云澤雨

（北海航海保障中心天津通信中心，天津　300456）

1　引言

隨著世界航運經濟發(fā)展和現代船舶及船舶助導航技術發(fā)展，對如何有效整合各種助導航工具、提高船舶航行安全和船岸之間管理效率提出了更高的要求。E-航海概念應運而生。E-航海概念于2005年被提出，2006年得到IMO（國際海事組織）的正式確認。E-航海是指通過電子的方式，對船上、岸上的海事信息進行協(xié)調一致的收集、整合、交換、顯示及分析，以增強船舶泊位到泊位的航行能力及其他相關服務，提高海上安全和安保水平，并保護海洋環(huán)境。在此背景下我國現有的海上無線電通信體系今后向何處發(fā)展，這是主管部門需要明確的問題，也是業(yè)界普遍關心的問題。結合未來發(fā)展方向，同時符合國際規(guī)則，又適應我國國情和實際需求的發(fā)展規(guī)劃，研究海上安全通信的發(fā)展方式和發(fā)展方式顯得尤為重要。

2　我國海上安全通信發(fā)展概況

我國當前的海上安全通信業(yè)務主要是通過建設在沿海的多座海岸電臺承擔和完成的。海岸電臺作為保障國家海上安全和為航海界提供信息服務的重要手段，主要職責是履行海上遇險安全值守和搜救協(xié)調通信、安全信息播發(fā)等任務。

我國現有的海上通信系統(tǒng)是建立在IMO倡導的全球海上遇險與安全系統(tǒng)（以下稱GMDSS）的基礎上，通過我國GMDSS工程的實施，初步形成了海事衛(wèi)星、搜救衛(wèi)星、地面無線電系統(tǒng)、海上安全信息播發(fā)系統(tǒng)、船舶報告系統(tǒng)和陸上搜救協(xié)調通信網等多層次，具有不同工作方式，可覆蓋遠洋、近洋和沿海不同海域的海上安全通信體系。能夠支持遇險船舶的告警接收，能夠迅速對遇險船舶進行識別、定位，能夠提供陸地與現場救助單位之間的協(xié)調和救助通信，能夠播發(fā)海上安全信息。

3　E-航海的發(fā)展及通信需求

3.1　E-航海的發(fā)展歷程

在航海領域，各類船載硬件系統(tǒng)變得越來越多，它們有的功能存在重復，有的分布于不同的顯示界面，給用戶信息混淆和操作負擔。在海事管理方面，船、岸信息的交互和共享還存在很大的改進和提高空間，對船舶動態(tài)信息的實時化、多元化信息采集渠道還未完全建立，海事管理機構的精細化、定制化交通管理服務還未完全形成。在航海保障方面，航標、測繪、通信在服務的標準化、便捷化、多樣化方面均有發(fā)展空間，許多正在發(fā)展中的技術和產品，亟待一個組織或框架去規(guī)范它們。

因此，2005年12月，IMO根據有關提案，決定開展E-航海（e-navigation）相關研究，從此在國際上拉開了E-航海研究的序幕。

在2006年5月國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）第81次會議上IALA（國際航標協(xié)會）闡述了E-航海的具體概念，并得到IMO的認可。

在IMO的主導下，在IALA等相關國際組織、機構及有關國家的共同努力下，國際海事界已經完成了用戶需求調研和差距分析，確定了E-航海潛在解決方案，完成了E-航海技術架構方面的設計，提出了未來通信系統(tǒng)解決方案，明確了E-航海信息標準，制定了戰(zhàn)略發(fā)展實施計劃。這些成果為建立E-航海測試系統(tǒng)和E-航海下一步發(fā)展奠定了基礎。

從2010年開始，國際上陸續(xù)建立了E-航海測試系統(tǒng)，這些測試系統(tǒng)對驗證E-航海的一系列研究成果、確定E-航海下一步實施方案發(fā)揮了重要作用。

3.2　E-航海的技術架構

E-航海系統(tǒng)技術架構相關技術是E-航海的技術難點，也是E-航海委員會研究重點之一。所謂E-航海系統(tǒng)架構，是指對E-航海各個組成部分、各組成部分的功能、各組成部分之間信息傳輸、共享以及各組成部分相互調用關系的規(guī)定和描述，是關于E-航海系統(tǒng)的重要的、基礎性的技術標準。

2009年，IALA發(fā)布了《關于E-航海岸基總體技術架構的建議E-航海140》，對E-航海通用技術架構進行了描述。根據該文件，E-航海的總體技術架構可以用圖1的形式進行描述：

