艦船導航系統架構發展概述

廖成毅 楊 穎 王能軍

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

伴隨著人類航海活動的發展，船舶導航學科也經歷了由古代的太陽/北極星天文導航、路標定位、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，現代先進的無線電、衛星、慣性等導航技術的發展歷程［1］。技術的進步緣于航海作業任務需求的不斷提高，人類最初的航行任務為航渡、遠洋探險等，逐漸發展為海洋測量、遠洋科考、軍事活動等多種作業使命任務，為此航海作業對保障系統要求越來越高，隨之而來的是導航參數種類的多樣化、多元化、復雜化，導航也由單一設備導航發展為多元設備信息融合導航。

任務系統對導航參數需求的變化直接影響了導航系統架構設計。船舶各系統以及分系統內部信息交互的信息量越來越大，信息傳輸實時性要求越來越高，促使信息傳輸技術取得了很大的發展。導航系統作為艦船平臺系統和其他任務系統的時空基準信息的唯一來源，設計高可靠性、安全性、實時性的導航系統架構，對于保障艦船航行安全并完成艦船的使命任務，具有重要的意義。

1 主要架構及優缺點分析

導航裝備體系建設與發展，推動著船舶導航設備由單一化向多元化方向發展。設備的增多進一步促使船舶導航朝著體系化方向發展，主流船舶導航系統架構主要經歷了星型串口結構、CAN總線結構、以太網結構三個階段。為了更好地發揮保障系統的功能，導航系統架構的設計成為總體頂層設計時需重點考慮的問題之一。

1.1 單機單控模式

串口通信指設備之間通過數據信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數據的一種通訊方式，其最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗，由于其異步傳輸特性，即可在使用一根線發送數據的同時，用另一根線接收數據。此種通信方式原理較簡單，能夠實現遠距離通信，長度可達1 200 m。目前常用的有RS422和RS485兩種協議。

對于早期設計船舶（諸如水船、柴油船、登陸艇等），一方面受制于導航裝備本身的技術水平，設備僅能提供位置、速度、水深、航向等基本航海信息，另一方面，船舶本身任務使命的單一性，使得任務系統對保障設備即導航系統需求并不高。這類船舶導航系統設計具有兩個特點：一是系統內設備之間無需進行信息數據融合處理，除了電子海圖需要位置等信息進行相關計算外，其他設備間幾乎沒有數據通信需求；二是外部系統與導航系統之間幾乎不發生信息交互。

1.2 串口數據架構

嚴格來說，上述船舶導航設施設計時，并未進行系統結構體系化設計，還不能稱之為系統。國產某型登陸艦、鋪纜船等開始從系統結構體系的角度出發來進行船舶導航系統設計，主要結構如圖1所示。

圖1 導航系統星型架構示意圖（串口）

圖1所示星型結構的導航系統主要工作原理為：導航設備采集位置、航向、航速等數據，通過串口接口傳輸至導航信息顯示處理設備，并進行實時數據融合處理，再根據外部用戶需求，直接由綜合導航顯控臺提供對外串口。該結構已經初步實現了導航信息的實時數據融合處理、集中顯示以及統一分發的結構形式。這種結構的優點在于經綜合導航顯控臺處理后的導航信息為全船統一的基準信息，并可在一定程度上避免單一設備串口輸出數量限制。

通過串口這種直連方式進行數據傳輸，信源信宿關系清晰，只需要設備兩兩間接口協議協調一致即可；另外，其具有容易展開故障排查工作，在設備具備富余輸出串口時外部擴展用戶牽連工程小等優點，但是這種通信方式的缺點也顯而易見：設備主板硬件的串口數量有限，而串口擴容容易引起信號衰減，即串口可擴展性較差；當設備較多、信息需求增加時，設備兩兩間連線會相應增多，從而造成電纜走線布局復雜等情況，星型系統結構仍然存在這些問題。從圖1可以看出，導航設備間的信息交互以及下游設備（復示器等）的導航信息接收都嚴重依賴于導航信息顯示處理設備，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僅適用于導航系統內部、外部信息交互較少的船舶。

