基于衛星的AIS在航海領域中應用

文|王子駿 周曉安 夏金鋒 金家龍

中船重工鵬力（南京）大氣海洋信息系統有限公司

隨著經濟快速發展、信息化手段的不斷提升，船舶交通管理系統（VTS）需要不斷增強系統信息獲取以及信息綜合處理與應用的手段和能力，以滿足用戶對安全、高效、便捷VTS的強烈需求。國際海事組織（IMO）、國際航標協會（IALA）、國際電信聯盟（ITU）等組織于21世紀初著手于各個數字通信系統的研究，主要目的是實現船舶避碰，降低海上交通事故率，海巡艇可及時地實施救助。隨著水運行業業務量的持續增長，用于運輸的船舶密度增加，同時增加了定位的難度，從而增加了海上航行安全的風險，海上交通事故頻頻發生，海洋環境受損程度日益嚴重，使得現場環境變得不可控制。海上新服務需求的增長，增加了傳統船舶自動識別系統（AIS）的負擔，表現為數據通信鏈路堵塞，導致數據出現丟失，延遲接收等現象。海事人員在值班時，接收的AIS信息不及時、不全面，會導致無法正確判斷船舶位置。在未來10年中，越來越多的新業務將在海事系統中脫穎而出，例如電子導航業務、海洋環境監測、應急指揮搜救業務等。

AIS是一種應用于船和岸、船和船之間的海事安全與通信的新型助航系統。而衛星通信技術具備多種優勢，如覆蓋面積廣，易于組網，受地理環境以及地面資源限制小，通信鏈路相對可靠，通信距離遠，在很多領域中均得到廣泛的應用。基于衛星的甚高頻數據交換系統（VHF Data Exchange System，VDES）是加強版AIS，加入了特殊應用報文和寬帶甚高頻數據交換功能，能夠解決AIS系統負載過多、傳輸丟包及更新速率慢等問題。在VDES中引入衛星后，覆蓋水域的范圍得到再一次提升，從系統以及設計角度上來看，VDES不僅實現了船到岸、船到船的信息交互傳輸，而且實現船到天、天到岸等數據傳輸，確保海上航行安全，減少人員傷亡，推動海事業務的發展。本文提出了E-航海概念下VDES的組成與優勢，介紹了國內外AIS衛星的應用情況。

二、E-航海與VDES

1．E-航海

E-航海并不是一種新的技術，而是一個概念，一個框架，可以理解為一個平臺，是一個全球范圍的海上信息化合作戰略，其目的就是為了促進各國在海上信息和數據之間的交換，在統一架構和技術標準的前提下，消除技術障礙和壁壘，最終達到增強海上安全，提高海上保安、環境保護和海上搜救能力。

E-航海主要由三部分組成：船基系統[雷達、VHF、全球海上遇險與安全系統（GMDSS）、GNSS、衛星通信系統等]、岸基系統（VTS系統以及相關服務系統）以及通信系統，系統構成見圖1。船基系統在航行過程中應鼓勵船員積極參與，減輕船員工作負擔。岸基系統供岸基操作人員和船進行信息交互，從而保證船舶航行安全、提高營運效率。通信部分應滿足管理部門與船舶之間、網絡覆蓋船舶間的信息無縫傳輸。

圖1 E-航海系統構成

和

現在國際上，E-航海實現數據交互手段是VDES，集成了AIS系統，正在解決現有AIS問題（AIS系統負載過多、傳輸丟包及更新速率慢；覆蓋范圍有限，無法長距離甚至于全球的覆蓋范圍）的同時，還能夠傳輸水文、氣象等與航行狀態無關的信息。因此，VDES是實現船、岸、天信息交互的核心。

2．基于衛星的VDES

VDES設計目的是在實現全球范圍內海事VHF移動頻段上提供更高、更強的數據交換能力，滿足船對船和船對岸相互之間的所有數據交換服務的需要。

VDES由三部分組成，在集成了現有AIS功能的基礎上，增加了特殊應用報文（ASM）和寬帶甚高頻數據交換（VDE）功能，VDES為不同內容及格式的信息劃分了“專用車道”。

在功能方面：AIS主要用于傳輸船舶身份、航行狀態、位置報告以及一些相關靜態信息；ASM主要用于傳輸除了船舶位置信息、航行狀態信息以外的其他非導航類的安全信息，例如 氣象、水文數據；VDE是VDES的核心組成部分，是VDES實現高帶寬數據通信的基礎。

在技術方面：AIS 采用GMSK；ASM采用π/4 QPSK；VDE采用FMT。其具有頻譜利用率高、頻譜特性好和抗多徑性能強等優點，在傳輸過程中的差錯是可控制的，數字信號易加密，保密性強，同時可實現新老系統的兼容。因此實現調制解調技術的VDES具有實際應用價值。

依托100kHz雙頻信道的作用是：高帶寬使得未來船舶可獲取的信息將極大豐富。不僅海事、搜救等安全信息可以由此傳遞，港口作業、貨運管理、電子報關等業務信息也有望借此傳遞。

甚高頻數據交換的信道又可以分為兩大類：基于陸基的甚高頻數據交換（VDE-TER）以及基于天基的甚高頻數據交換（VDE-SAT）。

VDE-TER（陸基）的優點主要是VHF天線進行點對點數據傳輸（船對岸、岸對船、船對船），傳輸數據時的平均速率約為307.5kbit/s，是AIS傳輸速度的32倍。

