GPS仿真导航仪训练软件的设计与开发

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第ｌ０卷第３期　中国惯性技术学报　２００２年６月　文章编号：１００５—６７３４（２００２）０３—００６５—０４　ＧＰＳ仿真导航仪训练软件的设计与开发　周坤芳　，徐志刚　，林科　（１．海军广州舰艇学院，广州５１０４３０；２．海军后勤学院，天津３００４５０）　摘要：主要介绍了ＧＰＳ仿真导舷，｛义训练软件的主要功能、构成原理、设计技术等，其设计思想　与部分技术设计技巧可为其它同类型仪器的仿真模拟提供一定的借鉴。　关键词：ＧＰＳ导航仪；仿真；训练软件；设计：开发　文献标识码：Ａ　中图分类号：Ｕ６６６．１　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｒａｉｎｉｎｇ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｏｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ＧＰＳ　Ｎａｖｉｇａｔｏｒ　ＺＨＯＵ　Ｋｕｎ—ｆａｎｇｌＸＵ　Ｚｈｉ—ｇａｎｇ　，ＬＩＮ　Ｋｅ２　，（１．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｎａｖａｌ　Ａｃａｄｅｍ￣Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０４３０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎａｖａｌ　Ｌｏｇｉｓｔｉｃ　Ａｃａｄｅｍｙ，　Ｔｉ　ｉｎ　３００４５０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｏｓｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ＧＰＳ　ｎａｖｉｇａｔｏｒ．Ｉｔｓ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｎｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｓｏｍｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ　ｎａｖｉｇａｔｏｒ；ｓｉｍｕｌａｔｅ；ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｄｅｓｉｇｎ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　１　引言　ＧＰＳ全球卫星导航系统具有全天候、实时、高精度、连续导航的能力，其对应的导航仪功能强，精　度高，使用方便，广泛应用于舰船导航保障。为了进一步提高ＧＰＳ导航仪教学训练效果，我们开发研　制集ＧＰＳ导航仪教学、训练、测试与评判为一体的ＧＰＳ仿真导航仪训练软件。　２软件的组成及主要功能　２．１软件的组成　ＧＰＳ仿真导航仪训练软件主要包括多媒体辅助教学、仿真训　练、测试与评判这三个主模块，利用ＡｕｔｈｅｒＷａｒｅ作为训练软件的　制作平台，通过ＡｕｔｈｅｒＷａｒｅ的Ｊｕｍｐ　Ｆｉｌｅ　Ｒｕｔｕｒｎ、Ｊｕｍｐ　Ｏｕｔ　Ｒｕｔｕｒｎ　等函数实现各主模块之间的链接和转换，其结构框图如图ｌ所示。　２．２软件各模块的主要功能　多媒体辅助教学模块主要介绍ＧＰＳ导航仪的技术性能、面　板功能和操作使用方法。它采用了多种开发工具以及各种图象开　图１　ＧＰＳ仿真导航仪训练软件结构框图　收稿日期：２００２—０３—１４　作者简介：周坤芳（１９６３一），男，海军广州舰艇学院副教授，主要从事舰船导航专业的教学与科研工作。　

