李建民, 王滿博, 張瑞恒, 黃加偉, 王 喆

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

伴隨航運(yùn)市場(chǎng)的高速發(fā)展，船舶大型化、智能化和專業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)明顯，船舶現(xiàn)有通信設(shè)備業(yè)務(wù)能力已無法適應(yīng)航行安全保障技術(shù)的需求。為此，日本等國在2005年向國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)提交MSC 81-23-10提案，提出通過實(shí)施E-Navigation戰(zhàn)略為海上航行船舶提供內(nèi)容更豐富的航行安全保障技術(shù)。該戰(zhàn)略需要海上移動(dòng)通信系統(tǒng)予以足夠的技術(shù)支撐。目前,國內(nèi)外針對(duì)全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS)現(xiàn)代化開展大量研究，但是研究?jī)?nèi)容所提及的現(xiàn)代化還只是GMDSS現(xiàn)代化的初級(jí)階段，難以完全具備E-Navigation戰(zhàn)略所需要的通信能力。因此，有必要打破傳統(tǒng)的GMDSS框架，融入更多的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海上通信技術(shù)的現(xiàn)代化，行之有效地推進(jìn)E-Navigation戰(zhàn)略發(fā)展。

1 IMO對(duì)GMDSS現(xiàn)代化與E-Navigation戰(zhàn)略關(guān)系的描述

國際航標(biāo)協(xié)會(huì)(The Intern Authorities,IALA)最早提出了E-Navigation概念，指出“E-Navigation是通過電子的方式在船舶和岸上協(xié)調(diào)收集、整合、交換、顯示和分析海事信息，以增強(qiáng)船舶從泊位至泊位之間的導(dǎo)航及相關(guān)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)海上安全和保護(hù)海洋環(huán)境的目的”。[1]E-Navigation戰(zhàn)略發(fā)展中通信技術(shù)發(fā)展是其不可或缺的重要組成部分，船舶只有具有完善的海上通信業(yè)務(wù)能力，E-Navigation戰(zhàn)略實(shí)施才具有支點(diǎn)和可操作性。GMDSS是目前海事移動(dòng)通信的重要組成部分,IMO極力推進(jìn)的GMDSS現(xiàn)代化正在向數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化通信的方向發(fā)展，為海上通信現(xiàn)代化的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。IMO對(duì)GMDSS現(xiàn)代化與E-Navigation戰(zhàn)略之間關(guān)系的描述見表1。

表1 GMDSS現(xiàn)代化與E-Navigation的戰(zhàn)略關(guān)系

由表1可知：E-Navigation的發(fā)展離不開GMDSS現(xiàn)代化的支持；E-Navigation與GMDSS現(xiàn)代化中交叉成分有很多，在相同的大方向下需要保持相對(duì)獨(dú)立，而不是相互掣肘?？偟膩碚f，GMDSS現(xiàn)代化在完成自身建設(shè)的同時(shí)，應(yīng)能對(duì)E-Navigation提供足夠的通信支撐。

2 E-Navigation戰(zhàn)略需求

E-Navigation戰(zhàn)略自提出以來進(jìn)展并不順利，主要原因是通信問題沒有解決。E-Navigation戰(zhàn)略旨在發(fā)展海上信息的一體化，船舶可獲取海上更多有價(jià)值的信息。船舶可通過外界廣域網(wǎng)獲取衛(wèi)星播發(fā)的信息、陸地傳輸?shù)男畔⒑透浇安グl(fā)的感知信息，同時(shí)船舶還可通過使用自身裝配的設(shè)備感知自身及環(huán)境信息，并以局域網(wǎng)的形式在本船內(nèi)部分發(fā)。為使船舶獲得實(shí)時(shí)的船舶及水文氣象資料信息，應(yīng)從獲取信息的方式入手，即提升衛(wèi)星通信速度(帶寬)、降低衛(wèi)星通信價(jià)格、更新岸基設(shè)施和海上在航船舶的通信系統(tǒng)以及提高船舶感知能力，從而保障航行安全和保護(hù)海洋環(huán)境。E-Navigation戰(zhàn)略發(fā)展需要通信技術(shù)予以整體貫通見圖1。

通信內(nèi)容包括文本、語音和視頻信息等形式，其中對(duì)通信帶寬要求最高的一般是視頻信息。海上視頻通信可為船舶提供更豐富的航行安全信息，為岸基提供更直觀有效的安全監(jiān)管手段。在現(xiàn)有海上通信低帶寬的背景下，要實(shí)現(xiàn)海上移動(dòng)視頻通信，最大程度地壓縮視頻文件顯得尤為重要。H.265(高效視頻編碼)是國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)最新通過的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，可在有限的帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻。H.265可實(shí)現(xiàn)利用1～2 Mbit/s傳輸速度傳輸720 P普通高清音視頻傳送，基本滿足目前海上對(duì)于視頻傳輸?shù)男枨蟆?/p>

