奈伏泰斯（NAVTAX）系统及其信号分析综述

张 杰，袁冰清

（国家无线电监测中心上海监测站，上海 201419）

0 引言

东风潮涨，春光浩荡；南海之滨，满帆启航，自贸港建设蓬勃展开，海南改革开放不断创新局。为了实现第七航权试点开放、安全开辟海上丝绸之路，由广州通信中心承担南海海区包括广东、广西、海南三省的NAVTEX（奈伏泰斯）安全信息统一播发值守工作。

1 NAVTEX系统简介

NAVTEX系统主要用于向船舶发布导航、气象警告以及其他紧急信息，保证船舶航行安全，是全球海上遇险和安全系统的重要组成部分。它由标准中频频率518kHz发送无线电电传安全信息的海岸电台组成，通常选择分组分时工作，每隔四小时发送信息一次，每次发送时长小于等于10分钟。

NAVTEX是一种国际自动直接打印服务，采用英文播发向船舶发布信息，但为满足当地政府需求，也可采用除英语外的其他语言播发。全球水域划分为16个航行警告区，每个航行警告区按其覆盖的范围可设若干个NAVTEX岸台，最多可设24个岸台，分为4组，每组6个。NAVTEX岸台台以英文字母A～X进行编号，构成NAVTEX台链。而我国拥有6个NAVTEX台站，分别是大连R、福州O、上海Q、广州N、三亚M、中国香港L，台站覆盖范围均在250海里左右。国际电信联盟为此专门划分了频率，即518kHz、490kHz和4209.5kHz。

2 NAVTEX系统构成及特性

NAV T EX系统由信息提供和协调部门、NAVTEX发射台和NAVTEX接收机三部分构成，如图1所示。信息提供和协调部门主要向船舶播发海上安全信息（MSI）并进行相应的协调工作。其中，海上安全信息主要包括航行警告、遇险及搜救信息、气象及冰况信息，这些安全信息经协调一致后再送NAVTEX发射台发送。NAVTEX发射台由若干个岸基台链组成，在规定频率上定时播发MSI。

图1 NAVTAX系统构成

NAVTEX接收机用来自动接收、选择、存储并打印发射台播发的有关信息，其接收机的基本组成如图2所示。

图2 NAVTEX接收机的基本组成

3 NAVTEX报文格式

每段NAVTEX信息的播发包含四个字符的报头：第一个字符表示电台识别号；第二个字符表示信息内容或种类；第三个和第四个数字符表示信息的序列号。因此，报头使船舶接收机的微处理器从众多信息中筛选出那些只与本船相关的电台信息、本船所需种类的信息和本船先前未收到的信息，而所有其他信息都被抑制。NAVTEX电文格式如表1所示。

表1 NAVTEX电文格式

（1）定相信号：同步NAVTEX发射台与接收机，确保船舶接收到的电文信息与发射台的一致。

（2）起始标志：ZCZC，表示上一份NAVTEX电文在该符号之前已结束，新电文内容从此处开始。只有当接收机正确识别ZCZC后，才能接收到正确的电文并打印出来。

（3）技术编码（报头编码）B1B2B3B4，说明信息来源及种类。其中：

B1：发射台标识。当船舶正在某一海域中航行，或者即将行驶至某一海域时，可以选择覆盖该海域的NAVTEX发射台。

B2：信息类型识别（A～Z），表示报文种类。A：航行警告（不可拒收），B：气象警告（不可拒收）；C：冰况报告；D：搜救信息（不可拒收）；E：气象预报；F：引航信息；L：由于航警信息较多，有效期较长，为防止在某个时间段出现代码枯竭，当航警报文编号超过99时，使用字母L可继续从01编号开始（不可拒收）；Z：QRU（目前无信息）

B3B4：双位电文编号。对每一类报文的编号，从01～99，然后再从01开始。其中：重要的紧急报文，比如船舶遇险电文或属于有关人命安全的重要通知等，可以使用00编号，而00编号的电文要求强制接收，不可拒收。