1.3 雙冗余CAN總線數據架構

CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡，能夠實現全分布式多機系統，可以點對點，一點對多點以及全局廣播集中方式發送和接收數據［2-3］。總線通過總線訪問、仲裁、編碼/解碼、出錯標注、超載標注5條規則進行通訊協調，具備速度快、可靠性高、可擴展等一系列優點，其基于無破壞性仲裁機制，保證了總線能以最高優先權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據鏈路層，協議分層結構如圖 2所示［4］。

圖2 CAN協議分層結構示意

由于CAN總線數據傳輸的實時性和可靠性，CAN總線架構廣泛應用于工業自動化、消防監控等領域，其中較為典型的應用為汽車和高鐵的數據通訊。船舶系統局域網應用CAN總線技術起步較晚，某型救援船首次將該總線技術成功的應用于導航系統設計：采用雙冗余CAN總線架構設計思路，將全船所有導航設備采集導航信息接入CAN總線（局域網），經綜合導航信息處理設備進行多源數據融合、信息擇源處理等形成統一導航信息，并完成對外用戶信息分發工作，最終形成了導航信息的分層采集、集中處理、統一分發的體系。

除實時性和可靠性外，采用CAN總線設計的導航系統的特點具體為：

（1）總線網絡采用單總線多主模式，總線的仲裁機制可以按照優先級對報文進行無損的排序發送，各個接入總線設備可隨時向CAN總線發送信息和獲取信息，從而保證系統的可靠性和實時性，相比于圖1串口結構，提高了導航設備間信息交互可靠性；

（2）由于導航參數諸如位置、姿態等均由多個設備提供（包含經綜合導航顯控臺設備數據融合處理后的信息），需根據同類參數不同設備的精度、可靠性等明確信息優先級，用戶設備（僅限導航系統）則從優先級最高的信息進行數據接收；

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

（3）采用雙冗余CAN總線方法目的在于實現總線熱備份，即系統運行時，兩路CAN總線同時運行，一主一輔，通過配備切換控制器，實現主系統、輔系統實時切換。

雙冗余CAN總線數據架構見圖3。

圖3 雙冗余CAN總線數據架構示意圖

此外，相比于圖1串口數據架構模式，基于雙冗余CAN總線數據架構設計的導航系統有效解決了導航設備間信息交互的可靠性問題，但是外部用戶設備仍然需從導航信息顯示處理設備接收導航信息，要求該設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總線和以太網多層數據架構

隨著航海作業的任務多樣化，平臺系統、任務系統、作戰系統等對導航參數種類的需求增多，除了常規航海信息外，還主要包括有航海作業信息、導航雷達信息、氣象水文環境要素信息等。這些數據較突出的特點是數據量大（單報文字節數≥100）、數據更新率較慢（≤1 Hz）。考慮到CAN總線上任意兩個節點之間的最大傳輸距離與位速率有關［4］（見表1），而新研船舶由于噸位大，傳感器設備布置距離較遠，受數據報文長度和CAN總線長度影響，大流量數據會嚴重影響數據傳輸的實時性和穩定性，因此單純的CAN總線架構已無法滿足使用需求。

圖4 多級網絡數據共享架構示意圖

表1 CAN總線兩節點之間的最大距離

以太網在自動化控制中的快速發展，促進了現場總線網絡與以太網的緊密結合。為解決上述大數據量、弱實時性信息的交互問題，某新型驅逐艦、補給船采用了多級網絡數據共享的技術設計導航系統架構，以信息處理流程為依據將導航系統結構劃分為傳感器層、信息采集處理層、信息應用層及信息服務層四個層次，參照結構示意見圖4。信息關系可簡單描述為：由雙冗余CAN總線的信息采集處理層完成導航系統內部實施信息的采集、共享；信息共享服務設備組成的信息服務層，一方面實現了導航系統內部局域網功能，完成大數據量信息的交互，另一方面可通過主干信息網向全船用戶提供包含大數據量信息的全量導航信息。

