船舶導航網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

王孜倬

（中海電信有限公司，上海 200090）

0 引 言

對于船舶而言，導航系統(tǒng)十分重要，不僅能夠幫助船舶進一步明確行使方向，而且在海軍艦船的研究中也有著一定的實際價值。隨著海軍艦船技術(shù)的不斷發(fā)展，各艦船裝備進行著大規(guī)模的改進和創(chuàng)新，以提高戰(zhàn)斗力。艦船導航系統(tǒng)不僅要求提供準確的船位信息，而且要求與武器裝備、測量系統(tǒng)相結(jié)合，提供武器發(fā)射的精確位置和落點測量等各種數(shù)據(jù)，是艦船航行和作戰(zhàn)的重要保證。因此，當前船舶導航網(wǎng)絡(luò)的研究重點已經(jīng)成為了如何通過現(xiàn)代通信技術(shù)對多種信息進行綜合處理和分析，旨在促進船舶導航系統(tǒng)的不斷發(fā)展。

1 傳統(tǒng)船舶導航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

在傳統(tǒng)的艦船導航系統(tǒng)中，各導航設(shè)備間普遍采用EIARS-422A接口通信標準，使用NMEA-0183碼或二進制補碼的形式進行通信。但是由于串行通信是逐位進行傳送的，故傳輸速度較慢，在對該問題進行探討的過程中，必須要做到明確傳統(tǒng)船舶導航系統(tǒng)的實際功能與其應用價值，從而以此為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)的船舶導航系統(tǒng)進行優(yōu)化和調(diào)整，使其功能更加完善，更能夠滿足人們對船舶的需求。首先，傳統(tǒng)的船舶導航系統(tǒng)一般都是采取全雙工的通信方式，通過平衡輸出的發(fā)送器與差分輸入的接收器實現(xiàn)船舶中的通信，這也是當前船舶通信的主要途徑之一，同時船舶導航通信系統(tǒng)所采取的接口也有一定的標準。而針對通信架構(gòu)，船舶系統(tǒng)中的信號線也有一定的要求，一般都是由兩根信號輸出線與兩根信號輸入線構(gòu)成，這4根信號線也是保證船舶正常通信的前提，如果信號線出現(xiàn)損毀，則會影響船舶的通信狀態(tài)。此外，為了進一步保障船舶的通信狀態(tài)，使得船舶具有一定的通信能力，一般情況下，RS-422A線路不使用公共地線，這使得通信雙方由于地電位不同而對通信線路產(chǎn)生的干擾減至最小。采用普通雙絞線時，RS-422A可在1 200 m范圍內(nèi)以38.4 kb/s的波特率進行通信，在短距離（200 m）范圍內(nèi)可以輕易達到200 kb/s以上的波特率，因此這種接口電路被廣泛地應用在艦船導航系統(tǒng)中。

使用傳統(tǒng)的串行口進行通信不僅能夠保證通信安全，對于船舶通信設(shè)備的要求也較低，同時能夠?qū)崿F(xiàn)較遠距離中的通信要求，但是由于串行通信逐位進行傳送，故傳輸速度較慢，并且它采用的是點對點的連接方式，當各導航設(shè)備間的連接關(guān)系復雜時，設(shè)備間的走線也就變得更為復雜。目前，隨著艦船信息化程度的提高，各設(shè)備、各系統(tǒng)間的信息通信越來越頻繁，信息量越來越大，使用傳統(tǒng)單一的串行口進行通信已經(jīng)不能滿足導航系統(tǒng)發(fā)展的要求。

