雷达图像与电子海图叠加的研究的开题报告一、选题背景近年来，随着雷达技术与定位技术的发展，船舶上的雷达已经成为了航行的重要工具。
通过雷达，船舶可以在海上进行目标探测、情报收集、安全防范等工作。
然而，在实际航行中，雷达图像只能提供简单的海上信息。
电子海图则可以提供更加详细的水文、气象、浮标、灯塔、航线、船只位置等海上信息。
因此，将雷达图像与电子海图叠加起来，不仅可以提高海上信息的完整性和精确度，还可以方便船舶航行操作。
本次课题旨在研究雷达图像与电子海图叠加技术，以提高船舶航行的安全性和效率。
二、研究目的本次课题的研究主要目的是：1. 探究雷达图像与电子海图叠加的工作原理和技术方法，以确定叠加的方式和步骤。
2. 通过实验数据的采集和分析，检验叠加技术的有效性和可行性，以及识别相关问题。
3. 尝试优化叠加技术，从而提高叠加后的显示效果和使用价值。
三、研究内容本次课题的研究内容主要涉及以下几个方面：1. 综述雷达图像和电子海图的相关知识，介绍雷达的工作原理和基本参数，以及电子海图的基本构造和内容。
2. 探究雷达图像与电子海图叠加的技术方法，主要包括雷达图像和电子海图的数据格式、坐标系的对齐、叠加处理等。
3. 设计实验流程和数据采集方案，采集雷达图像和电子海图的相关数据，分析数据的特征和问题。
4. 借助计算机编程工具，处理数据并进行叠加处理，将雷达图像与电子海图叠加后的结果进行效果测试和比较分析。
5. 尝试在叠加方法上进行优化，以达到更好的叠加效果和更高的使用价值。
四、研究意义本次课题研究的雷达图像和电子海图叠加技术，不仅可以提高海上信息的完整性和精确度，还可以方便船舶航行操作。
具有以下几个方面的意义：1. 提高海上信息的精确度和完整性，提高船舶航行的安全性和效率。
2. 提高雷达图像和电子海图的使用价值，为相关领域的发展提供技术支持。
3. 推动雷达技术与电子海图技术的融合，拓宽海上信息技术应用的领域。
4. 给相关领域的技术开发和咨询提供经验和参考。
电子海图显示与信息系统——第三章电子海图显示与信息系统的航行功能
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(3)海图漫游:航海人员应能利用鼠标或轨迹球通过简单的操 作实现显示区域的变换, 该操作称之为海图漫游。如有些 ECDIS, 在某种状态条件下点击左键, 则按当前比例尺显示以 点击点为中心的地理区域。此外, 航海人员还应可以精确输人
(1)放大:当前海图中心不变, 根据缩放比率放大显示, 即海 图范围变小。
(2)缩小:当前海图中心不变, 根据缩放比率缩小显示, 即海 图范围变大。
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(3)预设比例尺级别:当前图中心不变, 根据选择的常用比例尺 级别, 快速变换显示。有些ECDIS允许航海人员手动输入具 体的比例尺值。
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6.变换显示海区 在航线设计或航行监控阶段, 航海人员可能会根据需要查看
当前没有显示的地理区域的情况, 以便进行航线的延展设计和 对前方水域的查看, 确保航行安全。 ECDIS一般可通过以下四种方式实现。
(1)比例尺变换:通过改变显示比例尺来增大或缩小显示的 地理范围, 从而实现海图显示区域的变换。
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பைடு நூலகம்
7.显示内容的选择 ECDIS应能显示所有SENC信息, 并将在航线设计和航行
监控时显示的SENC信息分为三类:基础显示、标准显示和其 他信息。IMO ECDIS性能标准同时还要求ECDIS应能在任 何时候仅靠操作员的单一操作即可提供标准显示。当一幅海 图最初在ECDIS上显示时, 应当使用SENC中显示区域的最大 比例尺的数据提供标准显示。从ECDIS显示中应能灵活地增 加或删除ECDIS显示的信息, 但不能删除基础显示的信息。 IHO S-52同时也规定航海人员应能够通过单独操作增加或删 除标准显示或其他信息中的某项内容。如果消除标准显示中 的信息种类以按指定规格显示, 对此应有永久标示。ECDIS 在关闭或断电后打开时, 应恢复至最近手动选择的显示设置。
