船舶通信導(dǎo)航技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)研究

李亞洲

中海電信有限公司大連分公司 遼寧 大連 116001

引言

全球化背景下，海洋運(yùn)輸承擔(dān)著國(guó)際貿(mào)易的主要貨物流動(dòng)，而船舶通信導(dǎo)航技術(shù)是保障航運(yùn)安全和效率的核心。隨著電子、信息和通信技術(shù)的快速發(fā)展，船舶通信導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)歷了顯著變革，從無(wú)線電到衛(wèi)星通信，從羅盤到GPS。但面對(duì)不斷增長(zhǎng)的海上運(yùn)輸需求，現(xiàn)有技術(shù)已難以滿足航運(yùn)業(yè)對(duì)效率和安全的高標(biāo)準(zhǔn)，因此，探索新技術(shù)以提升通信導(dǎo)航性能成為航運(yùn)業(yè)的關(guān)鍵任務(wù)。

1 船舶通信導(dǎo)航技術(shù)概述

1.1 船舶通信導(dǎo)航技術(shù)概念

通信技術(shù)通過(guò)各種不同通訊方式，對(duì)信息進(jìn)行采集、處理和傳遞，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換和重現(xiàn)。而船舶通信技術(shù)則是為了滿足船舶在海上的任務(wù)和使命，通過(guò)利用船舶作為承載平臺(tái)以及海上環(huán)境的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用各種通信手段建立通信系統(tǒng)[1]。

在海上航行中，船舶需要使用多種通信技術(shù)進(jìn)行信息傳遞，包括國(guó)家網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電子郵件、衛(wèi)星手機(jī)通訊、聲號(hào)及旗號(hào)通信等。這些技術(shù)能夠提供高質(zhì)量的信號(hào)發(fā)射，實(shí)現(xiàn)海量信息的傳遞、存儲(chǔ)和傳輸[2]。同時(shí)，為確保航行的安全、便捷、經(jīng)濟(jì)和高效，船舶還需要依靠多種導(dǎo)航技術(shù)，比如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)、地理導(dǎo)航系統(tǒng)、推位導(dǎo)航系統(tǒng)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等，以便定位準(zhǔn)確，并為航行提供精確的形態(tài)、速度等信息。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用可以提高航行的效率、可靠性和安全性，確保船舶順利、安全地完成航行任務(wù)。因此，海上航行中的通訊和導(dǎo)航技術(shù)對(duì)于保障航行安全、提高航行效率和降低航行成本具有重要作用[3]。

1.2 船舶通信導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)

①海上船舶通信導(dǎo)航技術(shù)基本依賴于衛(wèi)星與短波傳遞信息。船舶的信息傳遞所需范圍較廣距離較遠(yuǎn)，甚至需要進(jìn)行國(guó)際通信，因此無(wú)線設(shè)備是必不可少的。②由于船舶處于特殊的水運(yùn)環(huán)境，其通信導(dǎo)航技術(shù)對(duì)高頻覆蓋、強(qiáng)大的復(fù)雜度和高度集成的要求非常嚴(yán)格。③船舶通信導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行連接無(wú)須其他額外的設(shè)備，各項(xiàng)設(shè)備工作相互獨(dú)立，同時(shí)又能夠互相支持協(xié)作，如此使得船舶通信導(dǎo)航技術(shù)的安全性得以保證。所以，不斷發(fā)展船舶通信導(dǎo)航技術(shù)，對(duì)于保障海上航行的安全和順利進(jìn)行具有重要意義。

1.3 船舶通信導(dǎo)航技術(shù)的重要性

船舶導(dǎo)航技術(shù)是航運(yùn)過(guò)程中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)，它能夠確保整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程的安全和可靠性，幫助船舶確定最佳航線，同時(shí)防止船舶誤入危險(xiǎn)海域或偏離正確航線。在航行過(guò)程中，船舶導(dǎo)航技術(shù)還能評(píng)估途經(jīng)線路的安全情況，一旦發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，便會(huì)立即向接收站發(fā)送緊急信號(hào)并向船舶發(fā)送危險(xiǎn)警告提醒，以確保船只的安全[4]。此外，船舶通信導(dǎo)航技術(shù)還能自動(dòng)生成航行日志，并對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)，為之后航行提供數(shù)據(jù)信息，并確保航行路線的安全精準(zhǔn)性，保證航運(yùn)整個(gè)過(guò)程順利完成，因此船舶導(dǎo)航技術(shù)對(duì)整個(gè)航運(yùn)行業(yè)都是至關(guān)重要的。

