２０１５年８月第４期 现代导航 美军舰载导航系统研究 訾兰 （中国电子科技集团公司第二十研究所，西安７１００６８） 摘要：导航传感器系统接口（ＮＡＶＳＳＩ）是美军舰载导航系统的核心部件，可为舰艇提供 精确、实时、综合的位置、导航、授时（ＰＮＴ）服务，本文研究ＮＡＶＳＳＩ如何满足这些需求以及 在信息安全方面采取的一些措施。 关键词：美国海军；ＰＮＴ；ＮＡＶＳＳＩ 中图分类号：Ｕ６７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ６７４—７９７６．（２０ １ ５）０４—３ ８７—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｈｉｐｂｏａｒｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ＵＳ Ｎａｖｙ Ｚ／Ｌａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＮＡＶＳＳＩ）ｉｓ ｔｈｅ ｐｒｅ—ｅｍｉｎｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｅ，ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｔｉｍｉｎｇ（ＰＮＴ）ｄａｔａ ｆｏｒ ｈｔｅ ＵＳ ｎａｖｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｏｗ ｈｔｅ ＶＡＶＳＳＩ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｓａｔｉｓｉｆｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｔｉｍｅｌｙ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ＰＮＴ ｄａｔａ，ｉｔｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ａｎｄ ｍｅａｎｓ ｆｏｒ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｃｕｒｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｓ ｎａｖｙ；ＰＮＴ；ＮＡＶＳＳ１ 实时子系统（Ｉ Ｓ）负责收集、处理及分发ＰＮＴ ０引言 数据，处理采用导航数据源综合（ＮＳＩ）算法将ＧＰＳ 与惯性传感器数据综合。 导航传感器系统接口（ＮＡＶＳＳＩ）是美军舰载导 显示控制子系统（ＤＣＳ）通过局域网与实时子 航系统的核心部件，该部件通过采集不同舰载导航 系统进行通信，为实时子系统提供操作人员接口， 传感器信息，进行时空配准和综合处理，从而提供 提供电子海图和雷达接口。显示控制子系统（ＤＣＳ） 高可靠、高精度的位置、姿态、速度、时间等信息， 能实时显示导航传感器信息，并控制实时子系统。 并实时按需分发，以满足舰艇导航和作战信息需 远程工作站（ＮＲＳ）是操作人员的远程显示器， 求。 为舰桥及其他舱室人员提供远程控制与显示能力。 为形成舰队统一的导航数据发送，１９９１年２月 ＮＡＶＳＳＩ数据流程图如图１所示，主要包括接 由美国空海作战系统司令部着手实施ＮＡＶＳＳＩ。截 收导航数据源数据、数据检查、数据处理、数据输 至目前，ＮＡＶＳＳＩ经历了从Ｂｌｏｃｋ０到Ｂｌｏｃｋ４五个 出等。 阶段的发展，采用开放式架构设计。 ＮＡＶＳＳＩ基本组成包括实时子系统（ＲＴＳ）、显 １ ＮＡＶＳＳＩ主要导航数据源 示控制子系统（ＤＣＳ）及远程工作站（ＮＲＳ）。 美海军舰艇主要导航数据源包括惯性导航系 收稿日期：２０１５．０４．２５。訾兰（１９８１一），女， 陕西户县人， 统、多普勒计程仪、卫星导航系统、回声探深仪、 工程师，从事的专业为无线电导航。 电磁计程仪、罗经、风速仪及时间数据等。ＮＡＶＳＳＩ 现代导航 主要导航数据源如表１所示。 