宿 勇，郭隆華

(1.中國人民解放軍海軍裝備部，北京100071;2.中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一四研究所，北京100192)

0 引 言

導(dǎo)航系統(tǒng)在航母及編隊航行與作戰(zhàn)過程中起到非常重要的作用，主要是保證航母及編隊的安全航行、確保飛機(jī)的安全起降、對準(zhǔn)艦載飛機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并作為艦載情報信息系統(tǒng)與武器系統(tǒng)的基準(zhǔn)信息源。美國海軍航母和編隊其他主戰(zhàn)艦艇的導(dǎo)航系統(tǒng)組成基本相同，是以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)為主，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)、多普勒計程儀、回聲測深儀及電磁計程儀等導(dǎo)航系統(tǒng)為輔的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。這些導(dǎo)航信息源通過導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)接口(NAVSSI)進(jìn)行綜合與處理，獲取最優(yōu)的、統(tǒng)一的導(dǎo)航信息，并將導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送到各武器作戰(zhàn)支持、指揮控制、計算機(jī)、通信、情報、監(jiān)視、偵察系統(tǒng)和其他信息系統(tǒng)。航母與編隊其他主戰(zhàn)艦艇導(dǎo)航系統(tǒng)相比，NAVSSI 將導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸給不同的用戶，航母上的NAVSSI 需要將導(dǎo)航信息發(fā)送給艦載機(jī)起降的相關(guān)輔助系統(tǒng)。

1 導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)接口

NAVSSI 是航母及編隊導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，其能綜合來自各種導(dǎo)航傳感器的數(shù)據(jù)，形成精確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)等，分發(fā)給航母及編隊艦艇的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、航空保障系統(tǒng)、航行保障系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、武器系統(tǒng)及訓(xùn)練系統(tǒng)等。

NAVSSI 的主要功能和特征如下:

1)集成了包括GPS 和慣性導(dǎo)航的多種導(dǎo)航信息源;

2)能在干擾嚴(yán)重的環(huán)境中保持高精度;

3)提供一種通?？蓞⒖寂灤瑢?dǎo)航方案;

4)提供超過99.9%的作戰(zhàn)有效性;

5)利用民用現(xiàn)成技術(shù)(COTS)降低系統(tǒng)成本;

6)支持海軍無紙化導(dǎo)航;

7)提供比GPS 更精確和可靠的性能;

8)適應(yīng)國防信息基礎(chǔ)設(shè)施通用作戰(zhàn)環(huán)境(DII COE);

9)滿足全球海上指揮與控制系統(tǒng)(GCCS-M)標(biāo)準(zhǔn);

10)使用部門聯(lián)合開發(fā)的指揮顯示與控制——慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(COMDAC-INS)軟件部分;

11)使用國家圖像與測繪局(NIMA)的數(shù)據(jù);

12)滿足軟件工程機(jī)構(gòu)性能成熟度模型標(biāo)準(zhǔn);

13)提供慣性、衛(wèi)星、多普勒聲吶組合導(dǎo)航的最優(yōu)濾波，確定最佳位置。

1.1 發(fā)展歷程

NAVSSI 是1991年2月由美國空海作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部著手實(shí)施的，是為了處理戰(zhàn)斗群之間各種導(dǎo)航數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送。由于民用電子海圖與信息系統(tǒng)(ECDIS)的飛速發(fā)展，1998年，美國海軍決定將電子海圖與信息系統(tǒng)應(yīng)用于海軍。NAVSSI 不僅包括了海軍電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS-N)的功能，還增加了許多防御任務(wù)功能。

到目前為止，NAVSSI 已經(jīng)從Block 0 發(fā)展到Block 4，經(jīng)過了5 個發(fā)展階段。Block 4.2.1 是最新的版本。NAVSSI 的設(shè)計在操作方法上非常靈活，可對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)重調(diào)用定位源進(jìn)行選擇，可對數(shù)據(jù)合理性進(jìn)行監(jiān)視選擇等。NAVSSI 系統(tǒng)采用開放式設(shè)計，可適應(yīng)技術(shù)的不斷發(fā)展，植入新的技術(shù)。未來，美國海軍計劃開發(fā)GPS定位、導(dǎo)航與授時系統(tǒng)(G-PNTS)，來取代NAVSSI系統(tǒng)，G-PNTS 與NAVSSI 的內(nèi)部都嵌入了下一代卡式GPS 接收機(jī)，確保美國海軍艦船能接收來自改進(jìn)型GPS 衛(wèi)星的信號。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

