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

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代信息技術(shù);艦船通信導(dǎo)航領(lǐng)域;應(yīng)用

引言

艦船通信數(shù)據(jù)的信息量較大，內(nèi)部含有多種特征的信息資源，在傳輸提取過程中容易產(chǎn)生丟失或是提取信息不完全的問題。為此，在大數(shù)據(jù)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(shù)初始發(fā)展時期，國外研究人員，利用計算機技術(shù)劃分不同通信數(shù)據(jù)為不同的屬性。采用不同的固定特征參數(shù)描述為不同的信息資源特征，并根據(jù)該種特征對應(yīng)設(shè)計不同的提取方法。國內(nèi)對于艦船技術(shù)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(shù)據(jù)背景下，艦船通信信息資源提取方法非常必要。

1船舶導(dǎo)航與通信系統(tǒng)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS系統(tǒng)，即導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)和測距全球定位系統(tǒng)，誕生于美國，由NASA技術(shù)中心開發(fā)，可以利用高軌道衛(wèi)星傳輸帶來的延遲和頻移，判斷目標物體發(fā)生的距離變化和對應(yīng)的位置信息。（二）地理信息系統(tǒng)（GIS）。GIS系統(tǒng)是一種專業(yè)化的空間信息系統(tǒng)架構(gòu)，由主機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序構(gòu)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(tǒng)主要包括嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、自動化終端等。（三）雷達系統(tǒng)。雷達系統(tǒng)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(tǒng)中最完善的一部分。（四）艦船自動識別系統(tǒng)（AIS）。AIS系統(tǒng)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(shù)據(jù)信息傳輸，整體智能化水平較高。一般來說，數(shù)據(jù)信息傳輸中的類別有靜態(tài)信息、軌跡信息、定位狀況等。

1.2新時期5G無線通信技術(shù)的發(fā)展

移動通信的發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)，包括NFV、SDN、新的多支持網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和4G基準，以解決傳輸效率問題，充分體現(xiàn)開發(fā)和應(yīng)用安全、可靠性、穩(wěn)定性和效率、長期減少能源消耗，可以更好地整合高質(zhì)量的資源，包括網(wǎng)絡(luò)建設(shè)領(lǐng)域的新實施平臺，起到擴大視野和增強網(wǎng)絡(luò)連接的作用。5G無線通信技術(shù)成功地使人們在技術(shù)層面更加接近，而且還通過多個平臺實時轉(zhuǎn)換，測試了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，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(jīng)驗已不再局限于一個領(lǐng)域，也從人的角度轉(zhuǎn)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(chǎn)生了更大的實效性。

2現(xiàn)代信息技術(shù)在船舶通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板

通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板是導(dǎo)航基帶電路的下級執(zhí)行結(jié)構(gòu)，以PCF8591T芯片作為核心搭建設(shè)備。通信轉(zhuǎn)接口作為船舶數(shù)據(jù)輸入端，可將電信號轉(zhuǎn)化為信息連接信號，再借助PCF8591T芯片將數(shù)據(jù)信號反饋至下級系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中[4]。導(dǎo)航轉(zhuǎn)接口作為船舶數(shù)據(jù)輸出端，可將信息連接信號轉(zhuǎn)化為電信號，并借助PCF8591T芯片再次傳輸回導(dǎo)航基帶電路中，實現(xiàn)船舶通信導(dǎo)航信息系統(tǒng)內(nèi)的信息互聯(lián)傳輸。

2.2局域網(wǎng)搭建

局域網(wǎng)系統(tǒng)主要由一個主控點、一臺交換機和各計算機設(shè)備組成。船舶局域網(wǎng)的構(gòu)建以10Base-T網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，與STP技術(shù)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(guān)于分支計算機設(shè)備，必須設(shè)置在室內(nèi)，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定。實際上，為了盡可能提高數(shù)據(jù)傳輸效率，可以選擇多模光纖方式進行連接。在實際構(gòu)建局域網(wǎng)期間，必須與供電線連接。電流通過電纜時，會產(chǎn)生電磁效果，避免數(shù)據(jù)丟失。因此，連接時，為了選擇PVC軟管有效地包復(fù)網(wǎng)線，需要防止網(wǎng)線所在的環(huán)境潮濕、過熱等。

