基于衛(wèi)星的AIS在航海領(lǐng)域中應(yīng)用

文|王子駿 周曉安 夏金鋒 金家龍

中船重工鵬力（南京）大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、信息化手段的不斷提升，船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）需要不斷增強(qiáng)系統(tǒng)信息獲取以及信息綜合處理與應(yīng)用的手段和能力，以滿足用戶對(duì)安全、高效、便捷VTS的強(qiáng)烈需求。國(guó)際海事組織（IMO）、國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）等組織于21世紀(jì)初著手于各個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)的研究，主要目的是實(shí)現(xiàn)船舶避碰，降低海上交通事故率，海巡艇可及時(shí)地實(shí)施救助。隨著水運(yùn)行業(yè)業(yè)務(wù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，用于運(yùn)輸?shù)拇懊芏仍黾?，同時(shí)增加了定位的難度，從而增加了海上航行安全的風(fēng)險(xiǎn)，海上交通事故頻頻發(fā)生，海洋環(huán)境受損程度日益嚴(yán)重，使得現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變得不可控制。海上新服務(wù)需求的增長(zhǎng)，增加了傳統(tǒng)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）的負(fù)擔(dān)，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)通信鏈路堵塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失，延遲接收等現(xiàn)象。海事人員在值班時(shí)，接收的AIS信息不及時(shí)、不全面，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正確判斷船舶位置。在未來(lái)10年中，越來(lái)越多的新業(yè)務(wù)將在海事系統(tǒng)中脫穎而出，例如電子導(dǎo)航業(yè)務(wù)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮搜救業(yè)務(wù)等。

AIS是一種應(yīng)用于船和岸、船和船之間的海事安全與通信的新型助航系統(tǒng)。而衛(wèi)星通信技術(shù)具備多種優(yōu)勢(shì)，如覆蓋面積廣，易于組網(wǎng)，受地理環(huán)境以及地面資源限制小，通信鏈路相對(duì)可靠，通信距離遠(yuǎn)，在很多領(lǐng)域中均得到廣泛的應(yīng)用?；谛l(wèi)星的甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VHF Data Exchange System，VDES）是加強(qiáng)版AIS，加入了特殊應(yīng)用報(bào)文和寬帶甚高頻數(shù)據(jù)交換功能，能夠解決AIS系統(tǒng)負(fù)載過(guò)多、傳輸丟包及更新速率慢等問(wèn)題。在VDES中引入衛(wèi)星后，覆蓋水域的范圍得到再一次提升，從系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)角度上來(lái)看，VDES不僅實(shí)現(xiàn)了船到岸、船到船的信息交互傳輸，而且實(shí)現(xiàn)船到天、天到岸等數(shù)據(jù)傳輸，確保海上航行安全，減少人員傷亡，推動(dòng)海事業(yè)務(wù)的發(fā)展。本文提出了E-航海概念下VDES的組成與優(yōu)勢(shì)，介紹了國(guó)內(nèi)外AIS衛(wèi)星的應(yīng)用情況。

二、E-航海與VDES

1．E-航海

E-航海并不是一種新的技術(shù)，而是一個(gè)概念，一個(gè)框架，可以理解為一個(gè)平臺(tái)，是一個(gè)全球范圍的海上信息化合作戰(zhàn)略，其目的就是為了促進(jìn)各國(guó)在海上信息和數(shù)據(jù)之間的交換，在統(tǒng)一架構(gòu)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，消除技術(shù)障礙和壁壘，最終達(dá)到增強(qiáng)海上安全，提高海上保安、環(huán)境保護(hù)和海上搜救能力。

E-航海主要由三部分組成：船基系統(tǒng)[雷達(dá)、VHF、全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）、GNSS、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等]、岸基系統(tǒng)（VTS系統(tǒng)以及相關(guān)服務(wù)系統(tǒng)）以及通信系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。船基系統(tǒng)在航行過(guò)程中應(yīng)鼓勵(lì)船員積極參與，減輕船員工作負(fù)擔(dān)。岸基系統(tǒng)供岸基操作人員和船進(jìn)行信息交互，從而保證船舶航行安全、提高營(yíng)運(yùn)效率。通信部分應(yīng)滿足管理部門與船舶之間、網(wǎng)絡(luò)覆蓋船舶間的信息無(wú)縫傳輸。

圖1 E-航海系統(tǒng)構(gòu)成

和

現(xiàn)在國(guó)際上，E-航海實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互手段是VDES，集成了AIS系統(tǒng)，正在解決現(xiàn)有AIS問(wèn)題（AIS系統(tǒng)負(fù)載過(guò)多、傳輸丟包及更新速率慢；覆蓋范圍有限，無(wú)法長(zhǎng)距離甚至于全球的覆蓋范圍）的同時(shí)，還能夠傳輸水文、氣象等與航行狀態(tài)無(wú)關(guān)的信息。因此，VDES是實(shí)現(xiàn)船、岸、天信息交互的核心。