惯性导航系统 ＧＰＳ导航系统 ＮＡＶＳＳＩ 作战指挥系统 多普勒计程仪 电磁计程仪 回声测深仪 其他传感器 图１ＮＡＶＳＳＩ数据流程图 表１ ＮＡＶＳＳＩ主要导航数据源 系统 信息频率（Ｈｚ） 数据接收 ＡＮ／ＷＳＮ．７惯性导航系统 ＧＡＳ．１抗干扰ＧＰＳ天线 ５０ ０．１ ＰｖＴ、姿态、速率、速度（相对水） 位置、时间 数字电磁计程仪（ＤＥＭＬ） ＡＮ ，ＳＮ一２／Ｖ多普勒计程仪 电磁计程仪 陀螺罗经 ８ ８ 持续 持续 速度（相对水） 速度（相对水），速度（相对地） 速度（相对水） 姿态 ＡＮ／ＵＱＮ－４／４Ａ测深仪 同步风速仪 航空数据管理与控制系统（ＡＤＭＡＣＳ） 作战战术训练（ＢＦＴＴ） １ 持续 １ １ 深度 风速与风向 风速与风向 训练数据 ＭＫ．３８和ＭＫ－３９宙斯盾时钟转换器 ⅣⅡ（。１０５和ＭＫ．１０６ＡＣＥＣ 一一一一一一一一一一一 １０２４ １０２４ 宙斯盾作战系统时间 宙斯盾作战系统时间 ＧＰＳ和惯性导航系统（ＩＮＳ）数据，提供高精度、 ２输入数据完整性检查 ＮＡＶＳＳＩ持续监视导航数据源的输入数据，确 鲁棒性好的位置及速度解决方案。ＮＳＩ算法考虑了 各导航传感器的误差特性，以满足舰船各系统对导 航数据的精度需求。 保其完整性。完整性检查主要是确保通过物理介质 ＮＡＶＳＳＩ连接数据源。ＮＡＶＳＳＩ能提供导航数据有 实时子系统（Ｉ ｓ）收到最优速度数据即更新 位置估计。收到ＧＰＳ更新的位置数据，ＲＴＳ就综合 多达两个卫星接收机和最优惯性导航系统的位置 数据（最优惯性导航系统是指随时间输出位置信息 最接近于ＧＰＳ的惯性导航系统），通过对最优惯性 导航系统与ＧＰＳ的速度误差进行滤波计算速度值， 效性监控，包括对每个位置数据源误差特性的持续 监控，如果数据源误差特性持续超过一定数值，该 数据即被认为无效，导航数据源综合（ＮＳＩ）算法 将不采用该数据，并向操作人员发出可视警告。 惯性导航系统速度数据用估计的速度误差进行修 正。当仅有惯性导航系统数据可用时，ＮＡＶＳＳＩ将 保持为惯性导航系统精度。 ３ ＮＡＶＳＳＩ数据输出 ＮＡＶＳＳＩ通过导航数据源综合（ＮＳＩ）算法综合 位置数据由综合计算一个或两个卫星接收机 与一个或两个惯性导航系统数据得到。综合的位置 第４期 訾兰：美军舰载导航系统研究 数据利用最优的惯性导航系统数据以插值的方式 推算得出，该方法能为用户提供准确的位置信息。 导航数据源综合算法使得ＮＡＶＳＳＩ可以在正常工作 条件下提供１２ｍ精度范围内的经纬度参考位置（两 维，１ｃｏ），其精度要高于惯性导航系统精度。 角度及角速度值取自最优惯性导航系统，无需 计算。如惯性导航系统失效，角度值被标记为无效。 当ＲＴＳ接收到新的角度数据，将对新数据进行多项 导航数据源综合算法基于可用传感器误差特 性估计，保障ＮＡＶＳＳＩ输出数据的精度，按用户系 统的需求分发送数据信息。对于不同精度需求的用 户，可采用设定不同数据的有效位数来实现。 由于ＧＰＳ战时易受干扰，无法满足舰艇对可靠 精确时间的需求，ＮＡＶＳＳＩ提供了一种精确授时装 置（Ｐ１Ｕ）。该装置包括频率调整模块（ＦＤＭ）、铷 振荡器以及缓冲输出设备。一旦估计的时间误差超 过ｌＯＯｎｓ，精确授时装置将进入工作模式，并利用 铷振荡器来保持时间精度。 表２给出了ＮＡＶＳＳＩ输出导航数据的部分舰艇 典型系统用户及精度要求。 式匹配，这种匹配将用于推算姿态数据并根据最新 的惯性导航系统姿态数据时间点计算姿态变化率 信息。利用这种匹配方式及外推算法，ＮＡＶＳＳＩ能 保证姿态数据的精度。 表２ ＮＡＶＳＳＩ输出导航数据部分典型系统用户 所属系统 作战指挥系统 系统 舰艇自防御（ＳＳＤＳ） 数据率（Ｈｚ） ５０ 位置精度（ｍ） ２０ 海军全球指挥控制系统（ＧＣＣＳ．Ｍ） 协同作战能力（ＣＥＣ） 先进作战指挥系统（ＡＣＤＳ） １ ５０ ８ １００ ２０ １００ 探测系统 ＳＰＱ．９Ｂ水面监视与跟踪雷达 ＳＰＳ．４８Ｅ＝＿ 标雷 ＳＱＳ一５３Ｄ反潜声纳 同步 同步 １ １００ 航空保障系统 航空数据管理与控制系统 ５０ ２０ ＴＰＸ．