2 現(xiàn)代船舶導航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)方案的確定

在船舶的通信網(wǎng)絡(luò)上，使用RS-422A線路端口有一定的優(yōu)勢，能夠進行較遠距離的穩(wěn)定通信，適合位置、信息相對獨立的設(shè)備；而CAN總線通信則能夠?qū)崿F(xiàn)多端口的通信，使得船舶的通信方式更加多元化，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一對一通信、一對多通信，也能夠進行全局通信。它所提供的非破壞性總線仲裁方式有效地解決了多節(jié)點同時發(fā)送報文時各報文相互沖突的問題，保障了CAN總線網(wǎng)絡(luò)上信息傳遞的可靠性[1]。由于上通信技術(shù)己經(jīng)相當成熟，因此組建的自由度很大，可以根據(jù)不同的船舶、不同的設(shè)備類型以及不同的協(xié)議要求對網(wǎng)絡(luò)進行適當?shù)慕M建。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過上述分析，由于傳統(tǒng)單一的通信方式存在著缺陷，又因為串口、CAN總線和以太網(wǎng)相結(jié)合的方式能方便有效地彌補上述的不足，因此確定了這種多元化的通信方案[2]。現(xiàn)代船舶導航系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在這種新型的船舶通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，不僅能夠通過串口卡實現(xiàn)單口通信對接，還增加了CAN通信卡來實現(xiàn)CAN總線的通信。為了保證在局部故障或受損時全系統(tǒng)不至于癱瘓失效，CAN總線導航信息通信網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，但不能完全廢除串行口通信，對于某些信息相對獨立的設(shè)備，也可以保留原有的RS-422A通信。

2.3 系統(tǒng)組成

首先，應當明確船舶的導航系統(tǒng)是一個整體，通信網(wǎng)絡(luò)是船舶導航系統(tǒng)中的一個較為重要的分支，這也就要求在進行導航系統(tǒng)的優(yōu)化時，需要從整體的角度進行考慮，保證導航系統(tǒng)能夠正常使用。即在對通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的架構(gòu)進行改進的同時，也應當對導航系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備進行改進，使船舶導航系統(tǒng)的功能性得到保障[3]。例如，在將船舶的通信系統(tǒng)由串口改為CAN通信網(wǎng)絡(luò)時，相應的導航設(shè)備與端口都需要進行更換，使其能夠適應CAN通信網(wǎng)絡(luò)的需求，這也是進行船舶導航系統(tǒng)優(yōu)化時需要考慮的重要問題。在早些時間提出的方案中，提出在導航系統(tǒng)中增設(shè)一個轉(zhuǎn)換器，將實現(xiàn)串口與CAN的相互轉(zhuǎn)換，使得導航設(shè)備能夠與通信網(wǎng)絡(luò)相匹配，從而保障導航系統(tǒng)能夠發(fā)揮其功能。但從系統(tǒng)的功能優(yōu)化而言，這種優(yōu)化方案并不應當作為首選，其在系統(tǒng)的改進上不夠徹底，從而導致船舶的導航系統(tǒng)不能正常使用，影響導航系統(tǒng)的安全性能，具體原因如下。第一，轉(zhuǎn)換器雖然能夠使得船舶以串口端口接收CAN通信網(wǎng)絡(luò)的信號，但并沒有完全實現(xiàn)CAN通信網(wǎng)絡(luò)的功能，造成船舶之間的通信網(wǎng)絡(luò)依舊較為復雜，容易出現(xiàn)問題。而同時，這種方式也沒有改變當前船舶通信網(wǎng)絡(luò)單向連接的現(xiàn)狀，沒有實現(xiàn)船舶導航系統(tǒng)的信息共享，不利于船舶導航系統(tǒng)的進一步發(fā)展。第二，沒有改變各導航系統(tǒng)之間信息不能互享的局面[2]。故本文也提出了具有一定可行性的船舶導航通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建方式，以此來保證船舶導航系統(tǒng)的實際應用性，具體如圖2所示。

圖2 船舶道行通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建

3 現(xiàn)代船舶導航系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究要點

3.1 CAN總線接口電路設(shè)計

電路設(shè)計是CAN總線在現(xiàn)代船舶導航系統(tǒng)中得以應用的重要前提之一，也是進行船舶導航系統(tǒng)優(yōu)化的前提。科學且完善的電路設(shè)計能夠保障CAN總線接口在船舶導航網(wǎng)絡(luò)中正常應用，而這同時也是船舶通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展的重點與難點。由于CAN總線接口的復雜性，使得在應用了這一通信技術(shù)后，船舶的電路設(shè)計需要進行一定的調(diào)整。而在進行其電路設(shè)計時，首先需要明確其具體的組成。在CAN總線接口的電路設(shè)計中，必須要注重CAN控制器的功能與位置。

