本發明涉及一種船舶航海訓練模擬系統的本船分系統。

背景技術：

船舶模擬訓練是目前國際上較為先進的船舶操作訓練方式，既可以提高船舶官兵的實際操作水平和經驗積累，完成實船不能進行和難以集中遇到的科目，也可以減少實船消耗，延長船舶使用壽命、節省長期的訓練經費。

中國專利文獻CN100561543C披露了一種高品質航海模擬器及其開發平臺系統，其披露了投影室和副本船室，如圖1所示，該投影室采用360度柱面投影(至少240°)形成模擬視景，駕駛室由投影環幕環繞在外；如圖2所示，副本船室中的副本船系統由結構分散的多個部件組成、并構建投影室。

在實施本發明的過程中，本發明人認識到：

1、現有的本船分系統的投影室和副本船室相互獨立構建的訓練模擬系統，駕駛室處于投影環幕的包圍中，在滿足視距的基礎上，投影室的面積非常大，而且船舶駕駛室的外形還原困難；

2、副本船室中副本船系統結構松散，占地面積大，副本船室內僅能設置一套訓練系統；

3、隨著導演監控要求的提出，副本船系統和駕駛臺系統分別需要中央處理單元來集中控制，上述開發平臺系統的架構會造成線路連接混亂和大量浪費。

因此，有必要針對上述問題加以改進。

技術實現要素：

為解決現有技術中的一個或多個問題，本發明的目的在于提供一種用于船舶航海訓練模擬系統的本船分系統，以使本船分系統的布局更加合理和清晰。

為此，本發明提供了一種用于船舶航海訓練模擬系統的本船分系統，包括駕駛室和投影室，還包括駕駛控制仿真系統、電子海圖仿真系統、導航雷達仿真系統、視景仿真系統、以及船舶運動數學模型仿真系統，其中，所述駕駛室內設有駕駛臺，所述駕駛臺包括并排設置的自動操舵儀、導航雷達臺、電子海圖臺、錨纜與燈號控制臺、以及動力控制與通信臺；所述投影室內設有視景系統，所述視景系統為多通道柱幕投影系統，用于計算和顯示水平視角為150度的三維視景，并用于模擬本船的號燈、號型以及甲板的照明。

進一步地，上述駕駛室包括面對環幕的觀察窗，所述觀察窗包括平直表面和位于所述平直表面兩側收攏的多塊觀察面，其中，所述平直表面在寬度方向上的兩側與整體駕駛臺在寬度上的兩側基本齊平。

進一步地，上述多通道柱幕投影系統的環幕半徑為4.5米、高度為2.5米、水平視場角為150度、垂直視場角為25度，所述多通道柱幕投影系統包括5個投影通道，每個通道投影寬度為3米、高度為2.27米，每個通道水平投影角度為35度，垂直投影角度為26.25度，相鄰通道之間的重疊角度為6.25度。

進一步地，上述導航雷達臺用于模擬導航雷達的外形和顯示方式，所述導航雷達仿真系統包括：回波圖像顯示模塊、目標檢測錄取模塊、目標跟蹤模塊、目標自動標繪模塊、目標告警模塊、以及導航雷達綜合信息數據庫。

進一步地，上述自動操舵儀用于模擬本船車舵操作并且在顯示器上對航行集約化數據進行顯示，所述駕駛控制仿真系統包括航海儀器顯控模塊、操縱設備顯控模塊、導航輔助設備顯控模塊、以及駕駛信息綜合顯示模塊。

進一步地，上述電子海圖臺用于真實顯示電子海圖，并在錨、纜操作時顯示錨位、選擇碼頭的纜樁，所述電子海圖仿真系統與所述電子海圖臺信號連接，包括電子海圖仿真系統包括電子海圖數據管理模塊、電子海圖繪制模塊、目標實時顯示與監控模塊、電子海圖綜合信息數據庫、以及雷達/ARPA圖象顯示模塊。

進一步地，上述視景仿真系統與所述視景系統信號連接，包括：地形模塊、水面模塊、天空模塊、目標模塊、音效模塊、特效模塊、網絡數據處理模塊、多通道視景處理模塊、以及視景綜合信息數據庫。

進一步地，上述船舶運動數學模型仿真系統與駕駛控制仿真系統、電子海圖仿真系統、導航雷達仿真系統、和視景仿真系統信號連接，所述船舶運動數學模型仿真系統包括船體水動力計算模塊、主操縱力計算模塊、附屬操縱力計算模塊、環境干擾力計算模塊、船舶耐波性計算模塊、船舶耐波性計算模塊、以及報警模塊。

