基于VDE-SAT 的虚拟航标及其报文设计

李维运，刘畅，纪晓妍，李金浩

（1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.大连海事大学，辽宁 大连 116026）

0 引言

根据国际航标协会（IALA）定义，虚拟航标（Virtual Aid to Navigation）不是物理上存在，而是出现在导航系统上特定位置的一个数字信息对象。基于AIS 的虚拟航标是由AIS 基站向周围广播航标的类型、名称、位置等信息，安装有AIS 设备并且在AIS 基站信号覆盖范围之内的船舶都可以接收到航标信息，实现对船舶提供指示、警告的功能，达到有助于船舶安全航行的目的。由于AIS 基站的作用距离有限，限制了AIS 虚拟航标的可设置区域。但是在远洋和极地区域的海上设置实体航标不仅难度大而且难以维护，利用虚拟航标具有设置快，利于维护，定位精准等特点，可以考虑使用虚拟航标。甚高频数据交换系统（VDES）作为AIS 的升级，增加了特殊应用报文（ASM）和甚高频数据交换（VDE）功能，提供了更大的带宽和卫星服务，为岸上基站信号覆盖范围之外的船舶提供数据交换服务，大大扩展了通信范围，甚至能让极地地区的船舶也能使用到VDES 的服务，从而实现全球覆盖。

1 虚拟航标的现状

AIS 虚拟航标已经在大连、天津、青岛等海域[1]以及长江入海口得到大量的应用，自从内河长江干线数字航道系统全面应用以后，AIS 虚拟航标在12.5 m 深水航道以及长江干线的应用也越来越成熟。AIS 虚拟航标包括永久的AIS 虚拟航标和临时的AIS 虚拟航标。永久虚拟航标需要在相关的航海纸图、电子海图（ENC）和其他相关的航海出版物中予以标识[2]，永久虚拟航标主要用于在实际条件难以布设实体航标的情况下，比如深水区及暗礁等；临时虚拟航标主要用于在需要考虑使用时长的情况下，比如发生海难沉船重大事故、代替因施工撤除的实体航标、标记移位或损坏的航标等，一般认为，如果临时虚拟航标超过6 个月，则视为永久使用。AIS 虚拟航标在电子海图上的显示符号应符合IHO（国际水文组织）S-4（Edition 4.8.0-October 2018）[3]指南的规定，电子海图上部分虚拟航标符号如图1 所示。船载设备上虚拟航标的显示符号应符合2019 年修订的IMO SN.1/Cric.243/REV.2[4]指南的规定，船载设备上部分虚拟航标符号如图2 所示。

图1 IHO S-4 规定的部分电子海图上的虚拟符号Fig.1 Virtual symbols on part of electronic chart as specified by IHO S-4

图2 IMO SN.1/Cric.243/REV.2 规定的部分船载设备上的虚拟符号Fig.2 Virtual symbols on shipboard equipment specified in IMO SN.1/Cric.243/REV.2

AIS 虚拟航标依靠AIS 系统，以AIS 基站为工具向周围广播虚拟航标信息[5]，所以虚拟航标信息的播发会受限于基站信号的覆盖范围，基站作用范围内的船舶可以收到虚拟航标信息，不在基站覆盖区域内的船舶无法接收到虚拟航标信息，因此虚拟航标的设置存在使用距离受限的问题。针对这个问题可以考虑使用VDES 技术来进行解决。

2 VDES 技术

VDES（甚高频数据交换系统）是传统海事AIS的升级版本，是海上通信即将应用的新系统。VDES 首先在 2013 年由 IALA 提出，于2015 年确定了该技术的应用，2019 年完善了地面系统的标准并初步制定星载系统标准，2019 年举行的第九届电子导航航行国际会议中也指出了VDES 的重要性，并标明应该加强该技术来保证航行的安全。