2.3艦船通信網(wǎng)絡(luò)異常入侵檢測

艦船通信網(wǎng)絡(luò)要加強信息安全防護，引入先進的異常入侵檢測技術(shù)，快速識別入侵行為，提出數(shù)據(jù)噪聲，保障通信安全?；诿芏染垲惙治鏊惴?gòu)建的入侵檢測數(shù)學(xué)模型，能夠通過聚類和檢測，準確區(qū)分異常行為和正常行為，便于入侵檢測系統(tǒng)快速做出應(yīng)對措施，從而提高艦船通信網(wǎng)絡(luò)安全水平。入侵檢測是對惡意攻擊系統(tǒng)、竊取機密性信息的行為進行識別確認的一種技術(shù)措施，該技術(shù)措施是通信網(wǎng)絡(luò)重要的安全策略。對于艦船通信網(wǎng)絡(luò)而言，入侵檢測技術(shù)主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)異常檢測領(lǐng)域，根據(jù)艦船通信系統(tǒng)的行為或資源使用狀況對是否發(fā)生入侵行為進行判斷。當前，常用的異常入侵檢測技術(shù)包括基于數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)以及預(yù)測模式的檢測技術(shù)，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(shù)已經(jīng)難以滿足檢測需求，所以在未來一段時期內(nèi)，通信網(wǎng)絡(luò)異常入侵檢測技術(shù)會向著協(xié)同入侵檢測和分布式入侵檢測技術(shù)發(fā)展。其中，協(xié)同入侵檢測是將單一的入侵檢測技術(shù)與防火墻、病毒防護、安全電子交易等技術(shù)進行結(jié)合使用，促使各項技術(shù)協(xié)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的入侵行為，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

2.4匹配網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)

降噪處理后的通信信號存在離群點，因此對這些通信數(shù)據(jù)進行匹配。匹配的第一步，根據(jù)不同源數(shù)據(jù)屬性特征，獲取數(shù)據(jù)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(jù)特性規(guī)則粗略篩選通信數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)集合的規(guī)模。利用一個離群點檢測模型，對粗篩選后的數(shù)據(jù)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(xué)習(xí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，獲取網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)匹配對。在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)人腦對信息處理的方式，根據(jù)一定的規(guī)則進行學(xué)習(xí)，并根據(jù)學(xué)習(xí)的結(jié)果進行推論以獲得某種信號的處理能力。神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，它抽象地表示了生物神經(jīng)元的信息處理過程，并將這個過程用數(shù)學(xué)語言進行描述。神經(jīng)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(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元個數(shù)越多，該網(wǎng)絡(luò)識別、處理信息的能力就越強。當前的神經(jīng)元模型是由線性元件及閾值元件組成，是大多數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)。要實現(xiàn)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對多元信息系統(tǒng)進行融合要：（1）通過待融合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及傳感器信息類型建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);（2）將所有傳感器的輸入信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總輸入進行訓(xùn)練，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與對輸入傳感器信號處理、統(tǒng)計得到與待融合系統(tǒng)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);（3）對傳感器得到的信息進行學(xué)習(xí)及權(quán)值分配，通過以構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信息進行融合，并輸出融合結(jié)果。

2.6通、導(dǎo)、遙衛(wèi)星在行業(yè)監(jiān)管的應(yīng)用

安全監(jiān)管和環(huán)境監(jiān)測。各級管理部門需要及時、全面地掌握單位內(nèi)部建設(shè)項目及周邊環(huán)境的安全狀況并實施相應(yīng)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(guān)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(jiān)測手段，由被動審核轉(zhuǎn)化為主動監(jiān)控機制。利用高時空分辨率的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航海影像數(shù)據(jù)和北斗定位數(shù)據(jù)等，進行融合處理，實現(xiàn)艦船重要目標提取，進行地面形變監(jiān)測、基礎(chǔ)設(shè)施外觀變化監(jiān)測、獲得工程建設(shè)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(wèi)星可見光、紅外、熱紅外、微波和北斗衛(wèi)星定位監(jiān)測等多種探測手段，對大型船廠等大中型艦船單位進行災(zāi)害監(jiān)測、災(zāi)害特征識別和提取，實現(xiàn)風(fēng)險分析評估、應(yīng)急救援決策、災(zāi)后重建決策分析，積極尋求防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑。

