船用導(dǎo)航設(shè)備信息交互技術(shù)分析

林育生，吳永明，張寧

（1.海軍九0二廠，上海 200083；2.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍代室，上海 200011）

0 引言

船用導(dǎo)航設(shè)備為船舶系統(tǒng)提供航向、航速、航程、航跡、位置、水平姿態(tài)、水深、氣象要素等導(dǎo)航信息。這些信息不僅對(duì)于航行安全非常重要，而且也是武器系統(tǒng)正常工作、提高命中精度必須考慮的要素之一?，F(xiàn)代艦船系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)集成，以發(fā)揮系統(tǒng)的整體效能，船用導(dǎo)航單機(jī)設(shè)備是艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（INS-Integrated Navigation System）的基礎(chǔ)設(shè)備和導(dǎo)航信息來源，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間、與艦船其它系統(tǒng)之間信息數(shù)據(jù)的交互與共享十分密切，因此，研究分析導(dǎo)航設(shè)備信息交互技術(shù)對(duì)于船舶系統(tǒng)信息化建設(shè)以及提升艦船系統(tǒng)整體效能具有重要意義。

1 信息交互內(nèi)容

1.1 導(dǎo)航信息的種類和作用

船用航海導(dǎo)航設(shè)備主要包括平臺(tái)羅經(jīng)、慣導(dǎo)、電羅經(jīng)、電控羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、計(jì)程儀、測(cè)深儀、航跡儀、電子航海圖、綜導(dǎo)顯控臺(tái)、導(dǎo)航雷達(dá)、GPS、羅蘭C、北斗接收機(jī)、船舶氣象儀、氣象傳真機(jī)、衛(wèi)星云圖接收機(jī)、自動(dòng)操舵儀、Navtex和AIS等設(shè)備。導(dǎo)航信息可以概括為四大類信息：一是船舶航行信息，如航速、航程、航跡等信息；二是船舶位置信息，如所在海域的經(jīng)緯度等信息；三是船舶姿態(tài)信息，如航向角、縱搖角、橫搖角度等信息；四是所在海域環(huán)境信息，如電子海圖、水深、海水流速、流向、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓力、溫度、濕度、氣象云圖、能見度、航行告警等信息。這些信息是基礎(chǔ)信息，應(yīng)用于船舶導(dǎo)航、艦位推算、自動(dòng)駕駛、武器系統(tǒng)等場合。

1.2 導(dǎo)航信息的來源

導(dǎo)航信息主要來源如下：

1) 平臺(tái)羅經(jīng)、慣導(dǎo)提供船舶航向和水平姿態(tài)角（縱橫搖角）信息，包括1°/r 、10°/r、 360°/r航向模擬信號(hào)、60 Hz或400 Hz 180°/r縱搖角、60 Hz或400 Hz 180°/r橫搖角模擬信號(hào)，以及航向角、縱搖角、橫搖角數(shù)字信號(hào)。平臺(tái)羅經(jīng)、慣導(dǎo)也可以推算艦位；

2) 電羅經(jīng)、電控羅經(jīng)提供航向信號(hào)，包括：50 Hz或400 Hz 1°/r航向模擬信號(hào)；400Hz 10°/r航向模擬信號(hào)；400 Hz 36°/r航向模擬信號(hào)；400Hz 360°/r航向模擬信號(hào)；同步航向信號(hào)1/360°，激磁電壓110V 50Hz；NMEA 0183格式航向數(shù)字信號(hào)；

3) 復(fù)示磁羅經(jīng)提供航向數(shù)字和模擬信號(hào)；

4) 計(jì)程儀提供船舶航速和航程信息。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，電磁計(jì)程儀輸出信息的主要形式有：a)航速模擬量：轉(zhuǎn)值為55 kn／r、240 kn／r；b)航速數(shù)字量；C)航程脈沖量：200脈沖／海里、400脈沖／海里、2000脈沖／海里[1]；

5) 測(cè)深儀提供水深數(shù)據(jù)，一般以NMEA 0183格式或者自定義格式數(shù)字信號(hào)發(fā)送；

6) 船舶氣象儀提供風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和大氣壓力等氣象要素?cái)?shù)字信息；

7) GPS接收機(jī)提供NMEA 0183格式的經(jīng)緯度、航跡向、地速和時(shí)間等信息。GPS也可以計(jì)算出航向、航速值，一般作為備用或參考；

8) 羅蘭C、北斗接收機(jī)提供NMEA 0183格式的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)；