2 船舶通信與導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)

船舶通信技術(shù)的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)末期，當(dāng)時(shí)各種通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，比如數(shù)字選擇性呼叫技術(shù)以及衛(wèi)星通信技術(shù)等。為了提高海上航行的安全性和便利性，船舶行業(yè)引進(jìn)了這些完善的通信技術(shù)。國(guó)際社會(huì)越來(lái)越注重海上航行安全，20世紀(jì)70年代，國(guó)際海事組織針對(duì)航海提出了全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS），該系統(tǒng)以船舶通信導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)，可以迅速應(yīng)對(duì)遇險(xiǎn)船舶救援問(wèn)題。一旦船舶發(fā)出報(bào)警信號(hào)，岸基搜救中心會(huì)立即行動(dòng)，協(xié)調(diào)指導(dǎo)進(jìn)行救援行為，確保船員生命財(cái)產(chǎn)安全不受損害。此外，岸基搜救中心還能夠?qū)⒑Ｉ习踩畔鬟f給船舶，以便船舶在海上安全航行。現(xiàn)代船舶通信技術(shù)不斷完善和發(fā)展，基于這些技術(shù)不斷推陳出新，為海上航行帶來(lái)了便利和安全保障。由此，隨著對(duì)航行安全的需求越來(lái)越高，船舶通信與導(dǎo)航技術(shù)得到了快速發(fā)展。以前，海上遇險(xiǎn)報(bào)警與緊急救援的唯一選擇是落后的摩爾斯電報(bào)通信技術(shù)，但現(xiàn)在通過(guò)全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）和安全通信體系的全面建立，船舶航行安全得到了有效保障。船舶導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展也歷經(jīng)不斷改進(jìn)和演進(jìn)。由最初精度較低的天體定位導(dǎo)航技術(shù)，到后來(lái)采用的無(wú)線電定位導(dǎo)航，但在海上使用效果仍不理想。所以目前采用不同導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合的方式，以提高精度和降低成本。同時(shí)，利用電子海圖技術(shù)對(duì)船舶航向、船位、船速、AIS等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，也有效提高了航行安全。國(guó)際海事組織始終在推進(jìn)船舶通信和導(dǎo)航技術(shù)的革新發(fā)展，開(kāi)啟了GMDSS的審核與現(xiàn)代化規(guī)劃，并努力推動(dòng)E-Navigation計(jì)劃，這是今后船舶通信和導(dǎo)航技術(shù)的核心發(fā)展方向。

3 北斗衛(wèi)星在船舶航行技術(shù)中的應(yīng)用分析

3.1 精確定位

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用主動(dòng)式導(dǎo)航，可為船舶提供快速精確的定位服務(wù)。海上船舶向陸地控制中心發(fā)送定位請(qǐng)求后，陸地中心會(huì)通過(guò)精確的測(cè)算確定船舶位置，并將數(shù)據(jù)傳輸給衛(wèi)星進(jìn)行處理。該系統(tǒng)的定位精度可達(dá)10m，與GPS系統(tǒng)相當(dāng)，可為船舶提供高精度的定位服務(wù)以及快速的全天候定位服務(wù)。此外，北斗導(dǎo)航儀與電子海圖系統(tǒng)（ECDIS）相結(jié)合，可以記錄航行軌跡并提醒偏航和避碰警報(bào)，從而提高海上航行的安全性[5]。在如冰區(qū)或大霧的惡劣天氣條件下，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)船舶的定位尤為重要，能夠提供更加精準(zhǔn)的導(dǎo)航信息，有效避免事故的發(fā)生。

3.2 精密授時(shí)