NAVSSI Block 4 系統(tǒng)主要由實(shí)時子系統(tǒng)(RTS)、顯示控制子系統(tǒng)(DCS)及遠(yuǎn)程工作站(NRS)3 個部分組成。

實(shí)時子系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集、處理及分發(fā)定位、導(dǎo)航、授時(PNT)數(shù)據(jù)，采用1 套導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合(NSI)算法將多個傳感器的數(shù)據(jù)融合，包括GPS 數(shù)據(jù)和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，來形成高精度和有效的導(dǎo)航方案。所有NAVSSI Block 4 系統(tǒng)都包括2 套實(shí)時子系統(tǒng)，這2 套實(shí)時子系統(tǒng)通過反射內(nèi)存(即多臺計算機(jī)形成全局共享內(nèi)存互聯(lián)的高速網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)都把全局內(nèi)存視為本地內(nèi)存)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每套實(shí)時子系統(tǒng)可以共享所有的源數(shù)據(jù)。如果1 條通信信道對實(shí)時子系統(tǒng)失效，實(shí)時子系統(tǒng)還可以通過反射內(nèi)存從其他實(shí)時子系統(tǒng)獲取信息。

顯示控制子系統(tǒng)通過局域網(wǎng)與每套實(shí)時子系統(tǒng)進(jìn)行通信。顯示控制子系統(tǒng)為實(shí)時子系統(tǒng)提供操作人員接口以及電子海圖和雷達(dá)接口。顯示控制子系統(tǒng)能利用導(dǎo)航工具包顯示實(shí)時子系統(tǒng)的傳感器信息，計程儀導(dǎo)航數(shù)據(jù)，電子海圖及雷達(dá)圖像，并能控制實(shí)時子系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程工作站是NAVSSI 操作人員的遠(yuǎn)程顯示器。NAVSSI 遠(yuǎn)程工作站為艦橋及其他艙室的人員提供全部的控制與顯示能力。操作過程中，NAVSSI 持續(xù)監(jiān)視各種導(dǎo)航數(shù)據(jù)源的輸入數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性。

1.3 主要功能

NAVSSI 的功能主要包括定位、導(dǎo)航、授時、艦載機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對準(zhǔn)等。

1)定位

美國海軍艦船采用了多個參考基點(diǎn)，如武器系統(tǒng)、雷達(dá)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、平臺羅經(jīng)、GPS、艦橋。在大型艦船上，由于船體變形和使用的參考系不同，相互之間的差別可達(dá)近百米。隨著射擊解算要求越來越精確，對于總的誤差估計，這些誤差就變得更加重要。建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)已成為迫切解決的問題。該方案將在艦船上挑選一個獨(dú)立的點(diǎn)，作為所有艦載系統(tǒng)的參考點(diǎn)，即本艦參考點(diǎn)(OSRP)。這簡化了本艦參考點(diǎn)定位、導(dǎo)航與授時數(shù)據(jù)與其他終端用戶之間的轉(zhuǎn)換。通常情況下，本艦參考點(diǎn)應(yīng)與位于艦船中心線中部的水線位置的艦船自轉(zhuǎn)中心重合。

