論現代信息技術在艦船通信導航領域中的應用

摘 要：船舶通信導航是一種常見的數據信號傳輸應用行為，可在已知傳輸目的地的情況下，將信號參量轉換至既定編碼形式。然而傳統導頻型船舶導航系統的通信數據傳輸誤碼率水平過高，很難實現對穩定性航行時間的有效延長。為解決上述問題，引入現代信息技術，在導航基帶電路、通信數據轉換模板等多個設備應用元件的支持下，設計一種新型的船舶通信導航信息系統，并通過對比實驗的方式，突出該系統的實際應用價值。

關鍵詞：現代信息技術;艦船通信導航領域;應用

引言

艦船通信數據的信息量較大，內部含有多種特征的信息資源，在傳輸提取過程中容易產生丟失或是提取信息不完全的問題。為此，在大數據的背景下，研究一種艦船通信信息資源提取方法，能夠從海量的信息資源中準確提取目標信息，加快艦船通信過程信息流通。在艦船通信技術初始發展時期，國外研究人員，利用計算機技術劃分不同通信數據為不同的屬性。采用不同的固定特征參數描述為不同的信息資源特征，并根據該種特征對應設計不同的提取方法。國內對于艦船技術研究起步較晚，對于通信信息資源提取方法的研究還處于理論階段，還需要不斷地研究改進。為此，探析大數據背景下，艦船通信信息資源提取方法非常必要。

1船舶導航與通信系統的研究與發展現狀

1.1GPS衛星導航系統。

GPS系統，即導航衛星定位系統和測距全球定位系統，誕生于美國，由NASA技術中心開發，可以利用高軌道衛星傳輸帶來的延遲和頻移，判斷目標物體發生的距離變化和對應的位置信息。（二）地理信息系統（GIS）。GIS系統是一種專業化的空間信息系統架構，由主機系統的硬件結構和軟件程序構成，可以有效地收集地球表層位置的空間信息，綜合分析信息。整個系統主要包括嵌入式系統、數據服務器、自動化終端等。（三）雷達系統。雷達系統作為船舶使用最多、使用最廣泛的通信方式，可以說是船舶通信系統中最完善的一部分。（四）艦船自動識別系統（AIS）。AIS系統作為一種新型的船舶輔助裝置，可以有效地進行船舶間或船舶與岸邊之間的數據信息傳輸，整體智能化水平較高。一般來說，數據信息傳輸中的類別有靜態信息、軌跡信息、定位狀況等。

1.2新時期5G無線通信技術的發展

移動通信的發展始于20世紀中葉，當時通信過程是通過無線電波傳送的，這需要通過中央數據中心進行信息遷移，以便既滿足呼叫又滿足被呼叫用戶的需要，但是受到容量的限制。5G基于用戶中心云量計算的無線通信技術，包括NFV、SDN、新的多支持網絡技術和4G基準，以解決傳輸效率問題，充分體現開發和應用安全、可靠性、穩定性和效率、長期減少能源消耗，可以更好地整合高質量的資源，包括網絡建設領域的新實施平臺，起到擴大視野和增強網絡連接的作用。5G無線通信技術成功地使人們在技術層面更加接近，而且還通過多個平臺實時轉換，測試了高速數據傳輸的可行性，從而為用戶的使用體驗注入了新鮮空氣般的能量，而這種經驗已不再局限于一個領域，也從人的角度轉移到物理和材料層面。新的低能源消耗滿足了用戶的需求，從而產生了更大的實效性。

2現代信息技術在船舶通信導航領域中的應用

2.1通信數據轉換模板

通信數據轉換模板是導航基帶電路的下級執行結構，以PCF8591T芯片作為核心搭建設備。通信轉接口作為船舶數據輸入端，可將電信號轉化為信息連接信號，再借助PCF8591T芯片將數據信號反饋至下級系統應用設備結構體之中[4]。導航轉接口作為船舶數據輸出端，可將信息連接信號轉化為電信號，并借助PCF8591T芯片再次傳輸回導航基帶電路中，實現船舶通信導航信息系統內的信息互聯傳輸。

2.2局域網搭建

局域網系統主要由一個主控點、一臺交換機和各計算機設備組成。船舶局域網的構建以10Base-T網絡技術為核心，與STP技術合作。也就是說，可以從主控點的位置向外連接兩條STP線路，在兩端的位置確保足夠的空間，為后期連接做準備。關于分支計算機設備，必須設置在室內，確保電源系統的穩定。實際上，為了盡可能提高數據傳輸效率，可以選擇多模光纖方式進行連接。在實際構建局域網期間，必須與供電線連接。電流通過電纜時，會產生電磁效果，避免數據丟失。因此，連接時，為了選擇PVC軟管有效地包復網線，需要防止網線所在的環境潮濕、過熱等。

