船舶通信导航技术及发展趋势*

王　玲　张彬祥

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所　武汉　430205)



船舶通信导航技术及发展趋势*

王玲张彬祥

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所武汉430205)

摘要船舶通信是指以船舶为承载平台、以水上航行为使用环境、以服务于船舶使命任务的达成为目的、综合采用各种通信手段构建的通信系统的总称。船舶导航是指通过航位推算、无线电信号、惯性解算、地图匹配、卫星定位及多种方式组合运用,确定船舶的动态状态和位置等参数的综合技术。论文对船舶通信导航技术进行了研究,并对其现状及发展趋势进行了探讨。

关键词船舶通信; 船舶导航; 通导系统

Development Trend of Marine Communication and Navigation Technology

WANG LingZHANG Binxiang

(No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan430205)

AbstractMarine communication is the communication system based on the platform of ship and the environment of water sailing, for the purpose of serving the mission of the ship and using a variety of communication means. Marine navigation is the integrated technology of determining the dynamic status, location of ships and other parameters through dead reckoning, radio signals, inertia solver, map matching, satellite positioning and the combination of various ways. In this paper, marine communication and navigation technology are studied and discussed, meanwhile, the developing trend is discussed.

Key Wordsmarine communication, marine navigation, communication and navigation system

Class NumberU675.72

1船舶通信技术

1.1通信技术概述

通信技术是指运用各种通信手段,实现对信息的采集、处理、传输、交换与重现的技术。通信技术复杂多样,可以按多种方式分类,比如按传输手段可分为有线通信、无线通信和简单手段通信,有线通信又包括普通线缆(包括同轴电缆)通信和光纤通信,无线通信又包括电磁通信、声通信和光通信等;电磁通信按频段划分又可分为低频、中频、高频和超高频通信,按波长划分又可分为长波、中波、短波、超短波和微波通信等;按承载业务可分为语音、数据、图像、视频通信;按传输带宽度量可分为窄带通信、宽带通信和超宽带通信;按承载平台可分为固定台站通信和移动通信,其中,移动通信又可分为手持个人通信、车载通信、飞机通信、船舶通信、卫星通信,本文重点介绍船舶通信。

1.2船舶通信的技术内涵

船舶通信是指以船舶为承载平台、以水上航行为使用环境、以服务于船舶使命任务的达成为目的、综合采用各种通信手段构建的通信系统的总称。

与内陆通信不同,船舶通信、特别是海洋船舶通信主要具有如下特点:

1) 对外联络只能依靠无线通信,要实现远距离通信、甚至全球通信,只能依靠卫星和短波;

2) 通信频段覆盖面宽,设备多,系统复杂,限于安装、使用环境,所有设备、天线必须高度集成;

3) 无固定基础设施依托,内部通信与外部通信、通信与导航均自成一体。

海军舰船通信为海上舰船遂行各种作战任务提供信息传输保障,为指挥控制、协同作战提供信息传输通道,是最典型、最复杂的船舶通信。海军舰船通信通过在平台内部构建基于光纤的、多业务承载的宽带传输网,将全舰电话、数据终端、计算机与各频段通信信道设备集成一起进行优化设计,用于提高平台内部通信与外部通信集成化程度与多业务传输保障能力,提升水面舰艇通信系统自动化管理与控制水平。

早在20世纪50年代,西方国家海军就在水面舰艇上引进了内、外部通信等集成设计技术,到80年代后期,随着计算机及其辅助设计方法的出现,以美国为代表的海军提出了水面舰艇外部与内部通信一体化设计思路,即综合通信系统(ICS),并在一系列的“宙斯盾”巡洋舰、驱逐舰上展开了系统集成与工程实施。20世纪60~70年代中后期,我国水面舰艇通信系统设计基本上采用“单机单控”模式来构建通信“系统”。内部通信与外部通信采用分离的设计方法,业务承载能力单一,通信资源管理与控制水平相对较低;80年代末期至90年代中后期,海军在新型水面舰船平台上实现了内部与外部通信设备或分系统集成化设计,形成了我国第一代综合通信系统设计技术;进入本世纪,针对水面舰船天线布置与优化设计及平台内部通信与外部通信综合传输需要,开始大量采用计算机辅助设计及集成优化设计技术,并对平台的通信设备或分系统进行了更加合理配置与功能集成设计,进一步提升了系统的综合信息传输与承载、通信资源管理与控制、天线布置与射频多功能集成等技术水平。

