江帆

摘 要：本文從導(dǎo)航信息集成應(yīng)用的視角介紹船舶導(dǎo)航設(shè)備從單一設(shè)備向集成應(yīng)用及接口標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展的概況。闡述早期典型導(dǎo)航設(shè)備信號輸出的特點(diǎn)及其集成應(yīng)用，分析不同信號在集成應(yīng)用中的接口技術(shù)及其演進(jìn)過程，介紹NMEA 0183接口標(biāo)準(zhǔn)的形成及其基本特點(diǎn)，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供船舶導(dǎo)航設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展過程及接口標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀方面的知識，以便其快速了解和熟練應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航設(shè)備 集成應(yīng)用 接口標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類號：U675.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引言

在常見的船用導(dǎo)航設(shè)備中，有些設(shè)備是通過集成不同導(dǎo)航設(shè)備提供的信息并經(jīng)過相關(guān)技術(shù)處理形成的。例如：陀螺羅經(jīng)與操舵裝置組合形成了自動舵；普通船用雷達(dá)（Radar）、計(jì)程儀（Log）及羅經(jīng)配接構(gòu)成了可自動計(jì)算雷達(dá)所測目標(biāo)的矢量、判斷是否與本船有碰撞危險的船用自動雷達(dá)標(biāo)繪輔助裝置（Automatic Radar Plotting Aid ，ARPA）。這種將導(dǎo)航信息集成化應(yīng)用的方法對船舶導(dǎo)航技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展及船舶導(dǎo)航設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展起到了重要的推動作用。

本文簡要回顧和分析早期典型導(dǎo)航設(shè)備信號輸出的特點(diǎn)及其集成應(yīng)用，簡述典型導(dǎo)航設(shè)備所輸出信號的特點(diǎn)，分析不同信號在集成應(yīng)用中的接口技術(shù)及其演進(jìn)過程，并介紹NMEA 0183接口標(biāo)準(zhǔn)的形成及其基本特點(diǎn)，為初入船舶通導(dǎo)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信、航運(yùn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能船舶及無人船技術(shù)研發(fā)和服務(wù)行業(yè)的工程技術(shù)人員提供船舶導(dǎo)航設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展過程及接口標(biāo)準(zhǔn)化方面的知識，以便其快速了解和熟練應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)。

1 部分導(dǎo)航設(shè)備的主要功能及其信息顯示形式

20世紀(jì)初，船舶上開始配備陀螺羅經(jīng)，此后，測深儀（Echo Sounder）、計(jì)程儀、雷達(dá)和雙曲線無線電定位系統(tǒng)（Loran）等設(shè)備（或系統(tǒng)）相繼出現(xiàn)。將這些設(shè)備安裝在船舶上配合海圖使用，可大大提高船舶的安全性和航行效率。以下分別對幾種典型的導(dǎo)航設(shè)備的主要功能及其輸出的信息形式進(jìn)行介紹。

1.1 陀螺羅經(jīng)

船用陀螺羅經(jīng)運(yùn)行的結(jié)果是其陀螺球恒定指北（真北），當(dāng)船首方向與真北方向有角度差變化時，通過隨動跟蹤和齒輪傳動驅(qū)動一個3600的圓盤轉(zhuǎn)動，便可查看船舶的航向及其變化情況。船舶上應(yīng)用航向信息的位置通常與主羅經(jīng)相距較遠(yuǎn)，主羅經(jīng)測得的航向信息需通過傳向系統(tǒng)傳送到需要的地方。早期，不同國家、不同公司研發(fā)的船用陀螺羅經(jīng)的傳向系統(tǒng)所采用的技術(shù)是不同的，主要有synchro（交流同步系統(tǒng)，也稱自整角機(jī)）和stepper（直流步進(jìn)式傳向系統(tǒng)）兩大類。陀螺羅經(jīng)的傳向系統(tǒng)通過電纜將主羅經(jīng)的航向信息傳送給若干個分羅經(jīng)，傳送信號由模擬信息或脈沖信息組成，這些信息包含控制接收端同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動量（角度）信息和轉(zhuǎn)動方向信息。由于生產(chǎn)廠商不同，不同陀螺羅經(jīng)的傳向系統(tǒng)所采用的電壓、交流頻率及齒輪傳動比都是不同的，導(dǎo)致陀螺羅經(jīng)輸出的信息有多種格式。

