船舶通信導航技術及其發展研究

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、系統組成以及其發展歷史，詳細討論了現代船舶通信導航技術，包括全球導航衛星系統?（Global?Navigation?Satellite?System，GNSS）?技術、自動識別系統?（Automatic?Identification?System，AIS）技術、雷達與聲納技術、通信系統以及船舶導航軟件與自主導航技術。對現有技術的挑戰與限制的分析，探討了新興技術趨勢以及可能的未來發展方向，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歷了巨大變革，從傳統的星歷導航和雷達系統到現代的全球導航衛星系統和自主導航技術。這些技術的發展不僅提高了船舶的導航安全性，還在商業、軍事和環境保護等領域產生了深遠的影響。

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

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助船舶在水域中導航、通信和監控的系統和方法，包括硬件、軟件和協議。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）、星歷導航和慣性導航系統。DGPS提供更高精度位置信息，星歷導航依靠觀測天體定位，慣性導航系統則基于加速度計和陀螺儀測量船舶運動狀態[1]。

1.2?船舶通信導航系統的組成

船舶通信導航系統是復雜且關鍵的技術，包括GNSS、DGPS、AIS、雷達、聲納、通信系統和航海儀器等組件。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。通信系統則支持船舶與各方通信，包括無線電和衛星通信，對緊急情況和交通管理至關重要。這些組件緊密協作，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展歷史

船舶通信導航技術歷史悠久，從古代天文觀測到現代高科技應用不斷發展。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系統引領GNSS時代，GLONASS、Galileo和北斗等系統相繼出現，實現全球精確定位。同時，通信技術迅速發展，包括衛星通信、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，提供航線規劃、天氣監測等功能，極大幫助船員應對導航各種挑戰。船舶通信導航技術的不斷演進，為現代航運業的安全與效率提供了堅實保障。

2?現代船舶通信導航技術

2.1?GNSS技術

GNSS技術是現代船舶導航的基石，通過全球覆蓋的衛星網絡提供精確時間和位置信息。接收設備測量不同衛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。在船舶導航中，GNSS確定位置、記錄航跡、提供精確時間，同步系統和通信協議，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、監控船舶活動、緊急救援和漁業監控方面發揮關鍵作用，還有助于防止非法活動[4]。未來AIS趨勢包括提供更多數據、衛星AIS拓寬監測范圍、與其他導航系統（如雷達、GNSS）的集成以及AIS數據與數字化水路圖的結合，為航海提供全面支持[5]。AIS技術的持續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創新發展，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應用與發展，航海行業將不斷邁向新的里程碑[6]。

2.4?通信系統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通信在更大范圍內提供遠程通信能力。

2.4.2?衛星通信

衛星通信系統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域保持聯系。衛星通信可以用于語音通話、數據傳輸、電子郵件和互聯網訪問。它在遠洋航行、遙遠地區的漁業作業和緊急通信方面尤為重要。

2.4.3?自動識別系統?（AIS）

如上文所述，AIS不僅在碰撞避免中發揮作用，還是一種重要的通信工具。AIS系統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?通信協議和導航警告系統

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

3?船舶通信導航技術的未來發展

3.1?現有技術的挑戰與限制

船舶通信導航技術雖蓬勃發展，但仍面臨諸多挑戰與限制。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絡攻擊等，這些都可能威脅通信和導航的穩定與安全。其次，船舶通信系統集成復雜，涉及雷達、GNSS、AIS等多種技術，實現數據共享和信息互通是一大挑戰。此外，隨著系統產生大量數據，包括位置、氣象和通信記錄等，數據安全和隱私保護問題也愈發凸顯。這些挑戰和限制亟待在未來發展中得到解決，以確保船舶通信導航技術的持續進步和航行的安全高效。

3.2?新興技術趨勢

3.2.1?5G和衛星通信

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網連接，支持高質量的視頻通話和數據傳輸，從而改善船上的通信和娛樂體驗。此外，衛星通信技術的不斷發展也將提供更可靠的全球通信覆蓋，特別是在遙遠地區和高海上。

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據，提高導航的智能化水平。AI系統可以分析傳感器數據，進行實時決策，并協助船員做出更明智的操作。自主導航技術也將進一步發展，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?區塊鏈技術

區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?高分辨率衛星圖像

高分辨率衛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避障礙物、優化航線規劃，并提供更精確的位置數據。高分辨率衛星圖像還有助于監測海上環境和資源管理。

4??結語

未來船舶通信導航技術將朝智能化、自動化發展，借助人工智能實現自主航線規劃和導航決策，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星系統，對港口操作、海洋勘測等至關重要。可持續性成為發展重點，采用電動化、綠色能源及節能技術減少碳排放，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絡安全措施保護數據，提升系統抗干擾性。區域化解決方案將滿足特定地區需求，包括自主導航系統和特殊通信網絡。災害應對和緊急救援將受重視，智能化系統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。

參考文獻

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

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

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

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

[5]?王昊天.?新能源船舶LCL并網逆變器參數優化設計研究[D].大連：大連海洋大學，2023.

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