圖3 本艦參考點(diǎn)桿臂向量Fig.3 Own ships reference point(OSRP)lever arms

2)導(dǎo)航

NAVSSI 的主要功能是向艦船武器與作戰(zhàn)系統(tǒng)提供位置與時間信息，其次是向艦船艦橋提供導(dǎo)航方案，即將艦船的位置數(shù)據(jù)標(biāo)繪在艦橋、海圖室及其他艦上操控場所的電子海圖上，可與綜合艦橋進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)避碰、航行計劃和艦船操縱自動化。為了在任何情況下向用戶提供有效的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，NAVSSI 采用優(yōu)先級的方式進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)源選擇。數(shù)據(jù)源選擇方案考慮了所有可提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)的傳感器，并為每個傳感器設(shè)置了優(yōu)先級，包括位置、速度、加速度、航向、姿態(tài)、深度、風(fēng)速等。如果任何傳感器未通過數(shù)據(jù)審查，傳輸了無效數(shù)據(jù)，或傳輸失敗，NAVSSI 自動地采用傳感器可提供的下一批次的數(shù)據(jù)。

3)授時

為了完全共享作戰(zhàn)航跡數(shù)據(jù)，以時間為標(biāo)簽的數(shù)據(jù)的時間誤差必須足夠小。GPS 可以在全球提供可靠的、精確的供導(dǎo)航系統(tǒng)使用的無故障時間信息。但是，GPS 戰(zhàn)時有可能受到干擾，無法滿足導(dǎo)航小組對可靠的精確時間的需求。因此，NAVSSI 開發(fā)了一種精確授時裝置(PTU)。

精確授時裝置包括頻率調(diào)整模塊(FDM)、銣振蕩器以及緩沖輸出設(shè)備。一旦估計的時間誤差(ETE)超過100 ns，精確授時裝置將進(jìn)入工作模式，并利用銣振蕩器來保持時間精度。對于大多數(shù)用戶，1 ms 的精度能滿足需求。這意味著精確授時裝置能在GPS 無法使用的情況下，在5 個半月的時間里滿足這些用戶的時間需求。

4)艦載機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對準(zhǔn)

航母艦載機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對準(zhǔn)是航母導(dǎo)航系統(tǒng)的重要功能。艦載機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)起飛前需要進(jìn)行對準(zhǔn)，也即利用航母導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)和位置進(jìn)行初始化的過程。艦載機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的對準(zhǔn)主要利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，最初采用硬連接系統(tǒng)，艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)艦載機(jī)慣性系統(tǒng)對準(zhǔn)控制臺(SAISAC)，到甲板出口箱，再經(jīng)轉(zhuǎn)換箱到相對速度計算機(jī)箱，最后到飛機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。引入NAVSSI 以后，由于NAVSSI 能獲得GPS 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，可以利用LINK-4A 數(shù)據(jù)鏈方便地實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)。其中，LINK-4A 數(shù)據(jù)鏈為單向或雙向通信系統(tǒng)，可向100 架飛機(jī)發(fā)送信息。

2 美國航母及編隊導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程

航母及編隊導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程主要包括接收數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)處理、導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出等。

圖4 NAVSSI 數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 NAVSSI data flow chart

2.1 導(dǎo)航系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)源

美國航母及編隊中NAVSSI 的數(shù)據(jù)源主要包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒計程儀、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、回聲測深儀、電磁計程儀、陀螺羅經(jīng)、風(fēng)速儀及時間數(shù)據(jù)等。

表1 NAVSSI 的主要數(shù)據(jù)源Tab.1 NAVSSI main data source

2.2 數(shù)據(jù)檢查

NAVSSI 持續(xù)監(jiān)視導(dǎo)航數(shù)據(jù)源的輸入數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的完整性。完整性檢查主要是確保通過物理介質(zhì)連接NAVSSI 數(shù)據(jù)源，并接收合適的數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)不完整信息、信息中含錯誤內(nèi)容等情況，NAVSSI 將向操作人員發(fā)出可視的報警信號。

NAVSSI 能提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)有效性監(jiān)控，包括對每個位置數(shù)據(jù)源誤差特性的持續(xù)監(jiān)控。如果數(shù)據(jù)源誤差特性持續(xù)超過一定數(shù)值，該數(shù)據(jù)源即認(rèn)為是無效的。數(shù)據(jù)源綜合算法將不采用該數(shù)據(jù)，NAVSSI 向操作人員發(fā)出可視的報警信號。如果NAVSSI 操作人員手動選擇了一個超出誤差范圍的數(shù)據(jù)源，NAVSSI也將顯示報警信息。

