艦船導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展概述

廖成毅 楊 穎 王能軍

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

伴隨著人類航?；顒拥陌l(fā)展，船舶導(dǎo)航學(xué)科也經(jīng)歷了由古代的太陽/北極星天文導(dǎo)航、路標(biāo)定位、推算航法等航海方法，到近代的磁羅盤、海圖、四分儀等航海技術(shù)，現(xiàn)代先進(jìn)的無線電、衛(wèi)星、慣性等導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程［1］。技術(shù)的進(jìn)步緣于航海作業(yè)任務(wù)需求的不斷提高，人類最初的航行任務(wù)為航渡、遠(yuǎn)洋探險等，逐漸發(fā)展為海洋測量、遠(yuǎn)洋科考、軍事活動等多種作業(yè)使命任務(wù)，為此航海作業(yè)對保障系統(tǒng)要求越來越高，隨之而來的是導(dǎo)航參數(shù)種類的多樣化、多元化、復(fù)雜化，導(dǎo)航也由單一設(shè)備導(dǎo)航發(fā)展為多元設(shè)備信息融合導(dǎo)航。

任務(wù)系統(tǒng)對導(dǎo)航參數(shù)需求的變化直接影響了導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。船舶各系統(tǒng)以及分系統(tǒng)內(nèi)部信息交互的信息量越來越大，信息傳輸實(shí)時性要求越來越高，促使信息傳輸技術(shù)取得了很大的發(fā)展。導(dǎo)航系統(tǒng)作為艦船平臺系統(tǒng)和其他任務(wù)系統(tǒng)的時空基準(zhǔn)信息的唯一來源，設(shè)計高可靠性、安全性、實(shí)時性的導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)，對于保障艦船航行安全并完成艦船的使命任務(wù)，具有重要的意義。

1 主要架構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)分析

導(dǎo)航裝備體系建設(shè)與發(fā)展，推動著船舶導(dǎo)航設(shè)備由單一化向多元化方向發(fā)展。設(shè)備的增多進(jìn)一步促使船舶導(dǎo)航朝著體系化方向發(fā)展，主流船舶導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)主要經(jīng)歷了星型串口結(jié)構(gòu)、CAN總線結(jié)構(gòu)、以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)三個階段。為了更好地發(fā)揮保障系統(tǒng)的功能，導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計成為總體頂層設(shè)計時需重點(diǎn)考慮的問題之一。

1.1 單機(jī)單控模式

串口通信指設(shè)備之間通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式，其最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)，由于其異步傳輸特性，即可在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，用另一根線接收數(shù)據(jù)。此種通信方式原理較簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，長度可達(dá)1 200 m。目前常用的有RS422和RS485兩種協(xié)議。

對于早期設(shè)計船舶（諸如水船、柴油船、登陸艇等），一方面受制于導(dǎo)航裝備本身的技術(shù)水平，設(shè)備僅能提供位置、速度、水深、航向等基本航海信息，另一方面，船舶本身任務(wù)使命的單一性，使得任務(wù)系統(tǒng)對保障設(shè)備即導(dǎo)航系統(tǒng)需求并不高。這類船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計具有兩個特點(diǎn)：一是系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間無需進(jìn)行信息數(shù)據(jù)融合處理，除了電子海圖需要位置等信息進(jìn)行相關(guān)計算外，其他設(shè)備間幾乎沒有數(shù)據(jù)通信需求；二是外部系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)之間幾乎不發(fā)生信息交互。

1.2 串口數(shù)據(jù)架構(gòu)

嚴(yán)格來說，上述船舶導(dǎo)航設(shè)施設(shè)計時，并未進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系化設(shè)計，還不能稱之為系統(tǒng)。國產(chǎn)某型登陸艦、鋪纜船等開始從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的角度出發(fā)來進(jìn)行船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)星型架構(gòu)示意圖（串口）

圖1所示星型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航系統(tǒng)主要工作原理為：導(dǎo)航設(shè)備采集位置、航向、航速等數(shù)據(jù)，通過串口接口傳輸至導(dǎo)航信息顯示處理設(shè)備，并進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)融合處理，再根據(jù)外部用戶需求，直接由綜合導(dǎo)航顯控臺提供對外串口。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航信息的實(shí)時數(shù)據(jù)融合處理、集中顯示以及統(tǒng)一分發(fā)的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于經(jīng)綜合導(dǎo)航顯控臺處理后的導(dǎo)航信息為全船統(tǒng)一的基準(zhǔn)信息，并可在一定程度上避免單一設(shè)備串口輸出數(shù)量限制。

