船舶通信導航技術及其發(fā)展研究

胡杰 于海濤 賈文鵬

摘要：通過介紹船舶通信導航技術的定義、系統(tǒng)組成以及其發(fā)展歷史，詳細討論了現(xiàn)代船舶通信導航技術，包括全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)?（Global?Navigation?Satellite?System，GNSS）?技術、自動識別系統(tǒng)?（Automatic?Identification?System，AIS）技術、雷達與聲納技術、通信系統(tǒng)以及船舶導航軟件與自主導航技術。對現(xiàn)有技術的挑戰(zhàn)與限制的分析，探討了新興技術趨勢以及可能的未來發(fā)展方向，對船舶通信導航技術提出展望，強調了其在提高航海安全性、效率和可持續(xù)性方面的重要性。

關鍵詞：船舶通信???通信導航技術???導航軟件???自主導航技術

中圖分類號：U675.7

Research?on?Ship?Communication?and?Navigation?Technology?and?Its?Development

HU?Jie??YU?Haitao??JIA?Wenpeng

CSSC?Marine?Technology?Co.，?Ltd.，?Beijing，?100070?China

Abstract：?By?introducing?the?definition，?system?composition?and?development?history?of?ship?communication?and?navigation?technology，?this?paper?detailedly?discusses?modern?ship?communication?and?navigation?technology，?including?global?navigation?satellite?system?（GNSS）?technology，?automatic?identification?system?（AIS）?technology，?radar?and?sonar?technology，?the?communication?system，?and?ship?navigation?software?and?autonomous?navigation?technology，?analyzes?the?challenges?and?limitations?of?existing?technologies，?explores?the?trends?and?possible?future?development?directions?of?emerging?technologies，?proposes?prospects?for?ship?communication?and?navigation?technology，?and?emphasizes?its?importance?in?improving?maritime?safety，?efficiency?and?sustainability.

Key?Words：?Ship?communication;?Communication?and?navigation?technology;?Navigation?software;?Autonomous?navigation?technology

船舶通信導航技術一直是航海領域的核心元素之一。隨著科技的不斷進步，船舶通信導航技術經(jīng)歷了巨大變革，從傳統(tǒng)的星歷導航和雷達系統(tǒng)到現(xiàn)代的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)和自主導航技術。這些技術的發(fā)展不僅提高了船舶的導航安全性，還在商業(yè)、軍事和環(huán)境保護等領域產(chǎn)生了深遠的影響。

本文探討了船舶通信導航技術的演變、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，并對現(xiàn)代船舶通信導航技術進行了全面分析，包括全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global?Navigation?Satellite?System，GNSS）、自動識別系統(tǒng)（Automatic?Identification?System，AIS）、雷達、聲納以及通信系統(tǒng)的應用，通過其在商業(yè)、軍事、搜索與救援以及環(huán)境保護等領域中的具體應用案例，分析其面臨的挑戰(zhàn)和限制，旨在為船舶通信導航技術未來發(fā)展提供參考。

1?船舶通信導航技術概述

1.1?船舶通信導航技術的定義

船舶通信導航技術是協(xié)助船舶在水域中導航、通信和監(jiān)控的系統(tǒng)和方法，包括硬件、軟件和協(xié)議。導航技術用于確定船舶位置、速度和航向，支持安全航行，涵蓋GNSS、DGPS（Differential?Global?Position?System，差分全球定位系統(tǒng)）、星歷導航和慣性導航系統(tǒng)。DGPS提供更高精度位置信息，星歷導航依靠觀測天體定位，慣性導航系統(tǒng)則基于加速度計和陀螺儀測量船舶運動狀態(tài)[1]。

1.2?船舶通信導航系統(tǒng)的組成

船舶通信導航系統(tǒng)是復雜且關鍵的技術，包括GNSS、DGPS、AIS、雷達、聲納、通信系統(tǒng)和航海儀器等組件。GNSS如GPS等提供全球定位信息，DGPS則通過校正GPS信號提高精度。AIS促進船舶間和岸上設施的信息交流，提升交通安全。雷達和聲納分別用無線電波和聲波探測周圍及水下障礙物。通信系統(tǒng)則支持船舶與各方通信，包括無線電和衛(wèi)星通信，對緊急情況和交通管理至關重要。這些組件緊密協(xié)作，確保船舶在海洋和水道中的安全、高效導航和通信（如圖1所示）。