2.3 導(dǎo)航數(shù)據(jù)綜合處理

NAVSSI 提供一種導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合算法，該算法將來自GPS 的數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合，形成一種高精度、可靠的導(dǎo)航方案。導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合算法充分考慮了每個導(dǎo)航傳感器的誤差特性，將滿足表1 中艦上用戶的精度需求。

位置數(shù)據(jù)。主要是利用來自1 臺或2 臺GPS 接收機(jī)和1 套或2 套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的位置數(shù)據(jù)綜合計算得出。該綜合位置數(shù)據(jù)利用最優(yōu)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)以插值的方式推算得出。該方法能為用戶提供精確的位置信息。當(dāng)GPS 不可用時，NAVSSI 的精度與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度相同。其中，最優(yōu)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是指一段時間內(nèi)輸出的位置信息最接近GPS 位置信息的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。數(shù)據(jù)源位置綜合算法使NAVSSI 在正常工作的情況下提供精度為12 m 的位置參考信息。

速度數(shù)據(jù)。通過對最優(yōu)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS 之間的速度誤差進(jìn)行濾波來計算速度值。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)速度經(jīng)過估計的誤差校正后用于導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合計算。

姿態(tài)數(shù)據(jù)。姿態(tài)與姿態(tài)變化率不需要計算，直接采用最優(yōu)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。如果慣性導(dǎo)航系統(tǒng)失效，姿態(tài)數(shù)據(jù)就是無效的。當(dāng)實(shí)時子系統(tǒng)接收到新的姿態(tài)數(shù)據(jù)時，將對新接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式匹配。這種匹配將用于推算姿態(tài)數(shù)據(jù)并根據(jù)最新的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)數(shù)據(jù)時間點(diǎn)計算姿態(tài)變化率信息。利用這種匹配方式及外推算法，NAVSSI 能保證姿態(tài)數(shù)據(jù)的精度。

導(dǎo)航數(shù)據(jù)源綜合算法能估計出NAVSSI 輸出的數(shù)據(jù)的精度。該精度估計基于傳感器系統(tǒng)已知的誤差特性。某些用戶系統(tǒng)將精度估計數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)信息的一部分進(jìn)行發(fā)送。對于其他用戶，這些精度估計數(shù)據(jù)將用于設(shè)定數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。

2.4 導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出

NAVSSI 的實(shí)時子系統(tǒng)以多種形式輸出導(dǎo)航與時間數(shù)據(jù)，接收NAVSSI 導(dǎo)航數(shù)據(jù)的艦載用戶有數(shù)十個。表2 給出了NAVSSI 實(shí)時子系統(tǒng)輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)的主要接收用戶及精度需求，這些數(shù)據(jù)包括了航母及編隊其他主戰(zhàn)水面艦艇上的主要系統(tǒng)用戶。

表2 NAVSSI Block 4 輸出的主要導(dǎo)航數(shù)據(jù)Tab.2 NAVSSI Block 4′s main output navigation data

(續(xù)表1)

3 美國航母及編隊導(dǎo)航系統(tǒng)的信息安全

最初，NAVSSI 是一套獨(dú)立的系統(tǒng)，其子系統(tǒng)通過內(nèi)部局域網(wǎng)連接，實(shí)時子系統(tǒng)通過外部點(diǎn)對點(diǎn)接口與傳感器及用戶連接。這種獨(dú)立的配置不存在信息安全問題，但是隨著接口數(shù)量的增長，將與其他網(wǎng)絡(luò)用戶交叉，因此需要考慮信息安全問題。以美國LPD-17 級兩棲攻擊艦為例，當(dāng)其NAVSSI 需要通過衛(wèi)星通信與外界聯(lián)系時就出現(xiàn)了信息安全問題，另外同時與非密網(wǎng)與涉密網(wǎng)連接也將產(chǎn)生跨界信息安全問題。

