新一代船舶識別技術

周少騫+張喆+李廣才+方詩峰

摘 要 結合船舶識別系統的應用現狀，對新一代船舶識別技術進行了初步研究探討。

【關鍵詞】AIS系統 VDES系統 船舶識別 航海云

1 引言

目前，在海上航行和海事領域中， AIS（Automated Identification System）系統是普遍使用的船舶自動識別系統。通過船-船、船-岸間的信息交互，可使AIS系統的船載用戶和岸載中心得到及時準確的船舶靜態信息、動態信息、與航次有關信息、與安全有關的信息等，有效保障了海上及港口區域船舶的航行安全和交通管理工作。

但是AIS系統受其自身體制所限，存在一定的缺陷，主要如下：

（1）AIS系統是一個覆蓋范圍有限的近似封閉的信息交互系統。對于船載系統而言其作用范圍一般能覆蓋25～50海里半徑，而岸載系統的作用范圍一般能覆蓋200海里半徑，該范圍內的船舶信息可交互獲取，但對于覆蓋范圍外的船舶信息無法有效獲取。

（2）AIS系統頻點和帶寬有限，在船舶密級水域，信道阻塞率提高，存在丟失可能。同時，因頻點有限，在船舶密級水域，在衛星上接收AIS信號時會出現大量時隙沖突，無法有效處理。

（3）AIS系統工作于半雙工模式，不能同時收發信號，工作效率較低。

（4）AIS系統界面顯示船舶數量有限，而存在重疊的可能。

因此，目前國際國內均在對船舶識別技術進行研究探討，以期在充分利用現有技術的基礎上進行發展，獲得話語權。

2 船舶識別技術研究現狀

現有通用船載自動識別系統的性能標準是1997年由國際海事組織航行安全分委員會確認通過的，迄今已近二十年。隨著AIS系統的成熟和推廣應用，其弊端也越來越明顯，多國研究機構已經進行了大量的研究，新一代船舶自動識別系統技術標準的確立已經提上日程，目前稱之為VHF Data Exchang System （簡稱VDES系統）甚高頻信息交換系統。

VDES系統功能及頻率劃分如圖1所示，VDES系統是一個兼容并蓄的集成化大系統，兼容目前應用廣泛的AIS系統，又對AIS系統的補充如Long Range AIS系統和ASM系統有所支持，但其核心確立為VDE子系統，其研究的重點是船舶信息在VHF頻段的有效傳輸和交換，其目的是實現在全球范圍內對海上船舶的信息實時有效接收、處理、分析和交換，提高航行安全，實現高效的船舶交通規劃和監管。

具體來說，VDES系統包含四個子系統：原有的AIS船舶自動識別系統、Long Range Identification and Tracking System（簡稱Long Range AIS系統）船舶遠程識別和跟蹤系統、Application Specific Messages（簡稱ASM系統）特定應用信息系統和VHF Data Exchange（簡稱VDE子系統）系統，為示區別，稱VDE 系統為甚高頻信息交換子系統。

3 VDES系統淺析

VDES系統中，Long Range AIS系統的運行機制與AIS系統基本一致，僅僅是收發頻點和報文長度、內容有所區別。其功能是執行海上安保和搜救任務，報文內容少，發送間隔長，只能應用于特定的場合和環境。因此，在船舶稀疏區其信號需要通過星載Long Range AIS系統才能有效采集和傳遞，在船舶密集區因其信號發送間隔時間較長，可能無法及時有效的被周圍船舶獲取，均有一定的局限性。

ASM系統的頻點和調制方式與AIS系統不一樣，但其技術和性能沒有本質性的區別，只不過是針對一些特殊應用的報文和新增應用的報文，并兼顧了“實時”通信的功能。

根據ITU-R M.2092-0的建議，可簡單認為VDE子系統可使用VHF頻段6個間隔25KHz的相鄰頻點用于接收信號，同時可使用VHF頻段六個間隔為25KHz的相鄰頻點用于發射信號，輸入信號與輸出信號頻帶范圍相隔4.6MHz。從理論分析VDE子系統的頻段資源已遠超AIS系統，信息交換功能的實現已具備基礎，同時收發信號頻段的分離使得信息傳輸的全雙工模式成為可能，性能必然超越AIS系統。

4 航海云與VDE子系統

21世紀是個信息化的時代，“云概念”的應用已成為信息化的標志之一。“云概念”主要是指電子產品能夠通過信息網絡的“云計算”技術實現各種終端設備之間的互聯互通，提供資源分享應用。

地球表面的70.8%都是海洋，海上航運系統的航線雖然很早就遍布全球，但信息的傳遞交換卻落后于時代，急需進行變革。VDES船舶信息交換系統的成功與否，不僅僅取決于其對海上航行安全和規劃的作用，還取決于其全球化、信息化的范圍和程度。