通過串口這種直連方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信源信宿關(guān)系清晰，只需要設(shè)備兩兩間接口協(xié)議協(xié)調(diào)一致即可；另外，其具有容易展開故障排查工作，在設(shè)備具備富余輸出串口時外部擴(kuò)展用戶牽連工程小等優(yōu)點(diǎn)，但是這種通信方式的缺點(diǎn)也顯而易見：設(shè)備主板硬件的串口數(shù)量有限，而串口擴(kuò)容容易引起信號衰減，即串口可擴(kuò)展性較差；當(dāng)設(shè)備較多、信息需求增加時，設(shè)備兩兩間連線會相應(yīng)增多，從而造成電纜走線布局復(fù)雜等情況，星型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍然存在這些問題。從圖1可以看出，導(dǎo)航設(shè)備間的信息交互以及下游設(shè)備（復(fù)示器等）的導(dǎo)航信息接收都嚴(yán)重依賴于導(dǎo)航信息顯示處理設(shè)備，不利于信息交互的可靠性。綜合考慮上述原因，基于串口通信的星型架構(gòu)僅適用于導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部、外部信息交互較少的船舶。

1.3 雙冗余CAN總線數(shù)據(jù)架構(gòu)

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，可以點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)以及全局廣播集中方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)［2-3］?？偩€通過總線訪問、仲裁、編碼/解碼、出錯標(biāo)注、超載標(biāo)注5條規(guī)則進(jìn)行通訊協(xié)調(diào)，具備速度快、可靠性高、可擴(kuò)展等一系列優(yōu)點(diǎn)，其基于無破壞性仲裁機(jī)制，保證了總線能以最高優(yōu)先權(quán)訪問報文而無延時情況。CAN總線采用了OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，協(xié)議分層結(jié)構(gòu)如圖 2所示［4］。

圖2 CAN協(xié)議分層結(jié)構(gòu)示意

由于CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和可靠性，CAN總線架構(gòu)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、消防監(jiān)控等領(lǐng)域，其中較為典型的應(yīng)用為汽車和高鐵的數(shù)據(jù)通訊。船舶系統(tǒng)局域網(wǎng)應(yīng)用CAN總線技術(shù)起步較晚，某型救援船首次將該總線技術(shù)成功的應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計：采用雙冗余CAN總線架構(gòu)設(shè)計思路，將全船所有導(dǎo)航設(shè)備采集導(dǎo)航信息接入CAN總線（局域網(wǎng)），經(jīng)綜合導(dǎo)航信息處理設(shè)備進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合、信息擇源處理等形成統(tǒng)一導(dǎo)航信息，并完成對外用戶信息分發(fā)工作，最終形成了導(dǎo)航信息的分層采集、集中處理、統(tǒng)一分發(fā)的體系。

除實(shí)時性和可靠性外，采用CAN總線設(shè)計的導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)具體為：

（1）總線網(wǎng)絡(luò)采用單總線多主模式，總線的仲裁機(jī)制可以按照優(yōu)先級對報文進(jìn)行無損的排序發(fā)送，各個接入總線設(shè)備可隨時向CAN總線發(fā)送信息和獲取信息，從而保證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時性，相比于圖1串口結(jié)構(gòu)，提高了導(dǎo)航設(shè)備間信息交互可靠性；

（2）由于導(dǎo)航參數(shù)諸如位置、姿態(tài)等均由多個設(shè)備提供（包含經(jīng)綜合導(dǎo)航顯控臺設(shè)備數(shù)據(jù)融合處理后的信息），需根據(jù)同類參數(shù)不同設(shè)備的精度、可靠性等明確信息優(yōu)先級，用戶設(shè)備（僅限導(dǎo)航系統(tǒng)）則從優(yōu)先級最高的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)接收；

上海、南京、杭州三地位于中國的華東地區(qū)。其中，上海位于長江出海口南側(cè)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°52′至122°12′、北緯30°40′至31°53′之間，市中心人民廣場地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°28′，北緯31°14′；南京位于江蘇省的西南部，地理坐標(biāo)為北緯31°14′至32°37′、東經(jīng)118°22′至119°14′之間，市中心新街口地理坐標(biāo)為北緯32°02'38"、東經(jīng)118°46'43"；杭州位于浙江省北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°21′-120°30′、北緯29°11′-30°33′之間，市中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°12′，北緯30°16′。

