CN113848596A - 一种北斗船载终端可视化气象预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种北斗船载终端可视化气象预警系统，包括北斗数据通讯模块和船载终端展示子系统，所述北斗通讯模块包括北斗通讯子系统，所述北斗通讯子系统与船载终端展示子系统无线连接，所述北斗通讯子系统用于接收气象短报文数据，所述船载终端展示子系统，用于对所述气象短报文数据进行解析和绘制处理，并将绘制结果在船载显控终端进行显示。该北斗船载终端可视化气象预警系统，实现了台风、海上预警等气象信息在北斗船载终端上图形化展示，为海员提供更加综合的、直观的信息，提升了海洋气象服务能力。
Description
技术领域
本发明涉及应用气象技术领域，具体为一种北斗船载终端可视化气象预警系统。
背景技术
随着北斗系统不断发展壮大，越来越多行业开始使用北斗系统，早期主要是定位导航服务，如提供全国重点运输车辆、远海及近海船舶的位置监控等。此后短报文服务越来越得到重视，比如用于电信息采集、森林资源调查以及通信监控。在气象领域也是如此，早期用于探空设备水汽监测等，此后，人们探讨了北斗短报文在预警信息发布，人工影响天气业务中的应用。
海南省气象部门在2012年设计开发了海洋渔船气象信息卫星发送系统，开展基于北斗短报文的气象服务，向海南省管辖的6000多艘渔船发送气象信息，极大地解决了出海作业的渔民们接收气象预报预警信息难的问题，保障了渔船渔民的安全。
但是随着北斗气象服务的发展，也出现了以下弊端：文字信息存在字数限制、不直观、不清晰等缺点；渔民接收到台风、海上雷电大风等灾害天气的预报预警信息时，只是知道海上有灾害性天气及发生灾害性天气的海区，无法精准地知道自己是不是在灾害天气的影响区域内，自己离灾害天气的影响区域有多远，避险时该往哪个方向航行等。
发明内容
针对现有技术中北斗短报文的气象服务均基于文字信息的形式进行，文字信息存在字数限制、不直观、不清晰等缺点；渔民接收到台风、海上雷电大风等灾害天气的预报预警信息时，只是知道海上有灾害性天气及发生灾害性天气的海区，无法精准地知道自己是不是在灾害天气的影响区域内，自己离灾害天气的影响区域有多远，避险时该往哪个方向航行等的不足，本发明提供了一种北斗船载终端可视化气象预警系统，具备台风、海上预警等气象信息在北斗船载终端上图形化展示等优点，解决了前期北斗气象服务存在的气象信息不直观，不清晰等问题，帮助渔民进行有效的防灾减灾决策的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种北斗船载终端可视化气象预警系统，包括北斗数据通讯模块和船载终端展示子系统，所述北斗通讯模块包括北斗通讯子系统，所述北斗通讯子系统与船载终端展示子系统无线连接，所述北斗通讯子系统用于接收气象短报文数据；
所述船载终端展示子系统，用于对所述气象短报文数据进行解析和绘制处理，并将绘制结果在船载显控终端进行显示。
优选的，所述北斗通讯子系统通过卫星中转无线连接有卫星定位终端，所述卫星定位终端与所述船载终端展示子系统无线连接。
优选的，还包括数据采集子系统和气象局数据接口，所述数据采集子系统的接收端和发送端分别与所述气象局数据接口和所述北斗通讯子系统连接。
优选的，对所述气象短报文数据进行解析和绘制处理，并将绘制结果在船载显控终端进行显示包括：将接收到的气象短报文数据进行解析和存储，再通过海图引擎提供的自定义图层GDI绘制处理，完成后将绘制结果在船载显控终端显示。
优选的，所述船载显控终端显示，用于按照ISO/IEC 8211将绘制的气象图层封装成电子海图数据格式，提交到船载显控终端的图形交互界面。
优选的，将接收到的气象短报文数据进行解析和存储包括：根据北斗气象信息编码通讯协议将报文字符串解析成对应信息元素，再保存到MySQL数据库。
优选的，GDI绘制包括对气象预警信息以及台风信息进行绘制。
优选的，所述气象局数据接口与数据采集子系统之间采用互联网API接口方式进行连接。
优选的，所述数据采集子系统从气象局数据接口获取气象信息后，所述北斗通讯子系统从数据采集子系统获取气象信息，并根据气象信息编码通讯协议将气象信息进行转换，转换后的气象信息通过卫星发送给所述卫星定位终端，所述卫星定位终端将接收到的气象信息转换为气象短报文数据，并发送给船载终端展示子系统。
与现有技术相比，本发明提供了一种北斗船载终端可视化气象预警系统，具备以下有益效果：