目前，VDES系統的船載、岸載部分的技術性能標準已基本敲定，并在ITU-R M.2092-0的建議中體現，但星載部分的技術性能標準目前尚未確定，最快可能2019年才能形成基本標準。缺失的這一環節，個人認為是VDES系統全球化、信息化的關鍵。下面，將就VDE子系統的架構設計提出個人見解，拋磚引玉，以期共同探討。

VDE子系統首先分成兩個網絡：

（1）地基網絡；

（2）星基網絡。

地基網絡架構基本類似于現有的AIS系統，通過相鄰的船-船、岸-船之間的信息交互，構建最初級的信息交互系統，該系統在此層面是由數量眾多、覆蓋面相對較小、相互獨立，類似于一片片大小不一、形狀不規則的云朵一樣的子系統所構成，在船舶較少區域，該系統甚至允許單艘船組成一個獨立的子系統。該系統最關鍵的部分，是所有的船舶和岸站在經過短時間的信息交互后，應能自動確認與星基網絡交互信息的那臺VDE設備（能接收的臺站數量最多，稱之為地星鏈接設備）并與之同步，該設備在接下來的時間內與星基網絡建立聯系，將當前接收采集到的船舶信息通過對星信道實時傳輸到星基網絡。

星基網絡由多顆衛星組成，從成本等角度考慮可使用多顆近地軌道衛星組成。根據單顆衛星的對地觀測范圍構建星基網絡架構，確保對地基網絡的覆蓋性、與地基網絡之間數據傳輸的可靠性及星間數傳通道的可靠性。

目前，船載AIS系統的覆蓋范圍約25～50海里半徑，VDE子系統的應該類似。根據收發天線的設計和衛星對地高度的不同，一般情況下星載AIS系統的覆蓋范圍可達數百至數千海里，合理選取天線，可確保在單顆衛星VDE子系統的覆蓋范圍內不會發生信號時隙沖突的問題；合理組網并科學設計星基網絡與地基網絡之間的全雙工信號交互算法，評估每顆衛星在飛行過程中覆蓋范圍的動態變化過程、星船距離的遠近、多普勒效應等，并據此分配每臺地星鏈接設備的時隙，確保所有需要通過星基網絡轉發的船舶信息在任何時候（特別是越區切換時）能通過該網絡實時的發送到對應的設備。

VDE子系統的功能強大，不僅僅可以傳輸VDE信息，還可將從AIS系統、Long Range AIS系統和ASM系統中提取的信息納入到自己的系統中傳輸、比對和分析，以提高VDES系統整體的性能和可靠性。雖然VDE子系統的數據傳輸能力較AIS系統有明顯提升，但在船舶信息較多時仍未必能夠充分滿足信息交換的需求，因此有必要在星基網絡的組成衛星之間建立星間數傳鏈路，以便將船舶密集區的船舶信息通過其它通道傳輸到地基網絡，必要時可在星基網絡上增加星地數傳鏈路，確保信息交互的實時性和可靠性。

科學的建立了地基網絡和星基網絡，VDES系統將成為一個全球一體的“航海云”系統：全球的海上航運船舶信息，在地基VDES設備中進行采集、聚合、提取后通過上傳通道被對應的星基VDES設備采集處理，通過下傳通道匯總到地面的數據計算中心進行全球海航數據的錄入存儲和分析處理，再通過上傳通道將航道預計信息、航道管理信息、天氣預報信息、海上搜救信息定點分區按時隙實時發布到對應的地基設備，實現航道信息的實時動態發布、船舶管理信息的實時傳遞、船舶電子導航、信息的實時交互，甚至可實現與極地水域船舶的即時通信。該系統的建立可徹底解決AIS系統的前三個缺陷。

5 VDES系統的交互性

VDES系統應該具備良好的交互性，可以很好的與其它系統融合。

目前的AIS系統使用GPS系統為船舶定位，VDES系統應可自主選擇GPS系統、GLONASS系統、伽利略衛星導航系統或北斗衛星導航系統，并能轉換成統一的海圖坐標系。

VDES系統信息應可融合到船舶的雷達系統中，船舶或衛星雷達系統的信息也可融合到VDES系統中，以便相互印證分析。

VDES系統信息應該能在海圖上直接顯示，同時可以按信息的優先級別在另一個終端上顯示，或者可以以語音播報的形式進行提醒，以避免因人為因素造成誤判。

6 結論

新一代船舶識別系統的標準的制訂正處于初級階段，方方面面的研究工作也在緊張的進行中在不久的將來，新一代船舶識別系統必將能突破現有AIS系統的限制，形成一個全球一體、交互實時、格局開放的航海云系統。

參考文獻

[1]《甚高頻數據交換系統概覽（VDES概覽）》20-24VDES研討會[C].東京，2014.

[2]德國交通科技中心Stefan Bober VDES研討會報告[R].東京，2014.

[3]Recommendation ITU-R M.2092-0 （10/2015）.

作者單位

上海航天電子技術研究所 上海市 200000