1)通過衛(wèi)星通信與外界聯(lián)系

LPD-17 的非密艦載廣域網(wǎng)(SWAN)通過衛(wèi)星通信與非密互聯(lián)網(wǎng)路由器網(wǎng)絡(luò)(NIPRNET)連接，非密互聯(lián)網(wǎng)路由器網(wǎng)絡(luò)通過邊界安全方法進(jìn)行安全防護(hù)。然而，這些措施并非100%安全，因此當(dāng)非密的艦載廣域網(wǎng)出現(xiàn)漏洞時，NAVSSI 需要受到安全保護(hù)。NAVSSI 安全方案包括軟件與硬件方案。

定位、導(dǎo)航與授時數(shù)據(jù)如果出現(xiàn)延遲將是無意義的，因此不需要轉(zhuǎn)發(fā)任何損壞的或錯誤的數(shù)據(jù)，也不需要進(jìn)行雙向通信。這將使NAVSSI 向非密艦船廣域網(wǎng)單向多點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，而不需要接收任何數(shù)據(jù)。通過硬件實(shí)現(xiàn)利用絕對安全的單向光纖輸出數(shù)據(jù)，這種軟件方案將變得更加安全。這種軟件與硬件的組合方案確保NAVSSI 能防止任何來自非密艦船廣域網(wǎng)的訪問。

2)跨界通信問題

LPD-17 需要NAVSSI 向涉密的艦船廣域網(wǎng)提供導(dǎo)航信息。類似的單向光纖方案也用于這種接口方案，這能確保涉密數(shù)據(jù)不會進(jìn)入NAVSSI。然而，NAVSSI 作為非密系統(tǒng)將向秘密的艦載廣域網(wǎng)提供定位、導(dǎo)航與授時數(shù)據(jù)，這將產(chǎn)生非計劃的跨界傳輸問題。美國海軍允許非密的定位、導(dǎo)航與授時數(shù)據(jù)提供給涉密系統(tǒng)，此外還可以進(jìn)行物理連接。

涉密的艦船廣域網(wǎng)的風(fēng)險可能來自與NAVSSI連接的非密系統(tǒng)。如果該非密系統(tǒng)能通過單向通信路徑訪問秘密的艦船廣域網(wǎng)，就可能植入“特洛伊木馬”病毒或其他類型的惡意代碼。為防止任何產(chǎn)生途經(jīng)NAVSSI 的跨界通道的可能，涉密艦船廣域網(wǎng)的接口直接與實(shí)時子系統(tǒng)連接，實(shí)時子系統(tǒng)不提供任何轉(zhuǎn)移、傳輸數(shù)據(jù)的權(quán)限，以及對其他接口產(chǎn)生數(shù)據(jù)通道的權(quán)限。實(shí)時子系統(tǒng)包括一種獨(dú)立的可執(zhí)行程序，嵌入子系統(tǒng)硬件中，無法進(jìn)行修改，或運(yùn)行其他程序。實(shí)時子系統(tǒng)沒有外圍存儲設(shè)備和分配內(nèi)存權(quán)限，所以無法存儲任何植入的數(shù)據(jù)，也不存在有效的接口信息。這確保了任何數(shù)據(jù)無法從一個接口傳輸?shù)搅硪唤涌凇Ｋ休斎氲綄?shí)時子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以固定的格式進(jìn)行處理。這種數(shù)據(jù)隨后用于以適當(dāng)?shù)妮敵龈袷綐?gòu)建新的輸出數(shù)據(jù)，這也消除了數(shù)據(jù)從一個接口轉(zhuǎn)移到另一個接口，從而產(chǎn)生跨界通信信道的可能性。

4 結(jié) 語

NAVSSI 是目前美國海軍水面艦艇廣泛采用的定位、導(dǎo)航與授時方案，能解決大型水面艦艇多個位置的桿臂效應(yīng)問題、GPS 信號受到干擾時的授時問題等。NAVSSI 方案將航母編隊內(nèi)的定位、導(dǎo)航與授時數(shù)據(jù)完全統(tǒng)一，是航母編隊進(jìn)行航行與作戰(zhàn)的重要保障。

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