1.精细化的北斗船载终端可视化气象预警服务系统，将台风、雷雨、大风、大雾等灾害性天气预警区叠加在海图上，可自动测量台风中心、风圈半径、灾害性天气影响区域与北斗船载终端的距离，为船舶实时提供结合地理位置的可视化灾害性天气预报预警信息，帮助渔民及时判断避险最佳路线和时机，发挥气象趋利避害作用。
2.基于北斗船载终端可视化气象预警系统，有关部门可以更有效的进行决策，实时获取各海区灾害性天气发生发展情况，指导海上作业，确保渔业生产秩序和渔民生命财产安全。同时，发生海上安全事故时，帮助搜救部门更加针对性的部署海上救灾战略，制定出安全、高效的海上救援方案。
3.制定气象信息的北斗编码通讯协议，对台风、海上大风、海上大雾、海上雷雨大风等预警信息进行编码，有效解决北斗短报文通信只能传输70个字节的瓶颈，提高气象信息传输速率，减少信息传输过程中的出错率，降低通信成本。
附图说明
图1为本发明系统整体架构示意图；
图2为本发明系统信息发布流程示意图；
图3为本发明北斗气象信息编码通信协议示意图；
图4为本发明数据绘制流程示意图；
图5为本发明信息提示和台风数据显示示意图；
图6为本发明预警信息显示终端操作界面示意图；
图7为本发明北斗气象信息编码通信协议转换流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，一种北斗船载终端可视化气象预警系统，包括北斗数据通讯模块和船载终端展示子系统，其特征在于：所述北斗通讯模块包括北斗通讯子系统，所述北斗通讯子系统与船载终端展示子系统无线连接，所述北斗通讯子系统用于接收气象短报文数据。
北斗通讯子系统负责从数据采集子系统实时获取台风信息及气象预警信息，进行北斗气象信息编码通信协议转换，并将信息发送至船载终端展示子系统。
所述船载终端展示子系统，用于对所述气象短报文数据进行解析和绘制处理，并将绘制结果在船载显控终端进行显示。
本发明中，所述北斗通讯子系统通过卫星中转无线连接有卫星定位终端，所述卫星定位终端与所述船载终端展示子系统无线连接，北斗通讯子系统从数据采集子系统获取气象信息，根据定义好的气象信息编码通讯协议，进行数据协议转换，并通过卫星中转将经过协议转换后的信息发送给对应的卫星定位终端。
本发明中，还包括数据采集子系统和气象局数据接口，所述数据采集子系统的接收端和发送端分别与所述气象局数据接口和所述北斗通讯子系统连接，数据采集子系统负责从气象局提供的数据接口，实时抓取当前活动台风信息及气象预警信息。
本发明中，所述数据采集子系统从气象局数据接口获取气象信息后，所述北斗通讯子系统从数据采集子系统获取气象信息，并根据气象信息编码通讯协议将气象信息进行转换，转换后的气象信息通过卫星发送给所述卫星定位终端，所述卫星定位终端将接收到的气象信息转换为气象短报文数据，并发送给船载终端展示子系统。
本发明中，对所述气象短报文数据进行解析和绘制处理，并将绘制结果在船载显控终端进行显示包括：将接收到的气象短报文数据进行解析和存储，再通过海图引擎提供的自定义图层GDI绘制处理，完成后将绘制结果在船载显控终端显示。
本发明中，所述船载显控终端显示，用于按照ISO/IEC 8211将绘制的气象图层封装成电子海图数据格式，提交到船载显控终端的图形交互界面。本发明中，将接收到的气象短报文数据进行解析和存储包括：根据北斗气象信息编码通讯协议将报文字符串解析成对应信息元素，再保存到MySQL数据库。，数据库提供有效性检查机制，检查台风和预警信息的状态是否解除，并设置数据有效窗口期，台风有效期为24小时，预警信息为6小时，有效期的数据提交GDI绘制，对数据队列中状态为失效的、解除的数据进行修改。
本发明中，GDI绘制包括对气象预警信息以及台风信息进行绘制。
本发明中，所述气象局数据接口与数据采集子系统之间采用互联网API接口方式进行连接，气象灾情信息需要较好的时效性，通过互联网API接口方式完成了北斗系统与气象内网的业务系统之间对接，再由北斗系统通过卫星中转，直接快速发送到北斗船载终端。
由于涉及到在不同的系统和渠道中通信，需要进行数据协议转换，预警信息转换包括将数据采集子系统发送的气象数据规范转换为互联网数据协议，之后再转换为北斗气象信息编码通讯协议。
在使用时，
互联网传输通常采用轻量级数据交换格式实现数据快速传输，本文采用通用信息流JSON格式({‘MESSAGE’：[],‘DATA’：[]})作为互联网数据协议，对台风报文和海上大风、海上大雾、海上雷雨大风等气象预警信息等气象数据规范进行压缩删减，去掉一些业务信息元素，保留关键信息元素，增加预警区域信息，详见表下面两表：