1.2計(jì)程儀

計(jì)程儀的主要功能是測定本船的航速和累計(jì)航程；同時，可結(jié)合航速信息和航向信息進(jìn)行船位推算。早期采用機(jī)電技術(shù)的計(jì)程儀，其信息輸出沿用被稱作Chip log測量船速裝置的原理，以單位時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)表示速度。例如20世紀(jì)上半葉出現(xiàn)的SAL 24E 水壓式計(jì)程儀，其所測得的航速信息分4組輸出，在相同速度下每海里的脈沖數(shù)分別為10，100，200和20 000。這種信息輸出格式沿用至今。例如，《船用電磁計(jì)程儀》（GB/T 4301—2008）中關(guān)于計(jì)程儀的輸出信息形式的表述，就有“航程脈沖量：200脈沖/海里、400脈沖/海里、2 000脈沖/海里”的規(guī)定。

1.3 雷達(dá)

雷達(dá)的主要功能是探測目標(biāo)，可測定目標(biāo)的方位和距離。船用導(dǎo)航雷達(dá)探測的目標(biāo)采用徑向圓掃描的平面位置顯示器（ Plan Position Indicator ，PPI）方式顯示，通過雷達(dá)的量程控制開關(guān)，在選定的量程內(nèi)觀察本船周邊目標(biāo)的情況。船舶駕駛?cè)藛T通過操作雷達(dá)顯示器上的可變距標(biāo)圈和方位線便可測定目標(biāo)與本船的距離及方位。此外，船舶駕駛?cè)藛T還可通過雷達(dá)標(biāo)繪功能推算本船與目標(biāo)船的最接近點(diǎn)距離（Closest Point of Approach ，CPA）和（達(dá)到最接近點(diǎn)時間（Time of Closest Point of Approach，TCPA），由此作出避讓決策。

2 典型導(dǎo)航信息的組合應(yīng)用和接口標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

2.1自動雷達(dá)標(biāo)繪與導(dǎo)航信息組合應(yīng)用

人工實(shí)施雷達(dá)標(biāo)繪操作的工作量大、效率低，但ARPA的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這些不足。ARPA不僅可通過對雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動錄取和自動雷達(dá)標(biāo)繪來自動計(jì)算CPA及TCPA，還能推演采取避碰措施后的效果。

2.2傳統(tǒng)導(dǎo)航信息采集存在的問題

若要實(shí)現(xiàn)ARPA功能，不僅需要用到雷達(dá)信號，還需要將陀螺羅經(jīng)的信號和計(jì)程儀的信號作為計(jì)算目標(biāo)矢量的基準(zhǔn)。由于不同導(dǎo)航設(shè)備制造商生產(chǎn)的導(dǎo)航產(chǎn)品的信號輸出格式各異，特別是陀螺羅經(jīng)的輸出信號各異，使得早期的ARPA接入陀螺羅經(jīng)信號的過程十分復(fù)雜，需要由陀螺羅經(jīng)制造商提供同步接收機(jī)來獲取羅經(jīng)信息，再將其轉(zhuǎn)換成ARPA能接收的數(shù)字信號。此后，ARPA制造商設(shè)計(jì)出專門的陀螺羅經(jīng)和計(jì)程儀信號接口板來解決不同陀螺羅經(jīng)和計(jì)程儀的信號接入問題，但這種方法通常存在通用性問題和接口部件的高成本問題。

2.3接口技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

ARPA出現(xiàn)以后，其信號的處理開始大量采用數(shù)字電路技術(shù)（甚至是計(jì)算機(jī)技術(shù)）來完成。同時，外部接入的模擬信號或脈沖信號也需轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息之后再進(jìn)行處理。此外，數(shù)字電路技術(shù)在其他船舶通導(dǎo)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造中也得到了大量應(yīng)用。

從20世紀(jì)70年代開始，導(dǎo)航設(shè)備的接口問題得到越來越多的關(guān)注。例如：國際海事無線電協(xié)會（CIRM）關(guān)注陀螺羅經(jīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)；（美國的國家海事電子協(xié)會（NMEA）專注于雙曲線無線電導(dǎo)航（LORAN）控制自動舵的研究[1]。NMEA在20世紀(jì)80年代初就已制定NMEA 0183接口標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)得到了全球大多數(shù)通導(dǎo)設(shè)備制造商的認(rèn)可。endprint