進一步地，上述錨纜與燈號控制臺包括錨纜控制單元和信號控制單元，其中錨纜控制單元用于在船艇系泊和拖帶時完成錨纜操作動作的模擬，所述燈號控制單元用于控制本船號燈號型和霧號聲響、以及信號戰位通信的需要。

根據本發明的船舶航海訓練模擬系統的本船分系統，將龐雜的系統工程分解為5個子仿真系統，降低了系統技術開發難度和管理難度，而且采用多通道150度環幕的投影室能夠位于駕駛室之前，一方面能夠真實再現船舶的駕駛室外形及其內部設備，另一方面投影室的面積相對減少，節約建設成本。

除了上面所描述的目的、特征和優點之外，本發明還有其它的目的、特征和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1是現有技術的航海模擬器的投影室的示意圖；

圖2是現有技術的航海模擬器的副本船室的示意圖；

圖3是根據本發明一實施例的船舶航海訓練模擬系統的平面布置示意圖；

圖4是根據本發明一實施例的船舶航海訓練模擬系統的架構示意圖；

圖5是根據本發明一實施例的船舶航海訓練模擬系統的船舶駕駛室的平面布局示意圖；

圖6是根據本發明一實施例的船舶航海訓練模擬系統的駕駛臺系統的立體結構示意圖；

圖7是根據本發明一實施例的船舶航海訓練模擬系統的視景系統的平面投影示意圖；

圖8是根據本發明一實施例的船舶航海訓練模擬系統的視景系統的橫截面投影示意圖；以及

圖9是根據本發明的船舶航海訓練模擬系統的本船分系統的架構示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。

圖3至圖9示出了根據本發明的一些實施例。

如圖3和圖4所示，船舶航海訓練模擬系統包括船舶駕駛室30、位于所述船舶駕駛室30之前的投影室40、副本船室10、以及位于所述副本船室10和所述船舶駕駛室30二者之間的導演監控室20。

其中，所述船舶駕駛室30內設有駕駛臺系統，所述副本船室10內設有多個自帶平板顯示器的副本船駕駛臺11，所述投影室40內設有視景系統41，所述導演監控室20內設有導調控制系統21，所述駕駛臺系統(即圖4中的主本船系統)、多個副本船駕駛臺11、視景系統41與所述導調控制系統21信號連接，由導調控制系統21實施對模擬訓練過程的設計與控制。

根據本發明的船舶航海訓練模擬系統，投影室位于駕駛室之前，一方面可真實再現船舶的駕駛室外形，使得駕駛室能夠真實再現內部設備，另一方面投影室的面積相對減少，此外，導演監控室位于所述副本船室和所述船舶駕駛室二者之間，與二者的接線距離縮短同時布線左右分開、從根本上避免了混亂。

在一實施例中，如圖3所示，上述船舶航海訓練模擬系統還包括：走道50，與所述船舶駕駛30直接連通，其中，所述導演監控室20和所述副本船室10位于所述走道50的同一邊側，所述導演監控室20和所述副本船室10二者中僅所述副本船室10具有面對走道的入口。

在本實施例中，導演監控室20不與走道50直接聯通，僅在通過副本船室10或船舶駕駛室30的靠里側的門才能達到導演監控室20，方便副本船訓練人員和駕駛室訓練人員有問題時迅速報告，減少反映時間。

在一實施例中，如圖3所示，上述導演監控室包括面對所述副本船室的第一觀察窗或門22和面對所述船舶駕駛室的觀察窗或門23，進而方便在訓練科目中直接進行觀察。

在一實施例中，如圖3所示，上述走道50的一端為系統唯一入口51，進而方便管理。

在一實施例中，如圖5所示，面對環幕的駕駛室的觀察窗包括平直表面36和位于平直表面兩側收攏的多塊觀察面，該平直表面36的寬度與駕駛臺系統的寬度基本齊平。在本實施例中，平直表面36與前方150°環幕，與實際駕駛時的視角基本一致，模擬訓練的真實感和沉浸感強。

在一實施例中，如圖7和圖8所示，上述視景系統為5通道150度環幕的多通道柱幕投影系統。

在本實施例中，上述多通道柱幕投影系統的5個投影點以所述150度環幕的圓心為圓心的弧線上均布，并且相鄰投影點的投影區域部分相交疊。

其中，環幕的半徑設計為4.5米，高度為2.5米，用5通道實現水平視場角為150度，垂直視場角為25度的柱面大屏幕無縫拼接和高亮度顯示。同時要求，投影機要在距離5米處，能夠投150英寸大小的面積，這樣可保證每個通道投影寬度為3米，高度為2.27米，每個通道水平投影角度為35度，垂直為26.25度，重疊角度為6.25度，融合區域為17.8％。

