海上甚高频数据交换系统的发展及其国际标准制定

吴 燕

海上甚高频数据交换系统的发展及其国际标准制定

吴 燕

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

随着全球海洋运输业的日益发展，船舶自动识别系统的信息阻塞等问题愈发突出，碰撞预警漏报概率大幅上升，严重影响航行安全，在保留原有系统体系功能的基础上，增加专用报文和甚高频数据交换功能的甚高频数据交换系统应运而生。概述了甚高频数据交换系统产生的背景和系统组成，介绍了系统在国内外的发展现状，阐述了相关国际标准的制定情况并给出对策。

VDES；AIS；ASM；标准制定

0 引言

甚高频数据交换系统（VHF Data Exchange System，VDES）是新一代国际海事通信系统的一个重要组成部分，是国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）认可的E—航海数字通信基础支撑系统。VDES系统在近岸和港口区域可满足大规模、密集船—船、船—岸之间的双向数据交换，在广阔的海洋区域可通过卫星网络实现全球信息播报和数据交换，满足海上航行安全、通信安全以及海洋环境监测等需求，具有广阔的应用发展空间。

1 VDES概念的提出

船舶是交通运输，特别是货物运输的主要载体，在海上航行的过程中经常会出现船舶之间距离过近，不能及时避让而发生碰撞的事件，这不仅会威胁到海上航行人员的安全，而且可能因船舶有时所载的有毒有害货物而对海洋生态环境造成恶劣影响。早期的海上航行船舶采用船用雷达和自动雷达标绘仪，在航行中难以准确获取船舶的详细信息，如若遭遇海上恶劣天气，更易影响船舶的航行安全。在这种情况下，产生了船舶自动识别系统（Automated Identification System，AIS ）。AIS系统是一个通过数字通信协议交换船舶航行数据的通信系统，起步于2003年，按照IMO《国际海上人命安全公约》第V章第19条的规定，300总吨及以上从事国际航线的所有船舶、500总吨及以上从事非国际航线航行的货船和不论吨位的客船，都应安装AIS设备[1]。AIS是确保船舶海上安全航行的必备技术。在频率分配上，国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）将两个海上移动VHF通信频率分配给AIS，如果某个海区设置不同的VHF频率，则要将相应的频率分配给AIS[2]。为交换大量的海上航行信息，AIS系统需要有很大的数据容量。

随着海洋运输的日益频繁，使得全球使用AIS系统的两个VHF频段25 kHz带宽的信道日益拥挤，国际航标协会（International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA）提出当信道超过50%负载时，信息阻塞等问题将造成信号传输滞后，碰撞预警漏报概率大幅上升，严重影响航行安全。据报道，上海港和渤海湾地区平均负荷40%、峰值超过50%，墨西哥湾64%，朝鲜半岛和日本40%[3]。另外，传统的AIS岸基站只能覆盖50 n mile距离，不能满足远海航行的需要[1]。

2013年IALA提出了VDES的概念用以解决AIS系统VHF数据流负载过量的问题。VDES系统包括地面系统和卫星系统，在保留传统AIS体系功能的基础上，增加专用报文（Application Specific Messages，ASM）和甚高频数据交换（VHF Data Exchange，VDE）功能，建立一个天地融合的新一代数据交换系统。ITU于2015年和2019年先后通过了VDES地基系统频率划分和VDES星基系统频率划分。

2 VDES系统的构成

提出VDES概念的初衷是增强海上安全保障，包括提高海上生命安全、航行安全与效率以及海洋环境保护水平。如图1[4]所示，VDES由AIS、ASM、VDE等部分组成，其中VDE由地基网络和星基网络两部分构成。与航行安全关系最为紧密的船舶位置和航行状态信息保留在AIS 信道下，为减轻该信道负担，水文、气象等非安全信息由ASM承载，而其他内容更为丰富，格式更为灵活的信息，则由VDE完成传输。。

图1 VDES系统组成与功能图示

在IALA提出的VDES系统架构中，AIS、ASM和VDE可以独立使用也可以组合后使用。VDES通过高效且有效地利用海上无线电通信在船与船、船与岸之间进行数据交换，以实现增强海上航行安全的目标