（1）NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)的基本特性

NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)采用基于文本格式、支持單向、一個發(fā)送端到一個或多個接收端的串行數(shù)據(jù)傳輸；這些數(shù)據(jù)由可打印的ASCII字符組成，最初規(guī)劃的信息由位置、速度、深度和頻率指配。信息長度一般為11～79個字符，每秒發(fā)送一次[2]。此外，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電氣接口及規(guī)格。NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)有3個基本“語句（sentence）”，分別為Talker sentences，Proprietary sentences和Query sentences。最新的NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)是2012年發(fā)布的4.10版本，擴(kuò)展了更多的“語句”和設(shè)備，且可傳輸信息內(nèi)容。最新版本NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)的信息類別不僅包括溫度、力（force），壓力（pressure）、頻率及位移等傳感器測量信息和船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）信息，還包括接收到的NAVTEX信息（包括航行警告和氣象預(yù)報(bào)）及航行設(shè)備發(fā)送的狀態(tài)信息（包括報(bào)警信息）。此外，NMEA還針對不同的應(yīng)用發(fā)展了高速NMEA0183-HS（最高波特率為38kbite/s）和總線長度達(dá)200 m、傳輸速率達(dá)250kbite/s的現(xiàn)場總線形式的NMEA 2000標(biāo)準(zhǔn)。

（2）IEC61162系列標(biāo)準(zhǔn)

國際電工委員會（International Electrotechnical Commission ，IEC）采用NME 0183標(biāo)準(zhǔn)，并于1995年發(fā)布由NMEA 0183轉(zhuǎn)換而來的IEC1162標(biāo)準(zhǔn)，此后改為IEC 61162[3]。IEC 61162標(biāo)準(zhǔn)針對海事導(dǎo)航與通信設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)字接口形成系列標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61162-1對應(yīng)NMEA 0183、IEC 61162-2對應(yīng)高速版、IEC 61162-3對應(yīng)NMEA 2000，但增加了在SOLAS船上實(shí)施的要求。IEC于2016年發(fā)布IEC 61162-1的第五版，該版本并不包括NMEA 0183第4.10版中的擴(kuò)展（TAG）語句，但適用的設(shè)備中包含北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備（NMEA 0183第4.10版適用的設(shè)備中不包含北斗接收設(shè)備）。

隨著船載網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用需求不斷提升，IEC于2011年發(fā)布IEC 61162-450標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是一個多發(fā)送端和多接收端-以太互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（Multiple talkers and multiple listeners- Ethernet interconnection），規(guī)定了船舶導(dǎo)航與無線電通信設(shè)備之間、其他船載系統(tǒng)與船舶通導(dǎo)設(shè)備之間的高速通信的接口要求和測試方法，為在船載以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了一個架構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)中句子的信息承載單元的定義與IEC 61162-1相同。

3 結(jié)束語

電子技術(shù)的發(fā)展推動了導(dǎo)航設(shè)備信息顯示和輸出格式從機(jī)電信號向數(shù)字信息轉(zhuǎn)變，船舶導(dǎo)航信息的集成應(yīng)用促成了新型導(dǎo)航設(shè)備的不斷出現(xiàn)。除了ARPA外，電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（Electronic Chart Display and Information System ，ECDIS）、AIS和綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（Integrated Navigation System，INS）等都是船舶通導(dǎo)設(shè)備及系統(tǒng)信息集成應(yīng)用的結(jié)果。NMEA 0183接口標(biāo)準(zhǔn)在通導(dǎo)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)化方面起到了極其重要的作用；IEC發(fā)布的IEC61162系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步推動了船舶通導(dǎo)設(shè)備與系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化在國際商船行業(yè)的實(shí)施，同時為通導(dǎo)信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸提供了基礎(chǔ)框架。船舶通導(dǎo)設(shè)備與系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)，不僅可為設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)基于通導(dǎo)基礎(chǔ)信息的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供方便，還能為航運(yùn)物聯(lián)網(wǎng)、智能船舶及無人船研發(fā)提供基礎(chǔ)條件。

參考文獻(xiàn)：

[1] IEC.IEC Technical Committee 80： Maritime Navigation.

[2] NMEA 0183 Standard For Interfacing Marine Electronic Devices：NMEA 0183[S]. 2002.endprint