基于卫星的AIS在航海领域中应用

文|王子骏 周晓安 夏金锋 金家龙

中船重工鹏力（南京）大气海洋信息系统有限公司

随着经济快速发展、信息化手段的不断提升，船舶交通管理系统（VTS）需要不断增强系统信息获取以及信息综合处理与应用的手段和能力，以满足用户对安全、高效、便捷VTS的强烈需求。国际海事组织（IMO）、国际航标协会（IALA）、国际电信联盟（ITU）等组织于21世纪初着手于各个数字通信系统的研究，主要目的是实现船舶避碰，降低海上交通事故率，海巡艇可及时地实施救助。随着水运行业业务量的持续增长，用于运输的船舶密度增加，同时增加了定位的难度，从而增加了海上航行安全的风险，海上交通事故频频发生，海洋环境受损程度日益严重，使得现场环境变得不可控制。海上新服务需求的增长，增加了传统船舶自动识别系统（AIS）的负担，表现为数据通信链路堵塞，导致数据出现丢失，延迟接收等现象。海事人员在值班时，接收的AIS信息不及时、不全面，会导致无法正确判断船舶位置。在未来10年中，越来越多的新业务将在海事系统中脱颖而出，例如电子导航业务、海洋环境监测、应急指挥搜救业务等。

AIS是一种应用于船和岸、船和船之间的海事安全与通信的新型助航系统。而卫星通信技术具备多种优势，如覆盖面积广，易于组网，受地理环境以及地面资源限制小，通信链路相对可靠，通信距离远，在很多领域中均得到广泛的应用。基于卫星的甚高频数据交换系统（VHF Data Exchange System，VDES）是加强版AIS，加入了特殊应用报文和宽带甚高频数据交换功能，能够解决AIS系统负载过多、传输丢包及更新速率慢等问题。在VDES中引入卫星后，覆盖水域的范围得到再一次提升，从系统以及设计角度上来看，VDES不仅实现了船到岸、船到船的信息交互传输，而且实现船到天、天到岸等数据传输，确保海上航行安全，减少人员伤亡，推动海事业务的发展。本文提出了E-航海概念下VDES的组成与优势，介绍了国内外AIS卫星的应用情况。

二、E-航海与VDES

1．E-航海

E-航海并不是一种新的技术，而是一个概念，一个框架，可以理解为一个平台，是一个全球范围的海上信息化合作战略，其目的就是为了促进各国在海上信息和数据之间的交换，在统一架构和技术标准的前提下，消除技术障碍和壁垒，最终达到增强海上安全，提高海上保安、环境保护和海上搜救能力。

E-航海主要由三部分组成：船基系统[雷达、VHF、全球海上遇险与安全系统（GMDSS）、GNSS、卫星通信系统等]、岸基系统（VTS系统以及相关服务系统）以及通信系统，系统构成见图1。船基系统在航行过程中应鼓励船员积极参与，减轻船员工作负担。岸基系统供岸基操作人员和船进行信息交互，从而保证船舶航行安全、提高营运效率。通信部分应满足管理部门与船舶之间、网络覆盖船舶间的信息无缝传输。

图1 E-航海系统构成

和

现在国际上，E-航海实现数据交互手段是VDES，集成了AIS系统，正在解决现有AIS问题（AIS系统负载过多、传输丢包及更新速率慢；覆盖范围有限，无法长距离甚至于全球的覆盖范围）的同时，还能够传输水文、气象等与航行状态无关的信息。因此，VDES是实现船、岸、天信息交互的核心。

2．基于卫星的VDES

VDES设计目的是在实现全球范围内海事VHF移动频段上提供更高、更强的数据交换能力，满足船对船和船对岸相互之间的所有数据交换服务的需要。

VDES由三部分组成，在集成了现有AIS功能的基础上，增加了特殊应用报文（ASM）和宽带甚高频数据交换（VDE）功能，VDES为不同内容及格式的信息划分了“专用车道”。

在功能方面：AIS主要用于传输船舶身份、航行状态、位置报告以及一些相关静态信息；ASM主要用于传输除了船舶位置信息、航行状态信息以外的其他非导航类的安全信息，例如 气象、水文数据；VDE是VDES的核心组成部分，是VDES实现高带宽数据通信的基础。

在技术方面：AIS 采用GMSK；ASM采用π/4 QPSK；VDE采用FMT。其具有频谱利用率高、频谱特性好和抗多径性能强等优点，在传输过程中的差错是可控制的，数字信号易加密，保密性强，同时可实现新老系统的兼容。因此实现调制解调技术的VDES具有实际应用价值。

依托100kHz双频信道的作用是：高带宽使得未来船舶可获取的信息将极大丰富。不仅海事、搜救等安全信息可以由此传递，港口作业、货运管理、电子报关等业务信息也有望借此传递。

甚高频数据交换的信道又可以分为两大类：基于陆基的甚高频数据交换（VDE-TER）以及基于天基的甚高频数据交换（VDE-SAT）。

VDE-TER（陆基）的优点主要是VHF天线进行点对点数据传输（船对岸、岸对船、船对船），传输数据时的平均速率约为307.5kbit/s，是AIS传输速度的32倍。

