船舶通信導航技術及發展趨勢研究

李亞洲

中海電信有限公司大連分公司 遼寧 大連 116001

引言

全球化背景下，海洋運輸承擔著國際貿易的主要貨物流動，而船舶通信導航技術是保障航運安全和效率的核心。隨著電子、信息和通信技術的快速發展，船舶通信導航技術經歷了顯著變革，從無線電到衛星通信，從羅盤到GPS。但面對不斷增長的海上運輸需求，現有技術已難以滿足航運業對效率和安全的高標準，因此，探索新技術以提升通信導航性能成為航運業的關鍵任務。

1 船舶通信導航技術概述

1.1 船舶通信導航技術概念

通信技術通過各種不同通訊方式，對信息進行采集、處理和傳遞，實現數據信息的交換和重現。而船舶通信技術則是為了滿足船舶在海上的任務和使命，通過利用船舶作為承載平臺以及海上環境的特點，綜合運用各種通信手段建立通信系統[1]。

在海上航行中，船舶需要使用多種通信技術進行信息傳遞，包括國家網絡通信技術、電子郵件、衛星手機通訊、聲號及旗號通信等。這些技術能夠提供高質量的信號發射，實現海量信息的傳遞、存儲和傳輸[2]。同時，為確保航行的安全、便捷、經濟和高效，船舶還需要依靠多種導航技術，比如衛星導航系統、無線電導航系統、天文導航系統、地理導航系統、推位導航系統以及慣性導航系統等，以便定位準確，并為航行提供精確的形態、速度等信息。這些技術的綜合應用可以提高航行的效率、可靠性和安全性，確保船舶順利、安全地完成航行任務。因此，海上航行中的通訊和導航技術對于保障航行安全、提高航行效率和降低航行成本具有重要作用[3]。

1.2 船舶通信導航技術的特點

①海上船舶通信導航技術基本依賴于衛星與短波傳遞信息。船舶的信息傳遞所需范圍較廣距離較遠，甚至需要進行國際通信，因此無線設備是必不可少的。②由于船舶處于特殊的水運環境，其通信導航技術對高頻覆蓋、強大的復雜度和高度集成的要求非常嚴格。③船舶通信導航設備進行連接無須其他額外的設備，各項設備工作相互獨立，同時又能夠互相支持協作，如此使得船舶通信導航技術的安全性得以保證。所以，不斷發展船舶通信導航技術，對于保障海上航行的安全和順利進行具有重要意義。

1.3 船舶通信導航技術的重要性

船舶導航技術是航運過程中不可或缺的一項技術，它能夠確保整個運輸過程的安全和可靠性，幫助船舶確定最佳航線，同時防止船舶誤入危險海域或偏離正確航線。在航行過程中，船舶導航技術還能評估途經線路的安全情況，一旦發現危險，便會立即向接收站發送緊急信號并向船舶發送危險警告提醒，以確保船只的安全[4]。此外，船舶通信導航技術還能自動生成航行日志，并對運行數據進行分析和總結，為之后航行提供數據信息，并確保航行路線的安全精準性，保證航運整個過程順利完成，因此船舶導航技術對整個航運行業都是至關重要的。

2 船舶通信與導航技術的發展演進

船舶通信技術的發展可以追溯到20世紀末期，當時各種通信技術得到了迅速發展和廣泛應用，比如數字選擇性呼叫技術以及衛星通信技術等。為了提高海上航行的安全性和便利性，船舶行業引進了這些完善的通信技術。國際社會越來越注重海上航行安全，20世紀70年代，國際海事組織針對航海提出了全球海上遇險與安全系統（GMDSS），該系統以船舶通信導航技術為基礎，可以迅速應對遇險船舶救援問題。一旦船舶發出報警信號，岸基搜救中心會立即行動，協調指導進行救援行為，確保船員生命財產安全不受損害。此外，岸基搜救中心還能夠將海上安全信息傳遞給船舶，以便船舶在海上安全航行。現代船舶通信技術不斷完善和發展，基于這些技術不斷推陳出新，為海上航行帶來了便利和安全保障。由此，隨著對航行安全的需求越來越高，船舶通信與導航技術得到了快速發展。以前，海上遇險報警與緊急救援的唯一選擇是落后的摩爾斯電報通信技術，但現在通過全球海上遇險與安全系統（GMDSS）和安全通信體系的全面建立，船舶航行安全得到了有效保障。船舶導航技術的發展也歷經不斷改進和演進。由最初精度較低的天體定位導航技術，到后來采用的無線電定位導航，但在海上使用效果仍不理想。所以目前采用不同導航技術結合的方式，以提高精度和降低成本。同時，利用電子海圖技術對船舶航向、船位、船速、AIS等數據進行采集分析，也有效提高了航行安全。國際海事組織始終在推進船舶通信和導航技術的革新發展，開啟了GMDSS的審核與現代化規劃，并努力推動E-Navigation計劃，這是今后船舶通信和導航技術的核心發展方向。