1.3?船舶通信導航技術的發(fā)展歷史

船舶通信導航技術歷史悠久，從古代天文觀測到現(xiàn)代高科技應用不斷發(fā)展。19世紀天體導航通過觀測太陽、恒星和月亮來確定船舶的位置減少了海上迷路風險，20世紀初聲納和無線電技術帶來水下導航和遠程通信便利。20世紀中期，雷達技術提高導航安全性[3]。1970年代，GPS系統(tǒng)引領GNSS時代，GLONASS、Galileo和北斗等系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，實現(xiàn)全球精確定位。同時，通信技術迅速發(fā)展，包括衛(wèi)星通信、無線電和AIS等，提升交通管理和安全，計算機技術進步使航海軟件和導航儀器智能化，提供航線規(guī)劃、天氣監(jiān)測等功能，極大幫助船員應對導航各種挑戰(zhàn)。船舶通信導航技術的不斷演進，為現(xiàn)代航運業(yè)的安全與效率提供了堅實保障。

2?現(xiàn)代船舶通信導航技術

2.1?GNSS技術

GNSS技術是現(xiàn)代船舶導航的基石，通過全球覆蓋的衛(wèi)星網(wǎng)絡提供精確時間和位置信息。接收設備測量不同衛(wèi)星信號的時間差以定位。美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo和中國北斗是知名GNSS系統(tǒng)。在船舶導航中，GNSS確定位置、記錄航跡、提供精確時間，同步系統(tǒng)和通信協(xié)議，還輔助提供航標和警告信息，增強航行安全，其高精度和廣泛應用使得GNSS成為船舶導航不可或缺的技術。

2.2?AIS技術

AIS是船舶通信和導航的核心技術，通過船舶AIS發(fā)射器廣播信息（如位置、航速等），岸上和其他船只的AIS接收器捕獲這些信息，以提高交通管理和安全性。AIS在避免碰撞、監(jiān)控船舶活動、緊急救援和漁業(yè)監(jiān)控方面發(fā)揮關鍵作用，還有助于防止非法活動[4]。未來AIS趨勢包括提供更多數(shù)據(jù)、衛(wèi)星AIS拓寬監(jiān)測范圍、與其他導航系統(tǒng)（如雷達、GNSS）的集成以及AIS數(shù)據(jù)與數(shù)字化水路圖的結合，為航海提供全面支持[5]。AIS技術的持續(xù)進步將進一步增強船舶導航的安全性和效率。

2.3?雷達與聲納技術

雷達和聲納是船舶導航中的關鍵感測技術。雷達利用無線電波探測和定位物體，幫助船舶避免碰撞、監(jiān)測天氣和跟蹤其他船只。聲納則通過聲波探測水下物體，如礁石和沉船，確保船舶安全規(guī)避障礙。兩者為船舶提供實時信息，確保安全航行。雷達和聲納技術在水上活動中至關重要，提高了交通管理、安全性和效率。未來，隨著技術進步，這些感測技術將繼續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，為航海領域帶來更多改進。船舶導航技術的不斷演進，將更好地滿足現(xiàn)代航海需求，確保船舶在全球水域的安全、高效航行。通過雷達和聲納技術的持續(xù)應用與發(fā)展，航海行業(yè)將不斷邁向新的里程碑[6]。

2.4?通信系統(tǒng)在船舶導航中的應用

2.4.1?無線電通信

無線電通信是船舶最常用的通信方式之一。它包括非常高頻（VHF）和高頻（HF）無線電通信，用于與港口、其他船只和海事當局進行短程和遠程通信。VHF通信通常用于港口操作、交通管理和緊急通信，而HF通信在更大范圍內(nèi)提供遠程通信能力。

2.4.2?衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供了覆蓋范圍更廣的通信選項，允許船舶在遠離陸地的區(qū)域保持聯(lián)系。衛(wèi)星通信可以用于語音通話、數(shù)據(jù)傳輸、電子郵件和互聯(lián)網(wǎng)訪問。它在遠洋航行、遙遠地區(qū)的漁業(yè)作業(yè)和緊急通信方面尤為重要。

2.4.3?自動識別系統(tǒng)?（AIS）

如上文所述，AIS不僅在碰撞避免中發(fā)揮作用，還是一種重要的通信工具。AIS系統(tǒng)使船舶能夠廣播其位置、速度和航向等信息，同時接收其他船只的信息。這種實時信息交換有助于船舶識別其周圍的交通和提高交通管理。

2.4.4?通信協(xié)議和導航警告系統(tǒng)

