海事通信技術(shù)新進(jìn)展 VDES系統(tǒng)

● 文|中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院總體部 熊雅穎

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海事通信技術(shù)新進(jìn)展 VDES系統(tǒng)

● 文|中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院總體部 熊雅穎

可靠的海事通信不但滿足了船舶正常航行和運(yùn)營(yíng)的需要,更是海上生命安全必不可少的基本保證。它從原始的旗語(yǔ)、燈光信號(hào)開始，經(jīng)過無線電報(bào)、無線電話，發(fā)展到現(xiàn)在的多頻段、多平臺(tái)通信，逐漸形成了一套天地一體的立體化無線通信網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)發(fā)展過程中，船舶自動(dòng)識(shí)別（AIS）系統(tǒng)扮演了舉足輕重的角色。自2000年以來，在確保海上交通安全、改善海上交通秩序、確保船舶航行安全方面發(fā)揮著不可或缺的作用，目前從事國(guó)際航運(yùn)的各類船舶必須裝配AIS設(shè)備。

但隨著海事通信技術(shù)的快速發(fā)展，“下一代”的研究和產(chǎn)業(yè)化逐步被提上日程，目前被定義為甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VDES）的“下一代”船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)就這樣出現(xiàn)了。海事通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了航海事業(yè)的發(fā)展，而航海事業(yè)的發(fā)展也帶動(dòng)了通信技術(shù)的進(jìn)步，因此研究新一代的VDES系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢(shì)對(duì)保障海上航行安全、實(shí)現(xiàn)全球航海信息資源的利用與共享、促進(jìn)航運(yùn)事業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

一、VDES系統(tǒng)發(fā)展背景

VDES是針對(duì)AIS加強(qiáng)和升級(jí)的系統(tǒng)，于2012年世界無線電通信（WRC-12）大會(huì)后提出。VDES的產(chǎn)生和發(fā)展都與AIS密切相關(guān)。

1．AIS遇到的問題和解決方法

最初設(shè)計(jì)的AIS系統(tǒng)是為了在20~30海里（27km~56km）的范圍內(nèi)，自動(dòng)在船舶、海岸電臺(tái)和導(dǎo)航設(shè)備之間交換短消息。而很顯然，當(dāng)船舶處于距離基站20~30海里以外時(shí)，船舶的AIS信息將無法被基站獲取。因此使用AIS衛(wèi)星偵測(cè)作為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離船舶偵測(cè)的手段是AIS系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。挪威、瑞典等北歐國(guó)家和美國(guó)于2006年前后率先開展了天基AIS系統(tǒng)的研究和AIS衛(wèi)星的研制，以美國(guó)軌道通信公司為代表的AIS衛(wèi)星星座于2010年前后組網(wǎng)并開始提供岸基AIS基站無法提供的全球AIS數(shù)據(jù)服務(wù)。至此，一項(xiàng)原本由各國(guó)海事部門用于監(jiān)控船舶安全的系統(tǒng)，變成了一款“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”的全球化的船舶跟蹤應(yīng)用，隨之而來的是一片令人驚異的巨大潛在市場(chǎng)。

隨著對(duì)AIS系統(tǒng)在VHF頻段通信需求的增加，AIS系統(tǒng)的可使用頻段內(nèi)已經(jīng)非常擁擠，在許多繁忙港口已經(jīng)達(dá)到對(duì)頻段50%以上的占用率，國(guó)際航標(biāo)組織（IALA）提出當(dāng)AIS數(shù)據(jù)鏈路負(fù)載超過50%時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致信息阻塞等嚴(yán)重問題的發(fā)生，影響航行安全。

全球目前已經(jīng)有相當(dāng)一部分地區(qū)的海上交通繁忙導(dǎo)致AIS鏈路負(fù)載接近甚至超過上述50%的標(biāo)準(zhǔn)。2012年中國(guó)的一項(xiàng)初步的研究表明：在一些交通繁忙的時(shí)刻，上海港和渤海灣地區(qū)AIS1和AIS2頻段的平均占有率已高達(dá)30%，某些時(shí)刻甚至高達(dá)40%。2012年12月18日美國(guó)墨西哥北部灣24小時(shí)數(shù)據(jù)顯示：AIS鏈路負(fù)載高達(dá)64%，導(dǎo)致69%的重要信息丟失。這些事實(shí)都表明非常有必要提供額外的頻段供AIS系統(tǒng)使用。

