4G通信技術在艦船導航信息系統中的應用

湯昕怡

(南京信息職業學院，江蘇 南京210023)

0 引 言

世界主要港口及其附近海域一直是船只碰撞安全事故的多發地，為了提高港口海域航行的安全性，大多數國家建立了船舶交通管理系統(Vessel Traffic System ，VTS)，用來管控港口的船舶交通，防止事故的發生。然而，當前研究和應用的重點在于如何避免大型船舶的碰撞和預警，對于小型船舶和漁船的管理，VTS 則顯得力不從心。根據 SOLAS(International Convention for the Safety of Life at Sea)的規定，要求500 GT 以上船舶安裝自動身份識別(AIS)系統，從而提供船舶自身的身份、位置等信息，對于小型船舶則沒有該要求［1-6］。因而近年來如何防止小型船舶和大型船舶的碰撞事故，成為當前關注的主要焦點。以我國寧波舟山港口為例，作為世界最繁忙的商用港口之一，同時也是我國自然條件最好的漁場之一，商船、漁船等多種類型船舶共存，其建設的VTS 系統由于使用門檻較高，同時采用集中管控的模式，存在較大的延遲，對于數量眾多的小型船舶以及漁船難以提供高效的導航和通信服務;對于甚高頻通信(VHF)來說，使用成本較高，信息傳遞功能單一，同時在惡劣氣象條件下，噪聲較多，通信效果較差［2］;隨著3G 技術的發展，我國的3G 基站信號已經全面覆蓋了我國的近海海域，從而為船舶之間的通信提供了一種較為廉價和高效的通信和導航方式，然而需要注意的是，當前我國的3G 標準并不統一，并且在近海環境下，傳輸速率并不穩定，難以滿足船舶信息傳遞的多維度和導航的實時性要求［3］。

隨著4G 技術的興起，4G LTE 通信技術以其高速率、高帶寬、低延遲的特點，迅速占領市場并逐漸取代原先的數據通信技術，近兩年來我國4G 基站數量大大增加，4G 通信網的使用成本迅速下降，雖然其覆蓋率還未達到2G 與3G 網的水平，然而4G 通信網因其先天優勢，最終會在我國得到全面普及。4G 通信技術的諸多優勢，使得其一方面能夠克服以往船舶導航信息系統時延較大、信息量較少的缺點，另一方面能夠有效降低使用成本，從而能夠覆蓋多種船舶種類和用戶群體，解決港口及其附近海域中，船舶的通信、導航及預警等問題。本文對如何利用4G 通信技術實現船舶導航信息系統進行了研究，提出了應用的基本框架和其工作的基本原理，并通過仿真驗證了該方法的有效性。

1 導航信息系統基本架構

與3G 通信技術不同，4G 通信采用的核心技術為正交多任務分頻技術 (OFDM)，可以實現100 Mbps 的下行速率與20 Mbps 的上行速率，并可以實現如無線區域環路(WLL)、數字音訊廣播(DAB)等方面的無線通信增值服務。正是因為4G 通信技術具有這樣的優勢與特性，使得4G 網絡不僅僅如3G 網絡那樣局限于通信領域，而是與衛星網、光纖網等通信網絡融合在一起，在文教、衛生、交通等多個領域得到應用。本文提出的基于4G 通信技術的導航信息系統，正是發揮了4G 通信技術獨有的優勢，不僅能夠結合GPS 系統，提供基本的位置、速度、航跡等基本服務，還能夠提供視頻、組播通信、數字地圖等高級功能;不僅能夠實現“岸艦”的高速、低延遲通信，還能夠實現“艦艦”的實時通信，較之以往船舶中使用的信息導航系統，大大提高了信息的準確性、實時性和功能性。其基本架構如圖1 所示。

圖1 導航信息系統基本結構圖Fig.1 Structure of navigation information system

系統中包含多種信息，需要與其他模塊協調工作從而完成整個信息交換和導航功能，因而需要開發相應的接口，從而調用雷達、GPS 信息等，實現信息的融合，向船舶提供全維度的導航與通信功能。這類接口分為2 種，一種為軟件接口，如GPS 位置服務接口等，此類接口大多數已經得到開發并實現商業應用，對軟件接口的分析可見文獻［4］;一種為硬件接口，需要根據硬件的主要類型來決定，目前還處于進一步的開發過程中。

該系統框架相較于傳統的導航信息系統具備以下優點:

1)通過4G 通信網，能夠將原先各個獨立的信息采集與交換系統融合起來，實現多維的信息傳遞與描述;

2)使用4G 通信網，克服之前VTS 中只能夠實現集中化管控的劣勢，可以實現船舶互相之間的協調和通信;

3)隨著4G 通信技術的普及，使用該系統的成本必將持續下降;

4)當前智能手機等移動4G 終端功能強大，技術成熟，大大降低了本系統的實現難度。

2 導航信息系統參數的確定

在船舶的導航和預警過程中，有若干參數可以用來衡量船舶碰撞的可能性大小和危險程度。在本文中，主要利用2 個參數:碰撞可能性參數和碰撞危險性系數。其中碰撞可能性參數，通過分析船舶的航行方向、速度等，判斷其是否有航跡重疊的可能，是否有碰撞的可能;碰撞危險性系數指的是，當已經判斷有碰撞的可能性之后，在多長的距離以及多短的時間內，采取規避動作安全。通過這2 個參數，能夠使得本文提出的系統，對附近海域的多個目標進行篩選，發現可能發生碰撞的，并在合適的時間和距離內實施規避動作，從而有效避免事故的發生。