卫星引入至航海领域后，主要体现的作用如下：

1）用于群呼安全网、船管理网，遥测、遥控、数据采集、远洋船舶和渔船监控；

2）支持总部与边远地区人员、无人值守设备和传感器之间的双向短信息通信，在终端内部可以内嵌GPS或者北斗接收机，实时输出船舶的动、静态数据；

3）可用于全球海上遇险告警，当船舶遇险时，可以立刻发出告警信号（船舶种类、等级、位置坐标），通过卫星传输给搜救中心；

4）可以在水上提供4.8kbit/s语音电话业务、2.4kbit/s传真业务、2.4kbit/s数据传输，实现高效数据信息通信系统；

5）可以用于导航海图更新、互联网接入、天气预报、文件传送、船舶遥测、导航助航、远程医疗、在线新闻浏览、提供安全航线信息等扩展应用。

因此，基于卫星的VDES，即VDE-SAT（天基）的优点主要在于船舶或者岸基可以直接与卫星进行信息交互（图2），不仅仅拥有较高的传输速度，而且可以利用卫星的特性使得信号能够覆盖全球（在远洋中的作用将远远超越陆基）。与其他信道相比，卫星信道还具有信噪比低、传输距离长等特点。

图2 VDE-SAT信息交互示意图

三、国外AIS卫星的应用

AISSat-1是挪威为了用于跟踪船舶而发射的第一颗海事卫星，目前处于在轨运行状态，主要的目的是为海事管理机构提供船舶数据并协同指挥中心综合管控航行的船舶，缺点是覆盖范围较小，因此挪威于2014年与2016年相继发射了AISSat-2与AISSat-3卫星，相比AISSat-1卫星，技术上并无明显突破，主要是为了增加覆盖范围，增加数据量的接入。

挪威Kongsberg Seatex公司研制的新型自动识别系统（NAIS）舰船跟踪能力显著提高。在SATAIS计划资助下，NAIS接收机搭载于两颗挪威微小卫星NorSat-1和NorSat-2已经发射升空，目前为止跟踪的舰船数量比起之前增长了70%，接收到的舰船位置的数量增长了3倍。NorSat-1和NorSat-2微小卫星上搭载了这种新型接收机，这两颗卫星属于挪威航天中心，由挪威Statsat卫星公司负责运营，运行在600km的低地球轨道上，利用卫星来进行舰船跟踪，覆盖范围得到大幅增加。NorSat-1和NorSat-2接收的音讯数目每天超过250万条，而之前研发的AISSat-1和AISSat-2接收的音讯数目每天约为90万条。卫星监测挪威海上舰船目标，把握北极的航运情况，同时也在搜索救援行动以及其他海事活动中提供更好更全面的海疆全景。

美国的ORBCOMM公司是全球卫星AIS系统运营商，提供AIS全球卫星定位服务，该公司目前运营20颗卫星。公司2017年推出了第二代B类AIS设备解决方案，保证了完整的船舶可视能力，综合了陆地和卫星自动识别系统的数据能力，以及双向卫星M2M技术，可提供可靠安全的位置信息与航速航向信息。该解决方案还包含防篡改的AIS-B类硬件，主要用于小型船舶，例如渔船，小型客船等。该设备不仅可以向岸边传输安全可靠数据，还可以高效率地向太空卫星AIS接收器传输数据。此外还提供了SOS功能，当海上装有此装备的船舶遇险时，可以实时地向卫星以及岸边海事搜救机构发送位置信息，便于海上搜救的展开。

荷兰的ISIS公司设计了一款专门针对VDES的星载高效发射装置，6W发射功率，下行链路数据速率40kbit/s。由于VDES的链路设计，必须要保证星上较高的有效等向辐射功率（EIRP）才能与地面确保正常通信，因此ISIS的这款发射机也将在VDES卫星系统发挥积极的作用。

德国OHB System AG公司成功发射的Rubin-8卫星，搭载了2个AIS接收器，在工作的第一个月中就有超过250万海上船舶AIS消息被接收。

四、国内AIS卫星的应用

目前中国国内已有35个VTS中心，PRIDe VTS 1000系统是中国国内最为成熟和稳定的国产VTS系统，覆盖了大部分中国沿海省市，系统运行稳定，为过往船舶提供优质的助航服务，助推E-航海的全球发展。

国内搭载AIS的卫星起步较晚，2012年发射第一颗海事卫星天拓一号，其主要任务是进行船舶自动识别系统接收、光学试验等，验证了AIS星载系统。我国第一张全球海图的数据就是由该卫星绘制而成。2015年，天拓三号卫星发射，为6颗卫星组成的集群卫星，主要开展星载船舶自动识别系统信号接收、星载航空目标信号广播式自动相关监视系统信号接收等科学实验与新型技术的验证。

凯盾一号是南京理工大学与北京凯盾环宇科技有限公司联合研制的国内首颗商业海事立方星，也是南京理工大学首次承接的商业卫星业务。凯顿一号立方星搭载AIS通信载荷，是凯盾新一代海事卫星系统的首颗试验验证星，该星能接收全球水域的AIS信号，建立船、星、岸之间的双向高速链路，并实现实时数据交换。

五、结语

目前，美国、挪威、加拿大、日本、韩国都已部署了VDES试验台，卫星被广泛地运用于航海领域中并逐渐成为船、岸、星之间联系的中继台。我国要把握机遇，发挥海事卫星的优势，推动国内VTS的前进步伐，加强我国海域通行安全，降低海上事故率，从而带动水上经济链的发展，增强我们的综合国力，使得我国在国际航海中占有一席之地。