為了緩解AIS系統(tǒng)現(xiàn)有頻段內(nèi)的壓力以及保證正常功能的實(shí)現(xiàn)，IALA和國(guó)際海事組織（IMO）在2012年建議將原本交換數(shù)據(jù)中的應(yīng)用信息（Application Specific Messages，ASM）移入其他新的頻段以緩解原有AIS頻段的壓力，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在WRC-12也認(rèn)可了這一說法，將增強(qiáng)型海事系統(tǒng)做為下一屆大會(huì)（WRC-15）的1.16議題進(jìn)行研究，并提供了4個(gè)備選的頻段用于ASM研究。由此我們不難看出，頻段的壓力要求AIS系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。除了頻段的壓力，對(duì)數(shù)據(jù)交換需求的提高也是需要升級(jí)AIS系統(tǒng)的重要因素。

2．VDES系統(tǒng)的產(chǎn)生

針對(duì)上述提到的AIS系統(tǒng)需要解決的問題，ITU、IALA和IMO積極響應(yīng)，分別從頻點(diǎn)、應(yīng)用和規(guī)則層面對(duì)現(xiàn)有AIS系統(tǒng)進(jìn)行“升級(jí)”的可行性進(jìn)行研究，并在2013年由IALA首次提出了VDES的概念。

相比于AIS系統(tǒng)，VDES系統(tǒng)的通信鏈路更加豐富，且在原來廣播信道基礎(chǔ)上增加了VDE的通信信道。不僅如此，VDES系統(tǒng)還在設(shè)計(jì)之初就考慮了地面與衛(wèi)星兩大系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和兼容性分析等多個(gè)角度做了大量技術(shù)研究工作。從2013年至今，VDES系統(tǒng)設(shè)計(jì)在IALA和ITU的牽頭努力下，各國(guó)在這樣的框架下進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的討論和修改，并最終確定了VDES系統(tǒng)技術(shù)特性的最初版本。值得注意的是，在VDES系統(tǒng)中大部分的衛(wèi)星部分的技術(shù)特性討論和制定，都由歐洲航天局（ESA）牽頭完成。

二、VDES衛(wèi)星的應(yīng)用

海事通信應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需求促進(jìn)了AIS、星載AIS以及VDES系統(tǒng)概念提出并實(shí)施，并得到世界各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)用戶的迅速響應(yīng)和跟進(jìn)，之所以受到如此大的關(guān)注還因?yàn)槠鋸V闊的應(yīng)用前景。

1．VDES主要應(yīng)用領(lǐng)域

星載AIS服務(wù)的供應(yīng)商exactEarth在2015年的VDES Workshop上提出了該公司對(duì)于VDES應(yīng)用領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)和描述，其中主要包括極地通信、全球天氣預(yù)報(bào)、全球甚高頻交通設(shè)備（VHF Traffic Service）、全球海事遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)的現(xiàn)代化等方面。

☆ VDES應(yīng)用領(lǐng)域之一：全球海事遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)

在VDES中，衛(wèi)星起到的作用與AIS相同，即拓展了岸基服務(wù)的范圍，使得區(qū)域性服務(wù)變成了全球性服務(wù)，而從星載AIS系統(tǒng)帶來的改變來看，其中蘊(yùn)含的巨大商機(jī)和市場(chǎng)前景都是非?？捎^的。