CAN控制器是以一塊可編程芯片上邏輯電路的組合來完成實現(xiàn)這些功能，對外提供了與微處理器物理線路的接口，如圖3所示，主要由總線控制器、微處理器、接口驅(qū)動器、高速光耦4部分構(gòu)成，通過控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等任務。例如，為了使得CAN總線接口中的各個節(jié)點都能夠正常應用，增強其實用性，一般都是由高速光耦器對相關(guān)信息進行處理和分析，從而保證節(jié)點的抗干擾能力[3]。CAN總線接口的電路設(shè)計對于導航系統(tǒng)有著較為重要的意義，在其架構(gòu)建設(shè)中，也需要相關(guān)人員根據(jù)船舶的實際情況進行調(diào)整和分析[4]。

圖3 CAN總線接口電路設(shè)計

3.2 以太網(wǎng)通信接口電路設(shè)計

為了實現(xiàn)采用以太網(wǎng)卡通信的導航設(shè)備將數(shù)據(jù)信息接入通信網(wǎng)絡(luò)并傳輸?shù)骄C導臺，需要為以太網(wǎng)卡設(shè)計通信接口電路。出于簡化電路設(shè)計和降低成本考慮，這里選用RTL8019AS以太網(wǎng)通信接口芯片，電路設(shè)計如圖4所示。在進行電路設(shè)計時，采用10BASE-T布線標準通過雙絞線進行以太網(wǎng)通信，而RTL8019AS內(nèi)置10BASE-T收發(fā)器，所以網(wǎng)絡(luò)接口電路比較簡單，外接一個隔離濾波器，TPIN為接收線，TPOUT為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分別與RJ-45接口的RX、TX、RJ-45端相連。時鐘電路通過T1、T2接一個20 MHz晶振以及兩個電容，實現(xiàn)全雙工通信。

圖4 以太網(wǎng)接口電路示意圖

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性設(shè)計

在分析船舶導航系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，同樣不能忽略通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。具有一定可靠性設(shè)計的通信網(wǎng)絡(luò)，在船舶的實際應用中出現(xiàn)問題的可能性較小，可以較好地滿足船舶導航系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)船舶的安全行駛。而在本文中，也通過了一定的設(shè)計來增強通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性，從而保證船舶的安全性能。首先，采取了兩套完全相同的總線拓撲結(jié)構(gòu)，使用兩臺計算機（監(jiān)控計算機A和監(jiān)控計算機B）來監(jiān)控兩個網(wǎng)絡(luò)（A路和B路）。它們的配置方式完全相同，都通過CAN接口與CAN網(wǎng)絡(luò)A和CAN網(wǎng)絡(luò)B相連，實時監(jiān)測各導航設(shè)備和兩條網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)，大大降低了出現(xiàn)問題的可能性。其次，在船舶CAN總線通信系統(tǒng)的架構(gòu)中也進行了一定的調(diào)整，為了充分保障CAN總線中的各個節(jié)點能夠正常進行工作，在各個節(jié)點中都進行了一定的冗余設(shè)計，防止節(jié)點出現(xiàn)問題，影響CAN總線通信系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。同時，在CAN總線通信系統(tǒng)進行工作時，相關(guān)人員也能夠?qū)ζ溥M行調(diào)整，以此來保障導航系統(tǒng)的可靠性[5]。

4 結(jié) 論

在對船舶導航系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進行分析時，首先需要考慮到當前的技術(shù)發(fā)展問題，使得所提出的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有可行性，這也是進行船舶通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要前提。而在綜合考慮了技術(shù)層面上的問題后，則也需要考慮到船舶通信的實際需求，分析傳統(tǒng)的船舶通信方式中存在的不足，并據(jù)此進行通信系統(tǒng)的優(yōu)化，使得所提出的新型船舶通信方式具有實際價值與可行性。而傳統(tǒng)的船舶通信中，所存在的最大問題即為單口通信帶來的不便，故本文中著重分析了CAN總線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)技術(shù)在船舶網(wǎng)絡(luò)通信中應用的可行性，并提出了綜合性的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式，對于船舶導航系統(tǒng)的發(fā)展與完善具有一定的實用性。