1.3船舶通信发展现状

1) 军用舰船通信系统发展现状

航母通信系统的构成最为复杂、也最能代表舰船通信的发展水平。

美国是当今世界上现役航母最多的国家,“福特”级是美军正在建造的最新型的航母。该型航母采用最先进的C4ISR(指挥、控制、通信、计算机与情报、监视、侦察)系统技术,完全遵循美海军FORCEnet体系结构参考模型,能更全面地支持美军的网络中心战,作为GIG(全球信息栅格)的一个重要节点,可与其它舰船、飞机、岸基指挥所、其它军兵种和美国盟军等实现“互联、互通、互操作”,使各种雷达设施、通信系统、指控系统、武器系统之间的信息传输更快捷,作战程序更简便,打击威力更强劲。

福特航母通信系统采用了完备的开放式体系架构,全系统分为无线传送、系统控制与管理组件、网络基础设施、应用、信息保障(IA)5大组件。除极个别传统系统(如数据链)外,各大组件之间采用标准接口,单个组件可与多个组件和系统集成,组件的替换、系统的更新和升级不影响系统其它部分。

2) 民用船舶通信系统发展现状

相比于军用舰船通信系统,民用船舶通信系统的职能不同,但核心技术基本类似,一般也是通过宽带基础网络,将不同职能的业务网络、终端进行一体化链接,其体系结构也在朝开放式、模块化、可组合化的方向发展。

船舶内部设备通过网络与对外通信设备相连,借助于数据传输、电子邮件等各种通信手段,实现全球范围内岸上监控系统(如港口船舶管理系统)与船舶以及船舶之间的通信,进行各种信息交流、咨询、设备维护、故障诊断、资料查阅、备件查询、船舶管理等业务活动,从而最大程度地提高航行安全性、可靠性和经济性。

一体化网络是船舶的信息基础设施,为船舶各分系统提供全面的信息交换环境,主要包括:IP网络系统(包括骨干网络和接入网络)、IP语音和IP视频系统、CTI服务(包括软交换呼叫处理、语音识别与合成等)和船舶控制自动化网络等。船舶一体化网络基础设施的概念模型结构由四个层次组成,下一层为上一层提供支持和服务。最上层是应用层,包括各种数据、视频、语音信息的应用系统,如测控应用、日常管理应用、调度电话等。第二层是网络服务层,主要包括由基本信息服务和其他如网络操作系统等组成的服务支撑环境。该层提供语音、数据和视频三大类基本信息服务,如语音传输、CTI、基本网络、数据访问、内容和分布式系统等服务,是直接面向应用系统的信息服务层。第三层是协议层,主要由IP通信协议平台和ITU等通信协议组成。IP通信协议平台特性包括IPV4/V6版本、IP服务质量(QoS)、IP多点广播(Multicast)、IP路由和路由的高可用性以及策略路由和流量工程等机制。最底层为网络通信基础设施层,该层提供语音、视频和数据的物理和链路层通信环境,包括有线传输网、RPR(弹性分组环)、以太网、ATM、ISDN/PSTN交换网络、无线通信、卫星通信、工业控制网络等传统网络系统以及用于传统网络与数据网络之间协议转换的网关等。信息基础环境与其邻接的系统管理与运行维护体系层、安全保障体系层、标准化体系层形成一个有机整体,具有结构的相对稳定性和适应性,可以适应未来通信技术、网络技术和应用技术的发展变化,为船舶综合信息系统奠定基础。

2船舶导航技术

2.1导航技术概述

导航技术是指通过航位推算、无线电信号、惯性解算、地图匹配、卫星定位及多种方式组合运用,确定运载体的动态状态和位置等参数的综合技术。导航技术根据方法的不同可分为航位导航、无线电导航、惯性导航、地图匹配、卫星导航及两种及以上方式的组合导航等;导航运载体包括飞机、船舶、汽车等。本文重点介绍船舶导航。

2.2船舶导航技术发展现状

随着船舶导航技术的发展,导航设备不断增多,各学科越来越多的技术成果被引入船舶导航领域,导致系统内规模日益庞大。因此,需要对船舶导航技术进行信息化和自动化的改造和提升,构建一个高度信息化、高度自动化、统一操控的船舶导航平台。综合导航系统由输入传感器及接口、中央处理机、系统控制软件及输出设备构成。