2．VDES的頻率劃分

上文提到，要實(shí)現(xiàn)從AIS系統(tǒng)到VDES系統(tǒng)的升級(jí)，增加可供VDES系統(tǒng)使用的新頻段是前提條件。因此研究VHF頻段關(guān)于海事業(yè)務(wù)的頻率劃分是研究VDES系統(tǒng)未來發(fā)展的重要組成部分，AIS系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展升級(jí)都離不開VHF頻段用于海事業(yè)務(wù)的頻率劃分。有些歷史甚至可以追溯到20世紀(jì)初，那時(shí)海事通信主要使用LF頻段，雖然那時(shí)在VHF頻段的157~162MHz有移動(dòng)區(qū)域、162~170MHz有低功率電臺(tái)區(qū)域的業(yè)務(wù)劃分，但并沒有明確是用于海事服務(wù)的。ITU頒布的《無線電規(guī)則》（RR）中規(guī)定了VHF頻段的業(yè)務(wù)劃分，從1947年到2012年期間，RR中關(guān)于VHF頻段業(yè)務(wù)劃分的內(nèi)容被多次修訂以推動(dòng)海事應(yīng)用的發(fā)展。這些決議逐步確定了AIS系統(tǒng)在VHF頻段合法使用的地位，特別是2012年的決議還為以后AIS系統(tǒng)的衛(wèi)星應(yīng)用確定了新頻點(diǎn)，同時(shí)提供了用于測(cè)試的新頻段。2012年后，ITU和各成員國(guó)將目光和精力投入到了對(duì)VDES頻點(diǎn)的劃分中來，經(jīng)過3年的努力，目前ITU提出了四種針對(duì)VDES系統(tǒng)頻率劃分的方案。

這四種方案分別由IALA、ESA（及歐洲各國(guó)）、加拿大和中國(guó)提出。這四種方案基本上都是24、84、25、85、26和86信道可供VDE使用，27和28信道供ASM使用，AIS依舊使用原來的頻點(diǎn)，只有方案四另外增加了四個(gè)信道用于語(yǔ)音功能。四種方案的不同集中在衛(wèi)星部分可使用的信道，其中方案一中衛(wèi)星可使用的帶寬是最寬的。

ITU根據(jù)各頻段劃分方案，對(duì)四個(gè)劃分方案的各類功能的符合程度進(jìn)行了比較，期待在WRC-19大會(huì)結(jié)束后確定最終的頻率劃分方案。

WRC-15大會(huì)之后，ITU規(guī)定包括中國(guó)在內(nèi)的全球大部分地區(qū)可從2017年1月1日起，在在VHF頻段對(duì)應(yīng)的24、84、25、85、26和86信道進(jìn)行數(shù)字調(diào)制發(fā)射，用于地面VDES。從2019年1 月1日起，信道2027將被標(biāo)為ASM 1，信道2028將被標(biāo)為ASM 2，即這兩個(gè)信道用于ASM。VDES衛(wèi)星部分在有效使用VHF水上頻譜和滿足各用戶需求的同時(shí)，不應(yīng)干擾AIS、具體針對(duì)應(yīng)用的電文（ASM）和VDES地面部分。VDES衛(wèi)星部分不應(yīng)對(duì)數(shù)字選擇呼叫（DSC）、AIS、話音遇險(xiǎn)、安全和呼叫信道造成有害干擾。VDES衛(wèi)星部分可在156.0125—157.4375 MHz和160.6125—162.0375 MHz 的VHF水上頻段的相關(guān)部分運(yùn)行用于測(cè)試研究。這些都充分說明ITU已經(jīng)在逐步確定對(duì)VDES系統(tǒng)的頻率劃分，目前地面VDES系統(tǒng)已經(jīng)在VHF頻段可以合法使用。

在WRC-19的議題中，ITU－R將會(huì)考慮修改《無線電規(guī)則》，其中包括為衛(wèi)星水上移動(dòng)業(yè)務(wù)（地對(duì)空和空對(duì)地）進(jìn)行新的頻譜劃分，包括衛(wèi)星上行的156.0125—157.4375 MHz和下行的160.6125 —162.0375 MHz，以促成實(shí)現(xiàn)新的VDES衛(wèi)星部分，同時(shí)確保該衛(wèi)星部分不會(huì)降低現(xiàn)有VDES地面部分、ASM、AIS的運(yùn)行質(zhì)量，且不會(huì)對(duì)這些以及154 MHz至156 MHz頻段的低端相鄰頻段和162MHz至164 MHz頻段的高端相鄰頻段內(nèi)現(xiàn)有業(yè)務(wù)造成有害干擾和限制。

因此，ITU-R的研究組將在WRC-19之前及時(shí)研究VDES衛(wèi)星部分與上述相鄰頻段內(nèi)現(xiàn)有業(yè)務(wù)之間的頻率共用和兼容性，以便為衛(wèi)星水上移動(dòng)業(yè)務(wù)（地對(duì)空和空對(duì)地）的VDES應(yīng)用劃分頻譜。同時(shí)ITU-R希望各主管部門參與并支持VDES衛(wèi)星部分的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。由此不難看出，ITU也在通過頻率研究和鼓勵(lì)VDES衛(wèi)星的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來積極推動(dòng)VDES衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)表示希望在WRC-19上明確VDES衛(wèi)星部分的頻率劃分，這都充分說明了VDES系統(tǒng)的發(fā)展迅速，并且離實(shí)現(xiàn)VDES的全面運(yùn)行和應(yīng)用已經(jīng)越來越近了。