2.7慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的加速度傳感器會產(chǎn)生誤差，尤其是在AUV遵循線性路線的情況下，僅使用INS的導(dǎo)航系統(tǒng)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(wù)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(xué)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(tǒng)執(zhí)行長時間任務(wù)，則必須通過確定參考點的相對位置來消除定位誤差?？梢酝ㄟ^上浮到海面通過GPS或北斗接收機來完成，但這在深?？睖y中是無法完成的。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和水下聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展得比較成熟，但是兩者的性能受到成本、范圍以及AUV任務(wù)校正周期的限制。盡管可以使用昂貴的慣性和聲學(xué)系統(tǒng)來減少AUV任務(wù)過程中導(dǎo)航精度的降低，但它們的使用限制了AUV的任務(wù)范圍。而通過使用AUV任務(wù)海域的現(xiàn)有地圖，地球物理導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供較為廉價并更為準確的定位導(dǎo)航方法。但是，現(xiàn)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(dǎo)航精度增強

低軌導(dǎo)航增強服務(wù)中最主要，同時得到最廣泛的類型為低軌導(dǎo)航精度增強，其利用低軌衛(wèi)星空間多樣性為用戶提供快速收斂的高精度服務(wù)。對于定位性能輔助提升的主要機理體現(xiàn)在，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(wù)通常利用載波相位測量來實現(xiàn)，而相位模糊度固定是其中的關(guān)鍵。由于中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道較高，衛(wèi)星運行速度慢，往往需要很多個歷元的觀測數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)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(tài)的空間多樣性產(chǎn)生偏移觀測量。低軌衛(wèi)星軌道低，運動速度快，能夠產(chǎn)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(guān)性減弱，參數(shù)的可估性大大增強，從根本上解決了載波相位模糊度參數(shù)收斂和固定慢的問題，進而實現(xiàn)快速精密定位。

2.9捷聯(lián)慣導(dǎo)仿真分析

捷聯(lián)慣導(dǎo)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(zhuǎn)向角加速度，通過慣導(dǎo)數(shù)學(xué)模型解算得到位置，速度等信息并與真實艦船軌跡對應(yīng)驗證捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性。隨著誤差的積累，慣性導(dǎo)航隨定位相對于真實軌跡越來越大。基于以上現(xiàn)象，慣導(dǎo)誤差會由于時間積累越來越大，不適用于長時間的導(dǎo)航，因此需要一種能夠減少誤差積累的導(dǎo)航方式。

2.10聯(lián)合定軌

傳統(tǒng)GNSS衛(wèi)星精密定軌是利用全球均勻分布的大量地面監(jiān)測站，對導(dǎo)航衛(wèi)星進行偽距和載波相位測量，再結(jié)合精確的軌道動力學(xué)模型和誤差改正模型進行數(shù)據(jù)處理，從而確定GNSS衛(wèi)星的精密軌道。然而，我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站建設(shè)受地緣因素影響較大，難以實現(xiàn)全球均勻布站。搭載星載GNSS接收機的低軌衛(wèi)星可以作為星基監(jiān)測站，結(jié)合星間鏈路傳輸原始觀測量，參與高中低軌衛(wèi)星聯(lián)合定軌，以彌補地面站的不足，極大增強了GNSS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)的圖形強度，使軌道和動力學(xué)模型參數(shù)估計更為準確，從而實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測站條件下的導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌?？梢灶A(yù)見，隨著未來低軌通信網(wǎng)絡(luò)的建成，各類星地鏈路、星間鏈路將會帶來更多的觀測數(shù)據(jù)和更優(yōu)的幾何構(gòu)型，從而進一步提升聯(lián)合定軌的性能。