电子海图
部海事局也开发了电子海图制作和显 示系统。其制作的电子海图和开发的显示 系统已经用于海上航标巡检、海上巡逻、 航运、水上工程、海事管理、船舶交通管 理等诸多领域。如用于上海、宁渡、福州、 厦门、琼洲海峡船舶交通管制系统，为国 家节约了不少外汇；如用于上海港 70 多公 里的深水航道引航，已经成为引航员不可 或缺的助手；
2)功能拓展阶段 1984年至90年代初，人们在数字化的海 图上开发出新的使用功能，可以在数字化 海图上显示船位、进行航线、航次计划设 计，显示诸如航速、航向等航行参数，开 发出更多便于使用的、可保证航行安全、 提高营运效率的各种功能。
3)航行信息系统阶段 这个阶段的主要特征是将电子海图作为 航行信息的核心，进行组合式、集成式的 开发研究，使船舶航行自动化迈上了新的 台阶。集中于电子海图的系统化、一体化 研究，将各种电子海图数据库进行完善， 与各种航海传感器、导航设备进行系统接 口与组合。
随后，加拿大、挪威、日本、澳大利亚、新 加坡等国制作出了符合该标准的电子海图，经过 测试，这些不同海道测量机关制作的电子海图相 容性好，表明标准已经基本成熟。由于基于 S-57 第三版的电子海图制作较为耗时，因此，在1998 年底，国际海事组织航行安全分委会同意在缺乏 S- 57第三版电子海图的水域，可以采用光栅海图 作为过渡时期的电子海图替代物。
电子海图数据具有两种形式，即基础数 据和更新数据。基础数据和更新数据一起 为电子海图显示及信息系统所接收，以形 成反映海域内最新信息的系统电子海图 （ SENC ），供 ECDIS 显示和作相应的处理。 无论是基础数据还是更新数据，均以标准 的格式进行数据的组织和封装，从而达到 不同国家的海道测量机构制作的电子海图 可以在不同的ECDIS上准确地使用。
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电子海图与海事雷达
邓康全
（国家海洋局南海工程勘察中心广州５１０３００）
摘要：电子海图和海事雷达是航海的重要助航设备。
为提高船舶在航行中的避
碰能力，文章提出了电子海图图像与雷达信号的叠加方法。
雷达的模拟视频信号、方位信号和触发脉冲，通过数模转换，利用极坐标与直角坐标变换模型和图像匹配，可以在电子海图底图上实时显示雷达捕获到的目标，以提高对船舶周围环境的监控能力。
关键词：电子海图；海事雷达；雷达图像
在航海中，无线电通信称为“顺风耳”，而
电子海图和雷达等助航设备即称为“千里眼”。
电子海图系统可显示来自电子导航海图的选定信息和导航传感器的导航信息，以辅助驾驶员进行航线设计和航行监视。
以电子海图为航行信息核心，实现与雷达、ＧＰＳ、计程仪、测深仪和ＡＩＳ等各种设备的信息融合，是电子海图信息系统的发展趋势。
海事雷达可以测量水上目标及运动目标的距离和方位，并可以预测和判断运动目标下一步的运动态势，对本船与周围运动目标会遇态势下可能发生的碰撞危险进行判断和评估，辅助拟定本船的最佳避让策略，从而增强避碰决策能力。
电子海图与雷达的匹配定位导航，可在航行水域海图信息的基础上提供本船、本船周围的静态目标与动态目标三者之间的位置关系。
实现了雷达视频数据的共享以及综合航行态势图的实时生成和显示，允许操作人员在同一个显示器上观察本船周围的全部态势，能集中精力判断并采取适当的行动，可以提高船舶避碰能力，这对船舶的航行，尤其是大雾天气中的近海航行和繁忙港道航行具有重要意义。
目前国外部分产品已经实现了雷达和电子海图图像叠加的功能，而国内在这方面的研究比较少。
笔者提出了一种雷达模拟视频和电子海图图像叠加方法，采集雷达的模拟视频信号、触发脉冲和方位信号，通过数模转换、坐标系转换和图像处理，实现雷达和电子海图图像的匹配，完成雷达和电子海图的叠加。
１电子海图与雷达模拟信号图像叠加
雷达应获取的３种信号是：①雷达模拟视频信号是目标的回波信号和触发脉冲；②雷达模拟视频信号是以目标的回波信号为模拟信号；
③方位信号是雷达天线扫描的方位信息，为模拟信号。
触发脉冲是雷达的周期频率脉冲，用
来实现图像处理与雷达发射冲周期的同步，通