☆　VDES系統(tǒng)未來發(fā)展規(guī)劃

3．VDES未來發(fā)展規(guī)劃

法國(guó)在2014年提出了VDES系統(tǒng)未來的發(fā)展規(guī)劃，該規(guī)劃跨度10年，從2014年至2023年。其中包含了兩大層面的運(yùn)作，規(guī)則層和實(shí)施層。

在規(guī)則層，IMO、IALA和ITU三大組織的各項(xiàng)會(huì)議和IMO的電子航海（E-NAV）、全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）現(xiàn)代化進(jìn)程將成為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，其中IMO的組織機(jī)構(gòu)中包括海上安全委員會(huì)（MSC）和導(dǎo)航、通信和搜救小組委員會(huì)（NCSR），MSC是組織的最高技術(shù)機(jī)構(gòu)，由所有成員國(guó)組成。IALA主要為每年兩次的ENAV會(huì)議，ITU主要為四年一次的WRC大會(huì)和每年兩次的5B工作組會(huì)議。通過這些會(huì)議，能夠在規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)層面給予VDES系統(tǒng)有力的支撐。

實(shí)施層面主要包括AIS和ASM收發(fā)信機(jī)的原理樣機(jī)研制、仿真、外場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)星的技術(shù)開發(fā)與發(fā)射驗(yàn)證以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

三、實(shí)施層面的最新進(jìn)展

1．衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)

NORSAT-2是挪威空間中心在研的一顆VDES衛(wèi)星，這是一顆質(zhì)量達(dá)15kg、尺寸為20cm×30cm×40cm的微小衛(wèi)星，預(yù)計(jì)在2016年發(fā)射。NORSAT-2可以在挪威的領(lǐng)海區(qū)域提供先進(jìn)的船舶跟蹤與數(shù)據(jù)交換服務(wù)。

☆　NORSAT-2示意圖

上文已經(jīng)提到，ESA牽頭完成了VDES系統(tǒng)中大部分的衛(wèi)星部分的技術(shù)特性討論和制定，因此在VDES衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)中，ESA也一直在積極推動(dòng)和發(fā)展。ESA在2014—2015年期間對(duì)VDES衛(wèi)星系統(tǒng)的相關(guān)研究和設(shè)備研制進(jìn)行了3次招標(biāo)，2014年6月提出了招標(biāo)金額為20萬~50萬歐元的VDES衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括頻段選擇、傳輸方案的制定以及計(jì)劃進(jìn)度預(yù)算等），不久之后的2014年9月提出了招標(biāo)金額為至少50萬歐元的VDES衛(wèi)星部分下行鏈路驗(yàn)證。接著ESA在2015年6月提出了設(shè)計(jì)一款性價(jià)比高的VDE衛(wèi)星部分地面用戶終端的招標(biāo)，招標(biāo)金額大于50萬歐元。不難看出ESA對(duì)VDES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路就是利用試驗(yàn)星來驗(yàn)證VDES系統(tǒng)的相關(guān)性能，而且還在積極發(fā)展VDES衛(wèi)星系統(tǒng)的地面終端，這些都是推動(dòng)VDES衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的重要部分。

ISIS是荷蘭的一家致力于小衛(wèi)星研制及應(yīng)用的公司，近幾年該公司一直在發(fā)展星載AIS的無線電通信載荷。目前ISIS設(shè)計(jì)了一款專門針對(duì)VDES系統(tǒng)的星載高效發(fā)射裝置，6W發(fā)射功率,下行鏈路數(shù)據(jù)速率40 ksps。由于VDES的鏈路設(shè)計(jì)，使得必須要保證星上較高的有效等向輻射功率（EIRP）才能與地面確保正常通信，因此ISIS的這款發(fā)射機(jī)也將在VDES衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)揮積極的作用。

2．地面系統(tǒng)建設(shè)