2.1 碰撞可能性參數

設定當前船舶的運行方向為正方向，令p 為碰撞可能性參數。當p=0 時，則認為不可能碰撞;當p=1時，則認為必然發生碰撞;當p 為其他值時，可能發生碰撞。

首先引入方向參數d，用來判斷兩船舶的航跡是否可能重合。當d =1 時，可能會重合;當d =0 時，不可能重合，則建立如圖2 所示的坐標系。

圖2 船舶航行坐標系圖Fig.2 Coordinate system diagram of sailing

其中a 為當前船舶Ship - A 相對于對方船舶Ship-B 的相對角，b 為Ship -B 的航行角，則可根據獲得如下結論:

d = 1，當且僅當

則令Ship - B 所在坐標 為(x，y)，方向向量為b，速度為vb，其速度在2 個方向上的分量分別為vx和vy，則可得以下函數:

則可得碰撞可能性參數為:

2.2 碰撞危險性參數

根據以往的研究，在視野良好的情況下，兩船的安全距離為4 n m;在視野糟糕的情況下，兩船的安全距離為6 n m，假設兩船的速度分別為矢量a 和矢量b，則令a′和b′分別為其速度矢量在相向方向上映射的分量，則其分別為角度a 和b 的函數。則可計算最短安全時間為:

根據上式和行駛的速度，易得最短安全距離SAD，通過文獻［8 -9］的研究，在此引入衡量參數k，其中k 越高說明碰撞的幾率越高:

其中ρ 和σ 分別為最短安全距離和時間的衡量參數。在不同的情景中，可以對其采用不同的取值，例如當船舶從左舷穿過時，可取σ =0.5，ρ =5，相關的研究成果在文獻［9］中得到了驗證。

通過以上2 個參數，則可以對船舶的碰撞可能性與危險性進行判斷，從而為船舶的導航和預警提供依據。

3 系統的仿真與實現

在系統的實現和仿真過程中，首先采用軟件方法在4G 智能終端上實現了該系統的功能，并利用相關的信息驗證了文章提出系統框架的可行性。之后，根據實際的應用場景，設置相應的環境參數，利用數值運算和分析的方式對基于4G 的信息導航系統運行效率進行測試，最后證明本文提出的方法具有一定的高效性。

首先需要確定系統傳遞信息的數據結構，如表1 所示。

表1 系統傳遞信息的數據結構Tab.1 Data structure of the system of information transmission

根據以上數據結構，基于Android 4.3 平臺開發了相應的實驗程序，結合常見的電子地圖應用則可以對本文的系統進行驗證，

通過圖3 可以看出，在電子地圖上，可以清晰地顯示出對方船舶的位置，并能夠計算出相應的p值和k 值，對本船進行導航和預警。初步驗證了本文提出方法的有效性。

圖3 在GIS 系統中仿真圖Fig.3 Simulation in GIS system

然后，選擇幾種較為常見的通信方式作為比較，考察本文提出方法在不同環境下工作的效率。

采用CDMA 和VHF 作為模擬對比對象，通過在不同的信道衰減條件下，模擬不同的通信環境，從而檢測本文提出方法的可靠性，測試的結果如圖4所示。

圖4 不同信道衰減測試結果Fig.4 Different channel attenuation test results

從以上數值模擬結果可以看到，隨著信道衰減的增加，各種通信方式的可用帶寬都有了明顯的下降，然而4G 通信相較于另外2 種常用的通信方式，在較惡劣的環境下，仍能夠保持較高的可用帶寬，基本能夠滿足系統工作所需要的帶寬要求。

4 結 語

本文通過分析當前船舶導航信息系統的主要問題和需求，結合當前信息通信技術的發展，提出了一種基于4G 通信技術的導航信息系統，并給出了系統的基本結構和主要參數，通過軟件仿真和數值模擬，證明了與傳統方法相比，本文提出的方案具有一定的優勢、可行性和高效性。

然而，目前我國的4G 基站建設還在如火如荼的進行中，雖然增長很快，但還未能覆蓋我國大部分的近海海域，因而本文提出的方法暫時還不具備立即投入實用的條件，同時，對于其他船舶用信息系統，如VTS、AIS 等，如何將它們融合入本文的系統結構中，還需要進一步研究和開發相應的接口。

［1］MAKIKO MINAMI，JUNJI FUKUTO，YASUYUKI NIWA.Study on navigation integration exchange support system with AIS［J］.Japan Institute of Navigation 120，2008(3):389 -391.

［2］Japan coast guard current status and measures for marine accident 2012［M］.Tokyo:Husakio Press，2007:25 -48.

［3］MAKIKO MINAMI. The statistics and analysis of fishing boats in East Sea in first quarter of 2012［EB/OL］.http://www. dhyzchina. gov. cn/article. asp?news _ id=10043.

［4］KOJI MURAI，SHEN Guang-wei，YUJI HAYASHI. Comments on marine accidents of ningbo port［M］. Ningbo:Zhejiang Press，2011:355 -389.

［5］IMO regulation 19 of SOLAS Chapter V［S］.

［6］The government of Zhoushan city，(2011). Survey report of the accident between shipping boat and merchant ship in Zhoushan region［M］. Ningbo:Zhejiang Press，2011:663-678.

［7］Hironobu FURUYA SKY Perfect JSAT Launches Ocean BB(maritime VSAT broadband service)［J］. Navigation 174，2010(4):53 -54.

［8］KEARON J.Computer programs for collision avoidance and traffic keeping conference on mathematical aspects on marine traffic［M］. London:Aeademic Press，1997:223-246.

［9］WENG Jian-jun. The research on change regulation of DCPA and TCPA to give best collision avoidance［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2004.