海事通信技術新進展 VDES系統

● 文|中國航天科技集團公司第五研究院總體部 熊雅穎

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海事通信技術新進展 VDES系統

● 文|中國航天科技集團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營的需要,更是海上生命安全必不可少的基本保證。它從原始的旗語、燈光信號開始，經過無線電報、無線電話，發展到現在的多頻段、多平臺通信，逐漸形成了一套天地一體的立體化無線通信網絡。在這個發展過程中，船舶自動識別（AIS）系統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揮著不可或缺的作用，目前從事國際航運的各類船舶必須裝配AIS設備。

但隨著海事通信技術的快速發展，“下一代”的研究和產業化逐步被提上日程，目前被定義為甚高頻數據交換系統（VDES）的“下一代”船舶自動識別系統就這樣出現了。海事通信技術的發展促進了航海事業的發展，而航海事業的發展也帶動了通信技術的進步，因此研究新一代的VDES系統及其發展趨勢對保障海上航行安全、實現全球航海信息資源的利用與共享、促進航運事業發展起著至關重要的作用。

一、VDES系統發展背景

VDES是針對AIS加強和升級的系統，于2012年世界無線電通信（WRC-12）大會后提出。VDES的產生和發展都與AIS密切相關。

1．AIS遇到的問題和解決方法

最初設計的AIS系統是為了在20~30海里（27km~56km）的范圍內，自動在船舶、海岸電臺和導航設備之間交換短消息。而很顯然，當船舶處于距離基站20~30海里以外時，船舶的AIS信息將無法被基站獲取。因此使用AIS衛星偵測作為實現遠距離船舶偵測的手段是AIS系統發展的一個重要趨勢。挪威、瑞典等北歐國家和美國于2006年前后率先開展了天基AIS系統的研究和AIS衛星的研制，以美國軌道通信公司為代表的AIS衛星星座于2010年前后組網并開始提供岸基AIS基站無法提供的全球AIS數據服務。至此，一項原本由各國海事部門用于監控船舶安全的系統，變成了一款“互聯網+大數據”的全球化的船舶跟蹤應用，隨之而來的是一片令人驚異的巨大潛在市場。

隨著對AIS系統在VHF頻段通信需求的增加，AIS系統的可使用頻段內已經非常擁擠，在許多繁忙港口已經達到對頻段50%以上的占用率，國際航標組織（IALA）提出當AIS數據鏈路負載超過50%時，將會導致信息阻塞等嚴重問題的發生，影響航行安全。

全球目前已經有相當一部分地區的海上交通繁忙導致AIS鏈路負載接近甚至超過上述50%的標準。2012年中國的一項初步的研究表明：在一些交通繁忙的時刻，上海港和渤海灣地區AIS1和AIS2頻段的平均占有率已高達30%，某些時刻甚至高達40%。2012年12月18日美國墨西哥北部灣24小時數據顯示：AIS鏈路負載高達64%，導致69%的重要信息丟失。這些事實都表明非常有必要提供額外的頻段供AIS系統使用。

為了緩解AIS系統現有頻段內的壓力以及保證正常功能的實現，IALA和國際海事組織（IMO）在2012年建議將原本交換數據中的應用信息（Application Specific Messages，ASM）移入其他新的頻段以緩解原有AIS頻段的壓力，國際電信聯盟（ITU）在WRC-12也認可了這一說法，將增強型海事系統做為下一屆大會（WRC-15）的1.16議題進行研究，并提供了4個備選的頻段用于ASM研究。由此我們不難看出，頻段的壓力要求AIS系統進行升級。除了頻段的壓力，對數據交換需求的提高也是需要升級AIS系統的重要因素。

2．VDES系統的產生

針對上述提到的AIS系統需要解決的問題，ITU、IALA和IMO積極響應，分別從頻點、應用和規則層面對現有AIS系統進行“升級”的可行性進行研究，并在2013年由IALA首次提出了VDES的概念。

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

二、VDES衛星的應用

海事通信應用的現實需求促進了AIS、星載AIS以及VDES系統概念提出并實施，并得到世界各國研究機構和行業用戶的迅速響應和跟進，之所以受到如此大的關注還因為其廣闊的應用前景。

1．VDES主要應用領域

星載AIS服務的供應商exactEarth在2015年的VDES Workshop上提出了該公司對于VDES應用領域的認識和描述，其中主要包括極地通信、全球天氣預報、全球甚高頻交通設備（VHF Traffic Service）、全球海事遇險和安全系統的現代化等方面。

