研究船舶通信導航技術及其發(fā)展

賈文鵬　張霄　亓昕

摘要：船舶通信導航技術以船舶作為重要的載體平臺，以水上航行空間作為具體應用環(huán)境，全程為船舶所有航行任務提供服務，確保船舶順利達到目的地。因為船舶通信導航技術的運用涉及多種通信導航手段，如航位的推算、無線電信號的發(fā)送和接收，以及地圖匹配和衛(wèi)星定位等，能夠對船舶的動態(tài)和所在位置實施參數化分析。為保證船舶通信導航技術獲得更好運用，詳細分析船舶通信導航技術應用要點及其發(fā)展趨勢，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：船舶通信導航技術? GPS技術 ?雷達系統(tǒng)? 船載自動識別系統(tǒng)

Research on Ship Communication and Navigation Technology and Its Development

JIA Wenpeng ZHANG Xiao QI Xin

（1.CSSC Marine Technology Co.， Ltd.， Beijing，100070 China;2.Military Representative Bureau in Beijing， Equipment Department， Beijing，100070 China）

Abstract： With the ship as an important carrier platform and water navigation space as the specific application environment， ship communication and navigation technology provides services for the all navigation tasks of ships throughout the entire process， and ensures the smooth arrival of ships at their destinations. Because the application of ship communication and navigation technology involves various communication and navigation methods， such as dead reckoning， the transmission and reception of radio signals， map matching and satellite positioning， it can perform the parametric analysis of the dynamics and location of ships. To ensure the better application of ship communication and navigation technology， this article analyzes in detail the application points and development trends of ship communication and navigation technology， in order to provide reference for relevant personnel.

Key Words： Ship communication and navigation technology; GPS technology; Radar system; Shipborne automatic identification system

隨著社會的不斷發(fā)展，科技的不斷進步，對各個領域的全面發(fā)展起到良好帶動作用，在船舶通信領域，通過科學運用船舶通信導航技術，有效運用船舶載體和航空環(huán)境，確保船舶可以順利達到最初航行目標。船舶通信導航技術的良好運用，可以更好地滿足船舶航行實際需求，同時在具體應用期間加強創(chuàng)新，將海圖匹配技術和衛(wèi)星定位技術，包括信號發(fā)送和接受技術等有效融入其中，能夠更為準確地獲得各項數據，保障船舶能夠可靠、安全運行。

1 船舶通信導航技術特點分析

所謂船舶通信導航技術，主要是指能夠為通行的船舶在水上航線行程期間提供線路支持的系統(tǒng)，其核心功能是確保船舶可以安全行駛。因為此項技術具備較強的綜合性，將多種類型的通信技術有效融合，由此可以保證船舶運輸更加安全。導航通信技術適合應用在船舶運輸期間，重點包含內陸與海上運輸等內容，特別是在海上運輸當中占據重要地位，因為海上運輸的路途比較長，運輸時間較長，再加上部分區(qū)域的運輸航線復雜，導致在實際運輸環(huán)節(jié)可能會出現緊急狀況，通過運用船舶通信導航技術，可以明顯提升海上運輸的穩(wěn)定性和安全性。

第一，船舶航行信息的傳輸，僅能夠單純依賴有關無線設備，同時船舶信息傳輸需進行遠距離與大范圍的傳播，船舶信息交換過程當中，也需傳輸國際信息。所以，海上通信導航技術重點依賴的載體為衛(wèi)星與短波來實現信息的快速傳播。

第二，因為船舶通信導航技術的實際運用環(huán)境比較特殊，針對高頻覆蓋、復雜的水運環(huán)境，以及各類通信設備的安裝與使用提出明確要求，要求各項通信導航設備需要保持高度的集成化。

第三，船舶通信導航系統(tǒng)內部的各項設備之間，無須采用其他的設施進行有效連接，不同設備之間相互聯(lián)系、相互獨立，能夠最大程度確保船舶通信導航技術應用效果。

在船舶航線運輸期間，船舶通信導航技術的科學運用，可以為總體運輸過程提供一個更加可靠、安全的運輸環(huán)境。通過科學應用此項技術，能夠避免船舶在后續(xù)行駛過程當中穿越危險區(qū)域，防止船舶駛離正確路線，同時可以對船舶的具體航線路線實施安全性評估。如果預測前方存在危險，可以馬上向船舶接收站發(fā)送信號，并且立即向船舶發(fā)送出警告信號?，F階段，船舶通信導航技術還可以自動化生成相應的航行日志，針對船舶運行期間所產生的各項數據實時總結與分析，為后續(xù)的航行提供準確數據樣本，確保航行路線更加精確，保證航行環(huán)境更加安全。