４２空中交通管制雷达 ８ １Ｏ０ 航行保障系统 综合舰桥（ＩＢＳ） ５０ ２０ 通信系统 海军通用数据链（ＣＤＬ－Ｎ） 综合通信先进网络（ＩＣＡＮ） ８ ５０ １ １００ ２０ ２０ 武器系统 ＭＫ－８６舰炮火控系统 ＮＡＶＳＳＩ向非密舰船广域网单向多点传输数据，而 ４信息安全 ＮＡＶＳＳＩ起初是一套的系统，其子系统通 不需要接收任何数据，通过硬件实现安全的单向光 纤输出数据，以确保ＮＡＶＳＳＩ不受任何来自非密舰 广域网的访问。 过内部局域网连接，实时子系统通过外部点对点接 口与传感器及用户连接。这种配置不存在信息 安全问题，但是随着接口数量增长，将与其他网络 用户交叉，因此需要考虑信息安全问题。 当需要向涉密舰船广域网提供导航信息时，能 确保涉密数据不会进入ＮＡＶＳＳＩ，但作为非密系统， 向涉密的舰载广域网提供ＰＮＴ数据时，将产生非计 划的跨界传输问题。涉密舰船广域网的风险可能来 自与ＮＡＶＳＳＩ连接的非密系统，如果该非密系统能 通过单向通信路径访问涉密广域网，就可能植入病 ＰＮＴ数据无需转发，也无需双向通信。因此 ・３９０・ 现代导航 ２０１５笠 毒或恶意代码。因此，涉密舰船广域网与ＮＡＶＳＳＩ 参考文献： ［１】Ｐｅｔｅｒ Ｓｈａｗ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｎｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ 实时子系统连接时，实时子系统不提供任何转移、 传输数据权限，以及对其他接口产生数据通道的权 限。实时子系统包括一种的可执行程序，嵌入 子系统硬件中，无法进行修改，或运行其他程序， Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｎｄ ａＴｉｍｉｎｇ（ＰＮＴ）Ｄａｔａ ｉｎ Ｓｈｉｐｂｏａｒｄ Ｅｎｖｉｒｏｎ－ ｍｅｎｔｓ．ＯＣＥＡＮＳ’０４．ＭＴＴＳ／ＩＥＥＥ ＴＥＣＨＮＯ－０ＣＥＡＮ’Ｏ４． Ｖｏ１．２．ＩＥＥ。２００４ 实时子系统没有外围存储设备和分配内存权限，这 就消除了产生跨界通信的可能性。 ［２】Ｐｅｔｅｒ Ｓｈａｗ．Ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．ＯＣＥＡＮＳ ２０００ ＭＴＳ／ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ５结语 ＮＡＶＳＳＩ是目前美国海军水面舰艇广泛采用的 定位、导航与授时方案，将舰艇编队内ＰＮＴ数据完 全统一，为编队航行与作战的提供重要信息基础保 障。 Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ．、，０ｌ｜１，ＩＥＥＥ，２０００ ［３】 宿勇，郭隆华．美国海军航母及编队导航系统分析［Ｊ］． 舰船科学技术，２０１２，３４（８）：１３ １．１３６ ．＾＾＾＾．＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾．＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾ ＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾、 Ｌ＾＾ Ｌ＾． （上接第３７１页） 参考文献： ［１］１ 宋英杰．Ｔｕｒｂｏ高速编译码技术研究［Ｊ］．现代导航， ２０１５（１）．４７－５２ ５结束语 本文提出了码率可配置Ｔｕｒｂｏ译码器硬件实现 ［２ 张婷．无线信道可配置Ｔｕｒ２］ｂｏ译码组件技术研究【Ｄ】． 西安电子科技大学硕士学位论文，２００９． 方案，详细介绍了硬件实现方案中的核心模块ＳＩＳＯ 译码模块的实现过程。最后给出译码器硬件资源消 耗情况，并给出里译码器的吞吐量。 ［３】 郗莉．ＬＴＥ系统Ｔｕｒｂｏ高速译码算法研究［Ｄ］．西安电子 科技大学硕士学位论文，２０１０．