1) 输入传感器及接口:各种传感器只保留其信息源,逐步改造成传感信息头,不再生产整机,取消原来的信息处理、显示及电源单元,相关部分融入系统中。

· 船位:GPS接收机、DGPS、GLONASS、GNSS。

· 航向:由陀螺罗经头提供。

· 航速:由计程头提供。

· 水深:由测深头提供的实时水深数据。

· 无线电导航系统:由LORAN-C、DECCA接入导航数据。

· 气象海况:由FAX头接收气象信息经处理得到的气象数据或经无线接入网络下载的海洋气象数据。

· 风向、风速:由风向、风速仪提供的数据用于计算航迹并显示于控制台。

· 雷达图象及ARPA数据:将接收来自雷达头的原始视频、触发脉冲、天线方位信号送入中央处理机,由后者实现雷达及ARPA的诸功能。

· 引擎数据:主机回转速率与螺旋桨螺距数据,送入中央处理器。

· 通信:卫星C站用于传输ENC改正数据及其他安全业务通信。

· VHF:用于传输AIS信息。

2) 中央处理机:经综合接口接入各传感器数据,在系统软件控制配合下完成各传感器信息数据的处理、管理和控制,并将结果送输出设备。主要处理的内容包括:各种导航数据的组合优化滤波处理;罗航向数据的处理与显示;航速数据的处理与显示;水深数据的处理与显示;雷达信号数据处理完成原来雷达、ARPA、所有功能的有关处理;气象数据的处理与显示;ECDIS数据处理实现系统功能的有关处理;IBS信息处理及实现系统功能(含自动避碰功能)的有关处理;AIS信息处理、收发控制及实现监视功能;VDR所需的数据采集、处理与传送控制。

3) 系统控制软件:辅助中央处理机完成各传感器信息数据的处理、管理和控制。主要包括:

(1)导航信息组合优化处理与管理软件

各种导航仪硬件接口软件:完成数据接收,优化船位滤波处理以获得船位的最佳估计。

雷达数据-PC接口卡软件:完成雷达回波信号相关处理并与电子海图叠加显示。

ARPA功能软件:完成目标自动检测,滤波跟踪,参数计算,碰危判断,报警,试操船及自测试等功能。

(2)航向数据处理与显示软件。

(3)航速数据处理与显示软件。

(4)水深数据处理与显示软件。

(5)ENC显示预处理及改正软件。

(6)电子海图显示功能软件:该软件控制、选择按ECDIS标准所要求的底层显示、标准显示及全信息显示;控制电子海图的缩放、平移、漫游及本船航行到图边界时自动换图;目标信息查询;电子海图显示的图象指向模式及本船运动模式的选择等。

(7)航海功能软件

航路监视:当本船偏航、穿越非安全区、航行到图边界等情况时进行自动判断并发出警告和指示。

航行记录:自动记录航行有关数据,自动生成航海日志,需要时可进行打印。

(8)自动避碰功能软件:用于分析相遇船和本船的态势及本船运动状态、查询知识库并选出避让方案或由推理机将相关数据、信息有机地综合成专家系统,经过学习、推理,自动给出避碰方案。在给出的避让方案中计算船舶数据并执行。

(9)气象、风向、风速信息的接收与处理软件。

(10)自适应数控舵控制软件:用于检测本船三种航行模式(计划航向、修正航向、保持航迹)之一的偏差,计算修正舵角数据,并控制数控舵执行,控制过程具有自适应性质。

(11)机舵引擎数据接收与管理软件。

(12)数据装载及稳性、强度计算软件。

(13)AIS信息处理与控制软件:包括船舶静、动态数据库,对收发信息的处理、管理及控制和基于SOTDMA等技术的通信协议,通讯方式及显示控制等有关软件。将本船信息编码后送VHF发射,将VHF接收的周围相遇船信息解码后存储,本船与其它船舶航行数据等信息送主控台并显示在屏幕上。

(14)VDR信息处理与管理软件。

(15)用户界面软件。

4) 输出设备

(1)PC终端显示:该显示器是ECDIS、INS、IBS、雷达、ARPA等诸多设备显示功能的综合.主要显示的内容有:可选择显示底层、标准和全信息电子海图;本船计划航线,航迹标绘;气象信息(传真图及海洋气象台数据)与电子海图重叠显示;雷达视频与电子海图实时重叠显示;ARPA跟踪目标的动态标绘;基于AIS的本船与周围相遇船自动避碰态势显示;图象指向、航速、航程、预计抵达目的港时间(ETA)、实时水深、风向、风速、货运装载及机舱有关数据的显示。