因此,實(shí)現(xiàn)E-Navigation的前瞻性目標(biāo)在于高速、無縫的網(wǎng)絡(luò)，帶寬應(yīng)能達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)1 Mbit/s以上，且保證價(jià)格低廉、接入率可靠。

3 目前GMDSS對(duì)E-Navigation戰(zhàn)略的支持

根據(jù)目前NCSR 4-29分委會(huì)向MSC委員會(huì)提交的GMDSS現(xiàn)代化計(jì)劃，GMDSS已具備初級(jí)的數(shù)字通信能力。例如：NAV 58-INF.17提出的NAVDAT系統(tǒng)和ITU的WRC-12次會(huì)議提出的甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VDES)，均在GMDSS現(xiàn)代化草案中有所體現(xiàn)。盡管這些新技術(shù)提升了水上數(shù)據(jù)通信的能力，但甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(VHF Data Exchange System,VDES)與船岸間與安全安保相關(guān)的信息數(shù)據(jù)廣播(Navigational Data for Broadcasting Maritime Safety and Security Related Information from Shore-to-Ship,NAVDAT)的帶寬以及所能提供的服務(wù)卻難以完全滿足上述所提及的E-Navigation戰(zhàn)略對(duì)通信技術(shù)的需求。雖然GMDSS提供的衛(wèi)星通信能力仍在不斷發(fā)展，但眾所周知衛(wèi)星通信價(jià)格昂貴，并且由于傳輸距離遠(yuǎn)、衛(wèi)星功率受限等因素的影響，導(dǎo)致衛(wèi)星通信速率仍然偏低。

因此，目前的GMDSS現(xiàn)代化還只是初級(jí)的現(xiàn)代化，尚不足以完整支撐E-Navigation戰(zhàn)略需求。

4 現(xiàn)代通信技術(shù)可能為E-Navigation戰(zhàn)略提供的技術(shù)支撐

為滿足E-Navigation戰(zhàn)略的通信需求，將GMDSS的通信能力提升到全新高度迫在眉睫。目前眾多的先進(jìn)移動(dòng)通信技術(shù)于陸地應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，但在海上應(yīng)用不廣，部分技術(shù)在海上移動(dòng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域僅處于起步階段。這些技術(shù)都具備著極大的發(fā)展前景，可有效彌補(bǔ)目前E-Navigation戰(zhàn)略實(shí)施過程中通信技術(shù)能力的欠缺。

4.1 近距離船舶通信

4.1.1船間通信

目前商船船間的數(shù)據(jù)鏈主要是依賴AIS技術(shù)，所提供的帶寬僅為9.6 Kbit/s，另據(jù)目前研究進(jìn)展報(bào)告，正在處于研發(fā)階段的VDES理論帶寬也僅為370.2 Kbit/s，這些難以為E-Navigation戰(zhàn)略提供足夠的技術(shù)支撐。而目前艦船識(shí)別數(shù)據(jù)鏈技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，可為艦船間提供兆級(jí)以上帶寬，作用距離可達(dá)到6 n mile以上，滿足船間避碰操作對(duì)距離的要求，并可用于近距離船舶之間的信息交互。

4.1.2船岸通信

目前包括3G/4G/5G在內(nèi)的陸上移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用廣泛。3G的通信速率一般約為2 Mbit/s，而4G/5G的傳輸速率更優(yōu)于3G技術(shù)。如果3G/4G/5G移動(dòng)通信技術(shù)能夠在近岸條件下的船岸通信中得以應(yīng)用，將極大地提高數(shù)據(jù)傳輸速率，使近岸船舶獲得實(shí)時(shí)航行安全信息成為可能。

4.2 遠(yuǎn)距離船舶通信

遠(yuǎn)洋航行的船舶只能通過衛(wèi)星通信技術(shù)獲得岸基支持。目前海事移動(dòng)通信技術(shù)中Inmarsat系統(tǒng)處于優(yōu)勢(shì),但是根據(jù)IMO A.1001(25) 號(hào)大會(huì)決議案及MSC.1/Circ.1414通函對(duì)未來加入GMDSS的衛(wèi)星系統(tǒng)的一般要求，越來越多的衛(wèi)星通信系統(tǒng)將有機(jī)會(huì)被納入GMDSS為海上通信提供服務(wù)。目前全球衛(wèi)星通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商中占比最大的是Inmarsat、銥星和舒拉亞等3家公司，這3大運(yùn)營商通信服務(wù)的總收入占整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的90%。

4.2.1Inmarsat系統(tǒng)

