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)艦艇設計研究軍代室，上海 200011）

0 引言

船用導航設備為船舶系統(tǒng)提供航向、航速、航程、航跡、位置、水平姿態(tài)、水深、氣象要素等導航信息。這些信息不僅對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)強調系統(tǒng)集成，以發(fā)揮系統(tǒng)的整體效能，船用導航單機設備是艦船綜合導航系統(tǒng)（INS-Integrated Navigation System）的基礎設備和導航信息來源，系統(tǒng)內設備之間、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，研究分析導航設備信息交互技術對于船舶系統(tǒng)信息化建設以及提升艦船系統(tǒng)整體效能具有重要意義。

1 信息交互內容

1.1 導航信息的種類和作用

船用航海導航設備主要包括平臺羅經(jīng)、慣導、電羅經(jīng)、電控羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、計程儀、測深儀、航跡儀、電子航海圖、綜導顯控臺、導航雷達、GPS、羅蘭C、北斗接收機、船舶氣象儀、氣象傳真機、衛(wèi)星云圖接收機、自動操舵儀、Navtex和AIS等設備。導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、風速、風向、大氣壓力、溫度、濕度、氣象云圖、能見度、航行告警等信息。這些信息是基礎信息，應用于船舶導航、艦位推算、自動駕駛、武器系統(tǒng)等場合。

1.2 導航信息的來源

導航信息主要來源如下：

1) 平臺羅經(jīng)、慣導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、60 Hz或400 Hz 180°/r縱搖角、60 Hz或400 Hz 180°/r橫搖角模擬信號，以及航向角、縱搖角、橫搖角數(shù)字信號。平臺羅經(jīng)、慣導也可以推算艦位；

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

3) 復示磁羅經(jīng)提供航向數(shù)字和模擬信號；

4) 計程儀提供船舶航速和航程信息。根據(jù)國家標準，電磁計程儀輸出信息的主要形式有：a)航速模擬量：轉值為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)字信號發(fā)送；

6) 船舶氣象儀提供風速、風向、溫度、濕度和大氣壓力等氣象要素數(shù)字信息；

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

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

9)綜導顯控臺收集系統(tǒng)內各導航設備的數(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)）或其它設備提供綜合的導航信息。

1.3 NMEA 0183數(shù)據(jù)格式

船舶導航設備數(shù)字信號傳輸常用NMEA 0183格式，該協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為海用電子設備之間通信而制定的標準格式，已經(jīng)成為RTCM標準協(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)碾娖餍盘栃枨?、?shù)據(jù)傳輸協(xié)議和時間，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：設備標志；ccc：數(shù)據(jù)內容標志；ddd：數(shù)據(jù)；*：校驗和標志；hh為校驗和（check sum），$與*之間所有字符ASCII碼的校驗和（異或運算）；：回車和換行，數(shù)據(jù)終止符；,：數(shù)據(jù)間隔符。

常用導航設備標志為：陀螺羅經(jīng)HE，電磁計程儀VW，多普勒計程儀VD，測深儀SD，GPS GP，羅蘭C LC，氣象儀WI等。

2 信號傳輸方式

導航設備信號傳輸分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類。模擬信號傳輸方式包括自整角機、旋轉變壓器、步進電機、各種模擬傳感器等。隨著計算機技術的發(fā)展，導航裝備與外系統(tǒng)通信更多采用數(shù)字信號，傳輸途徑包括串行、并行、脈沖信號和網(wǎng)絡通信等方式，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、SPI總線和非標接口等方式。

2.1 自整角機

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

圖1 力矩式自整角機工作原理圖

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)接口標準。RS-422是一種平衡通信接口，支持點對多的雙向通信，傳輸速率可達10 Mb/s，最大傳輸距離1219 m。它采用差分傳輸方式，使用一對雙絞線，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)送驅動器A、B之間的電壓差為+2～+6V時表示邏輯“1”、為-2～-6V時表示邏輯“0”。在接收端，當A線的電平比B線的電平高200 mV時表示邏輯“1”、低200 mV時表示邏輯“0”。RS-422A電路目前常用MC3487和MC3486芯片。

圖2 RS-422A標準傳輸線連接

2.3 CAN總線

CAN（Controller Area Network）總線是二十世紀八十年代開始發(fā)展起來的現(xiàn)場總線，1993年公布了CAN總線的ISO11898標準。它是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出總線的任何錯誤，有效支持分布式控制或實時控制，是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一。

