美軍艦載導(dǎo)航系統(tǒng)研究

訾蘭

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)接口（NAVSSI）是美軍艦載導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件，該部件通過采集不同艦載導(dǎo)航傳感器信息，進(jìn)行時空配準(zhǔn)和綜合處理，從而提供高可靠、高精度的位置、姿態(tài)、速度、時間等信息，并實時按需分發(fā)，以滿足艦艇導(dǎo)航和作戰(zhàn)信息需求。

為形成艦隊統(tǒng)一的導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送，1991年2月由美國空海作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部著手實施NAVSSI。截至目前，NAVSSI經(jīng)歷了從Block0到Block4五個階段的發(fā)展，采用開放式架構(gòu)設(shè)計。

NAVSSI基本組成包括實時子系統(tǒng)（RTS）、顯示控制子系統(tǒng)(DCS)及遠(yuǎn)程工作站（NRS）。

實時子系統(tǒng)（RTS）負(fù)責(zé)收集、處理及分發(fā)PNT數(shù)據(jù)，處理采用導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合（NSI）算法將GPS與慣性傳感器數(shù)據(jù)綜合。

顯示控制子系統(tǒng)（DCS）通過局域網(wǎng)與實時子系統(tǒng)進(jìn)行通信，為實時子系統(tǒng)提供操作人員接口，提供電子海圖和雷達(dá)接口。顯示控制子系統(tǒng)（DCS）能實時顯示導(dǎo)航傳感器信息，并控制實時子系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程工作站（NRS）是操作人員的遠(yuǎn)程顯示器，為艦橋及其他艙室人員提供遠(yuǎn)程控制與顯示能力。

NAVSSI數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示，主要包括接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出等。

1 NAVSSI主要導(dǎo)航數(shù)據(jù)源

美海軍艦艇主要導(dǎo)航數(shù)據(jù)源包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒計程儀、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、回聲探深儀、電磁計程儀、羅經(jīng)、風(fēng)速儀及時間數(shù)據(jù)等。NAVSSI主要導(dǎo)航數(shù)據(jù)源如表1所示。

圖1 NAVSSI數(shù)據(jù)流程圖

表1 NAVSSI主要導(dǎo)航數(shù)據(jù)源

2 輸入數(shù)據(jù)完整性檢查

NAVSSI持續(xù)監(jiān)視導(dǎo)航數(shù)據(jù)源的輸入數(shù)據(jù)，確保其完整性。完整性檢查主要是確保通過物理介質(zhì)NAVSSI連接數(shù)據(jù)源。NAVSSI能提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)有效性監(jiān)控，包括對每個位置數(shù)據(jù)源誤差特性的持續(xù)監(jiān)控，如果數(shù)據(jù)源誤差特性持續(xù)超過一定數(shù)值，該數(shù)據(jù)即被認(rèn)為無效，導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合（NSI）算法將不采用該數(shù)據(jù)，并向操作人員發(fā)出可視警告。

3 NAVSSI數(shù)據(jù)輸出

NAVSSI通過導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合（NSI）算法綜合GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）數(shù)據(jù)，提供高精度、魯棒性好的位置及速度解決方案。NSI算法考慮了各導(dǎo)航傳感器的誤差特性，以滿足艦船各系統(tǒng)對導(dǎo)航數(shù)據(jù)的精度需求。

實時子系統(tǒng)（RTS）收到最優(yōu)速度數(shù)據(jù)即更新位置估計。收到GPS更新的位置數(shù)據(jù)，RTS就綜合多達(dá)兩個衛(wèi)星接收機(jī)和最優(yōu)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置數(shù)據(jù)（最優(yōu)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是指隨時間輸出位置信息最接近于GPS的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)），通過對最優(yōu)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS的速度誤差進(jìn)行濾波計算速度值，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)速度數(shù)據(jù)用估計的速度誤差進(jìn)行修正。當(dāng)僅有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)可用時，NAVSSI將保持為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度。

位置數(shù)據(jù)由綜合計算一個或兩個衛(wèi)星接收機(jī)與一個或兩個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)得到。綜合的位置數(shù)據(jù)利用最優(yōu)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)以插值的方式推算得出，該方法能為用戶提供準(zhǔn)確的位置信息。導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合算法使得NAVSSI可以在正常工作條件下提供12m精度范圍內(nèi)的經(jīng)緯度參考位置（兩維，1ω），其精度要高于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度。