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用我國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心提供的銫原子時(shí)鐘作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，提供單向和雙向授時(shí)功能，且無(wú)定時(shí)服務(wù)數(shù)量無(wú)限制。系統(tǒng)能夠向船舶終端發(fā)送定時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)誤差校正，提供高達(dá)20～100ns的高精度時(shí)間服務(wù)。因此，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)為船舶提供了準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，保障了船舶運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

3.3 借助北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)施通信

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)不僅可以為船舶提供高精度的定位服務(wù)，還具備船舶間及船舶與陸地控制中心間的通信功能。用戶可以通過(guò)船載北斗導(dǎo)航儀發(fā)送請(qǐng)求，主動(dòng)聯(lián)系其他目標(biāo)，響應(yīng)速度快，僅需1s便可完成短信發(fā)送，每次通信傳輸可達(dá)120個(gè)漢字。在應(yīng)急救生通信方面，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.4 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字航標(biāo)的構(gòu)建

數(shù)字航標(biāo)的建設(shè)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、ECDIS、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)以及AIS等多種技術(shù)。在全球范圍內(nèi)，數(shù)字航標(biāo)的建設(shè)以GIS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并逐漸采用新興的衛(wèi)星系統(tǒng)北斗作為主要技術(shù)。在數(shù)字航標(biāo)網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程中，可以運(yùn)用北斗各個(gè)模塊之間的通信功能與航標(biāo)傳感器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)置。設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)綜合各個(gè)領(lǐng)域的地理環(huán)境、位置功能以及實(shí)際需求，來(lái)獲得數(shù)字航標(biāo)的地理位置信息和運(yùn)行信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至所有AIS接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)海上網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)連接。這樣的數(shù)字航標(biāo)網(wǎng)絡(luò)可以有效提升航行的安全性和效率性，為航行提供更加精準(zhǔn)的導(dǎo)航服務(wù)。

3.5 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)利用ECDIS和AIS等技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)航行有效監(jiān)控。當(dāng)船舶在衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋范圍內(nèi)，公司可以使用船載AIS發(fā)送的信息來(lái)監(jiān)控其活動(dòng)。即使船舶脫離覆蓋范圍，也可以通過(guò)船載北斗導(dǎo)航設(shè)備傳輸?shù)拇暗乩砦恢眠M(jìn)行有效監(jiān)控。這種監(jiān)控方式有助于提高航行的安全，使航行更加平穩(wěn)，同時(shí)也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決可能出現(xiàn)的問(wèn)題，保障船舶和人員的安全。

4 船舶通信導(dǎo)航技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 朝向高精度、微型化方向發(fā)展

現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)趨向數(shù)字化、智能化、低功耗和輕型化、小型化、易用性和可靠性，以滿足產(chǎn)品性能的要求。在這些方面，不斷追求卓越，精益求精，以最短時(shí)間高效且可靠地研制出各類基礎(chǔ)科學(xué)研究成果，并開(kāi)發(fā)具有一定水平的創(chuàng)新產(chǎn)品。在船舶通信和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，也在不斷完善和發(fā)展，趨向微型化和高精度方向。例如，美國(guó)軍方研制的芯片級(jí)原子鐘僅有15cm3的大小，縮小到1/100，能源消耗量減少到1/10。這種高精度、微型化的船舶通信和導(dǎo)航技術(shù)具有卓越的性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，易于實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，能夠最大限度地發(fā)揮技術(shù)的功能。

4.2 朝向數(shù)字化、寬帶化方向發(fā)展

首先，通信導(dǎo)航技術(shù)正朝向數(shù)字化、寬帶化方向積極發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步使得手機(jī)從大哥大到5G手機(jī)，體積和重量越來(lái)越小，功能越來(lái)越豐富，適用范圍也更加廣泛。其次，船舶通信導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)光纖、光交換、波分等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速信息傳遞，同時(shí)，隨著納米技術(shù)、量子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物技術(shù)等的發(fā)展和應(yīng)用，船舶通信導(dǎo)航技術(shù)也將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間和更多的應(yīng)用前景。因此，我們可以看到船舶通信導(dǎo)航技術(shù)正處于一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，今后也將引進(jìn)許多全新的技術(shù)，推動(dòng)航運(yùn)行業(yè)持久穩(wěn)定的發(fā)展。