2 技術應用

2.1 GPS技術

GPS導航系統(tǒng)，也常被稱作全球導航定位系統(tǒng)，此系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是不會出現累積誤差，可以實現24 h全天候。在中遠航線當中，GPS船舶導航系統(tǒng)應用較多，幾乎全部的船舶當中 均匹配GPS導航信息系統(tǒng)。此項系統(tǒng)的重要作用具體體現在以下幾方面。

第一，能夠匹配傳播ARPA，包括羅盤，以及其他類似通信設備，通過采集準確的航行數據，可以確保船舶導航更加自動化。

第二，GPS導航的運用，可以實時提供出船舶航行位置的具體信息，同時可以對船舶運行實現連續(xù)不間斷定位。GPS導航的運用，能夠為船舶的安全行駛提供良好保障，如GPS報警功能與偏離方向報警功能等，均可以保證船舶的可靠、穩(wěn)定運行。

第三，針對全球定位系統(tǒng)用戶來說，能夠在全球任何一個地方，以及任何天氣條件下，快速而準確地接收外界衛(wèi)星信號。GPS導航系統(tǒng)的導航功能較為強大，廣大用戶可以結合具體需求，針對航線與航路點實施科學設計，為后續(xù)的船舶航行提供一個更加安全、經濟的航線路線。

2.2 CAN總線通信接口電路設計

控制器局域網絡總線控制器的運用，能夠保證網絡層次數據鏈路層與物理層更加可靠、穩(wěn)定，進而更好地提升網絡通信質量?？刂破骶钟蚓W絡總線控制器，重點是利用可編程芯片和邏輯線路組合順利完成各項工作內容。當前，控制器局域網絡控制器重點包含控制器兩個、總線驅動器一個和高速光電隔離器等?？刂破骶钟蚓W絡控制器通常是微處理器實施初始化，進而實現各項信息傳輸數據的快速接收和發(fā)送。控制器在實際運行過程當中，受控制器局域網絡節(jié)點干擾較大，使得信息傳遞和接收期間容易發(fā)生遺漏現象。所以，針對通信網絡設計情況能夠得知，控制器并非直接和驅動器之間連接，主要是利用高速光耦作為相應的連接器，將兩者之間進行連接。通過科學運用高速光耦，能夠對控制器局域網絡總線當中的不同節(jié)點，以及各個導航設備保持獨立性。

2.3 地理信息系統(tǒng)

GIS屬于一種特殊空間信息系統(tǒng)，能夠將地球表層一些空間地理數據實現快速的收集、管理與分析，地理信息系統(tǒng)重點包含了嵌入式平臺、Web服務器與數據庫，包括軌道檢測設備等。

2.4 雷達系統(tǒng)

通常來講，船舶雷達系統(tǒng)主要由信號發(fā)射器、雷達天線和信號接收器，包括監(jiān)控系統(tǒng)組成，在船舶運行過程當中，雷達系統(tǒng)應用較多，是一種較為常見的通信與探測設備^[1]。因為雷達設備應用比較成熟，故在船舶通信導航技術當中雷達系統(tǒng)作為重要基礎，占據核心地位。

2.5 船載自動識別系統(tǒng)

在現階段的船舶通信導航技術應用期間，船載自動識別系統(tǒng)的良好運用，可以確保船舶通信導航技術的自動化與智能化水平獲得有效提升。此系統(tǒng)的科學應用，可以實現船舶和船舶之間、船舶和海岸間數據信息的快速交換。一般來講，船載自動識別系統(tǒng)是確保不同船舶間、船舶和海岸間船舶靜態(tài)信息和航跡信息的有效交換，是一種新型的輔助系統(tǒng)。

2.6 船舶自動識別系統(tǒng)技術

在20世紀末期，船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）技術在船舶領域當中應用比較多，為船舶航行過程當中各項業(yè)務的順利開展奠定比較好的基礎。因為各類船舶航行技術應用范圍越來越大，船舶的航行速度不斷提高，對船舶通信導航技術的發(fā)展起到一定促進作用，讓我國的海上交通越來越繁榮。伴隨我國海上交通事業(yè)的快速化發(fā)展，海上交通運輸壓力越來越大，特別是危險品運輸將會面臨更多安全風險。AIS技術的科學運用，對我國傳播通信導航技術的改革與創(chuàng)新起到推動作用，能夠對船舶通信導航系統(tǒng)實施科學的管控，確保系統(tǒng)的運行更加安全、可靠。