國際移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)(Inmarsat)的第4代衛(wèi)星(I-4)可提供FBB(FleetBroadband)業(yè)務(wù)，其中速度最快的FBB 500船站帶寬可達(dá)432 Kbit/s。根據(jù)最新有關(guān)Inmarsat FBB加入GMDSS系統(tǒng)的評(píng)估報(bào)告NCSR 5-14-1顯示，經(jīng)過國際海事衛(wèi)星組織(International Maritime Sateline Organization,IMSO)的技術(shù)與運(yùn)行評(píng)估，Inmarsat FBB已經(jīng)完全滿足A.1001(25)的要求，這預(yù)示著2020年FBB船站加入GMDSS服務(wù)中的原計(jì)劃將可能實(shí)現(xiàn)。

此外Inmarsat公司還宣布，將動(dòng)用12億美元投資建設(shè)Inmarsat第5代星(I-5)。Inmarsat I-5衛(wèi)星采用波音公司成熟的702HP衛(wèi)星平臺(tái)，星上有89個(gè)Ka轉(zhuǎn)發(fā)器，支持Inmarsat公司即將組建的全球快訊(Global Xpress)移動(dòng)業(yè)務(wù)。Global Xpress將是首個(gè)完成全球覆蓋的Ka頻段系統(tǒng)，可提供全球覆蓋、無縫的通信服務(wù)，最大通信速度可達(dá)50 Mbit/s，且用戶終端大小僅有24.2 cm×19.0 cm×1.0 cm。[19]

4.2.2銥星系統(tǒng)

銥星系統(tǒng)可提供語音、數(shù)據(jù)和短消息業(yè)務(wù)。目前，銥星公司正在開發(fā)第2代“銥星”星座(Iridium-NEXT)，該項(xiàng)目已于2015年啟動(dòng)。新一代“銥星”包括66顆在軌衛(wèi)星，6～9顆備份衛(wèi)星，可提供L頻段1.5 Mbit/s和Ka頻段8 Mbit/s的高速服務(wù)。[20]銥星系統(tǒng)單星采用48個(gè)L頻段相控陣陣列天線，覆蓋地球表面直徑達(dá)4 700 km。

截至目前，IMO有關(guān)銥星系統(tǒng)的最新報(bào)告NCSR 5-14-2中提交IMSO針對(duì)銥星系統(tǒng)的第2輪技術(shù)及運(yùn)行評(píng)估工作結(jié)果，結(jié)果顯示銥星已經(jīng)滿足A.1001(25)中規(guī)定的除資費(fèi)以外的全部要求，而銥星公司也發(fā)表聲明將遵守對(duì)于資費(fèi)的相關(guān)規(guī)定。因此，銥星系統(tǒng)同樣具有按照原計(jì)劃于2020年納入GMDSS的可能性，但這一階段的銥星系統(tǒng)只能提供第1代星所能提供的業(yè)務(wù)。

4.2.3舒拉亞系統(tǒng)

文件COMSAR 15-3-4提及將舒拉亞(Thuraya)衛(wèi)星系統(tǒng)列為未來GMDSS的區(qū)域性服務(wù)衛(wèi)星。Thuraya系統(tǒng)具有覆蓋全球2/3的能力，其所能提供的數(shù)據(jù)通信速度較低，并不能完全滿足E-Navigation戰(zhàn)略對(duì)通信的需求。但Thuraya系統(tǒng)的語音通話費(fèi)用較低，按呼叫區(qū)域劃分資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，最低可低于1美元/min。

隨著海上衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的衛(wèi)星通信系統(tǒng)將融入其中，各衛(wèi)星系統(tǒng)均具備各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。不同衛(wèi)星服務(wù)供應(yīng)商之間通過降低通信資費(fèi)、提高通信技術(shù)搶占市場(chǎng)的局勢(shì)也將成為可能。與MSC 97-19-6提案中提到的GPS/GLONASS/BDS聯(lián)合接收設(shè)備相類似，各種組合式衛(wèi)星通信設(shè)備已經(jīng)面世，包括銥星-Inmarsat GX等。操作者可根據(jù)不同需求選擇所需業(yè)務(wù)及系統(tǒng)，并有效降低操作負(fù)擔(dān)。

5 GMDSS現(xiàn)代化

根據(jù)前文所述E-Navigation戰(zhàn)略對(duì)GMDSS現(xiàn)代化的需求，GMDSS現(xiàn)代化發(fā)展可分為以下3個(gè)階段。

