基于VDE-SAT 的虛擬航標(biāo)及其報(bào)文設(shè)計(jì)

李維運(yùn)，劉暢，紀(jì)曉妍，李金浩

（1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120；2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026）

0 引言

根據(jù)國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）定義，虛擬航標(biāo)（Virtual Aid to Navigation）不是物理上存在，而是出現(xiàn)在導(dǎo)航系統(tǒng)上特定位置的一個(gè)數(shù)字信息對(duì)象?；贏IS 的虛擬航標(biāo)是由AIS 基站向周圍廣播航標(biāo)的類型、名稱、位置等信息，安裝有AIS 設(shè)備并且在AIS 基站信號(hào)覆蓋范圍之內(nèi)的船舶都可以接收到航標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶提供指示、警告的功能，達(dá)到有助于船舶安全航行的目的。由于AIS 基站的作用距離有限，限制了AIS 虛擬航標(biāo)的可設(shè)置區(qū)域。但是在遠(yuǎn)洋和極地區(qū)域的海上設(shè)置實(shí)體航標(biāo)不僅難度大而且難以維護(hù)，利用虛擬航標(biāo)具有設(shè)置快，利于維護(hù)，定位精準(zhǔn)等特點(diǎn)，可以考慮使用虛擬航標(biāo)。甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VDES）作為AIS 的升級(jí)，增加了特殊應(yīng)用報(bào)文（ASM）和甚高頻數(shù)據(jù)交換（VDE）功能，提供了更大的帶寬和衛(wèi)星服務(wù)，為岸上基站信號(hào)覆蓋范圍之外的船舶提供數(shù)據(jù)交換服務(wù)，大大擴(kuò)展了通信范圍，甚至能讓極地地區(qū)的船舶也能使用到VDES 的服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

1 虛擬航標(biāo)的現(xiàn)狀

AIS 虛擬航標(biāo)已經(jīng)在大連、天津、青島等海域[1]以及長(zhǎng)江入海口得到大量的應(yīng)用，自從內(nèi)河長(zhǎng)江干線數(shù)字航道系統(tǒng)全面應(yīng)用以后，AIS 虛擬航標(biāo)在12.5 m 深水航道以及長(zhǎng)江干線的應(yīng)用也越來越成熟。AIS 虛擬航標(biāo)包括永久的AIS 虛擬航標(biāo)和臨時(shí)的AIS 虛擬航標(biāo)。永久虛擬航標(biāo)需要在相關(guān)的航海紙圖、電子海圖（ENC）和其他相關(guān)的航海出版物中予以標(biāo)識(shí)[2]，永久虛擬航標(biāo)主要用于在實(shí)際條件難以布設(shè)實(shí)體航標(biāo)的情況下，比如深水區(qū)及暗礁等；臨時(shí)虛擬航標(biāo)主要用于在需要考慮使用時(shí)長(zhǎng)的情況下，比如發(fā)生海難沉船重大事故、代替因施工撤除的實(shí)體航標(biāo)、標(biāo)記移位或損壞的航標(biāo)等，一般認(rèn)為，如果臨時(shí)虛擬航標(biāo)超過6 個(gè)月，則視為永久使用。AIS 虛擬航標(biāo)在電子海圖上的顯示符號(hào)應(yīng)符合IHO（國(guó)際水文組織）S-4（Edition 4.8.0-October 2018）[3]指南的規(guī)定，電子海圖上部分虛擬航標(biāo)符號(hào)如圖1 所示。船載設(shè)備上虛擬航標(biāo)的顯示符號(hào)應(yīng)符合2019 年修訂的IMO SN.1/Cric.243/REV.2[4]指南的規(guī)定，船載設(shè)備上部分虛擬航標(biāo)符號(hào)如圖2 所示。

圖1 IHO S-4 規(guī)定的部分電子海圖上的虛擬符號(hào)Fig.1 Virtual symbols on part of electronic chart as specified by IHO S-4