2.7 北斗衛(wèi)星

北斗主要運用主動式導航，船舶自身向陸地控制中心，主動發(fā)出具體的定位申請，陸地中心接收到具體的申請信號后，會直接測算出船舶所在位置到兩個衛(wèi)星間的實際距離，然后將具體的測算數據快速發(fā)送給衛(wèi)星，由此船舶就能夠接收到具體信息，一次較為完整的船舶定位順利完成。定位精度能夠達到10 m，與GPS相比，無很大差異。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)也能夠為服務區(qū)范圍之內船舶航行提供高精度、快速、全天候的定位服務。船載北斗導航儀數據和

電子海圖（ECDIS）之間有效連接，并且能夠詳細記錄下航行軌跡，同時快速顯示，及時發(fā)出偏航警報和避碰警報。如果在惡劣天氣環(huán)境下進行航行，遇到冰區(qū)或大霧，運用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)自身的定位功能，能夠取得比較好的效果^[2]。

現階段，通過有效應用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，對于客戶端所提供單向定時服務數量無任何限制，因此，針對船舶終端需求能夠給予最大滿足。此系統(tǒng)具備兩種授時功能，分別是單向和雙向，能夠根據精度需求不同，直接向船舶終端按時發(fā)送具體的授時信息，由此船舶能夠和北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實現時間統(tǒng)一，順利完成誤差的校正工作，精度能夠達到20～100 ns。

此系統(tǒng)能夠實現船舶對船舶，船舶對陸地控制中心通信功能，其具體的請求方式均為船舶的主動化發(fā)送，船舶可利用船載北斗導航儀，將內容全部發(fā)送，然后陸地控制中心實施快速審核，將短信息及時轉發(fā)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的響應速度特別快，通常船舶對船舶模式，僅需1 s的時間就能夠完成響應^[3]。同時，每次通信能夠傳達120個漢字，在應急救生通信之中，具備重要的應用價值。

當前時期，工作人員所采用的數字航標，需利用計算機系統(tǒng)和衛(wèi)星導航技術，在國際層面，最為常見的數字航標主要以GIS系統(tǒng)為基礎，北斗是一種新型衛(wèi)星系統(tǒng)，其技術優(yōu)勢較強，因此，在構建數字航標期間，需合理運用此項技術。通過運用此系統(tǒng)，能夠讓北斗模塊之中的通信功能聯(lián)網到航標傳感器，由此可以建立更加完整的數字航標網絡體系。在具體設計方案當中，要結合不同地區(qū)的具體位置和環(huán)境需求，包括功能需求，獲得數字航標的具體地理位置和有關運行信息，通過合理利用網絡技術，能夠保證海上網絡之間實現互通互聯(lián)。

通過有效運用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠對船舶實時動態(tài)化監(jiān)控，在船舶當中，通過利用此系統(tǒng)，運用ECDIS和AIS進行全面監(jiān)控^[4]。如果船舶在覆蓋區(qū)域內部航行，工作人員可以利用船載AIS發(fā)出具體信息，順利完成監(jiān)控作業(yè)。若船舶距離覆蓋范圍較遠，工作人員仍可運用船載北斗導航儀器所傳送的具體船舶地理位置，對其開展全方位的監(jiān)控。

3 發(fā)展趨勢

3.1 數字化

在我國，伴隨船舶通信導航技術的飛速化發(fā)展，其被廣泛運用于各個領域，此項技術的良好應用，對高精度智能化通信導航系統(tǒng)的建設起到比較好的促進作用，能夠保證微電子和光電子，包括計算機技術之間的良好結合，實現通信和導航，包括網絡與計算機之間的深入性融合。

當前，寬帶與數字化通信網絡已經成為后續(xù)通信發(fā)展的主要內容，因為通信網絡技術的全面化發(fā)展，光纖通信實際傳輸距離不斷增加，傳輸效率越來越高，為實現通信網絡的有效發(fā)展，需要加大光纖和光交換技術的研發(fā)力度，未來，伴隨超導技術與納米技術，以及光路集成技術的快速發(fā)展，船舶通信網絡技術將會朝著數字化方向發(fā)展^[5]。

