导航信息集成应用与接口标准化
江帆
摘 要：本文从导航信息集成应用的视角介绍船舶导航设备从单一设备向集成应用及接口标准化方向发展的概况。阐述早期典型导航设备信号输出的特点及其集成应用，分析不同信号在集成应用中的接口技术及其演进过程，介绍NMEA 0183接口标准的形成及其基本特点，为相关工程技术人员提供船舶导航设备网络通信发展过程及接口标准化现状方面的知识，以便其快速了解和熟练应用这些标准。
关键词：导航设备 集成应用 接口标准化
中图分类号：U675.7 文献标志码：B
0 引言
在常见的船用导航设备中，有些设备是通过集成不同导航设备提供的信息并经过相关技术处理形成的。例如：陀螺罗经与操舵装置组合形成了自动舵；普通船用雷达（Radar）、计程仪（Log）及罗经配接构成了可自动计算雷达所测目标的矢量、判断是否与本船有碰撞危险的船用自动雷达标绘辅助装置（Automatic Radar Plotting Aid ，ARPA）。这种将导航信息集成化应用的方法对船舶导航技术与设备的发展及船舶导航设备接口标准化的发展起到了重要的推动作用。
本文简要回顾和分析早期典型导航设备信号输出的特点及其集成应用，简述典型导航设备所输出信号的特点，分析不同信号在集成应用中的接口技术及其演进过程，并介绍NMEA 0183接口标准的形成及其基本特点，为初入船舶通导设备网络通信、航运物联网技术、智能船舶及无人船技术研发和服务行业的工程技术人员提供船舶导航设备网络通信发展过程及接口标准化方面的知识，以便其快速了解和熟练应用这些标准。
1 部分导航设备的主要功能及其信息显示形式
20世纪初，船舶上开始配备陀螺罗经，此后，测深仪（Echo Sounder）、计程仪、雷达和双曲线无线电定位系统（Loran）等设备（或系统）相继出现。将这些设备安装在船舶上配合海图使用，可大大提高船舶的安全性和航行效率。以下分别對几种典型的导航设备的主要功能及其输出的信息形式进行介绍。
1.1 陀螺罗经
船用陀螺罗经运行的结果是其陀螺球恒定指北（真北），当船首方向与真北方向有角度差变化时，通过随动跟踪和齿轮传动驱动一个3600的圆盘转动，便可查看船舶的航向及其变化情况。船舶上应用航向信息的位置通常与主罗经相距较远，主罗经测得的航向信息需通过传向系统传送到需要的地方。早期，不同国家、不同公司研发的船用陀螺罗经的传向系统所采用的技术是不同的，主要有synchro（交流同步系统，也称自整角机）和stepper（直流步进式传向系统）两大类。陀螺罗经的传向系统通过电缆将主罗经的航向信息传送给若干个分罗经，传送信号由模拟信息或脉冲信息组成，这些信息包含控制接收端同步电机的转动量（角度）信息和转动方向信息。由于生产厂商不同，不同陀螺罗经的传向系统所采用的电压、交流频率及齿轮传动比都是不同的，导致陀螺罗经输出的信息有多种格式。
1.2计程仪
计程仪的主要功能是测定本船的航速和累计航程；同时，可结合航速信息和航向信息进行船位推算。早期采用机电技术的计程仪，其信息输出沿用被称作Chip log测量船速装置的原理，以单位时间内产生的脉冲数表示速度。例如20世纪上半叶出现的SAL 24E 水压式计程仪，其所测得的航速信息分4组输出，在相同速度下每海里的脉冲数分别为10，100，200和20 000。这种信息输出格式沿用至今。例如，《船用电磁计程仪》（GB/T 4301—2008）中关于计程仪的输出信息形式的表述，就有“航程脉冲量：200脉冲/海里、400脉冲/海里、2 000脉冲/海里”的规定。
1.3 雷达
雷达的主要功能是探测目标，可测定目标的方位和距离。船用导航雷达探测的目标采用径向圆扫描的平面位置显示器（ Plan Position Indicator ，PPI）方式显示，通过雷达的量程控制开关，在选定的量程内观察本船周边目标的情况。船舶驾驶人员通过操作雷达显示器上的可变距标圈和方位线便可测定目标与本船的距离及方位。此外，船舶驾驶人员还可通过雷达标绘功能推算本船与目标船的最接近点距离（Closest Point of Approach ，CPA）和（达到最接近点时间（Time of Closest Point of Approach，TCPA），由此作出避让决策。