（3）采用雙冗余CAN總線方法目的在于實(shí)現(xiàn)總線熱備份，即系統(tǒng)運(yùn)行時，兩路CAN總線同時運(yùn)行，一主一輔，通過配備切換控制器，實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)、輔系統(tǒng)實(shí)時切換。

雙冗余CAN總線數(shù)據(jù)架構(gòu)見圖3。

圖3 雙冗余CAN總線數(shù)據(jù)架構(gòu)示意圖

此外，相比于圖1串口數(shù)據(jù)架構(gòu)模式，基于雙冗余CAN總線數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計的導(dǎo)航系統(tǒng)有效解決了導(dǎo)航設(shè)備間信息交互的可靠性問題，但是外部用戶設(shè)備仍然需從導(dǎo)航信息顯示處理設(shè)備接收導(dǎo)航信息，要求該設(shè)備具備盡可能高的可靠性，因此在一定程度上影響了信息保障能力。

1.4 CAN總線和以太網(wǎng)多層數(shù)據(jù)架構(gòu)

隨著航海作業(yè)的任務(wù)多樣化，平臺系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)等對導(dǎo)航參數(shù)種類的需求增多，除了常規(guī)航海信息外，還主要包括有航海作業(yè)信息、導(dǎo)航雷達(dá)信息、氣象水文環(huán)境要素信息等。這些數(shù)據(jù)較突出的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大（單報文字節(jié)數(shù)≥100）、數(shù)據(jù)更新率較慢（≤1 Hz）?？紤]到CAN總線上任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與位速率有關(guān)［4］（見表1），而新研船舶由于噸位大，傳感器設(shè)備布置距離較遠(yuǎn)，受數(shù)據(jù)報文長度和CAN總線長度影響，大流量數(shù)據(jù)會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和穩(wěn)定性，因此單純的CAN總線架構(gòu)已無法滿足使用需求。

圖4 多級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享架構(gòu)示意圖

表1 CAN總線兩節(jié)點(diǎn)之間的最大距離

以太網(wǎng)在自動化控制中的快速發(fā)展，促進(jìn)了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的緊密結(jié)合。為解決上述大數(shù)據(jù)量、弱實(shí)時性信息的交互問題，某新型驅(qū)逐艦、補(bǔ)給船采用了多級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的技術(shù)設(shè)計導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)，以信息處理流程為依據(jù)將導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為傳感器層、信息采集處理層、信息應(yīng)用層及信息服務(wù)層四個層次，參照結(jié)構(gòu)示意見圖4。信息關(guān)系可簡單描述為：由雙冗余CAN總線的信息采集處理層完成導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)施信息的采集、共享；信息共享服務(wù)設(shè)備組成的信息服務(wù)層，一方面實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)功能，完成大數(shù)據(jù)量信息的交互，另一方面可通過主干信息網(wǎng)向全船用戶提供包含大數(shù)據(jù)量信息的全量導(dǎo)航信息。

多級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享的架構(gòu)原理為：采集的導(dǎo)航信息由導(dǎo)航信息顯示處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并通過CAN總線發(fā)送至信息分發(fā)發(fā)送設(shè)備，對于具有強(qiáng)實(shí)時性信息需求的外部用戶，則統(tǒng)一由該設(shè)備以串口、模擬口形式一對一發(fā)送，對于具有弱實(shí)時性信息需求的外部用戶，則統(tǒng)一由信息共享服務(wù)設(shè)備向全船主干信息網(wǎng)以組播形式發(fā)送；對于可靠性要求較高的用戶則同時采用串口和以太網(wǎng)兩種方式獲取導(dǎo)航信息，即從信息獲取方式上進(jìn)行冗余性設(shè)計。相較于圖3，多級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享形式有效解決了信息采集交互過程中高實(shí)時與大容量間的矛盾。

1.5 單層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

雖然CAN總線具備有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是由于船舶平臺本身屬性即船體較大、設(shè)備分艙布置、設(shè)備數(shù)量較多，造成了基于CAN總線架構(gòu)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)具有CAN總線長、節(jié)點(diǎn)多的特點(diǎn)，使得在調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)CAN總線癱瘓現(xiàn)象，而各設(shè)備廠家采用CAN卡型號不一致，設(shè)計負(fù)載驅(qū)動的電路、采用的觸發(fā)機(jī)制等不一致，這種設(shè)備本身硬件原因?qū)ε殴蕩硪欢y度，這些問題都需要耗費(fèi)大量的人力物力去進(jìn)行調(diào)試解決，同時船舶行業(yè)通常不會出現(xiàn)大批量復(fù)造的情況，而不同船型可能會出現(xiàn)不同問題，因此從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，CAN總線數(shù)據(jù)架構(gòu)并不適合船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計。