2．基于衛(wèi)星的VDES

VDES設(shè)計(jì)目的是在實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)海事VHF移動(dòng)頻段上提供更高、更強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力，滿足船對(duì)船和船對(duì)岸相互之間的所有數(shù)據(jù)交換服務(wù)的需要。

VDES由三部分組成，在集成了現(xiàn)有AIS功能的基礎(chǔ)上，增加了特殊應(yīng)用報(bào)文（ASM）和寬帶甚高頻數(shù)據(jù)交換（VDE）功能，VDES為不同內(nèi)容及格式的信息劃分了“專用車道”。

在功能方面：AIS主要用于傳輸船舶身份、航行狀態(tài)、位置報(bào)告以及一些相關(guān)靜態(tài)信息；ASM主要用于傳輸除了船舶位置信息、航行狀態(tài)信息以外的其他非導(dǎo)航類的安全信息，例如 氣象、水文數(shù)據(jù)；VDE是VDES的核心組成部分，是VDES實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。

在技術(shù)方面：AIS 采用GMSK；ASM采用π/4 QPSK；VDE采用FMT。其具有頻譜利用率高、頻譜特性好和抗多徑性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在傳輸過(guò)程中的差錯(cuò)是可控制的，數(shù)字信號(hào)易加密，保密性強(qiáng)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)的兼容。因此實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)技術(shù)的VDES具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

依托100kHz雙頻信道的作用是：高帶寬使得未來(lái)船舶可獲取的信息將極大豐富。不僅海事、搜救等安全信息可以由此傳遞，港口作業(yè)、貨運(yùn)管理、電子報(bào)關(guān)等業(yè)務(wù)信息也有望借此傳遞。

甚高頻數(shù)據(jù)交換的信道又可以分為兩大類：基于陸基的甚高頻數(shù)據(jù)交換（VDE-TER）以及基于天基的甚高頻數(shù)據(jù)交換（VDE-SAT）。

VDE-TER（陸基）的優(yōu)點(diǎn)主要是VHF天線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸（船對(duì)岸、岸對(duì)船、船對(duì)船），傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的平均速率約為307.5kbit/s，是AIS傳輸速度的32倍。

衛(wèi)星引入至航海領(lǐng)域后，主要體現(xiàn)的作用如下：

1）用于群呼安全網(wǎng)、船管理網(wǎng)，遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)洋船舶和漁船監(jiān)控；

2）支持總部與邊遠(yuǎn)地區(qū)人員、無(wú)人值守設(shè)備和傳感器之間的雙向短信息通信，在終端內(nèi)部可以內(nèi)嵌GPS或者北斗接收機(jī)，實(shí)時(shí)輸出船舶的動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)；

3）可用于全球海上遇險(xiǎn)告警，當(dāng)船舶遇險(xiǎn)時(shí)，可以立刻發(fā)出告警信號(hào)（船舶種類、等級(jí)、位置坐標(biāo)），通過(guò)衛(wèi)星傳輸給搜救中心；

4）可以在水上提供4.8kbit/s語(yǔ)音電話業(yè)務(wù)、2.4kbit/s傳真業(yè)務(wù)、2.4kbit/s數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)信息通信系統(tǒng)；

5）可以用于導(dǎo)航海圖更新、互聯(lián)網(wǎng)接入、天氣預(yù)報(bào)、文件傳送、船舶遙測(cè)、導(dǎo)航助航、遠(yuǎn)程醫(yī)療、在線新聞瀏覽、提供安全航線信息等擴(kuò)展應(yīng)用。

因此，基于衛(wèi)星的VDES，即VDE-SAT（天基）的優(yōu)點(diǎn)主要在于船舶或者岸基可以直接與衛(wèi)星進(jìn)行信息交互（圖2），不僅僅擁有較高的傳輸速度，而且可以利用衛(wèi)星的特性使得信號(hào)能夠覆蓋全球（在遠(yuǎn)洋中的作用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越陸基）。與其他信道相比，衛(wèi)星信道還具有信噪比低、傳輸距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。

圖2 VDE-SAT信息交互示意圖

三、國(guó)外AIS衛(wèi)星的應(yīng)用

AISSat-1是挪威為了用于跟蹤船舶而發(fā)射的第一顆海事衛(wèi)星，目前處于在軌運(yùn)行狀態(tài)，主要的目的是為海事管理機(jī)構(gòu)提供船舶數(shù)據(jù)并協(xié)同指揮中心綜合管控航行的船舶，缺點(diǎn)是覆蓋范圍較小，因此挪威于2014年與2016年相繼發(fā)射了AISSat-2與AISSat-3衛(wèi)星，相比AISSat-1衛(wèi)星，技術(shù)上并無(wú)明顯突破，主要是為了增加覆蓋范圍，增加數(shù)據(jù)量的接入。

