NAVDAT系統(tǒng)在艦船航海保障中的應(yīng)用探究*

雷 波，劉 文，彭漢國(guó)，張淵博，楊 偉，董曉峰

0 引 言

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的推向深入，我國(guó)艦船也將更多地走向深藍(lán)，助力我國(guó)成為海洋強(qiáng)國(guó)。為了更好地履行使命任務(wù)，在未來(lái)航海保障中需要高效地向航海人員提供更精準(zhǔn)、更可靠的信息，為船員對(duì)早期危險(xiǎn)識(shí)別和快速響應(yīng)提供決策支持。針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)際海事組織倡導(dǎo)的e-navigation戰(zhàn)略定義了16種海事服務(wù)集，明確了岸基向船舶提供服務(wù)的種類，具體包括：VTS信息服務(wù)、助航服務(wù)、交通組織服務(wù)、本地港口服務(wù)、海事安全信息服務(wù)、引航服務(wù)、拖輪服務(wù)、船舶報(bào)告、遠(yuǎn)程醫(yī)療救援服務(wù)、海事救援服務(wù)、海圖服務(wù)、航海出版物服務(wù)、冰區(qū)航行服務(wù)、氣象信息服務(wù)、實(shí)時(shí)水文和環(huán)境信息服務(wù)。上述信息服務(wù)的核心是船岸數(shù)據(jù)交換，而通信技術(shù)是艦船航海保障的基石。目前，主要的通信手段可以分為衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)。衛(wèi)星通信具有覆蓋區(qū)域大、頻帶寬、容量大、便于多址連接、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但通信費(fèi)用昂貴；地面通信系統(tǒng)的主體中頻及甚高頻通信可實(shí)現(xiàn)遇險(xiǎn)報(bào)警、搜救協(xié)調(diào)通信、現(xiàn)場(chǎng)通信、MSI的播發(fā)與接收和常規(guī)通信的功能，具有較好的通信距離，使用成本低，然而這種通信方式傳輸速率較低，且易受到干擾。為了充分發(fā)揮地面通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，e-navigation戰(zhàn)略提出研發(fā)中頻通信系統(tǒng)，以滿足新型海事服務(wù)集信息傳輸?shù)男屎涂煽啃裕岢霭l(fā)展NAVDAT系統(tǒng)，即在500 kHz頻帶播發(fā)岸船海上安全和保障信息的導(dǎo)航數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

本文結(jié)合NAVDAT的架構(gòu)分析其特征，并在此基礎(chǔ)上分析NAVDAT為艦船航海保障領(lǐng)域的可能應(yīng)用。

1 NAVDAT系統(tǒng)定義、架構(gòu)及性能特點(diǎn)

2012年，IMO將NAVDAT系統(tǒng)列入GMDSS系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展的新系統(tǒng)計(jì)劃。2012年，ITU根據(jù)部分國(guó)家的前期研究成果，發(fā)布了工作在500 kHz頻帶的中頻海上移動(dòng)服務(wù)數(shù)字廣播系統(tǒng)NAVDAT，用于播發(fā)海上安全相關(guān)信息。NAVDAT是一種新型的海上數(shù)字通信系統(tǒng)，采用數(shù)字傳輸技術(shù)，具有良好的覆蓋性，播發(fā)岸-船海上安全信息及航海保障相關(guān)信息，以支持航海信息技術(shù)現(xiàn)代化業(yè)務(wù)[1-5]。

1.1 系統(tǒng)定義

NAVDAT是工作在500 kHz頻帶的中頻海上移動(dòng)服務(wù)數(shù)字廣播系統(tǒng)，播發(fā)岸-船海上安全及保障相關(guān)信息[1]。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括信息管理分系統(tǒng)、岸基網(wǎng)絡(luò)、岸基發(fā)射分系統(tǒng)、傳輸通道和艦船接收分系統(tǒng)五部分，如圖1所示。

圖1 NAVDAT信息傳輸

1.2.1 信息管理分系統(tǒng)（SIM）

信息管理分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)收集合控制各種信息，創(chuàng)建傳送信息列表，并根據(jù)信息的優(yōu)先權(quán)及重復(fù)次數(shù)的需要來(lái)創(chuàng)建播發(fā)程序。具體由四部分組成，分別是信息源、文件多路復(fù)用器、文件復(fù)用管理器和岸基發(fā)射管理器。