台风数据JSON格式
以前短报文以文字形式传输，一个汉字字节数为2字节，表达完整的气象信息时，汉字往往比较多，因此多采用将内容拆分多个数据包，接受时进行多数据组包恢复原始内容，丢包时进行补包的形式发送。由于图形化气象信息以轻量级JSON格式封装，70字节的长度能够承载绝大多数信息的内容，因此，设计了单数据包形式的北斗气象通信编码协议，采用自定义类型的通信申请，即对短报文中的数据包进行约定编码发送，在理论上，只有台风信息有可能超过70字节，当超过长度时，最后一个预报点的信息将被截断，然后重新打包和计算长度，直到数据包长度小于70字节。
北斗卫星通信：
上星传输采用自建播发阵列完成。
自建播发阵列由多台指挥机、普通用户机等设备并联组成，每台设备的IC卡频度从1秒到60秒不等，根据指令优先级、负荷情况等动态调节并联设备，通过专网与北斗地面总站进行地面链路形式的数据交换，指挥机主要负责北斗组呼，普通用户机完成短报文播发，遵守用户机接口协议2.1及4.0版本。同时，播发阵列也可以收到下发数据，如终端发送的位置报告、短报文、报警等。
北斗下发主要采用组呼，即通播形式。
海南省渔政系统的船只按照其所在市县归属地进行分组管理，组呼时按所属地管理的多个船只进行播发。
由于采用单数据包形式通信编码，系统采用单包重发机制：单数据包以多次轮训播报的形式向对应组进行播发。使用单包重发一方面可以减轻终端的数据处理和存储冗余压力，实现数据快速解析，另一方面与文献中的联合补包法一样有较高的发送成功率，不影响发送质量。
此外，由于使用单包发送，不需要对子包进行重组，终端设备的去重机制是直接对接收数据的时间戳和CRC校验码进行信息去重，提高去重处理效率。
GDI绘制：
由于船载终端是ECDIS系统，遵守S-57电子海图数据规范，将真实世界实物抽象为物标。物标分成描述属性的特征物标和描述几何特征的空间物标，空间物标包括矢量、栅格、矩阵等。
由于目前官方标准只给出了矢量模型，通过节点、边、面和拓扑关系表示。
根据数据点测量值的维度，气象数据主要是一维标量场和二维矢量场。台风和海上预警是多个气象数据的集合，其中，中心点用点函数绘制位置，用线函数将各点连接绘制路径，风圈、落区属于一维标量场，采用等值面形式，其他的数据用对话框形式显示。
GDI提供绘制矢量形状句柄，提供形状涂色句柄。矢量句柄提供了绘制点、线的方法，绘制面需要自己设计算法。
台风风圈绘制采用圆近似算法：以东北、东南、西南和西北等四个方向上的距离值为半径计算出四个圆周上的点，从四组点的集合中分别截取对应方位上的12个点连接成各自的弧，最后将这四个弧按顺序连接形成风圈闭合面。海上气象预警落区绘制采用椭圆近似算法：圆周上均分60个点，根据椭圆参数方程计算每个点的坐标，依次连接各点从而得到一个近似的椭圆形状。
终端显示：
GDI绘制完成后，会按照ISO/IEC 8211将绘制的气象图层封装成电子海图数据格式，提交到终端的图形交互界面。
由于终端受成本限制，内存和CPU等硬件计算和存储资源有限。终端运行时，通信，操作系统，海图显示需要占用相当的资源，用于气象数据显示资源就十分有限了。为了保证终端运行效率，采用通知响应的队列机制进行显示。
在封装完气象图层的电子海图数据后，同时生成一个通知消息，并建立时间排序的数据和消息队列，以及对应的索引。数据队列按照天气类型分成台风和预警数据队列，每个数据是当前生效的气象海图数据。消息队列中消息按照时间逐一向终端的用户图形交互界面推送，当用户在界面上响应消息后，才根据索引从数据队列中加载气象海图数据进行显示，同时索引还支持不同类型的数据队列中数据按时间顺序加载。
综上所述，该北斗船载终端可视化气象预警系统，在现有的海洋渔船气象信息卫星发送系统的基础上，对接海南省气象台提供的精细化格点预报预警平台数据，实现台风和海上气象灾害预警信息的快速分发，气象数据结合船只位置和海洋地理的图形化显示。
其系统信息发布流程如下：
1、数据采集子系统从气象局提供的数据接口，实时抓取当前活动台风信息及气象预警信息。
2、北斗通讯子系统从数据采集子系统获取气象信息，根据定义好的气象信息编码通讯协议，进行数据协议转换，并通过卫星中转将经过协议转换后的信息发送给对应的卫星定位终端。
3、卫星定位终端将收到的气象信息下发给船载展示子系统。
4、船载展示子系统根据气象信息编码通讯协议将信息解析，并在船载显控终端结合地理和船只信息进行展示。