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中国惯性技术学报　２００２年６月　发软件，并合理地利用了动态数据交换技术，使仿真导航仪与ＧＰＳ导航仪的操作方法、步骤等有机地结　合起来，使“教、学、练”融为一体。　仿真训练采用图形显示模拟技术和操作功能逻辑模拟技术，并结合实时计算模型，使仿真导航仪　具有与实装导航仪同等的显示和操作功能；并采用线性船舶操纵方程的航行模型，实现航行状态下导航　仪的功能仿真。　测试与评判利用数据库技术，建立ＧＰＳ导航仪考核题库，对使用者进行有关导航仪的操作知识　和技能的考评，以进一步提高其操作技能，并保证软件的训练　效果。　３软件模块的主要设计技术　软件采用多种开发工具：ＶＢ、ＶＣ、ＡｕｔｈｅｒＷａｒｅ等开发软件，　它合理地利用了动态数据交换技术，使仿真导航仪与多媒体辅　助教学模块、仿真导航仪与航行模块、仿真导航仪与测试、评　判模块有机地结合起来，实现教学、训练、测试与评判一体化。　３．１　多媒体辅助教学模块　多媒体辅助教学模块利用ＡｕｔｈｅｒＷａｒｅ作为平台，通过　ＡｕｔｈｅｒＷａｒｅ支持的ＯＤＢＣ功能实现对数据库访问、Ｊｕｍｐ　Ｆｉｌｅ　Ｒｕｔｕｍ等函数实现教学分模块之间的调用，使Ｊｕｍｐ　Ｏｕｔ　Ｒｅｔｕｒｎ　等函数实现外部文件中仿真导航仪的调用，把文字、图象、视　频、音频、动画、导航仪仿真等媒体有机结合，让导航仪理论　教学与实践操作合为一体，使教学形象生动，易教易学，其框　图如图２所示。　图２　多媒体辅助教学模块结构框图　３．２仿真训练模块　仿真训练利用ＶＢ软件开发，对ＧＰＳ导　航仪进行面板按键仿真和功能模拟，再利用　舰船运动模块把有关导航参数如航向、航速　等实时传递过来，使ＧＰＳ导航仪仿真训练具　备航行条件下各项导航功能的操作，其框图　如图３所示。　３．２．１仿真导航仪面板　ＧＰＳ导航仪的面板、按钮图形是一个不　规则的窗体，很难直接使用Ｗｉｎｄｏｗｓ的标准　组件，但可通过利用ＷｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函数、　ＳｅｔＷｉｎｄｏｗＲｇｎ、ＣｒｅａｔｅＲｏｕｎｄＲｅｃｔＲｇｎ把窗体　的四角去掉，以显示面板的圆角。对于按钮，　则是在整个面板图形设计完后，先切出按钮　图，然后利用图形处理软件处理一个“按下”　的图形。在程序运行过程中，通过图象框交　替显示这两张图，实现按钮“按下”和“弹　图３仿真训练模块结构框图　出”的效果。　

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第３期　周坤芳等：ＧＰＳ仿真导航仪训练软件的设计与开发　６７　３．２．２船位、航迹、导航数据显示与计算　仿真导航仪主要是模拟导航功能的操作，并不实时接收卫星信号、位置解算值，因此，导航数据直　接利用舰船运动模型提供的数据，加入一定的模拟随机数据进行适当的计算，再显示到仿真导航仪上，　而且可根据仿真导航仪不同的显示画面，从相应的数据库中读取相应的数据。　仿真导航仪通过模拟舰船运动的数据，采用ｃ＋＋语言制成动态链接库，利用ＶＢ调用其纬度函数、经　度函数、航向函数、航速函数，分别得到当前舰船的位置、航向、航速等基本导航数据。这些数据利用　时钟控件每秒读取一次，根据基本导航数据进行适当计算，计算出其它导航数据，如航迹偏差、方位、　距离等。　３．２．３航路点、航线操作　航路点、航线的操作主要通过将航路点、航线的名字、类型、经纬度等有关信息存储在一个Ａｃｃｅｓｓ　数据库文件中。直接采用成熟的商业数据库产品，利用数据库技术存储导航数据可以免除自己设计数据　存储与操作模块，同时可充分利用数据库技术提供的数据查询与操作功能，实现航路点的输入与修改、　航线的编辑与修改等操作。　仿真导航仪的数据库包含有５００个航路点的航路点表和含有９９条航线的航线表，并使两表关联，　以形成一个包含航线所有字段和航路点表中的纬度字段、经度字段的查询表，从而实现对仿真导航仪中　航线库的操作，同时创建一个包含某条航线的航线号、航路点序号等信息的航线查询表。　建立好这些数据表后，为了灵活操作仿真导航仪，根据导航仪显示屏所显示的航路点与航线的数目　和要素，确定几组数组，然后根据数据库所在的当前纪录，利用一个子程序先把要显示的航路点或航线　赋值到数组中，然后再显示出来。对航路点与航线的编辑，也可以先通过对上述数组进行编辑，然后把　数组的内容输入到数据库中。