與現有技術的至少240°的投影方向相比，采用150環幕和5個投影點更加合理。

在一實施例中，如圖5和圖6所示，上述駕駛臺包括自動操舵儀31、位于所述自動操舵儀31左右兩側的動力控制與通信臺34和信號控制臺32、位于所述動力控制與通信臺34外側的視景控制臺35、以及位于所述信號控制臺32外側的導航雷達控制臺33。

在本實施例中，將導航雷達臺、錨纜控制臺、燈光和聲響控制臺、車舵控制臺、電子海圖臺、視景監控臺、方位分羅經、無線電通信控制臺、內通電話臺、AIS-GPS模擬臺、測深儀-計程儀臺、輔助信息簡易操作提示臺、多通道視景臺、船艇操控狀態復示器、綜合導航臺這些臺位整合為5個工作臺，結構緊湊，與現有技術相比，訓練的真實感加強。

如圖9所示，本船分系統還包括駕駛控制仿真系統、電子海圖系統、導航雷達系統、視景系統、以及船舶運動數學模型仿真系統。

其中，上述駕駛控制仿真系統用于：(1)采用實物或虛擬的形式輸出本船車舵的控制信號，用于本船的速度和航向控制；(2)采用虛擬顯示的形式輸出視景控制信號，用于視景位置和內容的顯示控制；(3)采用虛擬儀表的形式輸出船艇駕駛綜合信息、航海儀器顯示以及導航輔助設備顯示等；(4)提供船艇航行燈、信號燈以及聲號等控制接口；(5)支持船艇靠泊部署的錨纜相關操作。

優選地，該駕駛控制仿真系統包括航海儀器顯控模塊、操縱設備顯控模塊、導航輔助設備顯控模塊、以及駕駛信息綜合顯示模塊。

其中，航海儀器顯控模塊，用于提供虛擬AIS/GPS(全球定位系統)設備、計程儀、測深儀等航海儀器操作與顯示。

其中，操縱設備顯控模塊，用于提供主本船車、舵、錨、纜和側推器的操作與顯示。

其中，導航輔助設備顯控模塊，用于提供主本船聲響、號燈、號型、旗幟以及主本船視景觀察視點的操作與顯示。

其中，駕駛信息綜合顯示模塊，用于顯現主本船關鍵的運動參數和操縱設備狀態。

其中，上述電子海圖仿真系統用于：(1)進行本船航線顯示，提供航向航跡監測、自動存儲本船航跡；(2)提供航行偏航、誤入危險區等自動警報，快速查詢各種水文、港口、潮汐和海流等信息；(3)進行船艇動態實時顯示，每秒刷新船位、航速、航向等，將導航雷達的發現的目標顯在海圖上；(4)可動態顯示本船、目標船的位置。其大小隨船艇噸位大小變化。本船艇靠離碼頭時纜繩的受力情況；(5)為盡可能發揮設備的作用，系統提供操作手段，通過簡單操作，即可將顯示內容切換到雷達-ARPA圖象顯示，用于雷達標繪、ARPA功能訓練，相當于為用戶增加一部模擬雷達。

優選地，該電子海圖仿真系統包括電子海圖數據管理模塊、電子海圖繪制模塊、目標實時顯示與監控模塊、電子海圖綜合信息數據庫、以及雷達/ARPA圖象顯示模塊。

其中，電子海圖數據管理模塊用于提取電子海圖綜合信息數據庫中電子海圖文件，實現海圖數據及更新數據的自動導入和無縫拼接。

其中，電子海圖繪制模塊用于根據電子海圖數據提取的岸線、等高線、等深線和水深點等信息，將由空間數據和屬性數據構成的矢量海圖數據進行符號化，根據海圖要素的表示方法和圖例符號對海圖數據進行可視化處理。

其中，目標實時顯示與監控模塊用于動態目標信息的二維可視化，精確顯示船艇的輪廓線，自動計算船艇航行過程偏離計劃航線的距離，實時反映船艇當前所處的位置是否與其他虛擬物體相撞，以及相撞后對船艇行駛姿態的影響。