3.2 精密化

當前時期，具備高精度、小體積、操作便捷、能耗低、重量輕和智能化水平較高的通信導航系統(tǒng)已經成為船舶通信導航技術的未來發(fā)展方向，伴隨其他各項技術的快速發(fā)展，對傳播通信導航系統(tǒng)的精密化發(fā)展起到促進的作用^[6]。例如：美國芯片級的原子鐘，其尺寸為傳統(tǒng)原子鐘1/100，整體面積是15 m²，但是其實際的能耗較傳統(tǒng)原子鐘下降10倍左右，同時精度獲得顯著提升。未來，船舶通信導航技術有關零件將會更加精密化，此種發(fā)展趨勢主要以既有精度作為基礎，有效提升各項零配件的加工生產要求，不僅要有效提升船舶通信導航系統(tǒng)內部各項零部件精密化水平，而且要確保此系統(tǒng)可以安全運行。

3.3 綜合化

因為信息化技術的迅猛進步與發(fā)展，船舶通信導航技術將會朝著數字化與模塊化方向快速發(fā)展，使得船舶通信導航自動化系統(tǒng)內部的各項配置更為靈活，對船舶通信導航體系的健康發(fā)展起到推動作用^[7]。運用計算機技術，針對不同類型的通信導航設備實施有效的控制，并將其有效集成至相同界面當中，可對整個的船舶通信導航系統(tǒng)實施良好控制，避免實際控制期間某個連接位置發(fā)生人為操作失誤現象，同時可以明顯減少重復操作，進一步減少各項事故或者故障的發(fā)生率。積極應用各項信息技術，可以確保船舶通信導航系統(tǒng)的綜合性與自動化性能獲得更好的提升，保證系統(tǒng)后期運行更為穩(wěn)定、安全。

3.4 智能化

為保證電信網和廣播電視網，以及互聯(lián)網之間三者之間的有效融合，船舶通信導航技術的運用，采取多種推進方法，以及不同網絡技術，由此可以促進船舶通信導航技術朝著智能化方向穩(wěn)定發(fā)展。近年來，因為互聯(lián)網技術、大數據技術和云計算技術的全面普及，船舶通信導航技術自身所具備的網絡功能不斷擴展，其未來的應用前景也更加廣闊。

伴隨船舶監(jiān)視網絡的運用，對船舶通信導航技術的飛速發(fā)展起到促進作用，能夠實現通信集成與可移動化目標，并且可以確保各項數據更加安全，讓智能化技術的實際運用更為靈活、經濟，從根本上提升船舶通信導航技術的自動化水平與集成化效果^[8]。

3.5 簡易化和準確化

船舶當中的通信手段主要以衛(wèi)星通信技術和數字選擇性呼叫技術作為基礎，通過運用船舶通信導航技術，能夠對以往的設備通信導航技術具體操作流程實施全面的優(yōu)化，讓船舶通信導航系統(tǒng)的便利性和舒適性得到良好提升。

根據船舶通信導航系統(tǒng)自身的實際運行狀況能夠得知，受外界天氣環(huán)境和長短波無線帶來的干擾，船舶通信功能和導航功能會受到一定影響，若情況嚴重，會導致船舶不能準確、及時發(fā)送出具體的緊急信號，對后續(xù)的緊急救援產生較大影響。所以，船舶通信導航技術的研發(fā)，需要適當加大設備內部各項零部件的研發(fā)力度，重點提升各項零部件的抗干擾性能，確保船舶通信導航技術更加精確。

為推動船舶通信導航技術的全方面發(fā)展，我國需要主動和國際接軌，積極學習國家先進理念，并總結以往工作經驗，針對現有技術進行大力的完善。有關企業(yè)之間還要保持良好的聯(lián)系，針對相關企業(yè)來講，在海洋工程與船舶制造等領域當中，還要適當加大研發(fā)力度，重視設計，積累豐富的產品經驗，并對導航系統(tǒng)和設備實施全面創(chuàng)新，為后續(xù)的集成化管理與智能化發(fā)展提供重要保障^[9]。

技術的良好運用與研發(fā)均需大量人才，所以，為確保船舶通信導航技術能夠可持續(xù)發(fā)展，有關部門還要加強人力資源團隊建設力度，通過采用校企合作的模式，針對人才加強培訓，在提高其理論知識素養(yǎng)的同時，還要豐富其實踐能力，確保船舶通信導航有關工作人員，能夠妥善處理各項突發(fā)事故，保證各項技術獲得良好的運用。

4 結語

綜上所述，本文主要對船舶通信導航技術及其發(fā)展進行合理性的分析，通過推動船舶通信導航技術朝著智能化與精細化方向發(fā)展，可以保證此項技術獲得更好運用，確保此項技術的主導功能獲得良好體現，能為相關人員提供幫助與借鑒。

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