0 引　言

无线网络技术是结合众多领域知识高度交叉的多学科技术，是目前通信领域的研究重点^[1]。舰船实时导航数据采集与传输是结合无线通信技术、传感器技术等众多技术的研究热点。无线局域网是无线网络技术中的重要技术，无线局域网是利用众多无线终端设备组成的通信网络^[2-3]。无线局域网组网灵活、布线简单、可移动性强以及成本低，在舰船导航应用中占有重要地位。我国舰船趋于高速化以及大型化发展，导航数据提供多种保证舰船可靠运行的参数。通过高效的无线网络技术，实现实时导航数据的采集与传输，将导航数据作为舰船可靠航行的重要基础。采集舰船导航数据的传感器类型众多，实时导航数据传输的无线网络，需要满足可靠性与多样性需求。以往采用CAN总线和以太网传输实时导航数据，已无法满足数据通信的多样性需求，网络存在连接断开情况。无线局域网可以减少实时导航数据采集的通信接口，令实时导航数据传输更加便利。

目前已有众多学者针对无线网络数据传输技术进行研究。刘犇等^[4]将实时性区分方法应用于船载网络中，该方法通过分析报文类型，利用战术数据链实现船载网络的传输优化，提升船载通信网络的时延增益；陈琪等^[5]将混合多跳数据采集算法应用于无线传感器网络中，将节点分级思想应用于混合多跳数据采集中，所采集数据沿着无线传感器网络中的最短路径，实现数据传输，提升数据采集效率，实现无线传感器网络生命周期的有效延长。以上方法虽然可以实现无线网络的通信优化，但是并未考虑舰船导航数据的多样化特点，无法满足舰船导航数据采集与传输的多样化需求。针对以上方法在舰船导航数据采集与传输中存在的缺陷，研究基于无线网络的舰船实时导航数据采集与传输方法，提升舰船实时导航数据的采集与传输性能。

1 舰船实时导航数据采集与传输 1.1 多类型舰船实时导航数据采集

舰船实时导航数据中，包含众多不同类型数据。舰船实时导航数据包含的数据类型如表1所示。

量测数据是舰船实时导航数据的重要组成部分。利用量测传感器，采集舰船实时导航数据中的量测数据。采集舰船导航数据中的量测数据时，需要保障量测传感器的持续、稳定以及可靠工作，量测传感器采集的量测数据来源需要有冗余度，保障舰船实时导航数据处理时，可以自动取舍，提升舰船实时导航数据处理的可靠性。采用量测传感器采集的舰船实时导航数据，包括利用平台罗经仪采集的舰船首相角以及纵横切角；利用电磁计程仪提供的以海水为参照物的舰船相对航行速度；利用多普勒计程仪采集的舰船绝对航速；利用GPS接收机、北斗卫星接收机和罗兰C接收机等卫星以及无线电设备，采集舰船实时经度、纬度信息等导航数据；舰船所在位置的气象信息和风向、风速信息，利用舰船气象仪提供；利用测深仪，测量舰船航行的水下深度信息；舰船的操舵信息利用操舵仪提供。

采用不同设备，采集不同类型的舰船实时导航数据。不同类型的舰船承担的任务存在差异，所采集舰船实时导航数据的组成以及规模存在差异。利用舰船实时导航数据采集结果，为舰船综合导航系统的导航数据处理，提供可靠的数据基础。

1.2 舰船实时导航数据传输的无线网络

利用数据采集设备采集舰船实时导航数据，所采集数据利用无线网络传输至舰船导航系统。选取无线局域网作为舰船实时导航数据传输的无线网络。无线局域网利用物理层为舰船实时导航数据传输提供无线通信链路。利用无线局域网传输舰船实时导航数据的传输过程如图1所示。分析图1舰船实时导航数据传输过程，无线局域网的物理层，将待传输舰船实时导航数据作为通信的信源。将舰船实时导航数据与通信信道编码处理，完成信道编码后，进行信道编码的冗余设计，令舰船实时导航数据在节点接收端发现数据错误时，及时纠正错误。对于待传输的舰船实时导航数据，需要进行交织处理。无线局域网传输的数据，需要实施保护加密处理，保证数据传输具有较高的安全性。加密后的舰船实时导航数据，需要调制处理。由于舰船实时导航数据中包含数据类型众多，利用压缩感知算法重构通信数据，满足舰船实时导航数据传输的多样化需求。无线局域网通过设置通信频率和通信功率传输数据。无线局域网发射端需要传输多组数据时，选取多路复用技术处理传感器采集的舰船实时导航数据。无线局域网物理层的数据接收过程与数据发送过程为相反状态。无线局域网接收数据时，可能存在相位失真以及信号幅度失真情况，利用多路复用技术处理失真数据。

