導航信息集成應用與接口標準化

江帆

摘 要：本文從導航信息集成應用的視角介紹船舶導航設備從單一設備向集成應用及接口標準化方向發(fā)展的概況。闡述早期典型導航設備信號輸出的特點及其集成應用，分析不同信號在集成應用中的接口技術(shù)及其演進過程，介紹NMEA 0183接口標準的形成及其基本特點，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供船舶導航設備網(wǎng)絡通信發(fā)展過程及接口標準化現(xiàn)狀方面的知識，以便其快速了解和熟練應用這些標準。

關(guān)鍵詞：導航設備 集成應用 接口標準化

中圖分類號：U675.7 文獻標志碼：B

0 引言

在常見的船用導航設備中，有些設備是通過集成不同導航設備提供的信息并經(jīng)過相關(guān)技術(shù)處理形成的。例如：陀螺羅經(jīng)與操舵裝置組合形成了自動舵；普通船用雷達（Radar）、計程儀（Log）及羅經(jīng)配接構(gòu)成了可自動計算雷達所測目標的矢量、判斷是否與本船有碰撞危險的船用自動雷達標繪輔助裝置（Automatic Radar Plotting Aid ，ARPA）。這種將導航信息集成化應用的方法對船舶導航技術(shù)與設備的發(fā)展及船舶導航設備接口標準化的發(fā)展起到了重要的推動作用。

本文簡要回顧和分析早期典型導航設備信號輸出的特點及其集成應用，簡述典型導航設備所輸出信號的特點，分析不同信號在集成應用中的接口技術(shù)及其演進過程，并介紹NMEA 0183接口標準的形成及其基本特點，為初入船舶通導設備網(wǎng)絡通信、航運物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能船舶及無人船技術(shù)研發(fā)和服務行業(yè)的工程技術(shù)人員提供船舶導航設備網(wǎng)絡通信發(fā)展過程及接口標準化方面的知識，以便其快速了解和熟練應用這些標準。

1 部分導航設備的主要功能及其信息顯示形式

20世紀初，船舶上開始配備陀螺羅經(jīng)，此后，測深儀（Echo Sounder）、計程儀、雷達和雙曲線無線電定位系統(tǒng)（Loran）等設備（或系統(tǒng)）相繼出現(xiàn)。將這些設備安裝在船舶上配合海圖使用，可大大提高船舶的安全性和航行效率。以下分別對幾種典型的導航設備的主要功能及其輸出的信息形式進行介紹。

1.1 陀螺羅經(jīng)

船用陀螺羅經(jīng)運行的結(jié)果是其陀螺球恒定指北（真北），當船首方向與真北方向有角度差變化時，通過隨動跟蹤和齒輪傳動驅(qū)動一個3600的圓盤轉(zhuǎn)動，便可查看船舶的航向及其變化情況。船舶上應用航向信息的位置通常與主羅經(jīng)相距較遠，主羅經(jīng)測得的航向信息需通過傳向系統(tǒng)傳送到需要的地方。早期，不同國家、不同公司研發(fā)的船用陀螺羅經(jīng)的傳向系統(tǒng)所采用的技術(shù)是不同的，主要有synchro（交流同步系統(tǒng)，也稱自整角機）和stepper（直流步進式傳向系統(tǒng)）兩大類。陀螺羅經(jīng)的傳向系統(tǒng)通過電纜將主羅經(jīng)的航向信息傳送給若干個分羅經(jīng)，傳送信號由模擬信息或脈沖信息組成，這些信息包含控制接收端同步電機的轉(zhuǎn)動量（角度）信息和轉(zhuǎn)動方向信息。由于生產(chǎn)廠商不同，不同陀螺羅經(jīng)的傳向系統(tǒng)所采用的電壓、交流頻率及齒輪傳動比都是不同的，導致陀螺羅經(jīng)輸出的信息有多種格式。