这样对数据库的操作变成对数组的操作，程序实现起来就比直接对数据库　操作容易得多。　３．２．４卫星信息的模拟显示　卫星信息模拟显示主要是模拟ＧＰＳ导航仪卫星信息、状态信息的显示，仿真模拟导航仪并不是实际　接收ＧＰＳ卫星信号。为了模拟ＧＰＳ导航仪，我们根据卫星几何精度因子（ＧＤｏＰ）的大小选择跟踪卫星，　并考虑到卫星的高度角、方位等因素，通过ＶＢ编程在卫星信息画面上，选择３～４颗卫星作为仿真导航　仪模拟定位的卫星，并在模拟舰船运动过程中，跟踪卫星将根据ＧＤＯＰ作调整，以模拟显示卫星信息。　３．２．５仿真训练模块数据设置　数据设置就是要实现ＧＰＳ仿真导航仪的时间、告警、ＧＰＳ等导航数据的设置及显示。由于所设置　的参数涉及到整个导航仪的显示或操作，在技术实现上主要分析所有涉及到设置的任何参数，确定出全　局变量。同时，对Ｗｉｎｄｏｗｓ的注册表进行操作，或者使用ＩＮＩ文件进行记录，以便使某些参数在关机后　重新开机时得以保留。　在时间、日期等数据的调整和设置方面，为了使导航仪的时间既取计算机系统时间，又不会因为用　户更改时间后影响系统时间，专门设置了一个时间变量，使变量的初始值取自于系统，并要求不断地与　系统比较，保证在用户作任何修改的情况下，它们的差不变。其它数据设置如告警、单位、推算等均认　为是子信息，通过设立数据信息标志实现子信息的转换，同时设立记录用户操作情况的变量跟踪用户情　况，并将保存的变量记入注册表或ＩＮＩ文件。　３．２．６模拟舰船运动　

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６８　中国惯性技术学报　２００２年６月　为了模拟舰船航行，实现仿真导航仪动态操作，建立一个含有航路点编号、航路点经纬度坐标等信　息的模拟舰船航行的Ａｃｃｅｓｓ航线数据库，并在仿真训练模块加入舰船运动模块。利用人工给舰船运动　模型输入模拟舰船航行的航向、航速，再利用数据通信链将舰船运动的有关导航数据传输给仿真导航仪，　从而实现仿真导航仪动态操作。　在利用计算机模拟舰船航行时，为了达到模拟的准确度，使舰船在进车、倒车、停车过程中的加、　减速过程与舰船实时航行情况尽量相同，同时又要减少计算量，我们采用线性操纵方程。　线速度方程为　＋　，　＋　ｖ　＋　ｖ　＝　＋ａｎ　删，一阶线性响应方程为　＋，＝Ｋ８，其中：ｖ、　ｖ分别为舰船的线速度、线加速度；　为舰船的主轮机转速；　、　为摆舵舵角及舵角变化率；，．、，、　，分别为舰船回转加速度、角加速度、角速度；ａ　、ａ６６、ａ　、ａ　、ａ　、Ｔ、Ｋ为舰船水动力组合参数。　３．３测试与评判模块　利用ＶＢ软件开发导航仪训练模块，采用　标准Ａｃｃｅｓｓ数据库作为试题库，通过数通信　链将试题库、仿真模拟导航仪等有机的结合起　来，实现了考核选卷、选题、查对正确答案等　功能，其框图如图４所示。　３．３．１试题库模块　采用标准Ａｃｃｅｓｓ数据库技术，创建一个　含有题号、题型、内容、图片、分数等信息的　试题库表及含有试卷号、题号等信息的试卷库　表，并使两表关联，以形成一个包含题号、题　型、内容、分数等信息的导航仪教学测试与评　判数据库。利用ＶＢ的Ｄａｔａ（数据）控件来访问　数据库。　３．３．２评判模块　测试题分为两类：理论题与实际操作题。　理论测试评判比较简单，主要通过将测试答案　与标准答案比较即可由计算机评出分数。而实　图４测试与评判模块结构框图　际操作题则相对复杂些，既要考虑操作的准确性，　又要考虑操作的熟练程度（操作时间）。通过ＶＢ编　程，将两者综合起来由计算机评定。考核结束后，　由计算机给出测试者综合分数。　４结束语　仿真模拟是教学与训练发展的一个方向。本文介绍的ＧＰＳ仿真导航仪训练软件的设计思想、设计结　构、设计技术及一些细节的处理和技巧的应用问题，可为其它同类型仪器的仿真模拟提供一定的借鉴。　参考文献：　［１］徐远新，周坤芳．基于ＥＣＤＩＳ的航海导航训练系统［Ｊ］．导航．２００１，（１）．　［２］徐志刚，等．ＮａｖＴｒａｃＧＰＳ仿真导航仪研制技术［Ａ］．第六届导航及海上通信学术年会论文集（上册）（Ｃ）．西安：导　航编辑部，２００Ｉ．