3 北斗衛星在船舶航行技術中的應用分析

3.1 精確定位

北斗衛星系統采用主動式導航，可為船舶提供快速精確的定位服務。海上船舶向陸地控制中心發送定位請求后，陸地中心會通過精確的測算確定船舶位置，并將數據傳輸給衛星進行處理。該系統的定位精度可達10m，與GPS系統相當，可為船舶提供高精度的定位服務以及快速的全天候定位服務。此外，北斗導航儀與電子海圖系統（ECDIS）相結合，可以記錄航行軌跡并提醒偏航和避碰警報，從而提高海上航行的安全性[5]。在如冰區或大霧的惡劣天氣條件下，北斗衛星系統對船舶的定位尤為重要，能夠提供更加精準的導航信息，有效避免事故的發生。

3.2 精密授時

北斗衛星系統采用我國科學院國家授時中心提供的銫原子時鐘作為時間標準，提供單向和雙向授時功能，且無定時服務數量無限制。系統能夠向船舶終端發送定時信息，實現誤差校正，提供高達20～100ns的高精度時間服務。因此，北斗衛星系統為船舶提供了準確的時間標準，保障了船舶運行的安全性和穩定性。

3.3 借助北斗衛星系統實施通信

北斗衛星系統不僅可以為船舶提供高精度的定位服務，還具備船舶間及船舶與陸地控制中心間的通信功能。用戶可以通過船載北斗導航儀發送請求，主動聯系其他目標，響應速度快，僅需1s便可完成短信發送，每次通信傳輸可達120個漢字。在應急救生通信方面，北斗衛星系統具有重要的應用價值。

3.4 北斗衛星系統實現數字航標的構建

數字航標的建設離不開計算機系統、ECDIS、衛星導航技術以及AIS等多種技術。在全球范圍內，數字航標的建設以GIS系統為基礎，并逐漸采用新興的衛星系統北斗作為主要技術。在數字航標網絡建立過程中，可以運用北斗各個模塊之間的通信功能與航標傳感器進行聯網設置。設計方案應當綜合各個領域的地理環境、位置功能以及實際需求，來獲得數字航標的地理位置信息和運行信息，并通過網絡將信息傳輸至所有AIS接收機，實現海上網絡的互動連接。這樣的數字航標網絡可以有效提升航行的安全性和效率性，為航行提供更加精準的導航服務。

3.5 北斗衛星系統實現動態監控

北斗衛星系統利用ECDIS和AIS等技術可以有效實現航行有效監控。當船舶在衛星系統的覆蓋范圍內，公司可以使用船載AIS發送的信息來監控其活動。即使船舶脫離覆蓋范圍，也可以通過船載北斗導航設備傳輸的船舶地理位置進行有效監控。這種監控方式有助于提高航行的安全，使航行更加平穩，同時也能及時發現和解決可能出現的問題，保障船舶和人員的安全。