2.3艦船通信網絡異常入侵檢測

艦船通信網絡要加強信息安全防護，引入先進的異常入侵檢測技術，快速識別入侵行為，提出數據噪聲，保障通信安全。基于密度聚類分析算法構建的入侵檢測數學模型，能夠通過聚類和檢測，準確區分異常行為和正常行為，便于入侵檢測系統快速做出應對措施，從而提高艦船通信網絡安全水平。入侵檢測是對惡意攻擊系統、竊取機密性信息的行為進行識別確認的一種技術措施，該技術措施是通信網絡重要的安全策略。對于艦船通信網絡而言，入侵檢測技術主要應用于網絡異常檢測領域，根據艦船通信系統的行為或資源使用狀況對是否發生入侵行為進行判斷。當前，常用的異常入侵檢測技術包括基于數據挖掘、機器學習以及預測模式的檢測技術，但是隨著黑客入侵行為識別難度的增加，單一的入侵檢測技術已經難以滿足檢測需求，所以在未來一段時期內，通信網絡異常入侵檢測技術會向著協同入侵檢測和分布式入侵檢測技術發展。其中，協同入侵檢測是將單一的入侵檢測技術與防火墻、病毒防護、安全電子交易等技術進行結合使用，促使各項技術協同運作，增強對入侵行為的安全防御能力;分布式入侵檢測可以檢測出分布式網絡架構中的入侵行為，適用于大規模網絡。

2.4匹配網絡通信數據

降噪處理后的通信信號存在離群點，因此對這些通信數據進行匹配。匹配的第一步，根據不同源數據屬性特征，獲取數據之間的公共非主屬性，按照其重要程度建立合適的集合，然后依據特性規則粗略篩選通信數據，降低數據集合的規模。利用一個離群點檢測模型，對粗篩選后的數據進行進一步篩選，得到實體對集合。再對該集合進行采樣，利用機器學習訓練數據，獲取網絡通信數據匹配對。在傳統方法的基礎上，通過加強降噪處理完善對離散點的匹配，以此取得不錯的研究成果。因此，先進的識別方法能大大提高工作效率。

2.5人工神經網絡法

人工神經網絡通過學習人腦對信息處理的方式，根據一定的規則進行學習，并根據學習的結果進行推論以獲得某種信號的處理能力。神經元是神經網絡的基本單位，它抽象地表示了生物神經元的信息處理過程，并將這個過程用數學語言進行描述。神經元集信息儲存和信息處理為一體，具有空間上分布存放，時間上并行處理的特點。網絡中的神經元個數越多，該網絡識別、處理信息的能力就越強。當前的神經元模型是由線性元件及閾值元件組成，是大多數神經網絡模型的基礎。要實現通過神經網絡對多元信息系統進行融合要：（1）通過待融合系統數學模型及傳感器信息類型建立神經網絡結構;（2）將所有傳感器的輸入信息作為神經網絡總輸入進行訓練，通過神經網絡與對輸入傳感器信號處理、統計得到與待融合系統對應的網絡結構;（3）對傳感器得到的信息進行學習及權值分配，通過以構建神經網絡對信息進行融合，并輸出融合結果。

2.6通、導、遙衛星在行業監管的應用

安全監管和環境監測。各級管理部門需要及時、全面地掌握單位內部建設項目及周邊環境的安全狀況并實施相應的管理，而艦船單位多且散，類別及級別不同，安全管控范圍及關注的潛在外部威脅有所差異，亟需主動、長期、全面、自動化的監測手段，由被動審核轉化為主動監控機制。利用高時空分辨率的遙感衛星數據、航海影像數據和北斗定位數據等，進行融合處理，實現艦船重要目標提取，進行地面形變監測、基礎設施外觀變化監測、獲得工程建設進展信息，識別重大安全隱患，提高社會綜合效益。利用可以綜合運用高分遙感衛星可見光、紅外、熱紅外、微波和北斗衛星定位監測等多種探測手段，對大型船廠等大中型艦船單位進行災害監測、災害特征識別和提取，實現風險分析評估、應急救援決策、災后重建決策分析，積極尋求防災減災的有效途徑。

2.7慣性導航技術的應用

由于慣性導航系統（INS）的加速度傳感器會產生誤差，尤其是在AUV遵循線性路線的情況下，僅使用INS的導航系統會隨著時間的推移逐漸降低定位精度。為了提高AUV長時間任務的定位精度，可以使用DVL聲吶測量與海底的相對速度來減少誤差。同樣的，聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）聲吶可以測量局部海流的相對速度。DVL聲吶的范圍有限，只能在AUV靠近海底時使用。但是，當同時使用INS和DVL時，定位誤差仍會隨時間而積累。如果使用這種系統執行長時間任務，則必須通過確定參考點的相對位置來消除定位誤差。可以通過上浮到海面通過GPS或北斗接收機來完成，但這在深海勘測中是無法完成的。慣性導航系統和水下聲學導航技術發展得比較成熟，但是兩者的性能受到成本、范圍以及AUV任務校正周期的限制。盡管可以使用昂貴的慣性和聲學系統來減少AUV任務過程中導航精度的降低，但它們的使用限制了AUV的任務范圍。而通過使用AUV任務海域的現有地圖，地球物理導航系統可以提供較為廉價并更為準確的定位導航方法。但是，現有地圖的需求和特征識別的困難限制了這些方法的使用。