4.3 朝向智能化、綜合化、一體化方向發(fā)展

未來(lái)船舶通信導(dǎo)航技術(shù)將融合不同的手段和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能化和綜合化的發(fā)展目標(biāo)。例如，船舶通信導(dǎo)航技術(shù)可以結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和電信網(wǎng)等，讓使用者可以通過(guò)一條線路實(shí)現(xiàn)多種功能。同時(shí)，新興技術(shù)如智慧地球技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算以及物聯(lián)網(wǎng)等也將進(jìn)一步豐富網(wǎng)絡(luò)功能。隨著信息安全和智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，自組織網(wǎng)絡(luò)和智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完善，為船舶通信一體化、綜合化和智能化的目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)整合航行信息、測(cè)速及測(cè)深數(shù)據(jù)、無(wú)線電和傳統(tǒng)管道等信息，并與船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、組合導(dǎo)航、移動(dòng)通信、船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和船舶操控環(huán)節(jié)等連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一體化建設(shè)目標(biāo)。

5 船舶通信導(dǎo)航技術(shù)動(dòng)態(tài)

5.1 國(guó)際上船舶通信導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化動(dòng)態(tài)

為促進(jìn)GMDSS現(xiàn)代化發(fā)展與E-Navigation戰(zhàn)略的有效落實(shí)，大部分國(guó)家與地區(qū)均在航運(yùn)行業(yè)給予高度支持。其中包括國(guó)際海事組織、國(guó)際電信聯(lián)盟以及國(guó)際燈塔協(xié)會(huì)等。法國(guó)率先提出建立發(fā)展VDES系統(tǒng)的計(jì)劃，并要求其他國(guó)家地區(qū)全身心研發(fā)AIS系統(tǒng)與獨(dú)特運(yùn)用報(bào)文等技術(shù)，同時(shí)制定一系列標(biāo)準(zhǔn)以促進(jìn)目標(biāo)的完成。如今，各個(gè)國(guó)家均已開(kāi)展諸多技術(shù)研究，并獲得了良好的成果。例如，荷蘭的ISIS公司利用研究星載AIS轉(zhuǎn)發(fā)器，研發(fā)出速率高、功耗低的VDES系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備。此外，歐洲航天局還對(duì)VDES系統(tǒng)的具體性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并進(jìn)行了一定的檢驗(yàn)。

5.2 國(guó)內(nèi)船舶通信導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化業(yè)界動(dòng)態(tài)

中國(guó)也在積極推動(dòng)船舶通信導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。在某些研究領(lǐng)域，我國(guó)交通通信信息中心負(fù)責(zé)國(guó)內(nèi)的全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)審核以及現(xiàn)代化方案研究。研究核心是GMDSS的審核與現(xiàn)代化方案目標(biāo)，已取得豐富的研究成果，為中國(guó)通信導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)代化發(fā)展打下了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。此外，許多船舶公司也在電氣系統(tǒng)方面展開(kāi)了一定的研究與設(shè)計(jì)工作，為今后我國(guó)船舶通信導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展提供了充足的技術(shù)支持。在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，許多船舶設(shè)計(jì)公司、軍用艦船以及民用船舶正努力探究通信導(dǎo)航系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)、聚集化管理以及聯(lián)網(wǎng)相通等方式，這些研究為今后我國(guó)船舶通信導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，船舶通信導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)取得了良好的成績(jī)，使得信息的快速、準(zhǔn)確傳遞得以保證。未來(lái)，這一技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展并融合智慧地球、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)，使應(yīng)用功能更加完善，促進(jìn)智能化、一體化迅速發(fā)展。同時(shí)，這一技術(shù)也將加速數(shù)字化、寬帶化進(jìn)程，推動(dòng)高精度的微技術(shù)發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶通信導(dǎo)航的智能化、一體化發(fā)展。總之，未來(lái)的船舶通信導(dǎo)航技術(shù)將更加先進(jìn)、完善，為全球航運(yùn)業(yè)的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型提供更好的技術(shù)支持。