5.1 GMDSS初級(jí)現(xiàn)代化

GMDSS初級(jí)現(xiàn)代化階段也是目前IMO正在推進(jìn)的GMDSS現(xiàn)代化。該階段在GMDSS原框架基礎(chǔ)上，盡可能整合現(xiàn)存的、可靠的現(xiàn)代化海事移動(dòng)通信技術(shù)。GMDSS現(xiàn)代化的宗旨是為E-Navigation戰(zhàn)略提供支撐，而當(dāng)前大力發(fā)展的諸多技術(shù)仍不能完全滿足這一需求?？梢?，目前進(jìn)程中的GMDSS現(xiàn)代化發(fā)展方向、目標(biāo)不夠清晰，信息化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)不夠突出。例如前文所提及的銥星系統(tǒng)第1代以及Inmarsat I-4衛(wèi)星，尚未達(dá)到E-Navigation戰(zhàn)略所需的帶寬；同時(shí)，包括VDES和NAVDAT等在內(nèi)的處于研發(fā)階段的新系統(tǒng)，也不能滿足E-Navigation戰(zhàn)略對(duì)信息量的巨大需求。因此，目前正在實(shí)施的GMDSS現(xiàn)代化計(jì)劃還只是一個(gè)初級(jí)階段，是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)海上通信現(xiàn)代化發(fā)展的積淀。

5.2 GMDSS準(zhǔn)現(xiàn)代化

若將GMDSS初級(jí)現(xiàn)代化理解為以吸納新技術(shù)作為主要工作任務(wù)，則可認(rèn)為GMDSS準(zhǔn)現(xiàn)代化是篩選及設(shè)立門檻的過程，應(yīng)以面向未來開展通信需求研究為主要工作任務(wù)，即保留并發(fā)展能夠支撐E-Navigation戰(zhàn)略的先進(jìn)技術(shù)，逐步摒除初級(jí)現(xiàn)代化階段中與海事安全需求不符的技術(shù)。

目前陸上通信技術(shù)日新月異，3G/4G/5G技術(shù)、Iridium-NEXT和Inmarsat I-5等雖然還沒有廣泛運(yùn)用到海事移動(dòng)業(yè)務(wù)中，但是已具備支持E-Navigation戰(zhàn)略的能力。GMDSS是通信技術(shù)發(fā)展在一定歷史階段的產(chǎn)物，強(qiáng)調(diào)高接入率，尤其是遇險(xiǎn)報(bào)警的成功率，而E-Navigation戰(zhàn)略追求的是穩(wěn)定、低資費(fèi)和大帶寬的海事移動(dòng)通信。如果說GMDSS初級(jí)階段以犧牲E-Navigation戰(zhàn)略需求為代價(jià)，準(zhǔn)現(xiàn)代化則應(yīng)該以盡可能滿足戰(zhàn)略需求為前提。例如，為船舶近岸、沿海及遠(yuǎn)洋航行提供不同的通信策略，打破傳統(tǒng)“雙套設(shè)備”的概念，利用多種措施保證遇險(xiǎn)報(bào)警的接入率等。

總之，GMDSS準(zhǔn)現(xiàn)代化就是在將第1階段的落后技術(shù)淘汰的同時(shí)，繼續(xù)吸引更多新的能夠達(dá)到E-Navigation戰(zhàn)略需求的新技術(shù)。

5.3 GMDSS終極現(xiàn)代化

GMDSS終極現(xiàn)代化階段將是與現(xiàn)代化通信技術(shù)完全吻合的階段，充分融合數(shù)字技術(shù)、寬帶技術(shù)、可移動(dòng)終端等現(xiàn)代化通信技術(shù)。達(dá)到準(zhǔn)現(xiàn)代化的目標(biāo)之后并不代表GMDSS停滯不前，通信技術(shù)在發(fā)展，GMDSS也應(yīng)該一直向前跟進(jìn)。GMDSS停滯的30 a已造成自身極大的損失，隨著GMDSS準(zhǔn)現(xiàn)代化的發(fā)展，GMDSS應(yīng)保持對(duì)最先進(jìn)通信技術(shù)的接納狀態(tài),也就是達(dá)到與現(xiàn)代通信技術(shù)相吻合，并可持續(xù)發(fā)展時(shí)才是GMDSS現(xiàn)代化的終極目標(biāo)。

6 結(jié)束語

在E-Navigation戰(zhàn)略的支持下，人類的航?；顒?dòng)將從有限岸基支持下的單船行為轉(zhuǎn)變?yōu)榘痘?、它船海量信息支持的船船協(xié)同行為，GMDSS現(xiàn)代化將是這一變化中最有力的技術(shù)支撐。GMDSS現(xiàn)代化與E-Navigation戰(zhàn)略協(xié)調(diào)發(fā)展是大勢(shì)所向。發(fā)展GMDSS現(xiàn)代化就需要經(jīng)歷3個(gè)階段：初級(jí)階段的現(xiàn)代化是應(yīng)對(duì)當(dāng)今海上局勢(shì)并進(jìn)一步發(fā)展海上通信現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)；準(zhǔn)現(xiàn)代化將為E-Navigation戰(zhàn)略發(fā)展提供真正意義的通信支撐；終級(jí)現(xiàn)代化則是完全融合現(xiàn)代通信技術(shù)的海上通信現(xiàn)代化的終極目標(biāo)。