圖2 IMO SN.1/Cric.243/REV.2 規(guī)定的部分船載設(shè)備上的虛擬符號(hào)Fig.2 Virtual symbols on shipboard equipment specified in IMO SN.1/Cric.243/REV.2

AIS 虛擬航標(biāo)依靠AIS 系統(tǒng)，以AIS 基站為工具向周圍廣播虛擬航標(biāo)信息[5]，所以虛擬航標(biāo)信息的播發(fā)會(huì)受限于基站信號(hào)的覆蓋范圍，基站作用范圍內(nèi)的船舶可以收到虛擬航標(biāo)信息，不在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的船舶無法接收到虛擬航標(biāo)信息，因此虛擬航標(biāo)的設(shè)置存在使用距離受限的問題。針對(duì)這個(gè)問題可以考慮使用VDES 技術(shù)來進(jìn)行解決。

2 VDES 技術(shù)

VDES（甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)）是傳統(tǒng)海事AIS的升級(jí)版本，是海上通信即將應(yīng)用的新系統(tǒng)。VDES 首先在 2013 年由 IALA 提出，于2015 年確定了該技術(shù)的應(yīng)用，2019 年完善了地面系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)并初步制定星載系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，2019 年舉行的第九屆電子導(dǎo)航航行國(guó)際會(huì)議中也指出了VDES 的重要性，并標(biāo)明應(yīng)該加強(qiáng)該技術(shù)來保證航行的安全。

VDES 集成了 AIS、ASM 及 VDE 三個(gè)部分[6]。AIS 作用不變；ASM 頻道上包括特殊應(yīng)用報(bào)文如氣象和水文信息；VDE 具有更大的帶寬和更高的數(shù)據(jù)交換能力，可以傳輸更加豐富內(nèi)容和復(fù)雜格式的消息。VDE 分為地面 VDE-TER 和衛(wèi)星VDE-SAT 兩個(gè)系統(tǒng)，VDE-SAT 系統(tǒng)不僅擁有VDE-TER100 kHz 的帶寬，還包括獨(dú)占的上行和下行信道，并且為船舶通信提供獨(dú)一無二的衛(wèi)星服務(wù)，達(dá)到信號(hào)全球覆蓋、遠(yuǎn)距離追蹤與通信的作用，所以VDES 不僅可以解決AIS 的過負(fù)載問題，還可以為岸基基站信號(hào)覆蓋范圍外的水域提供遠(yuǎn)距離高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，為基于VDES 在深海遠(yuǎn)洋的虛擬航標(biāo)的設(shè)置提供可能。這種遠(yuǎn)距離虛擬航標(biāo)的設(shè)置，還具有較高的位置準(zhǔn)確度，設(shè)置更改及取消較為便利，不會(huì)受限于天氣及海況等影響，也可以標(biāo)記特定的位置或者極地冰位航道條件經(jīng)常變化的動(dòng)態(tài)區(qū)域，對(duì)深海遠(yuǎn)洋航行船舶具有助航預(yù)警作用。

根據(jù)IALA 頒布的VDES 技術(shù)規(guī)范，VDES 的頻率劃分[7]如圖3 所示。VDES 繼續(xù)使用AIS 幀的概念，VDE-SAT 的幀結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 VDES 功能及頻率分配Fig.3 VDES function and frequency distribution

圖4 VDE-SAT 幀結(jié)構(gòu)Fig.4 VDE-SAT general packet format

3 基于VDE-SAT 的虛擬航標(biāo)報(bào)文格式設(shè)計(jì)