9)綜導(dǎo)顯控臺(tái)收集系統(tǒng)內(nèi)各導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)，分析處理并重新組織打包，向外系統(tǒng)（如作戰(zhàn)系統(tǒng)）或其它設(shè)備提供綜合的導(dǎo)航信息。

1.3 NMEA 0183數(shù)據(jù)格式

船舶導(dǎo)航設(shè)備數(shù)字信號(hào)傳輸常用NMEA 0183格式，該協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備之間通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，已經(jīng)成為RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該協(xié)議定義了在波特率為4800bps的串口數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)碾娖餍盘?hào)需求、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和時(shí)間，以及句型格式[2]。

NMEA0183的數(shù)據(jù)發(fā)送以“句子”為單位，語句格式為：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh。其中：$：起始符；aa：設(shè)備標(biāo)志；ccc：數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)志；ddd：數(shù)據(jù)；*：校驗(yàn)和標(biāo)志；hh為校驗(yàn)和（check sum），$與*之間所有字符ASCII碼的校驗(yàn)和（異或運(yùn)算）；：回車和換行，數(shù)據(jù)終止符；,：數(shù)據(jù)間隔符。

常用導(dǎo)航設(shè)備標(biāo)志為：陀螺羅經(jīng)HE，電磁計(jì)程儀VW，多普勒計(jì)程儀VD，測(cè)深儀SD，GPS GP，羅蘭C LC，氣象儀WI等。

2 信號(hào)傳輸方式

導(dǎo)航設(shè)備信號(hào)傳輸分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。模擬信號(hào)傳輸方式包括自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、步進(jìn)電機(jī)、各種模擬傳感器等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航裝備與外系統(tǒng)通信更多采用數(shù)字信號(hào)，傳輸途徑包括串行、并行、脈沖信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)通信等方式，主要有 RS-232C、RS-422A、RS-485、CAN總線、以太網(wǎng)、MIL-STD－1553B總線、SDH網(wǎng)絡(luò)、SPI總線和非標(biāo)接口等方式。

2.1 自整角機(jī)

自整角機(jī)在艦船導(dǎo)航系統(tǒng)中常用于航向、縱橫搖角度和航速轉(zhuǎn)角量（55節(jié)/轉(zhuǎn)）信號(hào)的傳輸。自整角機(jī)是利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷夯蛴赊D(zhuǎn)角變?yōu)檗D(zhuǎn)角的感應(yīng)式微型電機(jī)，在伺服系統(tǒng)中被用作測(cè)量角度的位移傳感器。實(shí)際應(yīng)用中，兩臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)通過電路的聯(lián)系，使機(jī)械上互不相連的兩根或多根轉(zhuǎn)軸自動(dòng)地保持相同的轉(zhuǎn)角變化或同步旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)角度信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸、變換、接收和指示（如圖1所示）。有些應(yīng)用場合需要將自整角機(jī)的信號(hào)與數(shù)字信號(hào)互相轉(zhuǎn)換，可以采用國外的SDC/RDC1700系列芯片，或國內(nèi)的ZSZ、SZZ系列芯片。其應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，既有自整角機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的應(yīng)用實(shí)例[3]，也有數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為自整角機(jī)信號(hào)的應(yīng)用實(shí)例[4][5]，這里不再介紹。

圖1 力矩式自整角機(jī)工作原理圖

2.2 RS-422A

RS-422全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，是EIA（Electronic Industry Association）為彌補(bǔ)RS-232C通信距離短、速率低的不足而制定的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-422是一種平衡通信接口，支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信，傳輸速率可達(dá)10 Mb/s，最大傳輸距離1219 m。它采用差分傳輸方式，使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B（如圖2），RS-422A對(duì)邏輯電平的定義是根據(jù)兩條傳輸線之間的電位差值來決定的，通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的電壓差為+2～+6V時(shí)表示邏輯“1”、為-2～-6V時(shí)表示邏輯“0”。在接收端，當(dāng)A線的電平比B線的電平高200 mV時(shí)表示邏輯“1”、低200 mV時(shí)表示邏輯“0”。RS-422A電路目前常用MC3487和MC3486芯片。

圖2 RS-422A標(biāo)準(zhǔn)傳輸線連接

2.3 CAN總線

CAN（Controller Area Network）總線是二十世紀(jì)八十年代開始發(fā)展起來的現(xiàn)場總線，1993年公布了CAN總線的ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。它是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出總線的任何錯(cuò)誤，有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