其中，電子海圖綜合信息數據庫用于存儲電子海圖文件，包括國內外主要的港口航道的電子海圖數據文件。

其中，雷達/ARPA圖象顯示模塊用于通過簡單操作，即可將顯示內容切換到雷達/ARPA圖象顯示，用于雷達標繪、ARPA功能訓練。

其中，上述導航雷達仿真系統用于：(1)提供穩定的相對運動模式和海、陸穩定的真運動模式操作；(2)提供導航雷達各種開關按鈕的基本操作；(3)模擬雷達圖象包括岸線；固定助航標志、雷達應答器、SART等；目標船回波，回波的形狀與目標船大小、距離、相對方位有關；雨雪雜波及海雜波應符合實際情況；假回波：間接回波，多次反射，旁瓣假回波，二次掃描；雷達同頻干擾：同頻同步干擾，同頻異步干擾；目標間的遮擋；盲區，短量程時船首對雷達圖象的影響。天氣、潮流、海流、陰影扇形、假回波和其他電磁波船艇影響，并產生岸線、導航浮標和搜救應答器等固定物標回波；(4)根據雷達基本性能，對運動目標進行檢測錄取，輸出目標運動參數，具有APAR功能。

優選地，該導航雷達仿真系統包括：回波圖像顯示模塊、目標檢測錄取模塊、目標跟蹤模塊、目標自動標繪模塊、目標告警模塊、以及導航雷達綜合信息數據庫。

其中，回波圖像顯示模塊，用于通過接受氣象環境信息、波浪信息、主本船運動狀態信息和目標船運動狀態信息，并根據導航雷達綜合信息數據庫提供的海圖高層數據，形成雷達回波圖像。

目標檢測錄取模塊，用于結合主本船實時運動狀態信息和導航雷達回波信息，完成對目標船、導航標志的檢測錄取，提供目標船的錄取點跡信息。

目標跟蹤模塊，根據雷達目標檢測錄取模塊所提供的目標船觀測位置的相繼變化，建立目標船運動的過程。

目標自動標繪模塊，用于對任何被跟蹤的目標計算CPA(最接近距離)、TCPA(到達最接近點的時間)、目標真方位、目標距離、真航向、真航速等。

目標告警模塊，用于在當目標進入選定的警戒區時，提供視覺和聽覺的告警功能。

導航雷達綜合信息數據庫，提供用于雷達顯示的港口航道地理信息庫。

其中，上述視景仿真系統用于：(1)提供訓練海區和訓練碼頭的三維全景，包括助航設施、橋梁、建筑物、四周陸地等。(2)提供白天、黃昏或夜晚逼真的場景，提供不同氣象下的場景，包括雨、雪、霧及實時變化的天氣能見度。(3)提供真實的水面場景。水面能夠隨風向與風力形成相應的波浪，顯示水面反射和折射的效果，顯示根據船速形成相對應的船頭浪花與尾跡效果。(4)體現本船六個自由度的運動。(5)提供多通道大視場角視景，采用柱幕，水平視場150度，垂直視場25度，實現無縫環形拼接。(6)依據所用海圖在視景中顯示全部導航標志，顯示航行燈，助航燈的燈光效果。(7)能夠模擬出三維聲音效果，產生相應的船艇及環境聲響。(9)按張力顯示足夠真實的纜和拖纜。(10)提供按船舶的輸出功率、航速和氣象條件顯示的真實煙氣排放和旗幟飄揚效果。(11)顯示不同種類的目標船。目標船均具有數學模型，模型涉及外力如流、風、波浪對其運動、漂移、航向角的影響。(12)目標船應配備航路規則要求的號燈、號型，可以由教練員分別加以控制。天氣晴好時，每艘船的外形應在距離6海里時得以辨認。在航路應具有艏艉浪花。

優選地，視景仿真系統包括：地形模塊、水面模塊、天空模塊、目標模塊、音效模塊、特效模塊、網絡數據處理模塊、多通道視景處理模塊、以及視景綜合信息數據庫。

其中，地形模塊，用于通過港岸地理信息數據庫，采用多線程分頁數據庫技術，實現港岸地形地物無邊際流暢漫游顯示。

水面模塊，用于提供真實的水面場景，水面網格的高程數據是基于Phillips譜通過FFT(快速傅里葉變換)計算獲得的，可根據風向和風速形成不同的浪級；

天空模塊，用于根據當前視點的經緯度計算當地時間、時區、儒略日JD和恒星時GMT，進而確定日、月、星體等天體的位置，然后根據太陽的不同高度角用多重紋理和shader語言繪制逼真的動態天空。