多級網絡數據共享的架構原理為：采集的導航信息由導航信息顯示處理設備進行數據融合處理，并通過CAN總線發送至信息分發發送設備，對于具有強實時性信息需求的外部用戶，則統一由該設備以串口、模擬口形式一對一發送，對于具有弱實時性信息需求的外部用戶，則統一由信息共享服務設備向全船主干信息網以組播形式發送；對于可靠性要求較高的用戶則同時采用串口和以太網兩種方式獲取導航信息，即從信息獲取方式上進行冗余性設計。相較于圖3，多級網絡數據共享形式有效解決了信息采集交互過程中高實時與大容量間的矛盾。

1.5 單層以太網數據架構

雖然CAN總線具備有其獨特的優點，但是由于船舶平臺本身屬性即船體較大、設備分艙布置、設備數量較多，造成了基于CAN總線架構的船舶導航系統具有CAN總線長、節點多的特點，使得在調試過程中經常出現CAN總線癱瘓現象，而各設備廠家采用CAN卡型號不一致，設計負載驅動的電路、采用的觸發機制等不一致，這種設備本身硬件原因對排故帶來一定難度，這些問題都需要耗費大量的人力物力去進行調試解決，同時船舶行業通常不會出現大批量復造的情況，而不同船型可能會出現不同問題，因此從經濟角度出發，CAN總線數據架構并不適合船舶導航系統設計。

從共享到交換、從半雙工到全雙工、從10 Mbps到10 Gbps，以太網技術的發展越來越成熟，其高效、低成本和兼容性的優點，使得以太網在進行系統局域網設計中逐漸處于主導地位。近幾年新設計的艦船導航系統主要采用基于雙冗余以太網的單層網絡架構形式，同樣可劃分為傳感器層、信息采集處理層、信息應用層及信息服務層四個層次。信息采集處理層采用雙冗余以太網實現導航參數的采集與內部交互，并對獲取的各類信息進行融合優化，在導航信息顯示處理設備上實現主要導航參數、信息通道及設備狀態的集中顯示；信息應用層主要完成導航信息的綜合運用，實現海圖標繪等航海作業功能；信息服務層包括信息分發備及信息共享服務設備，可為各平臺、任務系統提供融合處理后的綜合導航信息、實時艦艇運動參數信息等。結構示意圖見圖5。

圖5 以太網數據架構示意圖

目前國內已有幾型新研船舶采用了基于雙冗余以太網技術的單層系統架構來設計船舶導航系統，根據當前實船驗證情況，導航系統運行穩定可靠，這種架構設計在可用性、可靠性、開放性、以及可擴展能力等方面已基本滿足艦艇信息化發展的需求。

2 結 語

美國海軍DDG 1000驅逐艦采用全艦公共計算環境（TSCE），代表了當前艦船信息系統高度集成技術的最先進水平［7］。作為作戰系統下的二級系統，導航系統可充分利用公共計算環境技術，將導航設備硬件和軟件分離，進行軟件、硬件模塊化以及構件化和服務化，采用面向服務架構實現導航系統軟件集成，從而進一步提升系統的高度集成優化水平，使得導航系統具有更好的自適應性和高可用性。

另外，云計算和互聯網通信技術的發展引發了信息化領域翻天覆地的變化。船舶行業目前研究較多的為動態監控系統［8］、貨運遠程管理［9］、航運信息服務等方向，為實現岸-海一體化目標，船舶導航系統（時空基準信息系統）可通過云計算技術實現岸基信息遠程保障、船舶導航系統狀態遠程監控、臨近海域內船舶導航信息資源共享等功能。在未來進行船舶導航系統設計工作時，需要結合相關技術的成熟應用、船舶導航體系建設情況展開，從而提升導航系統信息保障能力。

在信息化技術飛速發展的大環境下，作為船舶時空基準信息的保障系統，導航系統的接口信息已逐漸由信號級發展到數據級，再到元數據級，其接口設計也由點對點物理連接發展到網絡物理連接，再到邏輯的數據集成總線連接。為了更好地保障船舶航行安全、保證使命任務的完成，進行系統設計時，應當從海上任務體系規劃入手，以滿足新形勢下船舶的使命任務為目標，結合需求，設計面向服務的導航系統，增強總體頂層設計和集成能力，綜合考慮全艦公共計算環境以及云計算等先進技術，設計可靠性高、實時性強且能滿足船舶多樣化任務系統的信息保障需求導航系統架構。