從圖1中可以看出，通信系統(tǒng)的主要任務負責岸-船、船-岸、船-船、岸-岸之間通信，是e-Navigation的基礎設施，起到基礎性的關鍵作用。

圖1　E-航海總體技術架構簡圖

3.3　目前我國海上安全通信手段

目前我國海上安全通信業(yè)務主要分為高頻業(yè)務、中頻業(yè)務、甚高頻業(yè)務構成的地面通信系統(tǒng)和由INMARSAT和COSPAS/SARSAT構成的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

地面通信系統(tǒng)主要開放的業(yè)務頻段包含高頻、中頻、甚高頻頻段。其業(yè)務種類和站臺數量如表1 所示：

表1　地面通信業(yè)務

衛(wèi)星通信系統(tǒng)方面我國現有海事衛(wèi)星地面站與國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)網運行，提供標準岸站業(yè)務，另建有北京搜救衛(wèi)星終端站和任務控制中心，系統(tǒng)與國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)網全功能運行。

隨著手機通信技術和無線寬帶技術的發(fā)展，在港口以及進港航道等近岸區(qū)域，類似于Wi-Fi、WiMax、3G以及4G移動通信技術也得到了廣泛應用。

3.4　E-航海的通信需求和差距分析

在E-航?？蚣芟?，通信系統(tǒng)將主要包括語音通信和數據通信兩大部分，而且通信范圍應該覆蓋從港內到外海、甚至極地地區(qū)等區(qū)域。由于存在著海上安全信息（MSI）以及諸如電子海圖更新數據、船舶動態(tài)數據等其他船-船、船-岸數字通信內容，因此在E-航?？蚣芟碌耐ㄐ畔蛑鴶底只?、帶寬高、覆蓋廣、成本低等方向發(fā)展，以此來支持E-航海的數據交換需求。結合當前的海上通信現狀及未來的發(fā)展形勢分析，目前在國內海上通信業(yè)務中，傳統(tǒng)語音業(yè)務正進一步縮減，數據業(yè)務針對傳統(tǒng)語音業(yè)務的替代性進一步增強。當前海上安全通信的帶寬和速率方面有一定的局限性，開展高速、高帶寬的海上通信業(yè)務將是適應E-航海發(fā)展的必由途徑。因此，在E-航海的總體框架下，需要研發(fā)和引入新的通信系統(tǒng)，以支撐E-航海的發(fā)展。

4　E-航海下的海上安全通信技術

4.1　VDES

隨著對AIS系統(tǒng)在VHF頻段通信需求的增加，AIS系統(tǒng)的可使用頻段內已經非常擁擠，在許多繁忙港口已經達到對頻段50%以上的占用率，IALA 提出當AIS數據鏈路負載超過50%時，將會導致信息阻塞等嚴重問題的發(fā)生，影響航行安全。

針對AIS系統(tǒng)需要解決的問題，ITU、IALA 和IMO積極響應，分別從頻點、應用和規(guī)則層面對現有AIS系統(tǒng)進行“升級”的可行性進行研究，并在2013年由IALA首次提出了VDES的概念。

相比于AIS系統(tǒng)，VDES系統(tǒng)的通信鏈路更加豐富，且在原來廣播信道基礎上增加了VDE的通信信道，不僅如此，VDES系統(tǒng)還在設計之初就考慮了地面與衛(wèi)星兩大系統(tǒng)，在系統(tǒng)設計和兼容性分析等多個角度做了大量技術研究工作。從2013年至今，VDES系統(tǒng)設計在IALA和ITU的牽頭努力下，各國在這樣的框架下進行了長時間的討論和修改，并最終確定了VDES系統(tǒng)技術特性的最初版本。

2015年對于VDES應用領域的認識和描述也逐漸確立，主要包括極地通信、全球天氣預報、全球甚高頻交通設備（VHF Traffic Service）、全球海事遇險和安全系統(tǒng)的現代化等方面。

法國在2014年提出了VDES系統(tǒng)未來的發(fā)展規(guī)劃，該規(guī)劃跨度10年，從2014年至2023年。其中包含了兩大層面的運作，規(guī)則層和實施層。

在規(guī)則層，IMO、IALA和ITU三大組織的各項會議和E-航海、GMDSS現代化進程將成為整個系統(tǒng)的關鍵，其中IMO的組織機構中包括海上安全委員會（MSC）和導航、通信和搜救小組委員會（NCSR），MSC是組織的最高技術機構，由所有成員國組成。實施層面主要包括AIS和ASM收發(fā)信機的原理樣機研制、仿真、外場測試、實驗星的技術開發(fā)與發(fā)射驗證以及相關標準的制定。