2.1 VDES频率分配与调制方式

按照ITU-R M.1371-5建议书[5]和IALA指南G1117[6]，AIS1和AIS2是两个AIS信道，也用作卫星接收AIS消息；采用信道75和信道76的远程AIS是卫星接收AIS消息的指定信道。

按照ITU-R M.2092-1建议书，ASM1（2027）和ASM2（2028）是为ASM指定的两个信道，也用作卫星接收ASM电文；信道1024、1084、1025和1085是地基VDE信道，用于船到岸、岸到船和船到船的甚高频数据交换，在不影响地基VDE使用的情况下也可用于VDE卫星与船舶之间的数据交换；信道2024、2084、2025和2085是地基VDE信道，用于岸到船和船到船的甚高频数据交换，在不影响地基VDE使用的情况下也可用于VDE卫星与船舶之间的数据交换；信道1026、1086、2026和2086是星基VDE信道，用于船舶与VDE卫星之间的数据交换，不作为地基VDE信道使用。VDES的频率分配如表1[6]所示。AIS和ASM的信道带宽均是25 kHz，VDE的信道带宽是100 kHz。

AIS的调制方式是高斯最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK），ASM的调制方式是π/4正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK），VDE的调制方式是π/4 QPSK、8相位键控（Phase Shift Keying，PSK）以及16正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）[4]。

表1 VDES的频率分配

2.2 VDES的硬件配置

VDES提供了通过地面或卫星链路在船舶和岸上用户之间进行数据交换的能力。从实际应用来看，数据交换应该具备自动模式和人工模式两种方式，但应将需人工完成的工作量降到最低。为此，IALA给出的指南G1117对VDES的软硬件配置提出了以下八点最低要求：

1）应配置能够通过地面、卫星链路发射和接收数据的天线；

2）应具有符合IMO 决议MSC.74（69）附录3[7]规定的AIS；

3）应具有可进行多功能数据通信和定时的处理过程，可与AIS、ASM和VDE互操作；

4）应配置能够在指定的AIS、ASM和VDE频率上工作的多功能发射机和多功能接收机；

5）具备可自动输入输出数据的接口；

6）具备可确保数据完好性的方法；

7）具备可根据需要自动或手动更新设备软件的方法；

8）具有内置测试设备的功能。

2.3 VDES-R模式

考虑到GNSS的脆弱性，IALA认为有必要建设VDES-R模式系统，作为海上航运定位、导航和授时（Positioning，Navigation and Timing，PNT）系统的应急备份。VDES-R系统从地面台站发送带有精确时间标记的VHF信号，船载VDES-R模式传感器将测量所收信号的时间及其他相关参数，并输出至船上的PNT设备（例如多系统无线电接收机），PNT设备则使用测量数据来确定位置、对地速度和其他导航参数。VDES-R模式系统应尽可能使用已有的岸边基础设施，包括岸上台站、监控中心以及已有的船载AIS/VDES设备。监控数据可通过已有的广域网在基站与监控站之间传送。VDES-R模式系统应与一个可溯源到公共时间的外部时间源相同步，从而可与其他PNT系统互操作。当海上GNSS服务中断时，VDES R-模式系统可与其他陆基PNT系统（例如eLoran）一同为船上的导航系统提供测距数据，从而将GNSS服务中断对船舶安全导航能力的影响降至最低。VDES-R模式的逻辑架构[8]如图2所示。

图2 VDES-R模式逻辑架构

3 国内外VDES的发展现状

欧美、日本等海事大国都积极开展VDES的研究与建设。2022年10月，包括船东、配套商、贸易公司、投资人和科研机构在内的八家日本企业共同成立“卫星VDES联盟”，其主要活动包括研究使用情况和商业模式、进行地面VDES的通信实验以及开发VDES卫星应用服务[9]。中国交通运输部和中国航天等有关工业部门也正在进行VDES相关系统和设备的研发与部署。