（4）TIME OF ORIGIN：电文始发的时间。

（5）MESSAGE TEXT：电文的正文。

（6）NNNN：一份电文的终止符号。当终止符有接收不完整时，例如接收少于四个N时，电文需重新接收。

在接收电文时，当B1B2丢失或误码率超过了33%，接收到的NAVTEX电文不予打印。以下举例一份NAVTEX电文，供参考：

ZCZC QB53

SHANGHAI COAST RADIO STATION

2021/6/28 16：25：40

CLASS：ROUTINE

NAV IGAT IONA L WA R N I NG QR72 TO ALL STATIONS

XE0022 FROM NORTH YELLOW SEA TO SOUTH CHINA SEA FROM

1 8 0 8 0 0 U T C J U N T O 1 5 1 8 0 0 U T C J U L T WO T UGS H A I YA NGSH I YOU708

HAIYANGSHIYOU698

A N D H UA H U TOW I NG PL AT FOR M LI NGSH U I17-2 LENGT H OV ER A LL 80 0 METERS SPEED

4 KNOTS VIA （A） （38-36-14N/121-27-55E） （B）（38-36-41N/121-28-32E） （C） （38-41-42N/121-29-32E）

DALIAN MSA CHINA

NNNN

4 NAVTEX信号解调算法

现有的NAVTAX接收机基本采用了软件无线电的设计理念，基本实现了数字滤波、快速解调、接收机自检等功能。同时，通过改进信号解调算法，从而可以改进、优化整个接收机系统。目前较为成熟的NAVTAX信号解调算法主要有正交延时解调算法（差分滤波法）和STFT（Short2time Fourier transform）方法。

4.1 正交延时解调算法

通常把FSK信号S（t）经过τ的延时得S（t-τ）后，再与原信号相乘，得到：

令τ满足wc•τ =π ⁄2，可得到：

在NAVTEX系统中，δw为85 Hz，其数值远小于wc，因此可以得出δw•τ≤wc•τ =π ⁄ 2。通过Ss（t）的符号判断当前码元符号：如果Ss（t）的符号为负，则表明发送频率为wc-δw；Ss（t）的符号为正，则表明发送频率为wc+δw，继而得到码元符号。

滤波器的差分方程为：

小数倍延时τ定义为

式中，w=2πf为归一化角频率，f=fc⁄fs，fc为载波频率，fs为采样频率。

4.2 STFT解调算法

STFT解调算法主要是采取对输入序列增加移动窗后进行DFT变换，从而把输入信号转换到离散化的时频平面上（nT，kF）上，如此就能反映某时间节点上的频率分布情况。

假设输入序列为x（n），那么其STFT变换为：

式中，w（r）为分析窗函数；N为窗宽度；f1代表数据0的信号频率；f2代表数据1的信号频率；fs为采样频率，那频率点得到幅度值为：

当某个码元时刻频率为f1时X（K1）应为最大，反之则X（K2）为最大。选用处于载波频点附近的最大峰值判断，具体如式（9）所示，当K1（r）>K2（r），判为0；否则为1。其中，2ι为搜索带宽，r为第个码元。

当移动窗取在一个完整的频率为f1（或f2）的码元，则K1（r）会大于K2（r）（或K2（r）大于K1（r）；如果当移动窗的位置选取在两个不同极性码元交界处，由于同时具备f1和f2的频率成分，所以K1（r）和K2（r）的大小会比较接近。

5 NAVTEX信号监测

NAVTEX电文播报采用的是窄带直接印字电报（NBDP）技术，其调制方式采用了二进制频移键控（2FSK），调制信号频移为±85 Hz，调制速率为100波特，即微波1秒内发射100个码元，每个码元发射时长为10 ms。以518 kHz频率为例，那么NAVTAX信号频率为518 kHz±85 Hz。其中，518.085 kHz信号代表码元“B”，517.915 kHz信号代表码元“Y”。当解调出一个码元之后，需要按照特定的编码方式对码元进行解码运算，得到相应的NAVTAX信息，即NAVTAX报文。NAVTAX采用4B3Y的编码方式，即7个码元代表一个字符。

图3 信号瀑布图

利用专用的信号分析软件（如Wavecom公司的WPCI），可对NAVTEX信号的调制方式、载波数、载波间隔及波特率等参数进行分析，同时还可以进行解码，解读出报文内容。

图4 信号类别分析

图5 频移键控调制分析

图6 解码图

6 结束语

如今NAVTEX系统在客船、渔船以及其他小型船舶上得到广泛使用，作为海上安全信息发布平台，为船舶航行提供了通信保障。同时随着NAVTEX岸基设备的建设与改造，升级了中文NAVTEX广播系统，推广中文NAVTEX的应用，提高了中英文海上安全信息的实效性，而随着移动通信需求的日渐增大，NAVTEX将扩展越来越多的功能。本文主要对NAVTEX系统、相关信号特征进行了简要阐述，做好相关监测的技术储备。