挪威Kongsberg Seatex公司研制的新型自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（NAIS）艦船跟蹤能力顯著提高。在SATAIS計(jì)劃資助下，NAIS接收機(jī)搭載于兩顆挪威微小衛(wèi)星NorSat-1和NorSat-2已經(jīng)發(fā)射升空，目前為止跟蹤的艦船數(shù)量比起之前增長(zhǎng)了70%，接收到的艦船位置的數(shù)量增長(zhǎng)了3倍。NorSat-1和NorSat-2微小衛(wèi)星上搭載了這種新型接收機(jī)，這兩顆衛(wèi)星屬于挪威航天中心，由挪威Statsat衛(wèi)星公司負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)，運(yùn)行在600km的低地球軌道上，利用衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行艦船跟蹤，覆蓋范圍得到大幅增加。NorSat-1和NorSat-2接收的音訊數(shù)目每天超過(guò)250萬(wàn)條，而之前研發(fā)的AISSat-1和AISSat-2接收的音訊數(shù)目每天約為90萬(wàn)條。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)挪威海上艦船目標(biāo)，把握北極的航運(yùn)情況，同時(shí)也在搜索救援行動(dòng)以及其他海事活動(dòng)中提供更好更全面的海疆全景。

美國(guó)的ORBCOMM公司是全球衛(wèi)星AIS系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，提供AIS全球衛(wèi)星定位服務(wù)，該公司目前運(yùn)營(yíng)20顆衛(wèi)星。公司2017年推出了第二代B類AIS設(shè)備解決方案，保證了完整的船舶可視能力，綜合了陸地和衛(wèi)星自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能力，以及雙向衛(wèi)星M2M技術(shù)，可提供可靠安全的位置信息與航速航向信息。該解決方案還包含防篡改的AIS-B類硬件，主要用于小型船舶，例如漁船，小型客船等。該設(shè)備不僅可以向岸邊傳輸安全可靠數(shù)據(jù)，還可以高效率地向太空衛(wèi)星AIS接收器傳輸數(shù)據(jù)。此外還提供了SOS功能，當(dāng)海上裝有此裝備的船舶遇險(xiǎn)時(shí)，可以實(shí)時(shí)地向衛(wèi)星以及岸邊海事搜救機(jī)構(gòu)發(fā)送位置信息，便于海上搜救的展開(kāi)。

荷蘭的ISIS公司設(shè)計(jì)了一款專門針對(duì)VDES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40kbit/s。由于VDES的鏈路設(shè)計(jì)，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。

德國(guó)OHB System AG公司成功發(fā)射的Rubin-8衛(wèi)星，搭載了2個(gè)AIS接收器，在工作的第一個(gè)月中就有超過(guò)250萬(wàn)海上船舶AIS消息被接收。

四、國(guó)內(nèi)AIS衛(wèi)星的應(yīng)用

目前中國(guó)國(guó)內(nèi)已有35個(gè)VTS中心，PRIDe VTS 1000系統(tǒng)是中國(guó)國(guó)內(nèi)最為成熟和穩(wěn)定的國(guó)產(chǎn)VTS系統(tǒng)，覆蓋了大部分中國(guó)沿海省市，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為過(guò)往船舶提供優(yōu)質(zhì)的助航服務(wù)，助推E-航海的全球發(fā)展。

國(guó)內(nèi)搭載AIS的衛(wèi)星起步較晚，2012年發(fā)射第一顆海事衛(wèi)星天拓一號(hào)，其主要任務(wù)是進(jìn)行船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)接收、光學(xué)試驗(yàn)等，驗(yàn)證了AIS星載系統(tǒng)。我國(guó)第一張全球海圖的數(shù)據(jù)就是由該衛(wèi)星繪制而成。2015年，天拓三號(hào)衛(wèi)星發(fā)射，為6顆衛(wèi)星組成的集群衛(wèi)星，主要開(kāi)展星載船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)信號(hào)接收、星載航空目標(biāo)信號(hào)廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)信號(hào)接收等科學(xué)實(shí)驗(yàn)與新型技術(shù)的驗(yàn)證。

凱盾一號(hào)是南京理工大學(xué)與北京凱盾環(huán)宇科技有限公司聯(lián)合研制的國(guó)內(nèi)首顆商業(yè)海事立方星，也是南京理工大學(xué)首次承接的商業(yè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)。凱頓一號(hào)立方星搭載AIS通信載荷，是凱盾新一代海事衛(wèi)星系統(tǒng)的首顆試驗(yàn)驗(yàn)證星，該星能接收全球水域的AIS信號(hào)，建立船、星、岸之間的雙向高速鏈路，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

五、結(jié)語(yǔ)

目前，美國(guó)、挪威、加拿大、日本、韓國(guó)都已部署了VDES試驗(yàn)臺(tái)，衛(wèi)星被廣泛地運(yùn)用于航海領(lǐng)域中并逐漸成為船、岸、星之間聯(lián)系的中繼臺(tái)。我國(guó)要把握機(jī)遇，發(fā)揮海事衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)VTS的前進(jìn)步伐，加強(qiáng)我國(guó)海域通行安全，降低海上事故率，從而帶動(dòng)水上經(jīng)濟(jì)鏈的發(fā)展，增強(qiáng)我們的綜合國(guó)力，使得我國(guó)在國(guó)際航海中占有一席之地。