1.2計程儀

計程儀的主要功能是測定本船的航速和累計航程；同時，可結(jié)合航速信息和航向信息進行船位推算。早期采用機電技術(shù)的計程儀，其信息輸出沿用被稱作Chip log測量船速裝置的原理，以單位時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)表示速度。例如20世紀上半葉出現(xiàn)的SAL 24E 水壓式計程儀，其所測得的航速信息分4組輸出，在相同速度下每海里的脈沖數(shù)分別為10，100，200和20 000。這種信息輸出格式沿用至今。例如，《船用電磁計程儀》（GB/T 4301—2008）中關(guān)于計程儀的輸出信息形式的表述，就有“航程脈沖量：200脈沖/海里、400脈沖/海里、2 000脈沖/海里”的規(guī)定。

1.3 雷達

雷達的主要功能是探測目標，可測定目標的方位和距離。船用導航雷達探測的目標采用徑向圓掃描的平面位置顯示器（ Plan Position Indicator ，PPI）方式顯示，通過雷達的量程控制開關(guān)，在選定的量程內(nèi)觀察本船周邊目標的情況。船舶駕駛?cè)藛T通過操作雷達顯示器上的可變距標圈和方位線便可測定目標與本船的距離及方位。此外，船舶駕駛?cè)藛T還可通過雷達標繪功能推算本船與目標船的最接近點距離（Closest Point of Approach ，CPA）和（達到最接近點時間（Time of Closest Point of Approach，TCPA），由此作出避讓決策。

2 典型導航信息的組合應用和接口標準發(fā)展

2.1自動雷達標繪與導航信息組合應用

人工實施雷達標繪操作的工作量大、效率低，但ARPA的出現(xiàn)彌補了這些不足。ARPA不僅可通過對雷達目標數(shù)據(jù)進行自動錄取和自動雷達標繪來自動計算CPA及TCPA，還能推演采取避碰措施后的效果。

2.2傳統(tǒng)導航信息采集存在的問題

若要實現(xiàn)ARPA功能，不僅需要用到雷達信號，還需要將陀螺羅經(jīng)的信號和計程儀的信號作為計算目標矢量的基準。由于不同導航設備制造商生產(chǎn)的導航產(chǎn)品的信號輸出格式各異，特別是陀螺羅經(jīng)的輸出信號各異，使得早期的ARPA接入陀螺羅經(jīng)信號的過程十分復雜，需要由陀螺羅經(jīng)制造商提供同步接收機來獲取羅經(jīng)信息，再將其轉(zhuǎn)換成ARPA能接收的數(shù)字信號。此后，ARPA制造商設計出專門的陀螺羅經(jīng)和計程儀信號接口板來解決不同陀螺羅經(jīng)和計程儀的信號接入問題，但這種方法通常存在通用性問題和接口部件的高成本問題。

2.3接口技術(shù)的標準化發(fā)展

ARPA出現(xiàn)以后，其信號的處理開始大量采用數(shù)字電路技術(shù)（甚至是計算機技術(shù)）來完成。同時，外部接入的模擬信號或脈沖信號也需轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息之后再進行處理。此外，數(shù)字電路技術(shù)在其他船舶通導設備的設計制造中也得到了大量應用。

從20世紀70年代開始，導航設備的接口問題得到越來越多的關(guān)注。例如：國際海事無線電協(xié)會（CIRM）關(guān)注陀螺羅經(jīng)的接口標準；（美國的國家海事電子協(xié)會（NMEA）專注于雙曲線無線電導航（LORAN）控制自動舵的研究[1]。NMEA在20世紀80年代初就已制定NMEA 0183接口標準，該標準得到了全球大多數(shù)通導設備制造商的認可。endprint