☆ VDES應用領域之一：全球海事遇險和安全系統

在VDES中，衛星起到的作用與AIS相同，即拓展了岸基服務的范圍，使得區域性服務變成了全球性服務，而從星載AIS系統帶來的改變來看，其中蘊含的巨大商機和市場前景都是非常可觀的。

2．VDES的頻率劃分

上文提到，要實現從AIS系統到VDES系統的升級，增加可供VDES系統使用的新頻段是前提條件。因此研究VHF頻段關于海事業務的頻率劃分是研究VDES系統未來發展的重要組成部分，AIS系統的出現與發展升級都離不開VHF頻段用于海事業務的頻率劃分。有些歷史甚至可以追溯到20世紀初，那時海事通信主要使用LF頻段，雖然那時在VHF頻段的157~162MHz有移動區域、162~170MHz有低功率電臺區域的業務劃分，但并沒有明確是用于海事服務的。ITU頒布的《無線電規則》（RR）中規定了VHF頻段的業務劃分，從1947年到2012年期間，RR中關于VHF頻段業務劃分的內容被多次修訂以推動海事應用的發展。這些決議逐步確定了AIS系統在VHF頻段合法使用的地位，特別是2012年的決議還為以后AIS系統的衛星應用確定了新頻點，同時提供了用于測試的新頻段。2012年后，ITU和各成員國將目光和精力投入到了對VDES頻點的劃分中來，經過3年的努力，目前ITU提出了四種針對VDES系統頻率劃分的方案。

這四種方案分別由IALA、ESA（及歐洲各國）、加拿大和中國提出。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，只有方案四另外增加了四個信道用于語音功能。四種方案的不同集中在衛星部分可使用的信道，其中方案一中衛星可使用的帶寬是最寬的。

ITU根據各頻段劃分方案，對四個劃分方案的各類功能的符合程度進行了比較，期待在WRC-19大會結束后確定最終的頻率劃分方案。

WRC-15大會之后，ITU規定包括中國在內的全球大部分地區可從2017年1月1日起，在在VHF頻段對應的24、84、25、85、26和86信道進行數字調制發射，用于地面VDES。從2019年1 月1日起，信道2027將被標為ASM 1，信道2028將被標為ASM 2，即這兩個信道用于ASM。VDES衛星部分在有效使用VHF水上頻譜和滿足各用戶需求的同時，不應干擾AIS、具體針對應用的電文（ASM）和VDES地面部分。VDES衛星部分不應對數字選擇呼叫（DSC）、AIS、話音遇險、安全和呼叫信道造成有害干擾。VDES衛星部分可在156.0125—157.4375 MHz和160.6125—162.0375 MHz 的VHF水上頻段的相關部分運行用于測試研究。這些都充分說明ITU已經在逐步確定對VDES系統的頻率劃分，目前地面VDES系統已經在VHF頻段可以合法使用。

在WRC-19的議題中，ITU－R將會考慮修改《無線電規則》，其中包括為衛星水上移動業務（地對空和空對地）進行新的頻譜劃分，包括衛星上行的156.0125—157.4375 MHz和下行的160.6125 —162.0375 MHz，以促成實現新的VDES衛星部分，同時確保該衛星部分不會降低現有VDES地面部分、ASM、AIS的運行質量，且不會對這些以及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現有業務造成有害干擾和限制。

因此，ITU-R的研究組將在WRC-19之前及時研究VDES衛星部分與上述相鄰頻段內現有業務之間的頻率共用和兼容性，以便為衛星水上移動業務（地對空和空對地）的VDES應用劃分頻譜。同時ITU-R希望各主管部門參與并支持VDES衛星部分的現場試驗。由此不難看出，ITU也在通過頻率研究和鼓勵VDES衛星的現場試驗來積極推動VDES衛星系統的發展，同時表示希望在WRC-19上明確VDES衛星部分的頻率劃分，這都充分說明了VDES系統的發展迅速，并且離實現VDES的全面運行和應用已經越來越近了。

☆　VDES系統未來發展規劃

3．VDES未來發展規劃

法國在2014年提出了VDES系統未來的發展規劃，該規劃跨度10年，從2014年至2023年。其中包含了兩大層面的運作，規則層和實施層。

在規則層，IMO、IALA和ITU三大組織的各項會議和IMO的電子航海（E-NAV）、全球海上遇險與安全系統（GMDSS）現代化進程將成為整個系統的關鍵，其中IMO的組織機構中包括海上安全委員會（MSC）和導航、通信和搜救小組委員會（NCSR），MSC是組織的最高技術機構，由所有成員國組成。IALA主要為每年兩次的ENAV會議，ITU主要為四年一次的WRC大會和每年兩次的5B工作組會議。通過這些會議，能夠在規則和標準層面給予VDES系統有力的支撐。

