新一代船舶识别技术

周少骞+张喆+李广才+方诗峰

摘 要 结合船舶识别系统的应用现状，对新一代船舶识别技术进行了初步研究探讨。

【关键词】AIS系统 VDES系统 船舶识别 航海云

1 引言

目前，在海上航行和海事领域中， AIS（Automated Identification System）系统是普遍使用的船舶自动识别系统。通过船-船、船-岸间的信息交互，可使AIS系统的船载用户和岸载中心得到及时准确的船舶静态信息、动态信息、与航次有关信息、与安全有关的信息等，有效保障了海上及港口区域船舶的航行安全和交通管理工作。

但是AIS系统受其自身体制所限，存在一定的缺陷，主要如下：

（1）AIS系统是一个覆盖范围有限的近似封闭的信息交互系统。对于船载系统而言其作用范围一般能覆盖25～50海里半径，而岸载系统的作用范围一般能覆盖200海里半径，该范围内的船舶信息可交互获取，但对于覆盖范围外的船舶信息无法有效获取。

（2）AIS系统频点和带宽有限，在船舶密级水域，信道阻塞率提高，存在丢失可能。同时，因频点有限，在船舶密级水域，在卫星上接收AIS信号时会出现大量时隙冲突，无法有效处理。

（3）AIS系统工作于半双工模式，不能同时收发信号，工作效率较低。

（4）AIS系统界面显示船舶数量有限，而存在重叠的可能。

因此，目前国际国内均在对船舶识别技术进行研究探讨，以期在充分利用现有技术的基础上进行发展，获得话语权。

2 船舶识别技术研究现状

现有通用船载自动识别系统的性能标准是1997年由国际海事组织航行安全分委员会确认通过的，迄今已近二十年。随着AIS系统的成熟和推广应用，其弊端也越来越明显，多国研究机构已经进行了大量的研究，新一代船舶自动识别系统技术标准的确立已经提上日程，目前称之为VHF Data Exchang System （简称VDES系统）甚高频信息交换系统。

VDES系统功能及频率划分如图1所示，VDES系统是一个兼容并蓄的集成化大系统，兼容目前应用广泛的AIS系统，又对AIS系统的补充如Long Range AIS系统和ASM系统有所支持，但其核心确立为VDE子系统，其研究的重点是船舶信息在VHF频段的有效传输和交换，其目的是实现在全球范围内对海上船舶的信息实时有效接收、处理、分析和交换，提高航行安全，实现高效的船舶交通规划和监管。

具体来说，VDES系统包含四个子系统：原有的AIS船舶自动识别系统、Long Range Identification and Tracking System（简称Long Range AIS系统）船舶远程识别和跟踪系统、Application Specific Messages（简称ASM系统）特定应用信息系统和VHF Data Exchange（简称VDE子系统）系统，为示区别，称VDE 系统为甚高频信息交换子系统。

3 VDES系统浅析

VDES系统中，Long Range AIS系统的运行机制与AIS系统基本一致，仅仅是收发频点和报文长度、内容有所区别。其功能是执行海上安保和搜救任务，报文内容少，發送间隔长，只能应用于特定的场合和环境。因此，在船舶稀疏区其信号需要通过星载Long Range AIS系统才能有效采集和传递，在船舶密集区因其信号发送间隔时间较长，可能无法及时有效的被周围船舶获取，均有一定的局限性。

ASM系统的频点和调制方式与AIS系统不一样，但其技术和性能没有本质性的区别，只不过是针对一些特殊应用的报文和新增应用的报文，并兼顾了“实时”通信的功能。

根据ITU-R M.2092-0的建议，可简单认为VDE子系统可使用VHF频段6个间隔25KHz的相邻频点用于接收信号，同时可使用VHF频段六个间隔为25KHz的相邻频点用于发射信号，输入信号与输出信号频带范围相隔4.6MHz。从理论分析VDE子系统的频段资源已远超AIS系统，信息交换功能的实现已具备基础，同时收发信号频段的分离使得信息传输的全双工模式成为可能，性能必然超越AIS系统。

4 航海云与VDE子系统

21世纪是个信息化的时代，“云概念”的应用已成为信息化的标志之一。“云概念”主要是指电子产品能够通过信息网络的“云计算”技术实现各种终端设备之间的互联互通，提供资源分享应用。

地球表面的70.8%都是海洋，海上航运系统的航线虽然很早就遍布全球，但信息的传递交换却落后于时代，急需进行变革。VDES船舶信息交换系统的成功与否，不仅仅取决于其对海上航行安全和规划的作用，还取决于其全球化、信息化的范围和程度。

