4G通信技術(shù)在艦船導(dǎo)航信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

湯昕怡

(南京信息職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京210023)

0 引 言

世界主要港口及其附近海域一直是船只碰撞安全事故的多發(fā)地，為了提高港口海域航行的安全性，大多數(shù)國家建立了船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic System ，VTS)，用來管控港口的船舶交通，防止事故的發(fā)生。然而，當(dāng)前研究和應(yīng)用的重點(diǎn)在于如何避免大型船舶的碰撞和預(yù)警，對(duì)于小型船舶和漁船的管理，VTS 則顯得力不從心。根據(jù) SOLAS(International Convention for the Safety of Life at Sea)的規(guī)定，要求500 GT 以上船舶安裝自動(dòng)身份識(shí)別(AIS)系統(tǒng)，從而提供船舶自身的身份、位置等信息，對(duì)于小型船舶則沒有該要求［1-6］。因而近年來如何防止小型船舶和大型船舶的碰撞事故，成為當(dāng)前關(guān)注的主要焦點(diǎn)。以我國寧波舟山港口為例，作為世界最繁忙的商用港口之一，同時(shí)也是我國自然條件最好的漁場之一，商船、漁船等多種類型船舶共存，其建設(shè)的VTS 系統(tǒng)由于使用門檻較高，同時(shí)采用集中管控的模式，存在較大的延遲，對(duì)于數(shù)量眾多的小型船舶以及漁船難以提供高效的導(dǎo)航和通信服務(wù);對(duì)于甚高頻通信(VHF)來說，使用成本較高，信息傳遞功能單一，同時(shí)在惡劣氣象條件下，噪聲較多，通信效果較差［2］;隨著3G 技術(shù)的發(fā)展，我國的3G 基站信號(hào)已經(jīng)全面覆蓋了我國的近海海域，從而為船舶之間的通信提供了一種較為廉價(jià)和高效的通信和導(dǎo)航方式，然而需要注意的是，當(dāng)前我國的3G 標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，并且在近海環(huán)境下，傳輸速率并不穩(wěn)定，難以滿足船舶信息傳遞的多維度和導(dǎo)航的實(shí)時(shí)性要求［3］。

隨著4G 技術(shù)的興起，4G LTE 通信技術(shù)以其高速率、高帶寬、低延遲的特點(diǎn)，迅速占領(lǐng)市場并逐漸取代原先的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，近兩年來我國4G 基站數(shù)量大大增加，4G 通信網(wǎng)的使用成本迅速下降，雖然其覆蓋率還未達(dá)到2G 與3G 網(wǎng)的水平，然而4G 通信網(wǎng)因其先天優(yōu)勢，最終會(huì)在我國得到全面普及。4G 通信技術(shù)的諸多優(yōu)勢，使得其一方面能夠克服以往船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)時(shí)延較大、信息量較少的缺點(diǎn)，另一方面能夠有效降低使用成本，從而能夠覆蓋多種船舶種類和用戶群體，解決港口及其附近海域中，船舶的通信、導(dǎo)航及預(yù)警等問題。本文對(duì)如何利用4G 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了應(yīng)用的基本框架和其工作的基本原理，并通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 導(dǎo)航信息系統(tǒng)基本架構(gòu)

與3G 通信技術(shù)不同，4G 通信采用的核心技術(shù)為正交多任務(wù)分頻技術(shù) (OFDM)，可以實(shí)現(xiàn)100 Mbps 的下行速率與20 Mbps 的上行速率，并可以實(shí)現(xiàn)如無線區(qū)域環(huán)路(WLL)、數(shù)字音訊廣播(DAB)等方面的無線通信增值服務(wù)。正是因?yàn)?G 通信技術(shù)具有這樣的優(yōu)勢與特性，使得4G 網(wǎng)絡(luò)不僅僅如3G 網(wǎng)絡(luò)那樣局限于通信領(lǐng)域，而是與衛(wèi)星網(wǎng)、光纖網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)融合在一起，在文教、衛(wèi)生、交通等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文提出的基于4G 通信技術(shù)的導(dǎo)航信息系統(tǒng)，正是發(fā)揮了4G 通信技術(shù)獨(dú)有的優(yōu)勢，不僅能夠結(jié)合GPS 系統(tǒng)，提供基本的位置、速度、航跡等基本服務(wù)，還能夠提供視頻、組播通信、數(shù)字地圖等高級(jí)功能;不僅能夠?qū)崿F(xiàn)“岸艦”的高速、低延遲通信，還能夠?qū)崿F(xiàn)“艦艦”的實(shí)時(shí)通信，較之以往船舶中使用的信息導(dǎo)航系統(tǒng)，大大提高了信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和功能性。其基本架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)航信息系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of navigation information system