2.8低軌導航精度增強

低軌導航增強服務中最主要，同時得到最廣泛的類型為低軌導航精度增強，其利用低軌衛星空間多樣性為用戶提供快速收斂的高精度服務。對于定位性能輔助提升的主要機理體現在，衛星導航系統測距信號中，載波相位的測距精度比偽距高幾個量級。高精度的定位服務通常利用載波相位測量來實現，而相位模糊度固定是其中的關鍵。由于中高軌導航衛星的軌道較高，衛星運行速度慢，往往需要很多個歷元的觀測數據才能實現載波相位模糊度的固定。解決這一問題最簡單的方法就是利用高動態的空間多樣性產生偏移觀測量。低軌衛星軌道低，運動速度快，能夠產生較大的空間變化，使得定位過程中歷元間觀測方程的相關性減弱，參數的可估性大大增強，從根本上解決了載波相位模糊度參數收斂和固定慢的問題，進而實現快速精密定位。

2.9捷聯慣導仿真分析

捷聯慣導的原理是由陀螺儀得出的航海方位角變化率，加速度計得到的速度變化率，再通過這些及初始位置信息得到定位信息。所以首先要仿真得到艦船運動軌跡，再由此得到加速度及轉向角加速度，通過慣導數學模型解算得到位置，速度等信息并與真實艦船軌跡對應驗證捷聯慣性導航系統的可行性。隨著誤差的積累，慣性導航隨定位相對于真實軌跡越來越大。基于以上現象，慣導誤差會由于時間積累越來越大，不適用于長時間的導航，因此需要一種能夠減少誤差積累的導航方式。

2.10聯合定軌

傳統GNSS衛星精密定軌是利用全球均勻分布的大量地面監測站，對導航衛星進行偽距和載波相位測量，再結合精確的軌道動力學模型和誤差改正模型進行數據處理，從而確定GNSS衛星的精密軌道。然而，我國北斗導航系統監測站建設受地緣因素影響較大，難以實現全球均勻布站。搭載星載GNSS接收機的低軌衛星可以作為星基監測站，結合星間鏈路傳輸原始觀測量，參與高中低軌衛星聯合定軌，以彌補地面站的不足，極大增強了GNSS衛星跟蹤網的圖形強度，使軌道和動力學模型參數估計更為準確，從而實現區域監測站條件下的導航衛星精密定軌。可以預見，隨著未來低軌通信網絡的建成，各類星地鏈路、星間鏈路將會帶來更多的觀測數據和更優的幾何構型，從而進一步提升聯合定軌的性能。

2.11充分利用現有資源，加強多種導航增強系統聯合互補與協調規劃。

包括低軌增強、廣域增強、地基增強在內的多種手段并非互相排斥、互為取代的關系，需處理好系統建設的統籌規劃和服務上的功能錯位，避免重復建設造成的資源浪費。宜充分發揮低軌的獨特優勢，與其他導航增強手段形成有機互補，以優化、高效、協同的路線解決多系統建設問題。隨著未來下一代移動通信將衛星網絡技術納入到規劃路線中，空、天、地、海泛在移動通信網絡的建立，使低軌導航增強最終有望走進航海行業，實現大眾應用。低軌導航增強也將是我國綜合PNT體系的重要組成部分。各種不同軌道衛星的融合，將為世界衛星導航帶來新變化、新發展，而其中低軌星座因其獨特優勢將為世界衛星導航領域發展注入新的動力源泉。

3高光譜激光雷達系統的未來發展趨勢

近年來，國內外高光譜激光雷達的研究獲得長足發展，理論與技術探索已初步成熟，并已經展現了其初步的應用潛力。然而現有系統研制大都處在原理樣機研究階段，探測距離最大僅為百米量級，甚至對于可見光短波譜段以及地物低反射率探測譜段僅能實現近距離探測應用，在一定程度上限制了其實用化發展。高光譜激光雷達作為基于激光主動探測的、地物光譜與測距信息一體化獲取的全天時新型成像技術，其探測機理與現有技術必然存在較大區別，因此需不斷構建和完善基于寬譜段激光發射與多波段回波探測的高光譜激光雷達成像機理與數據處理體系。為更好地發揮高光譜激光雷達全天時高光譜與空間信息一體化獲取的技術優勢，未來可通過推動其在航海業等領域的示范應用，促進測繪遙感行業領域的技術變革，并不斷探索其在更多領域的獨特應用潛力。

結束語

新型通信導航信息系統可在現代信息技術的作用下，聯合導航基帶電路與通信數據轉換模板，在計算信息時延量數值的同時，確定信息數據的預編碼條件與最大信息似然值的解碼條件。從實用性角度來看，船舶通信數據傳輸誤碼率的降低，能夠促進船體穩定性航行狀態持續時間的不斷延長，滿足控制船舶通信數據錯誤傳輸行為產生幾率的實際應用需求。

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作者簡介：

姜朝宇，（1979-），漢，本科，男，黑龍江省哈爾濱市，高級工程師，學士，研究方向：艦船通信。

（遼寧省葫蘆島市龍港區島里船廠代表室，遼寧 葫蘆島 125004）