角度及角速度值取自最優(yōu)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，無需計算。如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)失效，角度值被標(biāo)記為無效。當(dāng)RTS接收到新的角度數(shù)據(jù)，將對新數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式匹配，這種匹配將用于推算姿態(tài)數(shù)據(jù)并根據(jù)最新的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)數(shù)據(jù)時間點(diǎn)計算姿態(tài)變化率信息。利用這種匹配方式及外推算法，NAVSSI能保證姿態(tài)數(shù)據(jù)的精度。

導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合算法基于可用傳感器誤差特性估計，保障NAVSSI輸出數(shù)據(jù)的精度，按用戶系統(tǒng)的需求分發(fā)送數(shù)據(jù)信息。對于不同精度需求的用戶，可采用設(shè)定不同數(shù)據(jù)的有效位數(shù)來實現(xiàn)。

由于GPS戰(zhàn)時易受干擾，無法滿足艦艇對可靠精確時間的需求，NAVSSI提供了一種精確授時裝置（PTU）。該裝置包括頻率調(diào)整模塊（FDM）、銣振蕩器以及緩沖輸出設(shè)備。一旦估計的時間誤差超過100ns，精確授時裝置將進(jìn)入工作模式，并利用銣振蕩器來保持時間精度。

表2給出了NAVSSI輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)的部分艦艇典型系統(tǒng)用戶及精度要求。

表2 NAVSSI輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分典型系統(tǒng)用戶

4 信息安全

NAVSSI起初是一套獨(dú)立的系統(tǒng)，其子系統(tǒng)通過內(nèi)部局域網(wǎng)連接，實時子系統(tǒng)通過外部點(diǎn)對點(diǎn)接口與傳感器及用戶連接。這種獨(dú)立配置不存在信息安全問題，但是隨著接口數(shù)量增長，將與其他網(wǎng)絡(luò)用戶交叉，因此需要考慮信息安全問題。

PNT數(shù)據(jù)無需轉(zhuǎn)發(fā)，也無需雙向通信。因此NAVSSI向非密艦船廣域網(wǎng)單向多點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，而不需要接收任何數(shù)據(jù)，通過硬件實現(xiàn)安全的單向光纖輸出數(shù)據(jù)，以確保NAVSSI不受任何來自非密艦廣域網(wǎng)的訪問。

當(dāng)需要向涉密艦船廣域網(wǎng)提供導(dǎo)航信息時，能確保涉密數(shù)據(jù)不會進(jìn)入NAVSSI，但作為非密系統(tǒng)，向涉密的艦載廣域網(wǎng)提供PNT數(shù)據(jù)時，將產(chǎn)生非計劃的跨界傳輸問題。涉密艦船廣域網(wǎng)的風(fēng)險可能來自與NAVSSI連接的非密系統(tǒng)，如果該非密系統(tǒng)能通過單向通信路徑訪問涉密廣域網(wǎng)，就可能植入病毒或惡意代碼。因此，涉密艦船廣域網(wǎng)與NAVSSI實時子系統(tǒng)連接時，實時子系統(tǒng)不提供任何轉(zhuǎn)移、傳輸數(shù)據(jù)權(quán)限，以及對其他接口產(chǎn)生數(shù)據(jù)通道的權(quán)限。實時子系統(tǒng)包括一種獨(dú)立的可執(zhí)行程序，嵌入子系統(tǒng)硬件中，無法進(jìn)行修改，或運(yùn)行其他程序，實時子系統(tǒng)沒有外圍存儲設(shè)備和分配內(nèi)存權(quán)限，這就消除了產(chǎn)生跨界通信的可能性。

5 結(jié)語

NAVSSI是目前美國海軍水面艦艇廣泛采用的定位、導(dǎo)航與授時方案，將艦艇編隊內(nèi)PNT數(shù)據(jù)完全統(tǒng)一，為編隊航行與作戰(zhàn)的提供重要信息基礎(chǔ)保障。

[1]Peter T.Shaw.Integrated and Distributed Position Navigation and Timing(PNT)Data in Shipboard Environments.OCEANS’04.MTTS/IEEE TECHNO-OCEAN’04.Vol.2.IEE,2004

[2]Peter T.Shaw.An Integrated Approach to Electronic Navigation,OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition.Vol.1,IEEE,2000

[3]宿勇,郭隆華.美國海軍航母及編隊導(dǎo)航系統(tǒng)分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2012,34(8)：131-136