CAN總線上傳輸?shù)男畔⒎Q作報文，報文以特定組織形式的幀傳輸。幀有兩種不同的標示符格式：含有11位標識符的標準幀和含有29位標識符的擴展幀。CAN2.0A版本使用標準幀，CAN2.0B版本可使用標準幀和擴展幀。報文有4種類型的幀：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。數(shù)據(jù)幀由幀起始（SOF）、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、應答域和幀結尾（EFO）組成，數(shù)據(jù)域的長度為0-8個字節(jié)，每個字節(jié)包含8個數(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，從真北起順時針0°～360°。

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

2)航向數(shù)字信號。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、無校驗位、停止位1bit（后面文中使用RS-422A接口除非單獨指出的參數(shù)，其它參數(shù)相同）。

報文內容：

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

3)CAN總線接航向數(shù)據(jù)傳輸。有些平臺羅經(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，設備ID為0x01（平臺羅經(jīng)），波特率為250kbps，數(shù)據(jù)幀的格式及內容定義見表1。

表1 航向數(shù)據(jù)幀的格式及內容定義

3.2 航速/航程

1)航速模擬信號。一種方式是采用自整角機傳輸，55節(jié)/轉（或240Kn/r），自整角機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，計程儀航速信號經(jīng)過數(shù)字-自整角機轉換器，輸出三線三相自整角機信號，或者經(jīng)過數(shù)字-旋轉變壓器轉換器，輸出兩相正、余弦變壓器信號。

2)航速WCV語句。有些計程儀提供數(shù)字信號發(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，報文內容為：

$VMWCV,vv.vv,s*hh。其中，VM：電磁計程儀標志；WCV（Waypoint Closure Velocity）：數(shù)據(jù)內容標志；vv.vv：艦船對水速度，Kn；s：P為正，N為負。

3)CAN總線航速數(shù)據(jù)傳輸?？偩€接口模式：PeliCAN，CAN2.0B；設備ID：0x03；波特率：125kbps。報文編號為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。每海里輸出200個脈沖（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。

3.3 位置

船舶位置信息一般由GPS/GLONASS、北斗接收機接收衛(wèi)星信號或羅蘭C接收臺鏈的信號計算而得，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)內容標志；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、縱軸轉動的角度。該信息一般由平臺羅經(jīng)、慣導提供。對外傳輸方式為：通過固態(tài)發(fā)送/自整角機發(fā)送60 Hz或400 Hz 180°/r縱搖角、橫搖角模擬信號；通過RS-422A發(fā)送數(shù)字信號，數(shù)據(jù)格式為二進制補碼，橫搖角數(shù)據(jù)為兩個字節(jié)，最高權位b10，權值22.5°，范圍±45°（<0.02°），b15為符號位（0為正、1為負），縱搖角數(shù)據(jù)為兩個字節(jié)，最高權位b10，權值11.25°，范圍±20°（<0.01°），b15為符號位（0為正、1為負）；通過CAN總線傳輸，設備ID為0x01，波特率為250kbps，報文編號為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，報文內容如下[8]：

$SDDPT, xxxxx.x*hh。其中，DPT：數(shù)據(jù)內容標志；xxxxx.x：海深，m。

2)CAN總線接口傳輸。設備ID為0×40，波特率為250kbps或125kbps，報文編號為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)內容標志，xx.x為風向，R=“R”代表相對值、R=“T”代表真風，yyy.y為風速，M為風速單位（值為“K”、“N”、“M”、“S”，分別表示km/s、knots、m/s、mph）。

4 結束語

導航信息是艦船的基礎性信息。本文從導航信息的種類、作用、來源、交互方式、內容、格式、接口協(xié)議等方面對現(xiàn)有導航設備信息交互技術分別進行了闡述和分析。隨著科學技術的發(fā)展，信息化是艦船系統(tǒng)發(fā)展方向，導航設備正朝一體化、信息化、網(wǎng)絡化、智能化方面發(fā)展，導航信息的準確性、實時性、標準化等要求進一步提高，其信息交互及共享將更加標準化、網(wǎng)絡化、規(guī)范化，可靠性、實用性增強，在艦船系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

[1] 中國國家標準化管理委員會. GB/T 4301-2008船用電磁計程儀[S]. 北京: 中國標準出版社, 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計[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2005, 28(13): 67-69, 73.

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

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

[6] 周偉, 程曉紅. CAN與RS232轉換節(jié)點的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程, 2008, 34(19): 256-257,268.

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

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