2 典型导航信息的组合应用和接口标准发展
2.1自动雷达标绘与导航信息组合应用
人工实施雷达标绘操作的工作量大、效率低，但ARPA的出现弥补了这些不足。ARPA不仅可通过对雷达目标数据进行自动录取和自动雷达标绘来自动计算CPA及TCPA，还能推演采取避碰措施后的效果。
2.2传统导航信息采集存在的问题
若要实现ARPA功能，不仅需要用到雷达信号，还需要将陀螺罗经的信号和计程仪的信号作为计算目标矢量的基准。由于不同导航设备制造商生产的导航产品的信号输出格式各异，特别是陀螺罗经的输出信号各异，使得早期的ARPA接入陀螺罗经信号的过程十分复杂，需要由陀螺罗经制造商提供同步接收机来获取罗经信息，再将其转换成ARPA能接收的数字信号。此后，ARPA制造商设计出专门的陀螺罗经和计程仪信号接口板来解决不同陀螺罗经和计程仪的信号接入问题，但这种方法通常存在通用性问题和接口部件的高成本问题。
2.3接口技术的标准化发展
ARPA出现以后，其信号的处理开始大量采用数字电路技术（甚至是计算机技术）来完成。同时，外部接入的模拟信号或脉冲信号也需转换为数字信息之后再进行处理。此外，数字电路技术在其他船舶通导设备的设计制造中也得到了大量应用。
从20世纪70年代开始，导航设备的接口问题得到越来越多的关注。例如：国际海事无线电协会（CIRM）关注陀螺罗经的接口标准；（美国的国家海事电子协会（NMEA）专注于双曲线无线电导航（LORAN）控制自动舵的研究[1]。NMEA在20世纪80年代初就已制定NMEA 0183接口标准，该标准得到了全球大多数通导设备制造商的认可。
（1）NMEA 0183标准的基本特性
NMEA 0183标准采用基于文本格式、支持单向、一个发送端到一个或多个接收端的串行数据传输；这些数据由可打印的ASCII字符组成，最初规划的信息由位置、速度、深度和频率指配。信息长度一般为11～79个字符，每秒发送一次[2]。此外，标准还规定了电气接口及规格。NMEA 0183标准有3个基本“语句（sentence）”，分别为Talker sentences，Proprietary sentences和Query sentences。最新的NMEA 0183标准是2012年发布的4.10版本，扩展了更多的“语句”和设备，且可传输信息内容。最新版本NMEA 0183标准的信息类别不仅包括温度、力（force），压力（pressure）、频率及位移等传感器测量信息和船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）信息，还包括接收到的NAVTEX信息（包括航行警告和气象预报）及航行设备发送的状态信息（包括报警信息）。此外，NMEA还针对不同的应用发展了高速NMEA0183-HS（最高波特率为38kbite/s）和总线长度达200 m、传输速率达250kbite/s的现场总线形式的NMEA 2000标准。
（2）IEC61162系列標准
国际电工委员会（International Electrotechnical Commission ，IEC）采用NME 0183标准，并于1995年发布由NMEA 0183转换而来的IEC1162标准，此后改为IEC 61162[3]。IEC 61162标准针对海事导航与通信设备和系统的数字接口形成系列标准。IEC 61162-1对应NMEA 0183、IEC 61162-2对应高速版、IEC 61162-3对应NMEA 2000，但增加了在SOLAS船上实施的要求。IEC于2016年发布IEC 61162-1的第五版，该版本并不包括NMEA 0183第4.10版中的扩展（TAG）语句，但适用的设备中包含北斗卫星导航接收设备（NMEA 0183第4.10版适用的设备中不包含北斗接收设备）。