(2)自适应数控自动舵:由中央处理机输出根据选用的航行模式的偏差而计算得到的修正舵角数据送自适应数控自动舵,并控制其执行。

(3)打印机:将中央处理机输出的舵行有关数据按一定格式、一定时间间隔自动打印、保存。

2.3综合导航系统主要功能

1) 可提供高精度的船位、航向、航速数据及水深、气象与海况等信息。

2) 提供标准电子海图数据库及选择显示底层、标准或全信息电子海图,显示的电子海图可缩放、平移、漫游,当本船船位移动到图边沿时会自动换图。

3) 雷达图象与ARPA信息可与电子海图重叠显示,可测目标到本船的距离、方位及任意两点的方位和距离。

4) 在电子海图上可进行航线设计、修改、存储及航法选择、航迹监控与保持。

5) 具有基于AIS信息的智能自动避碰专家系统与避碰功能。

6) 具有货物装载及船舶稳性、强度计算与显示功能。

3船舶通信导航技术发展趋势

船舶通信导航技术总的发展趋势是以微电子、光电子和计算机等技术为基础,促进通信、导航、计算机以及网络的深度融合,推动建立一体化、智能化的综合通信导航网络。高精度、低成本的惯导部件与宽带、高速的新型通信手段将得到重点推进。

1) 导航系统将向微型化、高精度方向发展

依据产品的一般性要求,各种惯导都会在可靠性、易用性、小型化、轻型化、低功耗、智能化、数字化等各个方面精益求精,最快最稳妥地将各基础领域的研究成果应用到惯导产品的开发中来。美军芯片级原子钟的体积将比传统原子钟缩小100倍,仅15cm3大小,功耗也将降低10倍,精度提高数个数量级。微尺度速率积分陀螺将取代目前惯导装置中的陀螺仪。导航级惯性微陀螺仪未来体积只有1cm3,功耗5mW,角随机游走每小时0.001°,漂移率每小时0.01°。芯片级组合原子导航仪将提供高精度的运动探测能力和快速启动能力,尺寸不超过20cm3,功率不超过1W,其性能远高于现有设备,具备优越的长期稳定性,启动时间大幅提高。

2) 通信网络向宽带化、数字化方向快速发展

一是无线通信向宽带化、数字化快速发展。宽带化、数字化一直是无线通信的发展重点。比如手机,从20世纪80年代的“大哥大”到现在的3G手机,体积越来越小,本事却越来越大,从打电话发展到高速上网、视频聊天,这正是宽带化、数字化带来的好处,下一代移动通信的带宽将更宽,业务将更丰富。

二是光纤通信向高速率、远距离方向快速发展。重点是发展密集波分复用、光交换、新型光纤等技术,实现超高速率、超长中继距离通信。此外,未来随着纳米技术、高温超导技术、光路集成技术的发展成熟,以及生物计算机、量子信息等前沿高新技术的突破和应用,将可能引发现有通信技术格局的重大变革,通信发展也将产生质的、断代式的飞跃。

3) 船舶通信导航网络向一体化、综合化、智能化快速发展

一是推动不同手段、不同网络之间的互联互通、融合集成,实现网络功能综合化、智能化。例如电信网、广播电视网和互联网的“三网融合”,用户只需一条线路,就可以打电话、看电视和上网,还有,近年来新兴的物联网、云计算、大数据、智慧地球等技术,促使网络功能不断拓展深化。为了适应这一发展趋势,要重点发展宽带网络、高速数字接入网、自组织网、智能网和信息安全等技术。

二是将传统的惯导、卫导、天文、无线电、测深、测速、地理等信息单元的信息集合在一起,融合处理成高精度、高可靠、高适应性的导航和控制信息,直接链接到舰船操控环节、船舶监控网、作战指挥网,实现移动通信、导航、组合导航与数据船桥等一体化应用,使得船舶的智能化、灵活性、经济性和生存能力得到根本性的改善。

4结语

本文介绍了船舶通信技术的技术内涵,并对军用舰船通信系统、民用船舶通信系统、船舶导航技术的发展现状进行了研究。最后,本文对船舶通信导航技术的发展趋势进行了探讨,一体化、智能化的综合通信导航网络将成为船舶通信导航技术的发展方向。

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《舰船电子工程》编辑部

中图分类号U675.72

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.005

作者简介:王玲,女,高级工程师,研究方向:船舶通信与导航。

收稿日期:2015年9月3日,修回日期:2015年10月27日