奈伏泰斯（NAVTAX）系統(tǒng)及其信號分析綜述

張 杰，袁冰清

（國家無線電監(jiān)測中心上海監(jiān)測站，上海 201419）

0 引言

東風(fēng)潮漲，春光浩蕩；南海之濱，滿帆啟航，自貿(mào)港建設(shè)蓬勃展開，海南改革開放不斷創(chuàng)新局。為了實(shí)現(xiàn)第七航權(quán)試點(diǎn)開放、安全開辟海上絲綢之路，由廣州通信中心承擔(dān)南海海區(qū)包括廣東、廣西、海南三省的NAVTEX（奈伏泰斯）安全信息統(tǒng)一播發(fā)值守工作。

1 NAVTEX系統(tǒng)簡介

NAVTEX系統(tǒng)主要用于向船舶發(fā)布導(dǎo)航、氣象警告以及其他緊急信息，保證船舶航行安全，是全球海上遇險和安全系統(tǒng)的重要組成部分。它由標(biāo)準(zhǔn)中頻頻率518kHz發(fā)送無線電電傳安全信息的海岸電臺組成，通常選擇分組分時工作，每隔四小時發(fā)送信息一次，每次發(fā)送時長小于等于10分鐘。

NAVTEX是一種國際自動直接打印服務(wù)，采用英文播發(fā)向船舶發(fā)布信息，但為滿足當(dāng)?shù)卣枨螅部刹捎贸⒄Z外的其他語言播發(fā)。全球水域劃分為16個航行警告區(qū)，每個航行警告區(qū)按其覆蓋的范圍可設(shè)若干個NAVTEX岸臺，最多可設(shè)24個岸臺，分為4組，每組6個。NAVTEX岸臺臺以英文字母A～X進(jìn)行編號，構(gòu)成NAVTEX臺鏈。而我國擁有6個NAVTEX臺站，分別是大連R、福州O、上海Q、廣州N、三亞M、中國香港L，臺站覆蓋范圍均在250海里左右。國際電信聯(lián)盟為此專門劃分了頻率，即518kHz、490kHz和4209.5kHz。

2 NAVTEX系統(tǒng)構(gòu)成及特性

NAV T EX系統(tǒng)由信息提供和協(xié)調(diào)部門、NAVTEX發(fā)射臺和NAVTEX接收機(jī)三部分構(gòu)成，如圖1所示。信息提供和協(xié)調(diào)部門主要向船舶播發(fā)海上安全信息（MSI）并進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)調(diào)工作。其中，海上安全信息主要包括航行警告、遇險及搜救信息、氣象及冰況信息，這些安全信息經(jīng)協(xié)調(diào)一致后再送NAVTEX發(fā)射臺發(fā)送。NAVTEX發(fā)射臺由若干個岸基臺鏈組成，在規(guī)定頻率上定時播發(fā)MSI。

圖1 NAVTAX系統(tǒng)構(gòu)成

NAVTEX接收機(jī)用來自動接收、選擇、存儲并打印發(fā)射臺播發(fā)的有關(guān)信息，其接收機(jī)的基本組成如圖2所示。

圖2 NAVTEX接收機(jī)的基本組成

3 NAVTEX報文格式

每段NAVTEX信息的播發(fā)包含四個字符的報頭：第一個字符表示電臺識別號；第二個字符表示信息內(nèi)容或種類；第三個和第四個數(shù)字符表示信息的序列號。因此，報頭使船舶接收機(jī)的微處理器從眾多信息中篩選出那些只與本船相關(guān)的電臺信息、本船所需種類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電文格式如表1所示。

表1 NAVTEX電文格式

（1）定相信號：同步NAVTEX發(fā)射臺與接收機(jī)，確保船舶接收到的電文信息與發(fā)射臺的一致。

（2）起始標(biāo)志：ZCZC，表示上一份NAVTEX電文在該符號之前已結(jié)束，新電文內(nèi)容從此處開始。只有當(dāng)接收機(jī)正確識別ZCZC后，才能接收到正確的電文并打印出來。

（3）技術(shù)編碼（報頭編碼）B1B2B3B4，說明信息來源及種類。其中：

B1：發(fā)射臺標(biāo)識。當(dāng)船舶正在某一海域中航行，或者即將行駛至某一海域時，可以選擇覆蓋該海域的NAVTEX發(fā)射臺。

B2：信息類型識別（A～Z），表示報文種類。A：航行警告（不可拒收），B：氣象警告（不可拒收）；C：冰況報告；D：搜救信息（不可拒收）；E：氣象預(yù)報；F：引航信息；L：由于航警信息較多，有效期較長，為防止在某個時間段出現(xiàn)代碼枯竭，當(dāng)航警報文編號超過99時，使用字母L可繼續(xù)從01編號開始（不可拒收）；Z：QRU（目前無信息）

B3B4：雙位電文編號。對每一類報文的編號，從01～99，然后再從01開始。其中：重要的緊急報文，比如船舶遇險電文或?qū)儆谟嘘P(guān)人命安全的重要通知等，可以使用00編號，而00編號的電文要求強(qiáng)制接收，不可拒收。

