美军舰载导航系统研究

訾兰

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

导航传感器系统接口（NAVSSI）是美军舰载导航系统的核心部件，该部件通过采集不同舰载导航传感器信息，进行时空配准和综合处理，从而提供高可靠、高精度的位置、姿态、速度、时间等信息，并实时按需分发，以满足舰艇导航和作战信息需求。

为形成舰队统一的导航数据发送，1991年2月由美国空海作战系统司令部着手实施NAVSSI。截至目前，NAVSSI经历了从Block0到Block4五个阶段的发展，采用开放式架构设计。

NAVSSI基本组成包括实时子系统（RTS）、显示控制子系统(DCS)及远程工作站（NRS）。

实时子系统（RTS）负责收集、处理及分发PNT数据，处理采用导航数据源综合（NSI）算法将GPS与惯性传感器数据综合。

显示控制子系统（DCS）通过局域网与实时子系统进行通信，为实时子系统提供操作人员接口，提供电子海图和雷达接口。显示控制子系统（DCS）能实时显示导航传感器信息，并控制实时子系统。

远程工作站（NRS）是操作人员的远程显示器，为舰桥及其他舱室人员提供远程控制与显示能力。

NAVSSI数据流程图如图1所示，主要包括接收导航数据源数据、数据检查、数据处理、数据输出等。

1 NAVSSI主要导航数据源

美海军舰艇主要导航数据源包括惯性导航系统、多普勒计程仪、卫星导航系统、回声探深仪、电磁计程仪、罗经、风速仪及时间数据等。NAVSSI主要导航数据源如表1所示。

图1 NAVSSI数据流程图

表1 NAVSSI主要导航数据源

2 输入数据完整性检查

NAVSSI持续监视导航数据源的输入数据，确保其完整性。完整性检查主要是确保通过物理介质NAVSSI连接数据源。NAVSSI能提供导航数据有效性监控，包括对每个位置数据源误差特性的持续监控，如果数据源误差特性持续超过一定数值，该数据即被认为无效，导航数据源综合（NSI）算法将不采用该数据，并向操作人员发出可视警告。

3 NAVSSI数据输出

NAVSSI通过导航数据源综合（NSI）算法综合GPS和惯性导航系统（INS）数据，提供高精度、鲁棒性好的位置及速度解决方案。NSI算法考虑了各导航传感器的误差特性，以满足舰船各系统对导航数据的精度需求。

实时子系统（RTS）收到最优速度数据即更新位置估计。收到GPS更新的位置数据，RTS就综合多达两个卫星接收机和最优惯性导航系统的位置数据（最优惯性导航系统是指随时间输出位置信息最接近于GPS的惯性导航系统），通过对最优惯性导航系统与GPS的速度误差进行滤波计算速度值，惯性导航系统速度数据用估计的速度误差进行修正。当仅有惯性导航系统数据可用时，NAVSSI将保持为惯性导航系统精度。

位置数据由综合计算一个或两个卫星接收机与一个或两个惯性导航系统数据得到。综合的位置数据利用最优的惯性导航系统数据以插值的方式推算得出，该方法能为用户提供准确的位置信息。导航数据源综合算法使得NAVSSI可以在正常工作条件下提供12m精度范围内的经纬度参考位置（两维，1ω），其精度要高于惯性导航系统精度。

角度及角速度值取自最优惯性导航系统，无需计算。如惯性导航系统失效，角度值被标记为无效。当RTS接收到新的角度数据，将对新数据进行多项式匹配，这种匹配将用于推算姿态数据并根据最新的惯性导航系统姿态数据时间点计算姿态变化率信息。利用这种匹配方式及外推算法，NAVSSI能保证姿态数据的精度。

导航数据源综合算法基于可用传感器误差特性估计，保障NAVSSI输出数据的精度，按用户系统的需求分发送数据信息。对于不同精度需求的用户，可采用设定不同数据的有效位数来实现。

由于GPS战时易受干扰，无法满足舰艇对可靠精确时间的需求，NAVSSI提供了一种精确授时装置（PTU）。该装置包括频率调整模块（FDM）、铷振荡器以及缓冲输出设备。一旦估计的时间误差超过100ns，精确授时装置将进入工作模式，并利用铷振荡器来保持时间精度。

表2给出了NAVSSI输出导航数据的部分舰艇典型系统用户及精度要求。

表2 NAVSSI输出导航数据部分典型系统用户

4 信息安全

NAVSSI起初是一套独立的系统，其子系统通过内部局域网连接，实时子系统通过外部点对点接口与传感器及用户连接。这种独立配置不存在信息安全问题，但是随着接口数量增长，将与其他网络用户交叉，因此需要考虑信息安全问题。

PNT数据无需转发，也无需双向通信。因此NAVSSI向非密舰船广域网单向多点传输数据，而不需要接收任何数据，通过硬件实现安全的单向光纤输出数据，以确保NAVSSI不受任何来自非密舰广域网的访问。

当需要向涉密舰船广域网提供导航信息时，能确保涉密数据不会进入NAVSSI，但作为非密系统，向涉密的舰载广域网提供PNT数据时，将产生非计划的跨界传输问题。涉密舰船广域网的风险可能来自与NAVSSI连接的非密系统，如果该非密系统能通过单向通信路径访问涉密广域网，就可能植入病毒或恶意代码。因此，涉密舰船广域网与NAVSSI实时子系统连接时，实时子系统不提供任何转移、传输数据权限，以及对其他接口产生数据通道的权限。实时子系统包括一种独立的可执行程序，嵌入子系统硬件中，无法进行修改，或运行其他程序，实时子系统没有外围存储设备和分配内存权限，这就消除了产生跨界通信的可能性。

5 结语

NAVSSI是目前美国海军水面舰艇广泛采用的定位、导航与授时方案，将舰艇编队内PNT数据完全统一，为编队航行与作战的提供重要信息基础保障。

[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,郭隆华.美国海军航母及编队导航系统分析[J].舰船科学技术,2012,34(8)：131-136