该系统的实际应用：
在完成北斗船载终端气象预警系统的开发和测试工作后，开始逐步升级海南省海洋渔业管辖内的5000多艘渔船上的北斗船载终端，部署船载终端气象预警展示子系统。由于系统支持IHO S-57规范，可以将更新程序打包到U盘中，直接将U盘插入升级北斗船载的USB接口，终端可以自己完成更新程序的解压安装，方便快捷。
当终端收到台风、海上预警消息后弹出提示框，点击查看能够在海图上显示对应的图形化气象信息，按“上下方向键”切换过去发布的历史信息，按“左右方向键”查看不同的预报点落区信息。由于采用轻量级信息传输，原生的C++代码从底层直接绘图和数据交换模式处理，北斗船载终端气象预警系统运行效率比较高效，一个气象数据从发布到终端加载显示，一般不超过1分钟。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种北斗船载终端可视化气象预警系统，包括北斗数据通讯模块和船载终端展示子系统，其特征在于：所述北斗通讯模块包括北斗通讯子系统，所述北斗通讯子系统与船载终端展示子系统无线连接，所述北斗通讯子系统用于接收气象短报文数据；
所述船载终端展示子系统，用于对所述气象短报文数据进行解析和绘制处理，并将绘制结果在船载显控终端进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种北斗船载终端可视化气象预警系统，其特征在于：所述北斗通讯子系统通过卫星中转无线连接有卫星定位终端，所述卫星定位终端与所述船载终端展示子系统无线连接。
3.根据权利要求2所述的一种北斗船载终端可视化气象预警系统，其特征在于：还包括数据采集子系统和气象局数据接口，所述数据采集子系统的接收端和发送端分别与所述气象局数据接口和所述北斗通讯子系统连接。
4.根据权利要求3所述的一种北斗船载终端可视化气象预警系统，其特征在于：所述气象局数据接口与数据采集子系统之间采用互联网API接口方式进行连接。
5.根据权利要求3所述的一种北斗船载终端可视化气象预警系统，其特征在于：所述数据采集子系统从气象局数据接口获取气象信息后，所述北斗通讯子系统从数据采集子系统获取气象信息，并根据气象信息编码通讯协议将气象信息进行转换，转换后的气象信息通过卫星发送给所述卫星定位终端，所述卫星定位终端将接收到的气象信息转换为气象短报文数据，并发送给船载终端展示子系统。
6.根据权利要求1所述的一种北斗船载终端可视化气象预警系统，其特征在于：对所述气象短报文数据进行解析和绘制处理，并将绘制结果在船载显控终端进行显示包括：将接收到的气象短报文数据进行解析和存储，再通过海图引擎提供的自定义图层GDI绘制处理，完成后将绘制结果在船载显控终端显示。
7.根据权利要求4所述的一种北斗船载终端可视化气象预警系统，其特征在于：所述船载显控终端显示，用于按照ISO/IEC 8211将绘制的气象图层封装成电子海图数据格式，提交到船载显控终端的图形交互界面。
8.根据权利要求4所述的一种北斗船载终端可视化气象预警系统，其特征在于：将接收到的气象短报文数据进行解析和存储包括：根据北斗气象信息编码通讯协议将报文字符串解析成对应信息元素，再保存到MySQL数据库。
9.根据权利要求4所述的一种北斗船载终端可视化气象预警系统，其特征在于：GDI绘制包括对气象预警信息以及台风信息进行绘制。
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2021
- 2021-09-23 CN CN202111114848.3A patent/CN113848596A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115437035A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-12-06 | 国家海洋局北海预报中心((国家海洋局青岛海洋预报台)(国家海洋局青岛海洋环境监测中心站)) | 一种科考船气象智能预警系统及方法 |
| CN115437035B (zh) * | 2022-08-23 | 2023-07-18 | 国家海洋局北海预报中心((国家海洋局青岛海洋预报台)(国家海洋局青岛海洋环境监测中心站)) | 一种科考船气象智能预警系统及方法 |
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