VDES 集成了 AIS、ASM 及 VDE 三个部分[6]。AIS 作用不变；ASM 频道上包括特殊应用报文如气象和水文信息；VDE 具有更大的带宽和更高的数据交换能力，可以传输更加丰富内容和复杂格式的消息。VDE 分为地面 VDE-TER 和卫星VDE-SAT 两个系统，VDE-SAT 系统不仅拥有VDE-TER100 kHz 的带宽，还包括独占的上行和下行信道，并且为船舶通信提供独一无二的卫星服务，达到信号全球覆盖、远距离追踪与通信的作用，所以VDES 不仅可以解决AIS 的过负载问题，还可以为岸基基站信号覆盖范围外的水域提供远距离高速可靠的数据传输，为基于VDES 在深海远洋的虚拟航标的设置提供可能。这种远距离虚拟航标的设置，还具有较高的位置准确度，设置更改及取消较为便利，不会受限于天气及海况等影响，也可以标记特定的位置或者极地冰位航道条件经常变化的动态区域，对深海远洋航行船舶具有助航预警作用。

根据IALA 颁布的VDES 技术规范，VDES 的频率划分[7]如图3 所示。VDES 继续使用AIS 帧的概念，VDE-SAT 的帧结构如图4 所示。

图3 VDES 功能及频率分配Fig.3 VDES function and frequency distribution

图4 VDE-SAT 帧结构Fig.4 VDE-SAT general packet format

3 基于VDE-SAT 的虚拟航标报文格式设计

目前，AIS 虚拟航标使用的是ITU-RM.1371-5 中规定的21 号报文，通过岸站进行信息的播发。根据IALA 的G1117 标准书规定，VDE 信道中消息 ID 为 11、14、16、41~56 和 58~73 的消息分给VDE 卫星信道[8]，为船舶通过卫星远距离通信提供保障。下面针对基于VDE-SAT 的虚拟航标进行消息的报文格式设计。在VDES 系统中，将消息11 设计为虚拟航标的播发报文，将等待发射的二进制信息进行6 bit 二进制打包，形成报文信息以便使用文本信息通过卫星实现航标传输。参考AIS 21 号报文来对VDE-SAT 的虚拟航标的报文格式进行设计，设计的信息格式定义见表1。

表1 VDE-SAT 虚拟航标的信息格式设计Table 1 Information format design of VDES virtual navigation aids

由表1 看出，本报文共96 bit，再加上72 bit以支持远距离接收系统缓冲区，共在VDE-SAT信道中占用一个时隙，该报文包括航标的MMSI、助航类型、危险物类型、经纬度、位置准确度等8类虚拟航标信息。MMSI 是航标的唯一无线电标示码，其格式为99MID6X1X2X3，99 是固定值，MID为国家成员识别码，6 是指此航标为虚拟航标，X1X2X3由航标管理部门自行分配。助航类型包括紧急沉船、孤立危险物、方位标、专用标等，虚拟航标的助航类型如表2 所示。以障碍物是否露出水面划分危险物的类型，以障碍的大小体现航标的位置准确度，以上囊括了虚拟航标在远洋深海航行时所需要的船舶的助航信息。

表2 虚拟航标助航类型Table 2 Types of virtual navigation aids

例如在东经 177°51.265′，北纬 26°42.314′的位置有1 艘沉船，船的长度为189.85 m，宽31 m，在此处设置一个虚拟航标，根据表1 的参数信息设置此虚拟航标的二进制形式如表3 所示。

表3 虚拟航标实例的二进制表示Table 3 Binary representation of virtual navigation aids instance

为了使信息更方便的传输，将此二进制串采用6 bit 二进制进行分割，每6 bit 二进制串按照VDM 消息中的压缩码进行编码，形成的报文信息为5WJ2DUHRRm: 4HLhb。经验证，本报文符合VDE-SAT 虚拟航标报文设计要求，具有可行性。

4 结语

虚拟航标是综合了多种技术的新型航标技术，区别于传统的视觉实体航标，是航标体系中不可或缺的一部分。而VDE-SAT 系统不仅拥有较强的数据传输能力，并且实现了信息的远距离传输。本文针对AIS 虚拟航标的设置受限于基站的信号覆盖范围这一现状，提出了基于VDES 系统中VDE-SAT 模块的虚拟航标这一概念，并且对此虚拟航标进行了报文格式的设计，并结合具体实例将其根据报文格式转化为二进制，然后编码形成报文信息来验证此报文设计是否具有可行性，为实现远距离虚拟航标的设置提供了借鉴。