衛星引入至航海領域后，主要體現的作用如下：

1）用于群呼安全網、船管理網，遙測、遙控、數據采集、遠洋船舶和漁船監控；

2）支持總部與邊遠地區人員、無人值守設備和傳感器之間的雙向短信息通信，在終端內部可以內嵌GPS或者北斗接收機，實時輸出船舶的動、靜態數據；

3）可用于全球海上遇險告警，當船舶遇險時，可以立刻發出告警信號（船舶種類、等級、位置坐標），通過衛星傳輸給搜救中心；

4）可以在水上提供4.8kbit/s語音電話業務、2.4kbit/s傳真業務、2.4kbit/s數據傳輸，實現高效數據信息通信系統；

5）可以用于導航海圖更新、互聯網接入、天氣預報、文件傳送、船舶遙測、導航助航、遠程醫療、在線新聞瀏覽、提供安全航線信息等擴展應用。

因此，基于衛星的VDES，即VDE-SAT（天基）的優點主要在于船舶或者岸基可以直接與衛星進行信息交互（圖2），不僅僅擁有較高的傳輸速度，而且可以利用衛星的特性使得信號能夠覆蓋全球（在遠洋中的作用將遠遠超越陸基）。與其他信道相比，衛星信道還具有信噪比低、傳輸距離長等特點。

圖2 VDE-SAT信息交互示意圖

三、國外AIS衛星的應用

AISSat-1是挪威為了用于跟蹤船舶而發射的第一顆海事衛星，目前處于在軌運行狀態，主要的目的是為海事管理機構提供船舶數據并協同指揮中心綜合管控航行的船舶，缺點是覆蓋范圍較小，因此挪威于2014年與2016年相繼發射了AISSat-2與AISSat-3衛星，相比AISSat-1衛星，技術上并無明顯突破，主要是為了增加覆蓋范圍，增加數據量的接入。

挪威Kongsberg Seatex公司研制的新型自動識別系統（NAIS）艦船跟蹤能力顯著提高。在SATAIS計劃資助下，NAIS接收機搭載于兩顆挪威微小衛星NorSat-1和NorSat-2已經發射升空，目前為止跟蹤的艦船數量比起之前增長了70%，接收到的艦船位置的數量增長了3倍。NorSat-1和NorSat-2微小衛星上搭載了這種新型接收機，這兩顆衛星屬于挪威航天中心，由挪威Statsat衛星公司負責運營，運行在600km的低地球軌道上，利用衛星來進行艦船跟蹤，覆蓋范圍得到大幅增加。NorSat-1和NorSat-2接收的音訊數目每天超過250萬條，而之前研發的AISSat-1和AISSat-2接收的音訊數目每天約為90萬條。衛星監測挪威海上艦船目標，把握北極的航運情況，同時也在搜索救援行動以及其他海事活動中提供更好更全面的海疆全景。

美國的ORBCOMM公司是全球衛星AIS系統運營商，提供AIS全球衛星定位服務，該公司目前運營20顆衛星。公司2017年推出了第二代B類AIS設備解決方案，保證了完整的船舶可視能力，綜合了陸地和衛星自動識別系統的數據能力，以及雙向衛星M2M技術，可提供可靠安全的位置信息與航速航向信息。該解決方案還包含防篡改的AIS-B類硬件，主要用于小型船舶，例如漁船，小型客船等。該設備不僅可以向岸邊傳輸安全可靠數據，還可以高效率地向太空衛星AIS接收器傳輸數據。此外還提供了SOS功能，當海上裝有此裝備的船舶遇險時，可以實時地向衛星以及岸邊海事搜救機構發送位置信息，便于海上搜救的展開。

荷蘭的ISIS公司設計了一款專門針對VDES的星載高效發射裝置，6W發射功率，下行鏈路數據速率40kbit/s。由于VDES的鏈路設計，必須要保證星上較高的有效等向輻射功率（EIRP）才能與地面確保正常通信，因此ISIS的這款發射機也將在VDES衛星系統發揮積極的作用。

德國OHB System AG公司成功發射的Rubin-8衛星，搭載了2個AIS接收器，在工作的第一個月中就有超過250萬海上船舶AIS消息被接收。

四、國內AIS衛星的應用

目前中國國內已有35個VTS中心，PRIDe VTS 1000系統是中國國內最為成熟和穩定的國產VTS系統，覆蓋了大部分中國沿海省市，系統運行穩定，為過往船舶提供優質的助航服務，助推E-航海的全球發展。

國內搭載AIS的衛星起步較晚，2012年發射第一顆海事衛星天拓一號，其主要任務是進行船舶自動識別系統接收、光學試驗等，驗證了AIS星載系統。我國第一張全球海圖的數據就是由該衛星繪制而成。2015年，天拓三號衛星發射，為6顆衛星組成的集群衛星，主要開展星載船舶自動識別系統信號接收、星載航空目標信號廣播式自動相關監視系統信號接收等科學實驗與新型技術的驗證。

凱盾一號是南京理工大學與北京凱盾環宇科技有限公司聯合研制的國內首顆商業海事立方星，也是南京理工大學首次承接的商業衛星業務。凱頓一號立方星搭載AIS通信載荷，是凱盾新一代海事衛星系統的首顆試驗驗證星，該星能接收全球水域的AIS信號，建立船、星、岸之間的雙向高速鏈路，并實現實時數據交換。

五、結語

目前，美國、挪威、加拿大、日本、韓國都已部署了VDES試驗臺，衛星被廣泛地運用于航海領域中并逐漸成為船、岸、星之間聯系的中繼臺。我國要把握機遇，發揮海事衛星的優勢，推動國內VTS的前進步伐，加強我國海域通行安全，降低海上事故率，從而帶動水上經濟鏈的發展，增強我們的綜合國力，使得我國在國際航海中占有一席之地。