（1）NMEA 0183標準的基本特性

NMEA 0183標準采用基于文本格式、支持單向、一個發(fā)送端到一個或多個接收端的串行數(shù)據(jù)傳輸；這些數(shù)據(jù)由可打印的ASCII字符組成，最初規(guī)劃的信息由位置、速度、深度和頻率指配。信息長度一般為11～79個字符，每秒發(fā)送一次[2]。此外，標準還規(guī)定了電氣接口及規(guī)格。NMEA 0183標準有3個基本“語句（sentence）”，分別為Talker sentences，Proprietary sentences和Query sentences。最新的NMEA 0183標準是2012年發(fā)布的4.10版本，擴展了更多的“語句”和設備，且可傳輸信息內(nèi)容。最新版本NMEA 0183標準的信息類別不僅包括溫度、力（force），壓力（pressure）、頻率及位移等傳感器測量信息和船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）信息，還包括接收到的NAVTEX信息（包括航行警告和氣象預報）及航行設備發(fā)送的狀態(tài)信息（包括報警信息）。此外，NMEA還針對不同的應用發(fā)展了高速NMEA0183-HS（最高波特率為38kbite/s）和總線長度達200 m、傳輸速率達250kbite/s的現(xiàn)場總線形式的NMEA 2000標準。

（2）IEC61162系列標準

國際電工委員會（International Electrotechnical Commission ，IEC）采用NME 0183標準，并于1995年發(fā)布由NMEA 0183轉(zhuǎn)換而來的IEC1162標準，此后改為IEC 61162[3]。IEC 61162標準針對海事導航與通信設備和系統(tǒng)的數(shù)字接口形成系列標準。IEC 61162-1對應NMEA 0183、IEC 61162-2對應高速版、IEC 61162-3對應NMEA 2000，但增加了在SOLAS船上實施的要求。IEC于2016年發(fā)布IEC 61162-1的第五版，該版本并不包括NMEA 0183第4.10版中的擴展（TAG）語句，但適用的設備中包含北斗衛(wèi)星導航接收設備（NMEA 0183第4.10版適用的設備中不包含北斗接收設備）。

隨著船載網(wǎng)絡通信應用需求不斷提升，IEC于2011年發(fā)布IEC 61162-450標準。該標準是一個多發(fā)送端和多接收端-以太互聯(lián)標準（Multiple talkers and multiple listeners- Ethernet interconnection），規(guī)定了船舶導航與無線電通信設備之間、其他船載系統(tǒng)與船舶通導設備之間的高速通信的接口要求和測試方法，為在船載以太網(wǎng)上實現(xiàn)設備之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了一個架構(gòu)；標準中句子的信息承載單元的定義與IEC 61162-1相同。

3 結(jié)束語

電子技術(shù)的發(fā)展推動了導航設備信息顯示和輸出格式從機電信號向數(shù)字信息轉(zhuǎn)變，船舶導航信息的集成應用促成了新型導航設備的不斷出現(xiàn)。除了ARPA外，電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（Electronic Chart Display and Information System ，ECDIS）、AIS和綜合導航系統(tǒng)（Integrated Navigation System，INS）等都是船舶通導設備及系統(tǒng)信息集成應用的結(jié)果。NMEA 0183接口標準在通導設備的網(wǎng)絡通信標準化方面起到了極其重要的作用；IEC發(fā)布的IEC61162系列標準進一步推動了船舶通導設備與系統(tǒng)接口標準化在國際商船行業(yè)的實施，同時為通導信息的網(wǎng)絡化傳輸提供了基礎框架。船舶通導設備與系統(tǒng)接口標準化的實現(xiàn)，不僅可為設計、使用和維護基于通導基礎信息的網(wǎng)絡化系統(tǒng)提供方便，還能為航運物聯(lián)網(wǎng)、智能船舶及無人船研發(fā)提供基礎條件。

參考文獻：

[1] IEC.IEC Technical Committee 80： Maritime Navigation.

[2] NMEA 0183 Standard For Interfacing Marine Electronic Devices：NMEA 0183[S]. 2002.endprint