CAN總線上傳輸?shù)男畔⒎Q作報(bào)文，報(bào)文以特定組織形式的幀傳輸。幀有兩種不同的標(biāo)示符格式：含有11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀和含有29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。CAN2.0A版本使用標(biāo)準(zhǔn)幀，CAN2.0B版本可使用標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。報(bào)文有4種類型的幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀。數(shù)據(jù)幀由幀起始（SOF）、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、應(yīng)答域和幀結(jié)尾（EFO）組成，數(shù)據(jù)域的長度為0-8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)包含8個(gè)數(shù)據(jù)位，按照先MSB 后LSB的順序發(fā)送。

CAN總線控制器產(chǎn)品既有獨(dú)立的芯片如Philips公司SJA1000、Bosch的CC750、Intel的AN82527/AS82527，又有集成到微控制器MCU中的芯片如Philips公司的P8XC59X、Motorola的68HC912和MC6837X等。CAN總線收發(fā)器芯片有PCA82C250[6]/251和TJA1050、Bosch的CF151和CDF160、TI的SN65HVD2等。

3 導(dǎo)航信息交互格式分析

3.1 航向

航向是指艦艇艏向角，艦艏艉線在水平面的投影與真北的夾角，從真北起順時(shí)針0°～360°。

1)航向模擬信號(hào)。模擬信號(hào)種類包括1°/r航向模擬信號(hào)、10°/r航向模擬信號(hào)、360°/r航向模擬信號(hào)、同步航向信號(hào)1/360°，110V 50Hz激磁，通過自整角機(jī)發(fā)送/多極旋轉(zhuǎn)變壓器發(fā)送/固態(tài)發(fā)送（通過數(shù)字-自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器輸出三相自整角機(jī)模擬信號(hào)或正余弦變壓器信號(hào)）；

2)航向數(shù)字信號(hào)。通過EIA RS-422A串行接口發(fā)送。傳輸速率：4800bps；數(shù)據(jù)格式：NMEA 0183；數(shù)據(jù)更新速率：2次/秒；數(shù)據(jù)編碼：ASCⅡ碼，起始位1bit，數(shù)據(jù)位8bit、無校驗(yàn)位、停止位1bit（后面文中使用RS-422A接口除非單獨(dú)指出的參數(shù)，其它參數(shù)相同）。

報(bào)文內(nèi)容：

$HEHDT,xxx.xxx,T*hh。其中，HE：陀螺羅經(jīng)標(biāo)志；HDT（Heading-True）：數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)志；xxx.xxx：艏向角；T：真航向標(biāo)志。

3)CAN總線接航向數(shù)據(jù)傳輸。有些平臺(tái)羅經(jīng)、電羅經(jīng)提供CAN總線接口發(fā)送航向數(shù)據(jù)，具體參數(shù)為：CAN2.0B總線，設(shè)備ID為0x01（平臺(tái)羅經(jīng)），波特率為250kbps，數(shù)據(jù)幀的格式及內(nèi)容定義見表1。

表1 航向數(shù)據(jù)幀的格式及內(nèi)容定義

3.2 航速/航程

1)航速模擬信號(hào)。一種方式是采用自整角機(jī)傳輸，55節(jié)/轉(zhuǎn)（或240Kn/r），自整角機(jī)輸出角度所代表的就是航速值；另一種方式是固態(tài)發(fā)送，計(jì)程儀航速信號(hào)經(jīng)過數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器，輸出三線三相自整角機(jī)信號(hào)，或者經(jīng)過數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器，輸出兩相正、余弦變壓器信號(hào)。

2)航速WCV語句。有些計(jì)程儀提供數(shù)字信號(hào)發(fā)送接口[7]，廣播式發(fā)送，采用RS-422A接口，數(shù)據(jù)更新1次/秒，報(bào)文內(nèi)容為：

$VMWCV,vv.vv,s*hh。其中，VM：電磁計(jì)程儀標(biāo)志；WCV（Waypoint Closure Velocity）：數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)志；vv.vv：艦船對(duì)水速度，Kn；s：P為正，N為負(fù)。

3)CAN總線航速數(shù)據(jù)傳輸?？偩€接口模式：PeliCAN，CAN2.0B；設(shè)備ID：0x03；波特率：125kbps。報(bào)文編號(hào)為0x10，數(shù)據(jù)域1-2字節(jié)為速度值，更新頻率為1次/秒。

4)航程脈沖信號(hào)。每海里輸出200個(gè)脈沖（或者400脈沖／海里、2000脈沖／海里），為TTL電平、占空比為1:1的方波信號(hào)。

3.3 位置

船舶位置信息一般由GPS/GLONASS、北斗接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)或羅蘭C接收臺(tái)鏈的信號(hào)計(jì)算而得，常用數(shù)據(jù)格式包括POS、GLL等。下面簡單介紹GLL語句：