目前，VDES系统的船载、岸载部分的技术性能标准已基本敲定，并在ITU-R M.2092-0的建议中体现，但星载部分的技术性能标准目前尚未确定，最快可能2019年才能形成基本标准。缺失的这一环节，个人认为是VDES系统全球化、信息化的关键。下面，将就VDE子系统的架构设计提出个人见解，抛砖引玉，以期共同探讨。

VDE子系统首先分成两个网络：

（1）地基网络；

（2）星基网络。

地基网络架构基本类似于现有的AIS系统，通过相邻的船-船、岸-船之间的信息交互，构建最初级的信息交互系统，该系统在此层面是由数量众多、覆盖面相对较小、相互独立，类似于一片片大小不一、形状不规则的云朵一样的子系统所构成，在船舶较少区域，该系统甚至允许单艘船组成一个独立的子系统。该系统最关键的部分，是所有的船舶和岸站在经过短时间的信息交互后，应能自动确认与星基网络交互信息的那台VDE设备（能接收的台站数量最多，称之为地星链接设备）并与之同步，该设备在接下来的时间内与星基网络建立联系，将当前接收采集到的船舶信息通过对星信道实时传输到星基网络。

星基网络由多颗卫星组成，从成本等角度考虑可使用多颗近地轨道卫星组成。根据单颗卫星的对地观测范围构建星基网络架构，确保对地基网络的覆盖性、与地基网络之间数据传输的可靠性及星间数传通道的可靠性。

目前，船载AIS系统的覆盖范围约25～50海里半径，VDE子系统的应该类似。根据收发天线的设计和卫星对地高度的不同，一般情况下星载AIS系统的覆盖范围可达数百至数千海里，合理选取天线，可确保在单颗卫星VDE子系统的覆盖范围内不会发生信号时隙冲突的问题；合理组网并科学设计星基网络与地基网络之间的全双工信号交互算法，评估每颗卫星在飞行过程中覆盖范围的动态变化过程、星船距离的远近、多普勒效应等，并据此分配每台地星链接设备的时隙，确保所有需要通过星基网络转发的船舶信息在任何时候（特别是越区切换时）能通过该网络实时的发送到对应的设备。

VDE子系统的功能强大，不仅仅可以传输VDE信息，还可将从AIS系统、Long Range AIS系统和ASM系统中提取的信息纳入到自己的系统中传输、比对和分析，以提高VDES系统整体的性能和可靠性。虽然VDE子系统的数据传输能力较AIS系统有明显提升，但在船舶信息较多时仍未必能够充分满足信息交换的需求，因此有必要在星基网络的组成卫星之间建立星间数传链路，以便将船舶密集区的船舶信息通过其它通道传输到地基网络，必要时可在星基网络上增加星地数传链路，确保信息交互的实时性和可靠性。

科学的建立了地基网络和星基网络，VDES系统将成为一个全球一体的“航海云”系统：全球的海上航运船舶信息，在地基VDES设备中进行采集、聚合、提取后通过上传通道被对应的星基VDES设备采集处理，通过下传通道汇总到地面的数据计算中心进行全球海航数据的录入存储和分析处理，再通过上传通道将航道预计信息、航道管理信息、天气预报信息、海上搜救信息定点分区按时隙实时发布到对应的地基设备，实现航道信息的实时动态发布、船舶管理信息的实时传递、船舶電子导航、信息的实时交互，甚至可实现与极地水域船舶的即时通信。该系统的建立可彻底解决AIS系统的前三个缺陷。

5 VDES系统的交互性

VDES系统应该具备良好的交互性，可以很好的与其它系统融合。

目前的AIS系统使用GPS系统为船舶定位，VDES系统应可自主选择GPS系统、GLONASS系统、伽利略卫星导航系统或北斗卫星导航系统，并能转换成统一的海图坐标系。

VDES系统信息应可融合到船舶的雷达系统中，船舶或卫星雷达系统的信息也可融合到VDES系统中，以便相互印证分析。

VDES系统信息应该能在海图上直接显示，同时可以按信息的优先级别在另一个终端上显示，或者可以以语音播报的形式进行提醒，以避免因人为因素造成误判。

6 结论

新一代船舶识别系统的标准的制订正处于初级阶段，方方面面的研究工作也在紧张的进行中在不久的将来，新一代船舶识别系统必将能突破现有AIS系统的限制，形成一个全球一体、交互实时、格局开放的航海云系统。

参考文献

[1]《甚高频数据交换系统概览（VDES概览）》20-24VDES研讨会[C].东京，2014.

[2]德国交通科技中心Stefan Bober VDES研讨会报告[R].东京，2014.

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

作者单位

上海航天电子技术研究所 上海市 200000