（1）信息源包括所有能提供的信息資源，如氣象局、安全組織等；

（2）文件多路復(fù)用器從數(shù)據(jù)源接收信息文件，根據(jù)需要加密信息文件，格式化信息文件的接收人信息、優(yōu)先權(quán)和有效性，發(fā)送信息文件到發(fā)射機(jī)；

（3）文件復(fù)用管理器是人機(jī)交互界面，可以查看任何來(lái)源的信息文件，指定其優(yōu)先級(jí)、周期性和接收者。其中，一些功能是自動(dòng)的，如信息的優(yōu)先級(jí)和發(fā)送周期，均可根據(jù)來(lái)源或資源指定在信息中的優(yōu)先級(jí)設(shè)定；

（4）岸基發(fā)射機(jī)管理器為通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到發(fā)射機(jī)的人機(jī)界面。可以監(jiān)視發(fā)射機(jī)報(bào)警、發(fā)送確認(rèn)、有效發(fā)射功率、同步報(bào)告等狀態(tài)指標(biāo)，也可改變發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率、發(fā)射計(jì)劃等參數(shù)。

1.2.2 岸基網(wǎng)絡(luò)

岸基網(wǎng)絡(luò)是連接信息管理分系統(tǒng)（SIM）到岸基發(fā)射分系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，確保信息文件從源頭到發(fā)射機(jī)的發(fā)送。

1.2.3 岸基發(fā)射分系統(tǒng)

岸基發(fā)射分系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收來(lái)至SIM的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)正交頻多任務(wù)分頻技術(shù)轉(zhuǎn)換為OFDM信號(hào)，通過(guò)天線發(fā)送射頻信號(hào)，對(duì)海上艦船進(jìn)行數(shù)字音訊廣播（DAB）。岸基發(fā)射基站包括以下最低配置：受保護(hù)訪問(wèn)權(quán)限的本地服務(wù)器、OFDM調(diào)制器、500 kHz放大器、發(fā)射天線匹配單元、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器或用于同步本地控制器的原子時(shí)鐘、用于檢查該頻率在傳送前是否空閑并提供檢查傳輸?shù)目赡苄缘谋O(jiān)測(cè)接收器。

1.2.4 傳輸通道

傳輸通道為500 kHz射頻傳輸頻率。

1.2.5 艦船接收分系統(tǒng)

艦船接收分系統(tǒng)的主要功能是解調(diào)接收到的信號(hào)、重建信息文件、分類并整理信息，使之用于專用設(shè)備。

1.3 NAVDAT系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)

NAVDAT系統(tǒng)工作在500 kHz頻帶，可以采用16-QAM或64-QAM兩種調(diào)制模式的正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）的數(shù)字廣播系統(tǒng)，其實(shí)用數(shù)據(jù)傳輸速率約為12～18 kbit/s。系統(tǒng)發(fā)送的信息類型多樣，可以傳輸任何類型的文本、圖像、圖標(biāo)、數(shù)字地圖、多媒體視頻等。通過(guò)合理設(shè)計(jì)NAVDAT系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)幅廣播（ORM）單頻網(wǎng)模式工作，及通過(guò)一個(gè)單頻網(wǎng)多個(gè)發(fā)射器，使用一個(gè)單一的頻率完全覆蓋一個(gè)國(guó)家或地區(qū)，同時(shí)單時(shí)隙大大提高了頻譜利用效率[1]。ORM技術(shù)成熟，能提供優(yōu)越的覆蓋范圍，信號(hào)保真度高，消除了多徑干擾。單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）操作是發(fā)射機(jī)在相同頻率、相同時(shí)間發(fā)送同一數(shù)據(jù)信息，信號(hào)到達(dá)時(shí)少于保護(hù)間隔時(shí)間差的情況下，將提供積極的信號(hào)增強(qiáng)。NAVDAT系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)滿足e-navigation系統(tǒng)對(duì)通信更精準(zhǔn)、更可靠、大容量、高速、低延遲的技術(shù)要求，較現(xiàn)有的通信方式，大大提升了信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和功能性。

2 NAVDAT系統(tǒng)與NAVTEX系統(tǒng)的性能分析及比較

目前，海上安全信息的傳輸主要依靠NAVTEX（Navigational Telex）系統(tǒng)，即由NAVTEX岸臺(tái)采用窄帶直接印字電報(bào)技術(shù)以CFEC方式播發(fā)，由船上的NAVTEX接收機(jī)自動(dòng)接收的海上安全信息系統(tǒng)。NAVDAT系統(tǒng)使用由國(guó)際海事組織協(xié)調(diào)和NAVTEX系統(tǒng)相類似的時(shí)隙分配方式。NAVDAT系統(tǒng)與現(xiàn)有的NAVTEX系統(tǒng)不沖突，工作頻率相近，只需較小改造就可完成NAVDAT的發(fā)射。