$LCGLL,ddmm.mmm,a,dddmm.mmm,b,A*hh。其中，GLL：數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)志；ddmm.mmm：緯度值dd度，精確到千分之一分；a：南緯（S）或北緯（N）；dddmm.mmm：經(jīng)度值ddd度，精確到千分之一分；b：東經(jīng)（E）或西經(jīng)（W）；A：A=1標(biāo)志數(shù)據(jù)有效，A=0無效。采用RS-422A接口，速率2400bit/s，

3.4 水平姿態(tài)角（縱橫搖角）

縱搖角、橫搖角分別是指繞艦船橫軸、縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。該信息一般由平臺(tái)羅經(jīng)、慣導(dǎo)提供。對(duì)外傳輸方式為：通過固態(tài)發(fā)送/自整角機(jī)發(fā)送60 Hz或400 Hz 180°/r縱搖角、橫搖角模擬信號(hào)；通過RS-422A發(fā)送數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼，橫搖角數(shù)據(jù)為兩個(gè)字節(jié)，最高權(quán)位b10，權(quán)值22.5°，范圍±45°（<0.02°），b15為符號(hào)位（0為正、1為負(fù)），縱搖角數(shù)據(jù)為兩個(gè)字節(jié)，最高權(quán)位b10，權(quán)值11.25°，范圍±20°（<0.01°），b15為符號(hào)位（0為正、1為負(fù)）；通過CAN總線傳輸，設(shè)備ID為0x01，波特率為250kbps，報(bào)文編號(hào)為0x02，數(shù)據(jù)域1-4字節(jié)為縱搖角、5-8字節(jié)為橫搖角，更新頻率為40次/秒。

3.5 水深

1)RS-422A接口傳輸。水深信息采用廣播式發(fā)送，1次/秒，報(bào)文內(nèi)容如下[8]：

$SDDPT, xxxxx.x*hh。其中，DPT：數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)志；xxxxx.x：海深，m。

2)CAN總線接口傳輸。設(shè)備ID為0×40，波特率為250kbps或125kbps，報(bào)文編號(hào)為0x80，數(shù)據(jù)域1-2字節(jié)為水深值，更新頻率為1次/秒。

3.6 氣象數(shù)據(jù)

常見數(shù)據(jù)發(fā)送格式既有NMEA 0183 格式MWV、WSD、THP等語句，又有設(shè)備自定義格式。這里簡單介紹MWV語句：

$WIMWV,xxx.x,R,yy.y,M,A*hh。其中，MWV為數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)志，xx.x為風(fēng)向，R=“R”代表相對(duì)值、R=“T”代表真風(fēng)，yyy.y為風(fēng)速，M為風(fēng)速單位（值為“K”、“N”、“M”、“S”，分別表示km/s、knots、m/s、mph）。

4 結(jié)束語

導(dǎo)航信息是艦船的基礎(chǔ)性信息。本文從導(dǎo)航信息的種類、作用、來源、交互方式、內(nèi)容、格式、接口協(xié)議等方面對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)航設(shè)備信息交互技術(shù)分別進(jìn)行了闡述和分析。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息化是艦船系統(tǒng)發(fā)展方向，導(dǎo)航設(shè)備正朝一體化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面發(fā)展，導(dǎo)航信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)化等要求進(jìn)一步提高，其信息交互及共享將更加標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化，可靠性、實(shí)用性增強(qiáng)，在艦船系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

[1] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 4301-2008船用電磁計(jì)程儀[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008

[2] 錢德俊, 張哲, 胡晨等. NMEA0183協(xié)議解析[J]. 電子器件, 2007, 30(2): 698-701.

[3] 趙波, 高飛, 王公浩等. 數(shù)字式航向角指示器的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2005, 28(13): 67-69, 73.

[4] 高敬東, 陳浩, 孫振宇. JD-5WA計(jì)程儀原理與使用維修[M]. 武漢: 海軍工程大學(xué), 2011: 107-109.

[5] 張敏.數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器的研究[J]. 江蘇電器,2008, (7):18-19,37.

[6] 周偉, 程曉紅. CAN與RS232轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2008, 34(19): 256-257,268.

[7] 陳錦德.計(jì)程儀[M].天津: 海軍司令部航海保證部,2008: 159-160.

[8] 陳錦德. 測(cè)深儀 無線氣象傳真接收機(jī) 自動(dòng)操舵儀船舶氣象儀[M].天津:海軍司令部航海保證部, 2008:53-54.