設(shè)想未來海事愛好者可以利用一個(gè)只接收的設(shè)備來獲取VDES系統(tǒng)廣播的海事安全信息以及船舶相關(guān)數(shù)據(jù)。2015年前后，ESA已經(jīng)開展了一項(xiàng)相關(guān)的研究，看能否利用谷歌（Google）手機(jī)中的只用于接收的模塊來實(shí)現(xiàn)這個(gè)應(yīng)用，研究結(jié)果是這樣一個(gè)手機(jī)模塊是完全能夠幫助海事愛好者實(shí)現(xiàn)接收VDES信息這個(gè)功能。這個(gè)研究結(jié)果將積極推動(dòng)未來VDES系統(tǒng)地面終端的發(fā)展，一旦VDES系統(tǒng)開始投入使用，相信這個(gè)應(yīng)用也會(huì)很快被推廣使用。

目前許多船臺(tái)廠商已經(jīng)投入到船載VDES相關(guān)設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)當(dāng)中,下面以FURUNO和SAAB這兩個(gè)船臺(tái)廠商為例，來說明VDES地面系統(tǒng)在實(shí)施層面的最新進(jìn)展：

1）古野電氣株式會(huì)社（FURUNO）是一家日本的船臺(tái)廠商，同時(shí)生產(chǎn)海底地形探測(cè)聲納、潮流測(cè)量系統(tǒng)和其他海洋研究設(shè)備，目前FURUNO已經(jīng)針對(duì)VDES地面系統(tǒng)研發(fā)了一款模擬器。

2）Saab TransponderTech AB（SAAB）公司是瑞典領(lǐng)先的船舶自動(dòng)信息系統(tǒng)供應(yīng)商，SAAB與瑞典海事局開展了VDES相關(guān)研究，并將按照發(fā)展規(guī)劃完成VDES相關(guān)的原理樣機(jī)的研制和地面系統(tǒng)測(cè)試。早在2014年年底，就已經(jīng)完成了VDE原理樣機(jī)的研制，2015年年中，VDE的外場(chǎng)測(cè)試就已經(jīng)完成。從這里可以看出，國(guó)外船臺(tái)廠商都在踴躍地參與和推動(dòng)VDES系統(tǒng)的建設(shè)。

四、我國(guó)的VDES系統(tǒng)規(guī)劃

從上文中，我們可以清晰地看出國(guó)外在VDES系統(tǒng)建設(shè)中投入了大量的人力和財(cái)力，并且由于國(guó)際社會(huì)的積極推動(dòng)，VDES系統(tǒng)無論是衛(wèi)星部分還是地面部分的建設(shè)都已進(jìn)入實(shí)施階段，各國(guó)在VDES的發(fā)展已是風(fēng)起云涌，而我們國(guó)家目前尚無公開報(bào)道或研究文獻(xiàn)出現(xiàn)。這在某種程度上反映了我國(guó)在該領(lǐng)域應(yīng)用研究方面處于相對(duì)被動(dòng)的地位。

目前已確定的2019年世界無線電通信大會(huì)將就VDES系統(tǒng)衛(wèi)星部分的頻率劃分可行性進(jìn)行研究，并鼓勵(lì)各國(guó)在近3年的研究周期內(nèi)開展相應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性研究，特別是VDES衛(wèi)星部分與相鄰頻段內(nèi)現(xiàn)有業(yè)務(wù)的頻率兼容性研究。

鑒于VDES與AIS的最大區(qū)別，VDES的衛(wèi)星下行信道并沒有采用擴(kuò)頻等多址方式，原則上VDES全球衛(wèi)星系統(tǒng)只能有一套。為了有機(jī)會(huì)參與即將到來的海事數(shù)據(jù)移動(dòng)通信新應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)需要把握這3年的研究時(shí)間，在以下四個(gè)方面開展工作：VDES衛(wèi)星星座規(guī)劃；應(yīng)用場(chǎng)景與應(yīng)用模式研究；AIS+ASM以及地面VDE原理樣機(jī)的研制與測(cè)試；開發(fā)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的船臺(tái)設(shè)備。

無論從建設(shè)海事強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)出發(fā)，還是從衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)新應(yīng)用的發(fā)展需求出發(fā)，我們都需要把握這個(gè)海事移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)中難得出現(xiàn)的新機(jī)遇。

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