4 船舶通信導航技術未來發展趨勢

4.1 朝向高精度、微型化方向發展

現代產品的設計和生產趨向數字化、智能化、低功耗和輕型化、小型化、易用性和可靠性，以滿足產品性能的要求。在這些方面，不斷追求卓越，精益求精，以最短時間高效且可靠地研制出各類基礎科學研究成果，并開發具有一定水平的創新產品。在船舶通信和導航技術領域，也在不斷完善和發展，趨向微型化和高精度方向。例如，美國軍方研制的芯片級原子鐘僅有15cm3的大小，縮小到1/100，能源消耗量減少到1/10。這種高精度、微型化的船舶通信和導航技術具有卓越的性能和長期穩定性，易于實現和應用，能夠最大限度地發揮技術的功能。

4.2 朝向數字化、寬帶化方向發展

首先，通信導航技術正朝向數字化、寬帶化方向積極發展，無線通信技術的進步使得手機從大哥大到5G手機，體積和重量越來越小，功能越來越豐富，適用范圍也更加廣泛。其次，船舶通信導航技術通過光纖、光交換、波分等技術實現高速信息傳遞，同時，隨著納米技術、量子信息技術、計算機技術和生物技術等的發展和應用，船舶通信導航技術也將迎來更廣闊的發展空間和更多的應用前景。因此，我們可以看到船舶通信導航技術正處于一個高速發展的時期，今后也將引進許多全新的技術，推動航運行業持久穩定的發展。

4.3 朝向智能化、綜合化、一體化方向發展

未來船舶通信導航技術將融合不同的手段和網絡，實現智能化和綜合化的發展目標。例如，船舶通信導航技術可以結合互聯網、廣播電視網和電信網等，讓使用者可以通過一條線路實現多種功能。同時，新興技術如智慧地球技術、大數據技術、云計算以及物聯網等也將進一步豐富網絡功能。隨著信息安全和智能網絡技術的發展，自組織網絡和智能網絡系統的完善，為船舶通信一體化、綜合化和智能化的目標奠定堅實基礎。通過整合航行信息、測速及測深數據、無線電和傳統管道等信息，并與船舶監控網絡系統、數據傳輸、組合導航、移動通信、船舶監控網絡和船舶操控環節等連接，實現系統的一體化建設目標。

5 船舶通信導航技術動態

5.1 國際上船舶通信導航技術現代化動態

為促進GMDSS現代化發展與E-Navigation戰略的有效落實，大部分國家與地區均在航運行業給予高度支持。其中包括國際海事組織、國際電信聯盟以及國際燈塔協會等。法國率先提出建立發展VDES系統的計劃，并要求其他國家地區全身心研發AIS系統與獨特運用報文等技術，同時制定一系列標準以促進目標的完成。如今，各個國家均已開展諸多技術研究，并獲得了良好的成果。例如，荷蘭的ISIS公司利用研究星載AIS轉發器，研發出速率高、功耗低的VDES系統發射設備。此外，歐洲航天局還對VDES系統的具體性能進行了詳細的研究，并進行了一定的檢驗。

5.2 國內船舶通信導航技術現代化業界動態

中國也在積極推動船舶通信導航技術的發展。在某些研究領域，我國交通通信信息中心負責國內的全球海上遇險和安全系統審核以及現代化方案研究。研究核心是GMDSS的審核與現代化方案目標，已取得豐富的研究成果，為中國通信導航技術現代化發展打下了穩定的基礎。此外，許多船舶公司也在電氣系統方面展開了一定的研究與設計工作，為今后我國船舶通信導航技術的飛速發展提供了充足的技術支持。在技術應用領域，許多船舶設計公司、軍用艦船以及民用船舶正努力探究通信導航系統小型化設計、聚集化管理以及聯網相通等方式，這些研究為今后我國船舶通信導航技術的現代化發展奠定了技術基礎。

6 結束語

隨著科技的不斷進步，船舶通信導航技術已經取得了良好的成績，使得信息的快速、準確傳遞得以保證。未來，這一技術將繼續發展并融合智慧地球、物聯網、云計算以及大數據等技術，使應用功能更加完善，促進智能化、一體化迅速發展。同時，這一技術也將加速數字化、寬帶化進程，推動高精度的微技術發展，進而實現船舶通信導航的智能化、一體化發展。總之，未來的船舶通信導航技術將更加先進、完善，為全球航運業的數字化和智能化轉型提供更好的技術支持。