（4）TIME OF ORIGIN：電文始發(fā)的時間。

（5）MESSAGE TEXT：電文的正文。

（6）NNNN：一份電文的終止符號。當(dāng)終止符有接收不完整時，例如接收少于四個N時，電文需重新接收。

在接收電文時，當(dāng)B1B2丟失或誤碼率超過了33%，接收到的NAVTEX電文不予打印。以下舉例一份NAVTEX電文，供參考：

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信號解調(diào)算法

現(xiàn)有的NAVTAX接收機(jī)基本采用了軟件無線電的設(shè)計(jì)理念，基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波、快速解調(diào)、接收機(jī)自檢等功能。同時，通過改進(jìn)信號解調(diào)算法，從而可以改進(jìn)、優(yōu)化整個接收機(jī)系統(tǒng)。目前較為成熟的NAVTAX信號解調(diào)算法主要有正交延時解調(diào)算法（差分濾波法）和STFT（Short2time Fourier transform）方法。

4.1 正交延時解調(diào)算法

通常把FSK信號S（t）經(jīng)過τ的延時得S（t-τ）后，再與原信號相乘，得到：

令τ滿足wc?τ =π ?2，可得到：

在NAVTEX系統(tǒng)中，δw為85 Hz，其數(shù)值遠(yuǎn)小于wc，因此可以得出δw?τ≤wc?τ =π ? 2。通過Ss（t）的符號判斷當(dāng)前碼元符號：如果Ss（t）的符號為負(fù)，則表明發(fā)送頻率為wc-δw；Ss（t）的符號為正，則表明發(fā)送頻率為wc+δw，繼而得到碼元符號。

濾波器的差分方程為：

小數(shù)倍延時τ定義為

式中，w=2πf為歸一化角頻率，f=fc?fs，fc為載波頻率，fs為采樣頻率。

4.2 STFT解調(diào)算法

STFT解調(diào)算法主要是采取對輸入序列增加移動窗后進(jìn)行DFT變換，從而把輸入信號轉(zhuǎn)換到離散化的時頻平面上（nT，kF）上，如此就能反映某時間節(jié)點(diǎn)上的頻率分布情況。

假設(shè)輸入序列為x（n），那么其STFT變換為：

式中，w（r）為分析窗函數(shù)；N為窗寬度；f1代表數(shù)據(jù)0的信號頻率；f2代表數(shù)據(jù)1的信號頻率；fs為采樣頻率，那頻率點(diǎn)得到幅度值為：

當(dāng)某個碼元時刻頻率為f1時X（K1）應(yīng)為最大，反之則X（K2）為最大。選用處于載波頻點(diǎn)附近的最大峰值判斷，具體如式（9）所示，當(dāng)K1（r）>K2（r），判為0；否則為1。其中，2ι為搜索帶寬，r為第個碼元。

當(dāng)移動窗取在一個完整的頻率為f1（或f2）的碼元，則K1（r）會大于K2（r）（或K2（r）大于K1（r）；如果當(dāng)移動窗的位置選取在兩個不同極性碼元交界處，由于同時具備f1和f2的頻率成分，所以K1（r）和K2（r）的大小會比較接近。

5 NAVTEX信號監(jiān)測

NAVTEX電文播報采用的是窄帶直接印字電報（NBDP）技術(shù)，其調(diào)制方式采用了二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK），調(diào)制信號頻移為±85 Hz，調(diào)制速率為100波特，即微波1秒內(nèi)發(fā)射100個碼元，每個碼元發(fā)射時長為10 ms。以518 kHz頻率為例，那么NAVTAX信號頻率為518 kHz±85 Hz。其中，518.085 kHz信號代表碼元“B”，517.915 kHz信號代表碼元“Y”。當(dāng)解調(diào)出一個碼元之后，需要按照特定的編碼方式對碼元進(jìn)行解碼運(yùn)算，得到相應(yīng)的NAVTAX信息，即NAVTAX報文。NAVTAX采用4B3Y的編碼方式，即7個碼元代表一個字符。

圖3 信號瀑布圖

利用專用的信號分析軟件（如Wavecom公司的WPCI），可對NAVTEX信號的調(diào)制方式、載波數(shù)、載波間隔及波特率等參數(shù)進(jìn)行分析，同時還可以進(jìn)行解碼，解讀出報文內(nèi)容。

圖4 信號類別分析

圖5 頻移鍵控調(diào)制分析

圖6 解碼圖

6 結(jié)束語

如今NAVTEX系統(tǒng)在客船、漁船以及其他小型船舶上得到廣泛使用，作為海上安全信息發(fā)布平臺，為船舶航行提供了通信保障。同時隨著NAVTEX岸基設(shè)備的建設(shè)與改造，升級了中文NAVTEX廣播系統(tǒng)，推廣中文NAVTEX的應(yīng)用，提高了中英文海上安全信息的實(shí)效性，而隨著移動通信需求的日漸增大，NAVTEX將擴(kuò)展越來越多的功能。本文主要對NAVTEX系統(tǒng)、相關(guān)信號特征進(jìn)行了簡要闡述，做好相關(guān)監(jiān)測的技術(shù)儲備。