從共享到交換、從半雙工到全雙工、從10 Mbps到10 Gbps，以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，其高效、低成本和兼容性的優(yōu)點(diǎn)，使得以太網(wǎng)在進(jìn)行系統(tǒng)局域網(wǎng)設(shè)計中逐漸處于主導(dǎo)地位。近幾年新設(shè)計的艦船導(dǎo)航系統(tǒng)主要采用基于雙冗余以太網(wǎng)的單層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式，同樣可劃分為傳感器層、信息采集處理層、信息應(yīng)用層及信息服務(wù)層四個層次。信息采集處理層采用雙冗余以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航參數(shù)的采集與內(nèi)部交互，并對獲取的各類信息進(jìn)行融合優(yōu)化，在導(dǎo)航信息顯示處理設(shè)備上實(shí)現(xiàn)主要導(dǎo)航參數(shù)、信息通道及設(shè)備狀態(tài)的集中顯示；信息應(yīng)用層主要完成導(dǎo)航信息的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)海圖標(biāo)繪等航海作業(yè)功能；信息服務(wù)層包括信息分發(fā)備及信息共享服務(wù)設(shè)備，可為各平臺、任務(wù)系統(tǒng)提供融合處理后的綜合導(dǎo)航信息、實(shí)時艦艇運(yùn)動參數(shù)信息等。結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖5 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)架構(gòu)示意圖

目前國內(nèi)已有幾型新研船舶采用了基于雙冗余以太網(wǎng)技術(shù)的單層系統(tǒng)架構(gòu)來設(shè)計船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)前實(shí)船驗(yàn)證情況，導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，這種架構(gòu)設(shè)計在可用性、可靠性、開放性、以及可擴(kuò)展能力等方面已基本滿足艦艇信息化發(fā)展的需求。

2 結(jié) 語

美國海軍DDG 1000驅(qū)逐艦采用全艦公共計算環(huán)境（TSCE），代表了當(dāng)前艦船信息系統(tǒng)高度集成技術(shù)的最先進(jìn)水平［7］。作為作戰(zhàn)系統(tǒng)下的二級系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)可充分利用公共計算環(huán)境技術(shù)，將導(dǎo)航設(shè)備硬件和軟件分離，進(jìn)行軟件、硬件模塊化以及構(gòu)件化和服務(wù)化，采用面向服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)軟件集成，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)的高度集成優(yōu)化水平，使得導(dǎo)航系統(tǒng)具有更好的自適應(yīng)性和高可用性。

另外，云計算和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了信息化領(lǐng)域翻天覆地的變化。船舶行業(yè)目前研究較多的為動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)［8］、貨運(yùn)遠(yuǎn)程管理［9］、航運(yùn)信息服務(wù)等方向，為實(shí)現(xiàn)岸-海一體化目標(biāo)，船舶導(dǎo)航系統(tǒng)（時空基準(zhǔn)信息系統(tǒng)）可通過云計算技術(shù)實(shí)現(xiàn)岸基信息遠(yuǎn)程保障、船舶導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、臨近海域內(nèi)船舶導(dǎo)航信息資源共享等功能。在未來進(jìn)行船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計工作時，需要結(jié)合相關(guān)技術(shù)的成熟應(yīng)用、船舶導(dǎo)航體系建設(shè)情況展開，從而提升導(dǎo)航系統(tǒng)信息保障能力。

在信息化技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，作為船舶時空基準(zhǔn)信息的保障系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)的接口信息已逐漸由信號級發(fā)展到數(shù)據(jù)級，再到元數(shù)據(jù)級，其接口設(shè)計也由點(diǎn)對點(diǎn)物理連接發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)物理連接，再到邏輯的數(shù)據(jù)集成總線連接。為了更好地保障船舶航行安全、保證使命任務(wù)的完成，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)從海上任務(wù)體系規(guī)劃入手，以滿足新形勢下船舶的使命任務(wù)為目標(biāo)，結(jié)合需求，設(shè)計面向服務(wù)的導(dǎo)航系統(tǒng)，增強(qiáng)總體頂層設(shè)計和集成能力，綜合考慮全艦公共計算環(huán)境以及云計算等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)且能滿足船舶多樣化任務(wù)系統(tǒng)的信息保障需求導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)。