目前，AIS 虛擬航標(biāo)使用的是ITU-RM.1371-5 中規(guī)定的21 號(hào)報(bào)文，通過岸站進(jìn)行信息的播發(fā)。根據(jù)IALA 的G1117 標(biāo)準(zhǔn)書規(guī)定，VDE 信道中消息 ID 為 11、14、16、41~56 和 58~73 的消息分給VDE 衛(wèi)星信道[8]，為船舶通過衛(wèi)星遠(yuǎn)距離通信提供保障。下面針對(duì)基于VDE-SAT 的虛擬航標(biāo)進(jìn)行消息的報(bào)文格式設(shè)計(jì)。在VDES 系統(tǒng)中，將消息11 設(shè)計(jì)為虛擬航標(biāo)的播發(fā)報(bào)文，將等待發(fā)射的二進(jìn)制信息進(jìn)行6 bit 二進(jìn)制打包，形成報(bào)文信息以便使用文本信息通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)航標(biāo)傳輸。參考AIS 21 號(hào)報(bào)文來對(duì)VDE-SAT 的虛擬航標(biāo)的報(bào)文格式進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的信息格式定義見表1。

表1 VDE-SAT 虛擬航標(biāo)的信息格式設(shè)計(jì)Table 1 Information format design of VDES virtual navigation aids

由表1 看出，本報(bào)文共96 bit，再加上72 bit以支持遠(yuǎn)距離接收系統(tǒng)緩沖區(qū)，共在VDE-SAT信道中占用一個(gè)時(shí)隙，該報(bào)文包括航標(biāo)的MMSI、助航類型、危險(xiǎn)物類型、經(jīng)緯度、位置準(zhǔn)確度等8類虛擬航標(biāo)信息。MMSI 是航標(biāo)的唯一無線電標(biāo)示碼，其格式為99MID6X1X2X3，99 是固定值，MID為國(guó)家成員識(shí)別碼，6 是指此航標(biāo)為虛擬航標(biāo)，X1X2X3由航標(biāo)管理部門自行分配。助航類型包括緊急沉船、孤立危險(xiǎn)物、方位標(biāo)、專用標(biāo)等，虛擬航標(biāo)的助航類型如表2 所示。以障礙物是否露出水面劃分危險(xiǎn)物的類型，以障礙的大小體現(xiàn)航標(biāo)的位置準(zhǔn)確度，以上囊括了虛擬航標(biāo)在遠(yuǎn)洋深海航行時(shí)所需要的船舶的助航信息。

表2 虛擬航標(biāo)助航類型Table 2 Types of virtual navigation aids

例如在東經(jīng) 177°51.265′，北緯 26°42.314′的位置有1 艘沉船，船的長(zhǎng)度為189.85 m，寬31 m，在此處設(shè)置一個(gè)虛擬航標(biāo)，根據(jù)表1 的參數(shù)信息設(shè)置此虛擬航標(biāo)的二進(jìn)制形式如表3 所示。

表3 虛擬航標(biāo)實(shí)例的二進(jìn)制表示Table 3 Binary representation of virtual navigation aids instance

為了使信息更方便的傳輸，將此二進(jìn)制串采用6 bit 二進(jìn)制進(jìn)行分割，每6 bit 二進(jìn)制串按照VDM 消息中的壓縮碼進(jìn)行編碼，形成的報(bào)文信息為5WJ2DUHRRm: 4HLhb。經(jīng)驗(yàn)證，本報(bào)文符合VDE-SAT 虛擬航標(biāo)報(bào)文設(shè)計(jì)要求，具有可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬航標(biāo)是綜合了多種技術(shù)的新型航標(biāo)技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的視覺實(shí)體航標(biāo)，是航標(biāo)體系中不可或缺的一部分。而VDE-SAT 系統(tǒng)不僅擁有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，并且實(shí)現(xiàn)了信息的遠(yuǎn)距離傳輸。本文針對(duì)AIS 虛擬航標(biāo)的設(shè)置受限于基站的信號(hào)覆蓋范圍這一現(xiàn)狀，提出了基于VDES 系統(tǒng)中VDE-SAT 模塊的虛擬航標(biāo)這一概念，并且對(duì)此虛擬航標(biāo)進(jìn)行了報(bào)文格式的設(shè)計(jì)，并結(jié)合具體實(shí)例將其根據(jù)報(bào)文格式轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，然后編碼形成報(bào)文信息來驗(yàn)證此報(bào)文設(shè)計(jì)是否具有可行性，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離虛擬航標(biāo)的設(shè)置提供了借鑒。