系統(tǒng)中包含多種信息，需要與其他模塊協(xié)調(diào)工作從而完成整個(gè)信息交換和導(dǎo)航功能，因而需要開發(fā)相應(yīng)的接口，從而調(diào)用雷達(dá)、GPS 信息等，實(shí)現(xiàn)信息的融合，向船舶提供全維度的導(dǎo)航與通信功能。這類接口分為2 種，一種為軟件接口，如GPS 位置服務(wù)接口等，此類接口大多數(shù)已經(jīng)得到開發(fā)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，對(duì)軟件接口的分析可見文獻(xiàn)［4］;一種為硬件接口，需要根據(jù)硬件的主要類型來決定，目前還處于進(jìn)一步的開發(fā)過程中。

該系統(tǒng)框架相較于傳統(tǒng)的導(dǎo)航信息系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn):

1)通過4G 通信網(wǎng)，能夠?qū)⒃雀鱾€(gè)獨(dú)立的信息采集與交換系統(tǒng)融合起來，實(shí)現(xiàn)多維的信息傳遞與描述;

2)使用4G 通信網(wǎng)，克服之前VTS 中只能夠?qū)崿F(xiàn)集中化管控的劣勢，可以實(shí)現(xiàn)船舶互相之間的協(xié)調(diào)和通信;

3)隨著4G 通信技術(shù)的普及，使用該系統(tǒng)的成本必將持續(xù)下降;

4)當(dāng)前智能手機(jī)等移動(dòng)4G 終端功能強(qiáng)大，技術(shù)成熟，大大降低了本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。

2 導(dǎo)航信息系統(tǒng)參數(shù)的確定

在船舶的導(dǎo)航和預(yù)警過程中，有若干參數(shù)可以用來衡量船舶碰撞的可能性大小和危險(xiǎn)程度。在本文中，主要利用2 個(gè)參數(shù):碰撞可能性參數(shù)和碰撞危險(xiǎn)性系數(shù)。其中碰撞可能性參數(shù)，通過分析船舶的航行方向、速度等，判斷其是否有航跡重疊的可能，是否有碰撞的可能;碰撞危險(xiǎn)性系數(shù)指的是，當(dāng)已經(jīng)判斷有碰撞的可能性之后，在多長的距離以及多短的時(shí)間內(nèi)，采取規(guī)避動(dòng)作安全。通過這2 個(gè)參數(shù)，能夠使得本文提出的系統(tǒng)，對(duì)附近海域的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生碰撞的，并在合適的時(shí)間和距離內(nèi)實(shí)施規(guī)避動(dòng)作，從而有效避免事故的發(fā)生。

2.1 碰撞可能性參數(shù)

設(shè)定當(dāng)前船舶的運(yùn)行方向?yàn)檎较?，令p 為碰撞可能性參數(shù)。當(dāng)p=0 時(shí)，則認(rèn)為不可能碰撞;當(dāng)p=1時(shí)，則認(rèn)為必然發(fā)生碰撞;當(dāng)p 為其他值時(shí)，可能發(fā)生碰撞。

首先引入方向參數(shù)d，用來判斷兩船舶的航跡是否可能重合。當(dāng)d =1 時(shí)，可能會(huì)重合;當(dāng)d =0 時(shí)，不可能重合，則建立如圖2 所示的坐標(biāo)系。

圖2 船舶航行坐標(biāo)系圖Fig.2 Coordinate system diagram of sailing

其中a 為當(dāng)前船舶Ship - A 相對(duì)于對(duì)方船舶Ship-B 的相對(duì)角，b 為Ship -B 的航行角，則可根據(jù)獲得如下結(jié)論:

d = 1，當(dāng)且僅當(dāng)