过数模转换模块，把采集到的模拟信号数字化，按照方位信息对雷达目标进行标绘，并与雷达的触发脉冲同步，形成极坐标形式的数字化视频信息，将其传递给图像处理模块。
在图像处理模块中，极坐标形式的数字化视频信息转换为屏幕直角坐标形式的数字视频信息，对雷达视频图像在比例尺和显示方式上进行处理，实
现雷达和电子海图图像匹配，根据雷达收发机的位置信息，以电子海图为底图，完成雷达和电子海图的叠加显示，基本流程见图１。
２雷达模拟视频和电子海图图像叠加模型２．１雷达模拟视频数字化模型
采集的方位信号为模拟信号，通过幅度分层和时间量化转换为数字信号。
雷达模拟视频信号通过时间量化和幅度分层转换为数字信号，然后存储这些信号，利用目标回波的幅度、个
数和相关信息做累计判定，以确定目标的有无
（图２）。
时间量化即距离量化，以雷达触发脉冲前沿为起点，将距离扫描的全程时间分成若干相等的时间单元ｔ，即将雷达探测的距离全程分成若干相等的距离单元ｒ，两者对应关系如式
（１）所示。
幅度分层即幅度量化，在距离量化间隔任一处，信号幅度大于相对门限Ｖ，就产生
“１”。
累计判定是一种雷达信号检测系统，通过设定门限Ｋ，对目标回波信息进行累计判定，确定目标有无。
ｔ＝１（）
２
式中：ｃ为光速，ｃ＝３×１０８ｍ／ｓ。
２．２极坐标转换为直角坐标
初步处理后的数字雷达视频图像是以极坐标方式进行显示的，通过极坐标系和屏幕直角坐标系转换方程，处理数字化的雷达视频图像，使雷达视频图像和电子海图的坐标系一致。
极
坐标系和屏幕直角坐标系的对应关系如图３所示。
图３极坐标系和屏幕直角坐标系转换
以Ｏ′点为原点的极坐标系和以Ｏ点为原点
的屏幕直角坐标系的转换关系为：
ｘ＝ｘｃ＋ｒｓｉｎθ
（）
２
ｙ＝ｙ－ｒｃｏｓθ
式中：ｘｃ，ｙｃ为显示中心值，这样就以实现雷达图像和电子海图坐标系的统一。
２．３雷达图像匹配模型
电子海图基本上具有任意缩放的特点，而
雷达的量程是有限的，因此，基于电子海图缩放变化，对雷达图像进行合理的比例调整，实
现雷达和电子海图图像的比例尺匹配。
雷达的探测半径为Ｒ，屏幕显示区域半径为ａ，计判定，以确定目标的有无。
其中幅度分层设
置第一检测门限，累计判定设置第二检测门限。
则雷达旬的比例尺１／ｓｒ可以简单的表示为
１
＝
ａ（）
ｓｒＲ３电子海图的原始比例尺为：１／ｓ０，则雷达图像的缩放参数ｚ为
ｚ＝
Ｒ（）
（）４
ａ×ｓ０
雷达和电子海图的显示方式不同，雷达存在北向上、船艏向上和航向向上等显示方式，而电子海图的显示方式，对雷达图像进行旋转变换。
用下面的仿射变换矩阵进行坐标转换，对图像进行缩放和旋转处理，实现雷达和电子海图的图像匹配。
一幅定义在直角坐标系ｗｏｚ的图像ｆ经过几何变形如缩放、旋转等，产生了定义在直角坐标系ｘｏｙ上的图像ｇ（图４）。
图４
图像的空间变换
ｔ１１ ｔ１２
０
熿
燄 ［
］ ［
］
［ ］
ｔ２２ １ ｘｙ１ ＝ ｗｚ１Ｔ＝ ｗｚ１
ｔ２１
ｔ３１ ｔ３２
１
燀
（）
５
ｓｘ
０ ０
熿
燄
缩放的仿射矩阵Ｔ１为： ０ ｓｙ
０
０ ０ １
燀
ｘ＝ｓｘ２
对应的坐标方程为：
ｙ
熿 ｃｏｓθ
ｓｉｎθ ０
燄
旋转仿射门矩阵Ｔ２为：
－ｓｉｎθ ｃｏｓθ ０
燀 ０
０
１
ｘ＝ｗｃｏｓθ－ｚｓｉｎθ
对应的坐标方程为：
３ 结果分析
用上述方法试验，将原始的雷达模拟视频进行数字化处理，得到数字化的雷达视频信息，通过对数字化的雷达视频进行坐标转换，得到雷达视频图像。
可以看出：雷达和电子海图在
显示方式和相应的比例尺上存在差异，基于电子海图的比例尺，通过参数的解算求得雷达图像的缩放比例。
雷达图像和电子海图的显示方法不同，通过对雷达图
像进行缩放和角度调整，根据雷达的位置 （经纬度）信息，以电子海图为底图，实现雷达图像和电子海图的叠加，结
果表明雷达和电子海图图像是匹配的，能够进一步提高驾驶员对船舶周围环境的监控能力，提高船舶航行过程中的避碰能力。
４ 结束语
根据电子海图和雷达的显示特点，对采集的雷达模拟视频信号、方位信号和触发脉冲进行数字化、坐标转换和图像转换等处理，以电子海图为底图，实现雷达和电子海图的叠加。
结果表明，雷达和电子海图信息是融合的，能
提高驾驶员对船舶周围环境的监控能力，笔者提出的雷达模拟视频和电子海图图像叠加方法是可行的，对于船舶安全航行具有重要意义和广泛应用价值。