NAVDAT采用數(shù)字傳輸，12～18 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，約為NAVTEX系統(tǒng)傳輸速率的300倍，其數(shù)字傳輸方式有效克服了NAVTEX播放信息易干擾、及時(shí)性差的缺陷，滿足了現(xiàn)代航海大量信息傳輸處理的需求。同時(shí)，NAVDAT系統(tǒng)除傳輸文本信息外，還能傳輸圖像、圖標(biāo)、數(shù)字地圖、多媒體視頻等信息，從而彌補(bǔ)了NAVTEX系統(tǒng)有文無(wú)圖的不足。NAVTEX系統(tǒng)無(wú)法與艦船信息系統(tǒng)及設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，需要人工操作；NAVDAT系統(tǒng)則可與艦船上的設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)相關(guān)安全信息的直觀顯示，有效減輕船員的工作量。

3 NAVDAT系統(tǒng)在海上艦船航海保障服務(wù)中的應(yīng)用

任何一種新通信方式的產(chǎn)生都是以滿足用戶新的需求為目的。當(dāng)前，用戶對(duì)通信方式的需求細(xì)分為以下幾個(gè)方面：

（1）更好地促進(jìn)海上區(qū)域預(yù)警數(shù)據(jù)采集；

（2）更加高效的信息管理；

（3）更好地向船舶提供信息；

（4）更強(qiáng)的質(zhì)量保證；

（5）岸上主管機(jī)構(gòu)用戶之間更有效地共享信息，以減少船員壓力，提高管理效率。

NAVDAT系統(tǒng)顯著的性能特點(diǎn)是數(shù)字化保真度高、覆蓋范圍較大、傳輸速率較高、成本低、易加密，可以在艦船上大范圍使用。NAVDAT作為新型數(shù)字傳輸系統(tǒng)，能為海上艦船提供更強(qiáng)的航海保障服務(wù)，主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。

3.1 高效、快速管理海上安全信息

海上安全信息包括航行警告、氣象警告、冰況報(bào)告、搜救信息、氣象預(yù)報(bào)、引航業(yè)務(wù)、電航信息系統(tǒng)的更正信息[4-6]。然而，一直以來(lái)缺乏一種有效整合海上安全信息的手段。由于海上安全信息種類多，一個(gè)船只往往需要攜帶很多不同類型的通信設(shè)備，以便能夠接收相關(guān)信息。現(xiàn)有廣播系統(tǒng)播發(fā)大量海上安全信息，但有很大部分信息與本航行次無(wú)關(guān)，同時(shí)也增加了信息過(guò)載、遺漏重要及關(guān)鍵信息的可能。NAVDAT系統(tǒng)通過(guò)信息管理系統(tǒng)（IMS），整合匯總來(lái)自于海事、氣象、安全機(jī)構(gòu)等多部門(mén)的各類安全信息，以數(shù)字顯示發(fā)布信息，根據(jù)需要進(jìn)行加密，設(shè)定優(yōu)先級(jí)和播發(fā)周期，有效處理、分類和過(guò)濾信息。信息接收后，根據(jù)信息類型進(jìn)行排序，接收系統(tǒng)可與艦船上的導(dǎo)航系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)信息在導(dǎo)航系統(tǒng)顯示器上的直觀顯示。

NAVDAT系統(tǒng)改變了現(xiàn)有通信系統(tǒng)不能對(duì)接收信息進(jìn)行處理、分類、過(guò)濾和對(duì)信息進(jìn)行排列、顯示的不足。同時(shí)，可以根據(jù)信息類型確定播發(fā)方式，如海盜襲擊警告信息具有區(qū)域性，播發(fā)方式上可以選擇區(qū)域播發(fā)。NAVDAT系統(tǒng)高效、快速地整合、處理海上安全信息，大大降低了航海人員的工作量，提高了工作效率和航行安全。