鑒于VDES與AIS的最大區(qū)別，VDES的衛(wèi)星下行信道并沒有采用擴頻等多址方式，原則上VDES 全球衛(wèi)星系統(tǒng)只能有一套。為了有機會參與即將到來的海事數據移動通信新應用領域，我國需要把握研究時間，在以下方面開展工作：VDES衛(wèi)星星座規(guī)劃；應用場景與應用模式研究；AIS+ASM以及地面VDE原理樣機的研制與測試；開發(fā)符合國際標準的船臺設備。

無論從建設海事強國的戰(zhàn)略目標出發(fā)，還是從衛(wèi)星產業(yè)新應用的發(fā)展需求出發(fā)，我們都需要把握這個海事移動通信系統(tǒng)的建設中難得出現的新機遇。將VDES作為海上安全通信保障架構中重要的組成部分，使其成為海上安全通信保障的一個重要手段。

4.2　NAVDAT

隨著GMDSS現代化復審的不斷深入，作為GMDS S中主要承擔安全信息播發(fā)系統(tǒng)的NAVTEX，由于數據傳輸速率低、功能單一等缺點，制約了其在新環(huán)境下的應用。2012年ITU發(fā)布了工作在500KHz頻帶的中頻海上移動服務數字廣播系統(tǒng)NAVDAT，播發(fā)由岸到船的與海上安全相關信息的技術建議書。

NAVDAT是一種新型的岸基海上數字廣播系統(tǒng)，它采用最新數字傳輸技術，在500kHz上播發(fā)海上安全信息和其他服務信息。NAVDAT通過播發(fā)消息、文本、文件或圖像，實現海圖改正信息等航行相關安全信息的快速推送，并實現與船舶信息系統(tǒng)的無縫連接。NAVDAT系統(tǒng)通過聯(lián)網播發(fā)，還可實現A2海區(qū)的覆蓋。因此，NAVDAT可增強海事信息業(yè)務能力，是GMDSS現代化和E-航海中的關鍵系統(tǒng)。

NAVDAT采用了一種類似于NAVTEX的時隙分配方式，便于IMO以相同的方式進行協(xié)調。其也可以以單頻網絡的方式工作。

無論采用何種播發(fā)方式，NAVDAT都會提供廣播、選擇性播發(fā)、特定播發(fā)等三種不同的播發(fā)模式。此外，NAVDAT還提供對于任意種類的岸到船信息的加密廣播服務。由于NAVDAT采用了數字編解碼技術，使得在10KHz帶寬的頻道上，數據傳輸速率高達15-25kb/s，是NAVTEX系統(tǒng)的300倍。正是NAVDAT 高速的數據傳輸能力，使得它擴大了安全信息的播發(fā)范圍，能夠播發(fā)諸如海圖，氣象云圖，數據等等。NAVDAT能夠以友好的交互方式在接收端顯示，并能夠將信息整合至導航設備（ECDIS、INS）。

NAVDAT系統(tǒng)是GMDSS現代化和E-航海中的關鍵系統(tǒng)，是海事信息播發(fā)上的一次數字化革命，將增強海事信息服務能力。GMDSS現代化尚處于論證和設計階段，我國應抓住這一機會，加快技術研究和系統(tǒng)研制，進行實驗和測試驗證，形成符合國際標準框架的NAVDAT信息播發(fā)和接收的國內技術標準，將NAVDAT作為海上安全通信保障架構中重要的組成部分。

4.3　北斗導航系統(tǒng)

北斗導航系統(tǒng)是覆蓋中國本土的區(qū)域導航系統(tǒng)，覆蓋范圍東經約70°～140°，北緯5°～55°。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經對東南亞實現全覆蓋，根據系統(tǒng)建設總體規(guī)劃，系統(tǒng)將具備定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

北斗RDSS特有的短報文功能在交通運輸、救災減災、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調度和國家安全等領域也得到廣泛應用。

北斗集多種應用功能于一身，定位、授時、通信作為滿足船舶需要的必備功能，對保障船舶安全具有無可替代的作用。北斗的應用，能夠與船舶現有的傳統(tǒng)無線電設備、GPS、海事衛(wèi)星設備形成有益補充，彌補了上述設備在收發(fā)距離、缺少通信功能、通信成本過高等方面的不足，其在我國沿海船舶中的普及率必將繼續(xù)增長。

相對傳統(tǒng)海上安全通信方式，北斗以卡識別用戶，只要在北斗的服務范圍內都能接收信息，可實現一次播發(fā)，全面覆蓋，無需多次重復播發(fā)；卡號資源是唯一的資源，不存在大量用戶使用情況下的干擾問題，保障了通信質量。