船舶通信也包括使用特定的通信協(xié)議，如GMDSS（全球海上遇險和緊急通信系統(tǒng)），以確保在緊急情況下能夠與救援機構建立聯(lián)系。此外，導航警告系統(tǒng)（ECDIS）可以接收和顯示來自衛(wèi)星和其他船舶的信息，提供導航?jīng)Q策支持。

3?船舶通信導航技術的未來發(fā)展

3.1?現(xiàn)有技術的挑戰(zhàn)與限制

船舶通信導航技術雖蓬勃發(fā)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)與限制。首要的難題是信號干擾和安全性，包括天氣、電磁干擾、設備故障及潛在的網(wǎng)絡攻擊等，這些都可能威脅通信和導航的穩(wěn)定與安全。其次，船舶通信系統(tǒng)集成復雜，涉及雷達、GNSS、AIS等多種技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息互通是一大挑戰(zhàn)。此外，隨著系統(tǒng)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包括位置、氣象和通信記錄等，數(shù)據(jù)安全和隱私保護問題也愈發(fā)凸顯。這些挑戰(zhàn)和限制亟待在未來發(fā)展中得到解決，以確保船舶通信導航技術的持續(xù)進步和航行的安全高效。

3.2?新興技術趨勢

3.2.1?5G和衛(wèi)星通信

5G通信技術的廣泛應用將帶來更高帶寬和更低的延遲，將提高遠程海上通信的效率。這將使船舶能夠獲得更快速的互聯(lián)網(wǎng)連接，支持高質量的視頻通話和數(shù)據(jù)傳輸，從而改善船上的通信和娛樂體驗。此外，衛(wèi)星通信技術的不斷發(fā)展也將提供更可靠的全球通信覆蓋，特別是在遙遠地區(qū)和高海上。

3.2.2?人工智能和自主導航

人工智能（AI）的應用將使船舶能夠更好地處理大量數(shù)據(jù)，提高導航的智能化水平。AI系統(tǒng)可以分析傳感器數(shù)據(jù)，進行實時決策，并協(xié)助船員做出更明智的操作。自主導航技術也將進一步發(fā)展，使船舶能夠更自主地進行導航和控制，減輕了船員的工作負擔。

3.2.3?區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈技術將有助于改善船舶物流和供應鏈管理。它可以提供可追溯的貨物跟蹤、智能合同和貨物交付的透明性。這將有助于減少欺詐、降低物流成本，并加強供應鏈的安全性。

3.2.4?高分辨率衛(wèi)星圖像

高分辨率衛(wèi)星圖像將為船舶導航提供更詳細的地理信息。這將使船舶能夠更好地規(guī)避障礙物、優(yōu)化航線規(guī)劃，并提供更精確的位置數(shù)據(jù)。高分辨率衛(wèi)星圖像還有助于監(jiān)測海上環(huán)境和資源管理。

4??結語

未來船舶通信導航技術將朝智能化、自動化發(fā)展，借助人工智能實現(xiàn)自主航線規(guī)劃和導航?jīng)Q策，提升安全性和效率。高精度導航將依賴更先進的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，對港口操作、海洋勘測等至關重要?？沙掷m(xù)性成為發(fā)展重點，采用電動化、綠色能源及節(jié)能技術減少碳排放，提高燃油效率。安全性和防御措施將加強，采用強大加密技術和網(wǎng)絡安全措施保護數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)抗干擾性。區(qū)域化解決方案將滿足特定地區(qū)需求，包括自主導航系統(tǒng)和特殊通信網(wǎng)絡。災害應對和緊急救援將受重視，智能化系統(tǒng)提供實時位置信息和通信支持。這些進展共同推動船舶通信導航技術不斷前進，滿足未來航海領域的需求與挑戰(zhàn)。

參考文獻

[1]?謝鵬.船舶通信導航技術及其發(fā)展研究[J].船舶物資與市場，2022，30（10）：16-18.

[2]?尹鵬鵬.現(xiàn)代信息技術在船舶通信導航系統(tǒng)中的運用[J].船舶物資與市場，2022，30（8）：72-74.

[3]?徐秋.現(xiàn)代信息技術在船舶通信導航系統(tǒng)中的應用[J].艦船科學技術，2021，43（4）：103-105.

[4]?王超.?雙縱模激光陀螺數(shù)字穩(wěn)頻技術研究[D].西安：西安理工大學，2023.

[5]?王昊天.?新能源船舶LCL并網(wǎng)逆變器參數(shù)優(yōu)化設計研究[D].大連：大連海洋大學，2023.

[6]?張德元.現(xiàn)代信息技術在船舶通信導航領域中的應用[J].信息系統(tǒng)工程，2020（4）：81-82.