随着船载网络通信应用需求不断提升，IEC于2011年发布IEC 61162-450标准。该标准是一个多发送端和多接收端-以太互联标准（Multiple talkers and multiple listeners- Ethernet interconnection），规定了船舶导航与无线电通信设备之间、其他船载系统与船舶通导设备之间的高速通信的接口要求和测试方法，为在船载以太网上实现设备之间的数据传输提供了一个架构；标准中句子的信息承载单元的定义与IEC 61162-1相同。
3 结束语
电子技术的发展推动了导航设备信息显示和输出格式从机电信号向数字信息转变，船舶导航信息的集成应用促成了新型导航设备的不断出现。除了ARPA外，电子海图显示与信息系统（Electronic Chart Display and Information System ，ECDIS）、AIS和综合导航系统（Integrated Navigation System，INS）等都是船舶通导设备及系统信息集成应用的结果。NMEA 0183接口标准在通导设备的网络通信标准化方面起到了极其重要的作用；IEC发布的IEC61162系列标准进一步推动了船舶通导设备与系统接口标准化在国际商船行业的实施，同时为通导信息的网络化传输提供了基础框架。船舶通导设备与系统接口标准化的实现，不仅可为设计、使用和维护基于通导基础信息的网络化系统提供方便，还能为航运物联网、智能船舶及无人船研发提供基础条件。
参考文献：
[1] IEC.IEC Technical Committee 80： Maritime Navigation.
[2] NMEA 0183 Standard For Interfacing Marine Electronic Devices：NMEA 0183[S]. 2002.
摘 要：本文从导航信息集成应用的视角介绍船舶导航设备从单一设备向集成应用及接口标准化方向发展的概况。阐述早期典型导航设备信号输出的特点及其集成应用，分析不同信号在集成应用中的接口技术及其演进过程，介绍NMEA 0183接口标准的形成及其基本特点，为相关工程技术人员提供船舶导航设备网络通信发展过程及接口标准化现状方面的知识，以便其快速了解和熟练应用这些标准。
关键词：导航设备 集成应用 接口标准化
中图分类号：U675.7 文献标志码：B
0 引言
在常见的船用导航设备中，有些设备是通过集成不同导航设备提供的信息并经过相关技术处理形成的。例如：陀螺罗经与操舵装置组合形成了自动舵；普通船用雷达（Radar）、计程仪（Log）及罗经配接构成了可自动计算雷达所测目标的矢量、判断是否与本船有碰撞危险的船用自动雷达标绘辅助装置（Automatic Radar Plotting Aid ，ARPA）。这种将导航信息集成化应用的方法对船舶导航技术与设备的发展及船舶导航设备接口标准化的发展起到了重要的推动作用。
本文简要回顾和分析早期典型导航设备信号输出的特点及其集成应用，简述典型导航设备所输出信号的特点，分析不同信号在集成应用中的接口技术及其演进过程，并介绍NMEA 0183接口标准的形成及其基本特点，为初入船舶通导设备网络通信、航运物联网技术、智能船舶及无人船技术研发和服务行业的工程技术人员提供船舶导航设备网络通信发展过程及接口标准化方面的知识，以便其快速了解和熟练应用这些标准。
1 部分导航设备的主要功能及其信息显示形式
20世纪初，船舶上开始配备陀螺罗经，此后，测深仪（Echo Sounder）、计程仪、雷达和双曲线无线电定位系统（Loran）等设备（或系统）相继出现。将这些设备安装在船舶上配合海图使用，可大大提高船舶的安全性和航行效率。以下分别對几种典型的导航设备的主要功能及其输出的信息形式进行介绍。
1.1 陀螺罗经