則令Ship - B 所在坐標(biāo) 為(x，y)，方向向量為b，速度為vb，其速度在2 個(gè)方向上的分量分別為vx和vy，則可得以下函數(shù):

則可得碰撞可能性參數(shù)為:

2.2 碰撞危險(xiǎn)性參數(shù)

根據(jù)以往的研究，在視野良好的情況下，兩船的安全距離為4 n m;在視野糟糕的情況下，兩船的安全距離為6 n m，假設(shè)兩船的速度分別為矢量a 和矢量b，則令a′和b′分別為其速度矢量在相向方向上映射的分量，則其分別為角度a 和b 的函數(shù)。則可計(jì)算最短安全時(shí)間為:

根據(jù)上式和行駛的速度，易得最短安全距離SAD，通過文獻(xiàn)［8 -9］的研究，在此引入衡量參數(shù)k，其中k 越高說明碰撞的幾率越高:

其中ρ 和σ 分別為最短安全距離和時(shí)間的衡量參數(shù)。在不同的情景中，可以對(duì)其采用不同的取值，例如當(dāng)船舶從左舷穿過時(shí)，可取σ =0.5，ρ =5，相關(guān)的研究成果在文獻(xiàn)［9］中得到了驗(yàn)證。

通過以上2 個(gè)參數(shù)，則可以對(duì)船舶的碰撞可能性與危險(xiǎn)性進(jìn)行判斷，從而為船舶的導(dǎo)航和預(yù)警提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)的仿真與實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和仿真過程中，首先采用軟件方法在4G 智能終端上實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的功能，并利用相關(guān)的信息驗(yàn)證了文章提出系統(tǒng)框架的可行性。之后，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景，設(shè)置相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，利用數(shù)值運(yùn)算和分析的方式對(duì)基于4G 的信息導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行效率進(jìn)行測試，最后證明本文提出的方法具有一定的高效性。

首先需要確定系統(tǒng)傳遞信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表1 所示。

表1 系統(tǒng)傳遞信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tab.1 Data structure of the system of information transmission

根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，基于Android 4.3 平臺(tái)開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序，結(jié)合常見的電子地圖應(yīng)用則可以對(duì)本文的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，

通過圖3 可以看出，在電子地圖上，可以清晰地顯示出對(duì)方船舶的位置，并能夠計(jì)算出相應(yīng)的p值和k 值，對(duì)本船進(jìn)行導(dǎo)航和預(yù)警。初步驗(yàn)證了本文提出方法的有效性。

圖3 在GIS 系統(tǒng)中仿真圖Fig.3 Simulation in GIS system

然后，選擇幾種較為常見的通信方式作為比較，考察本文提出方法在不同環(huán)境下工作的效率。

采用CDMA 和VHF 作為模擬對(duì)比對(duì)象，通過在不同的信道衰減條件下，模擬不同的通信環(huán)境，從而檢測本文提出方法的可靠性，測試的結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同信道衰減測試結(jié)果Fig.4 Different channel attenuation test results

從以上數(shù)值模擬結(jié)果可以看到，隨著信道衰減的增加，各種通信方式的可用帶寬都有了明顯的下降，然而4G 通信相較于另外2 種常用的通信方式，在較惡劣的環(huán)境下，仍能夠保持較高的可用帶寬，基本能夠滿足系統(tǒng)工作所需要的帶寬要求。

4 結(jié) 語

本文通過分析當(dāng)前船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的主要問題和需求，結(jié)合當(dāng)前信息通信技術(shù)的發(fā)展，提出了一種基于4G 通信技術(shù)的導(dǎo)航信息系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)，通過軟件仿真和數(shù)值模擬，證明了與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的方案具有一定的優(yōu)勢、可行性和高效性。

然而，目前我國的4G 基站建設(shè)還在如火如荼的進(jìn)行中，雖然增長很快，但還未能覆蓋我國大部分的近海海域，因而本文提出的方法暫時(shí)還不具備立即投入實(shí)用的條件，同時(shí)，對(duì)于其他船舶用信息系統(tǒng)，如VTS、AIS 等，如何將它們?nèi)诤先氡疚牡南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)中，還需要進(jìn)一步研究和開發(fā)相應(yīng)的接口。

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