1.3 基于压缩感知算法的舰船实时导航数据重构

利用压缩感知算法重构舰船实时导航数据，令无线网络满足多类型舰船实时导航数据的传输需求。无线局域网中的随机通信数据，均可以视为有限的一维离散向量。设无线局域网中存在实域 $ {\Re ^N} $ ，其中包含大小为 $ N \times 1 $ 的列向量 $ x = {\left[ {{x_1},{x_2}, \cdots ,{x_N}} \right]^T} $ 。依据标准正交基，展开实域 $ {\Re ^N} $ 内的随机舰船实时导航数据 $ x $ ，展开后的向量 $ \eta = {\left[ {{\eta _j}_1,{\eta _j}_2, \cdots ,{\eta _j}_N} \right]^{\rm{T}}} $ 的大小为 $ N \times N $ ， $ {\eta _j} $ 为基矩阵 ${\boldsymbol{ \eta}} $ 的列向量。无线局域网中通信数据 $ x $ 的表达式如下：

$ x = \sum\limits_{i = 1}^N {{s_i}} {\eta _i}。$

(1)

由式(1)可知，无线局域网中的通信数据，在时间、空间域以及 $ \eta $ 域中，分别用 $ x $ 与 $ s $ 表示。

无线局域网中存在由 $ K $ 个基向量线性组合形成的数据 $ x $ 时，通信数据 $ x $ 为 $ K $ 项稀疏。此时，式(1)中的系数 $ {s_i} $ 中存在 $ K $ 个非零数据， $ K < < N $ 时，且 $ s $ 内较大值系数所占比例较小时，无线局域网中的通信数据 $ x $ 为可压缩数据。

设无线局域网内，存在一个欠定方程组：

$ y = \varGamma x $

(2)

式中： $ \varGamma $ 与 $ x $ 分别为随机投影矩阵以及无线局域网内项稀疏的通信数据。引入基矩阵 $ {\boldsymbol{\eta}} $ ，将式(2)转 $ K $ 化如下：

$ y = \varGamma \eta s，$

(3)

依据压缩感知理论，设存在满足 $ {\left\| s \right\|_0} \leqslant K $ 条件的积矩阵 $\varTheta = \varGamma \eta$ ，用 $ \xi $ 表示矩阵 $ \Theta $ 的等距常量， $ \xi $ 为满足式(4)的最小值：

$ \left( {1 - \xi } \right)\left\| s \right\|_2^2 \leqslant \left\| {\Gamma \eta s} \right\|_2^2 \leqslant \left( {1 + \xi } \right)\left\| s \right\|_2^2，$

(4)

当 $ \xi < 1 $ 时，矩阵 $ \Theta $ 满足 $ K $ 阶有限等距条件。

将无线局域网传输的舰船实时导航数据 $ x $ 重构问题，转化为 $ {l_1} $ 最小化问题如下：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\mathop {\min }\limits_{s \in {\Re ^N}} {{\left\| s \right\|}_{{l_1}}}} ，\\ {{\rm{s.t.}}\quad y = \varGamma x，x = \eta s} 。\end{array}} \right.$

(5)

当无线局域网传输的舰船实时导航数据，满足稀疏特性时，通过求解式(5)，实现舰船实时导航数据传输过程中的源数据重构，满足舰船实时导航数据传输的多样性需求。

2 实例分析

为了验证本文方法对舰船实时导航数据的采集以及传输性能，采用Matlab仿真软件搭建仿真测试平台，模拟某总吨位为10000 t的驱逐舰航行状况。构建无线局域网，用于采集该舰的实时导航数据，无线局域网采用1主20从模式，20个节点分别与GPS接收机等导航数据采集设备连接。利用导航数据采集设备，采集并发送舰船实时导航数据。利用无线局域网的主节点，处理并存储从节点采集的实时导航数据，实时导航数据传输至导航系统的存储模块中。

利用平台罗经仪，采集该舰航行的首向角，将数据采集结果利用无线局域网，传输至舰船导航系统。本文方法采集舰船首向角数据的采集结果如图2所示。可以看出，本文方法利用平台罗经仪，可以有效采集舰船航行过程中的首向角信息，将平台罗经仪采集的舰船航行首向角，利用无线局域网传输至舰船导航系统中，作为舰船导航系统导航的数据基础。

采用本文方法传输舰船实时导航数据，所采用无线局域网的数据帧形成参数如表2所示。可以看出，采用本文方法可以利用无线局域网，选取合适的调制方式，针对舰船实时导航数据类型存在的差异，为无线局域网设置合适的传输速率参数。利用数据帧参数设置结果，提升无线局域网对舰船实时导航数据的传输性能。

为了进一步验证本文方法对舰船实时导航数据的传输性能，通过子节点校验方式校验舰船实时导航数据的传输正确性，记录舰船实时导航数据传输的数据丢失次数，确定无线局域网传输舰船实时导航数据的丢包率。统计无线局域网传输不同舰船实时导航数据时的网络负载能力，统计结果如表3所示。可以看出，本文方法可以利用无线网络，选取最优的通信节点。利用无线局域网传输舰船实时导航数据，数据传输速率较高，数据传输丢包率较低。本文方法所采用无线网络的数据传输具有较高的稳定性，满足舰船实时导航数据的多样性传输需求。

3 结　语

针对舰船实时导航数据传输的多样性需求，选取无线网络技术作为舰船实时导航数据的通信技术。利用传感器采集舰船实时导航数据，将所采集数据传输至导航系统，导航系统依据实时导航数据，完成舰船路径规划等。通过实验验证，无线网络技术可以满足舰船实时导航数据传输的多样性需求。