船用陀螺罗经运行的结果是其陀螺球恒定指北（真北），当船首方向与真北方向有角度差变化时，通过随动跟踪和齿轮传动驱动一个3600的圆盘转动，便可查看船舶的航向及其变化情况。船舶上应用航向信息的位置通常与主罗经相距较远，主罗经测得的航向信息需通过传向系统传送到需要的地方。早期，不同国家、不同公司研发的船用陀螺罗经的传向系统所采用的技术是不同的，主要有synchro（交流同步系统，也称自整角机）和stepper（直流步进式传向系统）两大类。陀螺罗经的传向系统通过电缆将主罗经的航向信息传送给若干个分罗经，传送信号由模拟信息或脉冲信息组成，这些信息包含控制接收端同步电机的转动量（角度）信息和转动方向信息。由于生产厂商不同，不同陀螺罗经的传向系统所采用的电压、交流频率及齿轮传动比都是不同的，导致陀螺罗经输出的信息有多种格式。
1.2计程仪
计程仪的主要功能是测定本船的航速和累计航程；同时，可结合航速信息和航向信息进行船位推算。早期采用机电技术的计程仪，其信息输出沿用被称作Chip log测量船速装置的原理，以单位时间内产生的脉冲数表示速度。例如20世纪上半叶出现的SAL 24E 水压式计程仪，其所测得的航速信息分4组输出，在相同速度下每海里的脉冲数分别为10，100，200和20 000。这种信息输出格式沿用至今。例如，《船用电磁计程仪》（GB/T 4301—2008）中关于计程仪的输出信息形式的表述，就有“航程脉冲量：200脉冲/海里、400脉冲/海里、2 000脉冲/海里”的规定。
1.3 雷达
雷达的主要功能是探测目标，可测定目标的方位和距离。船用导航雷达探测的目标采用径向圆扫描的平面位置显示器（ Plan Position Indicator ，PPI）方式显示，通过雷达的量程控制开关，在选定的量程内观察本船周边目标的情况。船舶驾驶人员通过操作雷达显示器上的可变距标圈和方位线便可测定目标与本船的距离及方位。此外，船舶驾驶人员还可通过雷达标绘功能推算本船与目标船的最接近点距离（Closest Point of Approach ，CPA）和（达到最接近点时间（Time of Closest Point of Approach，TCPA），由此作出避让决策。
2 典型导航信息的组合应用和接口标准发展
2.1自动雷达标绘与导航信息组合应用
人工实施雷达标绘操作的工作量大、效率低，但ARPA的出现弥补了这些不足。ARPA不仅可通过对雷达目标数据进行自动录取和自动雷达标绘来自动计算CPA及TCPA，还能推演采取避碰措施后的效果。
2.2传统导航信息采集存在的问题
若要实现ARPA功能，不仅需要用到雷达信号，还需要将陀螺罗经的信号和计程仪的信号作为计算目标矢量的基准。由于不同导航设备制造商生产的导航产品的信号输出格式各异，特别是陀螺罗经的输出信号各异，使得早期的ARPA接入陀螺罗经信号的过程十分复杂，需要由陀螺罗经制造商提供同步接收机来获取罗经信息，再将其转换成ARPA能接收的数字信号。此后，ARPA制造商设计出专门的陀螺罗经和计程仪信号接口板来解决不同陀螺罗经和计程仪的信号接入问题，但这种方法通常存在通用性问题和接口部件的高成本问题。
2.3接口技术的标准化发展
ARPA出现以后，其信号的处理开始大量采用数字电路技术（甚至是计算机技术）来完成。同时，外部接入的模拟信号或脉冲信号也需转换为数字信息之后再进行处理。此外，数字电路技术在其他船舶通导设备的设计制造中也得到了大量应用。
从20世纪70年代开始，导航设备的接口问题得到越来越多的关注。例如：国际海事无线电协会（CIRM）关注陀螺罗经的接口标准；（美国的国家海事电子协会（NMEA）专注于双曲线无线电导航（LORAN）控制自动舵的研究[1]。NMEA在20世纪80年代初就已制定NMEA 0183接口标准，该标准得到了全球大多数通导设备制造商的认可。
（1）NMEA 0183标准的基本特性