3.2 海上裝備遠(yuǎn)程維修

海上裝備遠(yuǎn)程維修是通過(guò)信息傳輸系統(tǒng)，依托艦岸遠(yuǎn)程通信網(wǎng)和艦載綜合通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海上節(jié)點(diǎn)的維修“終端”接入岸基軍事綜合信息網(wǎng)，充分利用岸基網(wǎng)絡(luò)提供的共享信息和協(xié)同環(huán)境，使海上維修人員從后方獲得技術(shù)指導(dǎo)和維修信息[7-10]，以信息的流動(dòng)代替人員的流動(dòng)，支持對(duì)海上艦船維修的技術(shù)支援，及時(shí)消除裝備隱患，節(jié)省人力、物力和時(shí)間。第一時(shí)間完成高質(zhì)量的維修，在有效的時(shí)間內(nèi)通過(guò)分享經(jīng)驗(yàn)提高維修技術(shù)人員的熟練水平，同時(shí)降低對(duì)培訓(xùn)的要求，顯著減少裝備現(xiàn)場(chǎng)修理時(shí)間和停用時(shí)間，提高裝備維修質(zhì)量。

長(zhǎng)久以來(lái)，海上艦船裝備維修一直依靠單兵保障為主的艦員級(jí)維修。隨著裝備的不斷更新?lián)Q代，新裝備信息化、自動(dòng)化程度不斷提高，設(shè)備復(fù)雜程度越來(lái)越高，維修涉及知識(shí)面廣。然而，對(duì)于艦員來(lái)說(shuō)，理論水平有限，難以掌握對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科要求較高的專業(yè)知識(shí)。傳統(tǒng)的艦員維修保障能力越顯不足，特別是艦船遠(yuǎn)離后勤保障基地履行使命任務(wù)增多的情況下，海上裝備維修保障的滯后與履行使命任務(wù)需求間的矛盾也越突出。

現(xiàn)有無(wú)線電通信方式難以實(shí)現(xiàn)及時(shí)、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。NAVDAT系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、成本低、保真度高、信息量大、速度快的特點(diǎn)，同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)特性，可以跨區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)，利用編址信息，發(fā)送指定船只接收。例如，船只不在本服務(wù)區(qū)，可以通過(guò)岸基網(wǎng)絡(luò)功能，聯(lián)系所在區(qū)域岸基播發(fā)。同時(shí)，它具有加密功能，滿足了海軍對(duì)保密的要求。例如，現(xiàn)有裝備的復(fù)雜性造成維修難度大，單靠艦員依據(jù)維修資料進(jìn)行維修，時(shí)間成本相對(duì)較高，而利用NAVDAT將岸基技術(shù)專家的維修過(guò)程，特別是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)圖片、視頻傳輸給艦船，實(shí)現(xiàn)裝備遠(yuǎn)程維修的信息化、數(shù)字化和可視化，從而使在短時(shí)間內(nèi)提高艦員級(jí)維修水平成為可能。

3.3 基于AIS的艦船動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

海上艦船實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控有助于指揮員掌握海上艦船實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，有助于指揮員掌握當(dāng)前艦船及編隊(duì)的位置、航向等信息。較傳統(tǒng)的雷達(dá)等技術(shù)，它具有友好、直觀等優(yōu)點(diǎn)。雖然衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，但由于通信費(fèi)用高，不適于所有艦船。NAVDAT系統(tǒng)能提供信息刷新率高、信息種類多、易于和其他信息系統(tǒng)兼容的艦船實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。

結(jié)合AIS連續(xù)采集艦船的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和航行狀態(tài)等信息，利用岸基網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)AIS采集的艦船航行信息共享，再經(jīng)NAVDAT進(jìn)行編碼發(fā)送至艦船。艦船接收后，結(jié)合電子海圖，通過(guò)顯示終端顯示，實(shí)現(xiàn)艦船位置、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和編隊(duì)狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。NAVDAT更高效的數(shù)據(jù)傳輸能有效減少艦船航行碰撞風(fēng)險(xiǎn)，便于編隊(duì)指揮員及時(shí)掌握編隊(duì)其他艦船實(shí)時(shí)航行狀態(tài)，在編隊(duì)護(hù)航中能增強(qiáng)對(duì)緊急情況（如防海盜、搜救救援）的反應(yīng)和處理能力。同時(shí)，通過(guò)信息共享，岸基相關(guān)利益者可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海域的監(jiān)督和監(jiān)測(cè)，以增強(qiáng)安全性。

4 結(jié) 語(yǔ)

在詳細(xì)分析NAVDAT系統(tǒng)性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討NAVDAT系統(tǒng)在海上安全信息處理、艦船裝備遠(yuǎn)程維修、航行安全上的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)NAVDAT系統(tǒng)的廣泛而深入的應(yīng)用，具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

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