實施層面主要包括AIS和ASM收發信機的原理樣機研制、仿真、外場測試、實驗星的技術開發與發射驗證以及相關標準的制定。

三、實施層面的最新進展

1．衛星系統建設

NORSAT-2是挪威空間中心在研的一顆VDES衛星，這是一顆質量達15kg、尺寸為20cm×30cm×40cm的微小衛星，預計在2016年發射。NORSAT-2可以在挪威的領海區域提供先進的船舶跟蹤與數據交換服務。

☆　NORSAT-2示意圖

上文已經提到，ESA牽頭完成了VDES系統中大部分的衛星部分的技術特性討論和制定，因此在VDES衛星系統建設中，ESA也一直在積極推動和發展。ESA在2014—2015年期間對VDES衛星系統的相關研究和設備研制進行了3次招標，2014年6月提出了招標金額為20萬~50萬歐元的VDES衛星系統設計（包括頻段選擇、傳輸方案的制定以及計劃進度預算等），不久之后的2014年9月提出了招標金額為至少50萬歐元的VDES衛星部分下行鏈路驗證。接著ESA在2015年6月提出了設計一款性價比高的VDE衛星部分地面用戶終端的招標，招標金額大于50萬歐元。不難看出ESA對VDES系統的設計思路就是利用試驗星來驗證VDES系統的相關性能，而且還在積極發展VDES衛星系統的地面終端，這些都是推動VDES衛星系統建設的重要部分。

ISIS是荷蘭的一家致力于小衛星研制及應用的公司，近幾年該公司一直在發展星載AIS的無線電通信載荷。目前ISIS設計了一款專門針對VDES系統的星載高效發射裝置，6W發射功率,下行鏈路數據速率40 ksps。由于VDES的鏈路設計，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的這款發射機也將在VDES衛星系統發揮積極的作用。

2．地面系統建設

設想未來海事愛好者可以利用一個只接收的設備來獲取VDES系統廣播的海事安全信息以及船舶相關數據。2015年前后，ESA已經開展了一項相關的研究，看能否利用谷歌（Google）手機中的只用于接收的模塊來實現這個應用，研究結果是這樣一個手機模塊是完全能夠幫助海事愛好者實現接收VDES信息這個功能。這個研究結果將積極推動未來VDES系統地面終端的發展，一旦VDES系統開始投入使用，相信這個應用也會很快被推廣使用。

目前許多船臺廠商已經投入到船載VDES相關設備的研發與生產當中,下面以FURUNO和SAAB這兩個船臺廠商為例，來說明VDES地面系統在實施層面的最新進展：

1）古野電氣株式會社（FURUNO）是一家日本的船臺廠商，同時生產海底地形探測聲納、潮流測量系統和其他海洋研究設備，目前FURUNO已經針對VDES地面系統研發了一款模擬器。

2）Saab TransponderTech AB（SAAB）公司是瑞典領先的船舶自動信息系統供應商，SAAB與瑞典海事局開展了VDES相關研究，并將按照發展規劃完成VDES相關的原理樣機的研制和地面系統測試。早在2014年年底，就已經完成了VDE原理樣機的研制，2015年年中，VDE的外場測試就已經完成。從這里可以看出，國外船臺廠商都在踴躍地參與和推動VDES系統的建設。

四、我國的VDES系統規劃

從上文中，我們可以清晰地看出國外在VDES系統建設中投入了大量的人力和財力，并且由于國際社會的積極推動，VDES系統無論是衛星部分還是地面部分的建設都已進入實施階段，各國在VDES的發展已是風起云涌，而我們國家目前尚無公開報道或研究文獻出現。這在某種程度上反映了我國在該領域應用研究方面處于相對被動的地位。

目前已確定的2019年世界無線電通信大會將就VDES系統衛星部分的頻率劃分可行性進行研究，并鼓勵各國在近3年的研究周期內開展相應系統的實驗性研究，特別是VDES衛星部分與相鄰頻段內現有業務的頻率兼容性研究。

鑒于VDES與AIS的最大區別，VDES的衛星下行信道并沒有采用擴頻等多址方式，原則上VDES全球衛星系統只能有一套。為了有機會參與即將到來的海事數據移動通信新應用領域，我國需要把握這3年的研究時間，在以下四個方面開展工作：VDES衛星星座規劃；應用場景與應用模式研究；AIS+ASM以及地面VDE原理樣機的研制與測試；開發符合國際標準的船臺設備。

無論從建設海事強國的戰略目標出發，還是從衛星產業新應用的發展需求出發，我們都需要把握這個海事移動通信系統建設中難得出現的新機遇。

參考文獻

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