NMEA 0183标准采用基于文本格式、支持单向、一个发送端到一个或多个接收端的串行数据传输；这些数据由可打印的ASCII字符组成，最初规划的信息由位置、速度、深度和频率指配。信息长度一般为11～79个字符，每秒发送一次[2]。此外，标准还规定了电气接口及规格。NMEA 0183标准有3个基本“语句（sentence）”，分别为Talker sentences，Proprietary sentences和Query sentences。最新的NMEA 0183标准是2012年发布的4.10版本，扩展了更多的“语句”和设备，且可传输信息内容。最新版本NMEA 0183标准的信息类别不仅包括温度、力（force），压力（pressure）、频率及位移等传感器测量信息和船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）信息，还包括接收到的NAVTEX信息（包括航行警告和气象预报）及航行设备发送的状态信息（包括报警信息）。此外，NMEA还针对不同的应用发展了高速NMEA0183-HS（最高波特率为38kbite/s）和总线长度达200 m、传输速率达250kbite/s的现场总线形式的NMEA 2000标准。
（2）IEC61162系列標准
国际电工委员会（International Electrotechnical Commission ，IEC）采用NME 0183标准，并于1995年发布由NMEA 0183转换而来的IEC1162标准，此后改为IEC 61162[3]。IEC 61162标准针对海事导航与通信设备和系统的数字接口形成系列标准。IEC 61162-1对应NMEA 0183、IEC 61162-2对应高速版、IEC 61162-3对应NMEA 2000，但增加了在SOLAS船上实施的要求。IEC于2016年发布IEC 61162-1的第五版，该版本并不包括NMEA 0183第4.10版中的扩展（TAG）语句，但适用的设备中包含北斗卫星导航接收设备（NMEA 0183第4.10版适用的设备中不包含北斗接收设备）。
随着船载网络通信应用需求不断提升，IEC于2011年发布IEC 61162-450标准。该标准是一个多发送端和多接收端-以太互联标准（Multiple talkers and multiple listeners- Ethernet interconnection），规定了船舶导航与无线电通信设备之间、其他船载系统与船舶通导设备之间的高速通信的接口要求和测试方法，为在船载以太网上实现设备之间的数据传输提供了一个架构；标准中句子的信息承载单元的定义与IEC 61162-1相同。
3 结束语
电子技术的发展推动了导航设备信息显示和输出格式从机电信号向数字信息转变，船舶导航信息的集成应用促成了新型导航设备的不断出现。除了ARPA外，电子海图显示与信息系统（Electronic Chart Display and Information System ，ECDIS）、AIS和综合导航系统（Integrated Navigation System，INS）等都是船舶通导设备及系统信息集成应用的结果。NMEA 0183接口标准在通导设备的网络通信标准化方面起到了极其重要的作用；IEC发布的IEC61162系列标准进一步推动了船舶通导设备与系统接口标准化在国际商船行业的实施，同时为通导信息的网络化传输提供了基础框架。船舶通导设备与系统接口标准化的实现，不仅可为设计、使用和维护基于通导基础信息的网络化系统提供方便，还能为航运物联网、智能船舶及无人船研发提供基础条件。
参考文献：
[1] IEC.IEC Technical Committee 80： Maritime Navigation.
[2] NMEA 0183 Standard For Interfacing Marine Electronic Devices：NMEA 0183[S]. 2002.
