船舶导航网络通信技术的研究

船舶导航网络通信技术的研究

崔萌，李秋阳

江南造船（集团）有限责任公司，上海市 201913

摘要：当前的综合导航系统是一个结合不同特点的导航设备和导航方法的复杂系统，是利用计算机技术对多种导航信息进行综合处理，来提高系统性能的导航系统，其涉及到各导航信息源许多设备的相关技术、计算机技术、显示技术、控制系统、通讯系统和数据处理等理论。为此，有必要对船舶导航系统的网络通信技术进行研究，以实现船舶导航系统的快速网络通信技术的发展。

关键词：船舶导航，网络通信，通信技术，发展研究

1前言

船舶导航网络主要是以水上航行为使用环境，以服务于船舶使命任务而达成目的，综合使用多种通信手段构建成的一个通信系统。就目前的情况来看，其具有自身的特点，包括：(1)在对外联络的时候一般是通过无线通信和北斗系统，为了能够有效进行远距离的通信，通常会选择卫星和短波进行通信；(2)通信频段所涉及的范围比较广，并且系统非常复杂，因此在进行安装的时候需要高度集成；(3)因为整个过程没有一个固定的基础进行依托，因此对于各个系统的通信都是属于一个完整的个体。

2导航系统通信网络化方案

2.1 RS--422A串行口通信特点

在传统的舰船导航系统内部，各信息来源传感器与舰船综合导航显控台之间的数据交换都是通过串行口的方式传输。虽然使用传统的串行口(RS--422A)进行通信，具有连接形式简单、通信距离远、信息传输可靠等优点。但是，由于串行通信是逐位进行传送的，故传输速度较慢。并且，因采用的是点对点的连接方式，即两个通信点之间必须有一一对应的连线才能完成数据传输，如果其他系统要得到这个信息，也必须通过对应的连线才能实现。在导航系统内，存在很多信息传感器，这样过多的连线使系统变得相当复杂，而且在信息的共享方面也存在着缺陷。目前，随着舰船信息化程度的提高，各设备、各系统间的信息通信越来越频繁，信息量越来越大，使用传统单一的串行口进行通信己经不能满足导航系统发展的要求。

2.2CAN通信特点

为了克服RS一422A串行口的方式传输缺点，提出了一种新的通信技术，在导航系统内部用CAN总线技术取代某些传统的串口通信。CAN采用了许多新的技术及独特的设计，具有十分优越的特点：低成本；极高的总线利用率；很远的数据传输距离(长达10 km)；高速的数据传输速率(高达1 Mbit／s)；根据报文的1D决定接收或屏蔽报文；可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭破坏后可自动重发；节点在错误严重的情况下可自动退出总线；报文不包含源地址和目标地址，仅有标志符来指示功能信息、优先级信息。

2.3以太网特点

1)以太网极易管理和维护。传输介质为廉价的双绞线，成本低。具有良好的开放性和互操性、广泛的开发应用和软硬件支持。

2)数据传输的可靠性高，网络可选用传输控制协议(TCP)，TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。

3)软件设计难度小，以太网遵从开放系统互连参考模型OSI，在软件设计上只需考虑0SI的最上层，应用层的编程规范。

4)环境适应性强，包括机械环境适应性、气候环境适应性、电磁环境适应性和电磁兼容性。

2.4导航系统通信网络化方案

根据RS--422A和CAN总线两种通信方式的各自特点，扬长避短，各自发挥各自的优势。使用RS--422A标准的通信接口连线形式简单，通信距离相对较远，适合那些位置、信息相对独立的设备。而使用CAN总线可以比较方便地实现点对点、一点对多点，以及全局广播等多种传输方式。他所提供的非破坏性的总线仲裁方式。有效地解决了多节点同时发送报文时各报文相互冲突的问题，保障了CAN总线网络上信息传递的可靠性。CAN总线网络属于底层控制网络，程序可操作性强。加上前面提到的以太网技术，提出一集串口、CAN总线和以太网技术于一体的信息传输网络，来解决单一传输方式带来的缺陷。同时，网络组建还要考虑导航设备位置对建立通信网络的影响。由于上述三种通信技术的技术已经相当成熟，所以组建的自由度很大，可以根据不同的船舶、不同的设备类型以及不同的协议要求对网络进行适当的组建睁。

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15cm^３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1cm

^３，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20cm^３，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5G手机，体积越来越小，功能越来越大，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。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

根据传统通讯技术的特点，分析其不足，提出了用CAN总线结合串口、以太网络代替传统的单一串口通讯技术，并对通讯网络的组建进行了设计说明，给出完成综合导航显控台网络通信硬件结构的设计方案，并完成了相关关键技术的设计，对于提高现代船舶导航系统网络通信技术水平具有一定的理论和实践指导意义。

参考文献

1. 张杰. 船舶导航系统网络通信关键技术研究及开发[D].哈尔滨工程大学,2006.

[2]徐忠根,蒋琳.认知无线电网络中船舶导航系统网络通信技术研究[J].舰船科学技术,2020,42(22):94-96.