2.11充分利用現(xiàn)有資源，加強多種導(dǎo)航增強系統(tǒng)聯(lián)合互補與協(xié)調(diào)規(guī)劃。

包括低軌增強、廣域增強、地基增強在內(nèi)的多種手段并非互相排斥、互為取代的關(guān)系，需處理好系統(tǒng)建設(shè)的統(tǒng)籌規(guī)劃和服務(wù)上的功能錯位，避免重復(fù)建設(shè)造成的資源浪費。宜充分發(fā)揮低軌的獨特優(yōu)勢，與其他導(dǎo)航增強手段形成有機互補，以優(yōu)化、高效、協(xié)同的路線解決多系統(tǒng)建設(shè)問題。隨著未來下一代移動通信將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)納入到規(guī)劃路線中，空、天、地、海泛在移動通信網(wǎng)絡(luò)的建立，使低軌導(dǎo)航增強最終有望走進航海行業(yè)，實現(xiàn)大眾應(yīng)用。低軌導(dǎo)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(wèi)星的融合，將為世界衛(wèi)星導(dǎo)航帶來新變化、新發(fā)展，而其中低軌星座因其獨特優(yōu)勢將為世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展注入新的動力源泉。

3高光譜激光雷達系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢

近年來，國內(nèi)外高光譜激光雷達的研究獲得長足發(fā)展，理論與技術(shù)探索已初步成熟，并已經(jīng)展現(xiàn)了其初步的應(yīng)用潛力。然而現(xiàn)有系統(tǒng)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(xiàn)近距離探測應(yīng)用，在一定程度上限制了其實用化發(fā)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(shù)，其探測機理與現(xiàn)有技術(shù)必然存在較大區(qū)別，因此需不斷構(gòu)建和完善基于寬譜段激光發(fā)射與多波段回波探測的高光譜激光雷達成像機理與數(shù)據(jù)處理體系。為更好地發(fā)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(shù)優(yōu)勢，未來可通過推動其在航海業(yè)等領(lǐng)域的示范應(yīng)用，促進測繪遙感行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)變革，并不斷探索其在更多領(lǐng)域的獨特應(yīng)用潛力。

結(jié)束語

新型通信導(dǎo)航信息系統(tǒng)可在現(xiàn)代信息技術(shù)的作用下，聯(lián)合導(dǎo)航基帶電路與通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模板，在計算信息時延量數(shù)值的同時，確定信息數(shù)據(jù)的預(yù)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(shù)據(jù)傳輸誤碼率的降低，能夠促進船體穩(wěn)定性航行狀態(tài)持續(xù)時間的不斷延長，滿足控制船舶通信數(shù)據(jù)錯誤傳輸行為產(chǎn)生幾率的實際應(yīng)用需求。

參考文獻：

[1]張德元.現(xiàn)代信息技術(shù)在船舶通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程，2020（04）：81-82.

[2]韓陽.基于無線通信技術(shù)的艦船導(dǎo)航信息系統(tǒng)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（06）：151-153.

[3]王艷波，金偉.現(xiàn)代信息技術(shù)在船舶通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用探究[J].信息通信，2020（02）：91-92.

[4]王超，嚴婷婷，許鵬鵬.現(xiàn)代信息技術(shù)在船舶通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2019（30）：101-102.

[5]孟士超.現(xiàn)代信息技術(shù)在艦船通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（12）：32-33.

[6]劉濱.現(xiàn)代信息技術(shù)在船舶通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的運用[J].信息通信，2019（02）：73-74.

[7]鮑雷，林厚廣，趙進，趙琳.現(xiàn)代信息技術(shù)在船舶通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2017（01）：162-163.

[8]李海聲.現(xiàn)代信息技術(shù)在艦船通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].信息通信，2015（01）：194.

[9]柴全順.現(xiàn)代信息技術(shù)在船舶通信導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用[A]，2003：3.

[10]李麗娜，任勤生，邵哲平.AIS在船舶自動避碰系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].船舶工程，2002（03）：9-11.

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(xué)士，研究方向：艦船通信。

（遼寧省葫蘆島市龍港區(qū)島里船廠代表室，遼寧 葫蘆島 125004）