目標模塊，用于在形成自然地理環境虛擬空間后，目標模塊負責把本船運動信息、目標船運動信息、以及相應船艇的錨、纜、號燈、號型等信息進行三維顯示，為了增加視景繪制速度，所有目標都建立可視體包圍盒和LOD(多層次細節)節點，以便進行可見性裁減。

音效模塊，用于生成船艇行駛過程中駕駛室聽到的聲音信息，包括船艇在行駛狀態中的聲音信息(如發動機轟鳴聲、汽笛聲)、船艇與環境相互作用的聲音信息(如離靠碼頭的碰撞聲)以及自然環境中的聲音信息。

特效模塊，采用粒子系統和GLSL著色語言的方法形成船艇駕駛視景中云、霧、雨和雪等的動態三維顯示，并可實時根據天氣效果等級調整視景顯示，提供顯示航行燈和信號燈的燈光視景效果，船艇航跡效果。

網絡數據處理模塊，采用基于心跳機制的組播可靠傳輸方式，該方式是通過在通信協議的應用層添加可靠時序協議層模型來實現的，使網絡數據通信快捷，使動態目標運動軌跡可以平滑的顯示。

多通道視景處理模塊，用于分別為多通道同步和多通道拼接校正，實現大視角顯示，生成逼真的視聽一體化的船艇航行特定范圍的虛擬環境。

視景綜合信息數據庫，包括港岸地理信息數據庫、天文信息數據庫、水文氣象數據庫、船艇目標信息數據庫和音響信息數據庫。

其中，上述船舶運動數學模型系統用于：(1)估算水動力導數的方法計算船體的水動力，包括船體上各種慣性水動力和黏性水動力等；(2)所選船型包含多種推進方式，包括定槳距和變距槳推進方式的推力模型；(3)提供船舶的附屬操縱裝置作用力的計算模型，包括錨(鏈)、纜繩、拖輪和艏側推模型；(4)提供船舶航行時受到環境干擾的計算模型，包括風、流等；(5)提供離靠碼頭時碼頭與本船的相互作用模型；(6)提供風浪條件下船舶耐波性計算模型，用以實現風浪中的六自由度搖蕩仿真。

優選地，該船舶運動數學模型仿真系統包括船體水動力計算模塊、主操縱力計算模塊、附屬操縱力計算模塊、環境干擾力計算模塊、船舶耐波性計算模塊、船舶耐波性計算模塊、以及報警模塊。

船體水動力計算模塊，用于計算船體的水動力，包括船體上慣性水動力、小漂角運動時黏性水動力、大漂角運動時黏性水動力等。

主操縱力計算模塊，用于計算船舶航行狀態下螺旋槳推力和舵力，推進方式包括定槳距和變距槳模型。

附屬操縱力計算模塊，用于計算附屬操縱裝置作用力的計算模型，包括錨鏈、纜繩、拖輪和艏側推等設備。

環境干擾力計算模塊，用于計算船舶航行時受到環境干擾的計算模型，包括風、流。

船舶耐波性計算模塊，用于計算船舶在風浪中的六自由度搖蕩幅值響應算子。

報警模塊，用于計算模型計算船舶上每個自由度運動的作用力和力矩，并通過龍格-庫塔法求解模型得到當前船舶的運動狀態信息，同時根據搖蕩幅值響應算子計算船舶的搖蕩值，在此基礎上進行是否擱淺，碰撞碼頭等檢測，再根據模型計算相應的作用力，并判斷是否對危險狀態進行報警。

本發明的模擬訓練系統是一套多功能、高集成、綜合性、網絡化的訓練教學系統，可滿足多種航行條件下、多種航行水域及多種船舶駕駛臺操作人員的操縱與航行訓練、多船舶協同訓練以及船舶長航行操縱指揮訓練的需要。

其中訓練對象包括編隊指揮員、船舶長和相關職手(導航雷達兵、信號兵、車鐘、操舵兵)。

通過訓練方案的設置，本發明的模擬訓練系統能夠完成船舶航行、值班、操縱、避碰、通信模擬、船舶戰術訓練、故障應急、訓練評估等方面的培訓，使學員掌握風、流、水深、底質對船舶航行的影響、錨、纜對船舶操縱的影響、積配載對船舶航行的影響、船舶操縱性能對船舶機動的影響、展開船舶靠泊和編隊航渡最佳隊形等方面的研究、針對海事再現進行事故分析與評判。

基于虛擬環境的訓練方式與海上實際訓練相比，成本低，可節省大量的人力、物力和財力。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。