北斗系統(tǒng)在安全信息播發(fā)業(yè)務中的應用，將有效提高安全信息播發(fā)覆蓋范圍，提升播發(fā)效率，是拓寬水上通信服務渠道的有效手段。北斗導航系統(tǒng)在航海保障領域尤其是北方海區(qū)具有廣泛的應用前景，北斗系統(tǒng)及其相關技術產品在轄區(qū)的推廣應用，是提升航海保障能力的有益嘗試，是響應國家發(fā)展需要的必然舉措，是服務地方經濟發(fā)展和維護航行安全的重要手段。

基于北斗系統(tǒng)的海上安全信息播發(fā)和遇險報告技術的研究、應用及推廣將有效的彌補傳統(tǒng)通信方式的不足，為此建議將北斗系統(tǒng)技術作為海上安全通信保障的架構重要一環(huán)，更好地滿足E-航海的發(fā)展需要。

4.4　高頻電子郵件和數據交換技術系統(tǒng)

根據GMDSS高級復審階段的研究和E-航海對數據通信框架研究，未來海上安全通信業(yè)務需要高頻頻段數據交換系統(tǒng)。近幾年，國際上也推出了幾種高頻段的數據交換和電子郵件系統(tǒng)，進行小范圍使用。

為了推動開展水上高頻數字業(yè)務，ITU在2012 年世界無線電大會上對《無線電規(guī)則》附錄17進行修訂，規(guī)定了水上數字業(yè)務使用頻率；ITU還制定了水上高頻數字業(yè)務的技術建議書M.1798《水上移動業(yè)務中用于交換數字數據和電子郵件的高頻無線電設備的特性》。

圖2是M.1798技術建議書中所附的高頻數據交換系統(tǒng)圖，系統(tǒng)由一個網絡控制中心NCC和若干收發(fā)信基站CRS組成。系統(tǒng)在互聯(lián)網環(huán)境下工作，收發(fā)信基站可以根據需要布設在相應位置。

5　E-航海下的海上安全通信技術架構

在E-航海不斷推進的進程中，通信作為重要一環(huán)，研究認為構建海上安全通信保障系統(tǒng)架構應遵循IALA和IMO在E-航海方面的相關研究及系統(tǒng)架構的設計，同時又符合我國在E-航海發(fā)展進程中做的相關路線研究及技術研究以及相關應用的研究和開發(fā)的實際情況。

從支持未來E-航海需求和GMDSS現代化新興業(yè)務考慮，我國海岸電臺有必要整合現有的業(yè)務服務系統(tǒng)，升級或更換現有設備，簡化設備操作程序，形成高效、有序、統(tǒng)一的數字化業(yè)務平臺，提升海上安全通信岸基系統(tǒng)的運行保障能力。

圖2　高頻數據交換系統(tǒng)圖

圖3　通用業(yè)務服務架構

E-航海環(huán)境下的海岸電臺，要遵循IMO推薦的通用岸基系統(tǒng)架構，不僅承擔安全通信任務，還應按照通信信息一體化原則，充分利用現有設備分階段、分步驟進行數字化和網絡化改造，改變以往“豎井式”的業(yè)務開展模式，構建與底層設備無關的通用業(yè)務服務架構，如圖3所示。能在不改變現有網絡結構的基礎上，方便靈活地引入各類新增業(yè)務，實現原有業(yè)務與E-航海數字業(yè)務并存，最終向全數字業(yè)務過渡。

海上安全通信保障系統(tǒng)架構應以現有的通信方式為基礎，同時跟進GMDSS現代化發(fā)展不斷完成通信設施的數字化改造，以VDES、NAVDAT和北斗系統(tǒng)為基本架構，關注E-航海的研究發(fā)展形勢，加快新技術新產品的研究，從而構建一套完整的有效的海上安全通信保障系統(tǒng)。

6　結束語

本文分析了E-航海發(fā)展背景下我國海上安全通信的業(yè)務現狀，對IMO確立的E-航海的整體架構進行分析，提出了我國海上安全通信和E-航海通信需求存在的差距，提出適應我國海上安全通信技術發(fā)展的方向和架構組成，完善我國的海上安全通信保障能力，適應E-航海發(fā)展的更高需求?！?/p>

[1]IMO.國際海上人命安全公約（SOLAS）綜合文本，2014.1.

[2]IMO.有關海上無線電通信和GMDSS系統(tǒng)性能要求的決議、通函等文件，2012.11.

[3]ITU.無線電規(guī)則，2012.1.

[4]樓于海 .e-Navigation（e-航海）[J].航海，2012（3）.

[5]IALA.Recommendation E-Nav140：on the E-navigation Architecture-the Initial Shore-based Perspective[Z].[2009-12-01].

[6]IMO.Development of an E-navigation Strategy Implementation.[Z].[2014-07-04].