3.1 VDES卫星的发展现状

欧洲启动了EfficienSea 2计划，由丹麦海事局牵头，其中的VDES卫星由欧空局领导开展研发。2017年欧空局资助挪威发射了搭载有新型自动识别系统的两颗微小卫星NorSat-1 和NorSat-2，并开展了测试验证工作。加拿大ExactEarth公司为了布局卫星 VDES 技术，与英国霍尼威尔公司合作研发了3U的立方星 VESTA，并携带有一个双路VDES 载荷用以验证自主研发的星基VDES关键技术。美国卫星运营商Orbcomm公司、瑞典小卫星制造商AAC克莱德太空公司和瑞典航空航天承办商萨博公司三方合作，正在开发VDES演示立方星，预计于2022年～2023年发射，并在此基础上新建一个星座，规模可能达到100余颗[10]。

我国自主可控的VDES卫星系统正在建设中。2019年10月召开的世界无线电通信大会（WRC-19大会）为卫星VDES全球发展和应用专门指配了频率并立即生效[1]。中国交通通信信息中心在大会后上报了“交通星”VDES卫星频率资料，是WRC-19大会规则生效后第一批公布的网络资料，按照所有申报人申报时间排序处于世界第一位，拥有VDES频率轨道资源“世界第一”优先权。中国航天科工行云科技有限公司、北京和德宇航技术有限公司排名第二、第三位。整个星座部署完毕共计60颗星，其中包括50颗工作星和10颗备份星。在2021年10月14日，由中国交通通信信息中心与航天科技集团八院、北京和德宇航技术有限公司合作的3颗交通VDES卫星成功发射，激活了交通星频率，开启了我国VDES星上载荷在轨测试验证工作[1,10]。

3.2 VDES地面台站与设备发展现状

瑞典SAAB公司与瑞典海事局于2014年底完成了VDE原理样机研制，2015年完成了VDE 外场测试。目前其VDES设备R60已经上市，但对中国用户仅开放AIS和ASM功能。日本无线株式会社（Japanese Radio Company，JRC）重点开展了VDES船载原型样机研发，2018年12月完成了点对点试验和广播试验。日本古野电气针对VDES地面系统研发了模拟器，验证了多载波和单载波QAM调制性能曲线。南非Stone Three公司重点开展VDES终端产品研发，于2019年1月联合加拿大在魁北克进行了VDE地面系统的陆地性能实测以及与AIS的兼容性测试。新加坡开展了 VDES船载样机研制与试验，已完成了陆上和水上点对点通信试验。英国CML微系统公司研发了VDES开发工具VDES 1000，采用软件无线电技术，提供高性能和高灵活度的AIS、ASM和VDE开发环境。目前，部分国内厂商采用VDES 1000开发平台开展VDES设备的研发[11]。

国内相关单位正在加紧开展研发工作。中国交通运输部东海航保中心与航天八院等单位合作开展了大量的研究工作。2019年4月，在杭州湾水域开展了VDES地面系统点对点试验。大连遨海科技公司研发了一系列的VDES地面终端设备和管理系统，2020年与中国交通运输部北海航保中心共同完成了稳定距离35 n mile的海上通信试验。北京凯盾环宇有限公司、上海翊臻科技有限公司、北京交通大学等单位都开展了VDES基站测试平台的开发，并在天津港、大连老铁山水域开展了性能测试。2022年初，南海海区首座VDES基站钦州港三墩VDES基站在北部湾海域正式投入使用[12]。

4 VDES国际标准的制定

与VDES国际标准制定有关的国际组织主要有IMO、IALA、ITU和国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）。

4.1 IMO关于VDES的文件

IMO发布的E—航海战略（2008年7月发布，2018年5月进行了更新）中明确指出，通信是E—航海的一个关键因素，VDES是E—航海未来通信系统的支柱之一[13]。目前，IMO海事安全委员会尚未就VDES系统纳入《国际海上人命安全公约》事项做出决议，与VDES系统要求有关的IMO文件也还未发布。

4.2 IALA发布的关于VDES的指南

为便于理解VDES和促进VDES的发展，IALA发布了三项关于VDES的指南：G1117《VDES概览》、G1139《VDES技术规范》以及G1158《VDES-R模式》。

指南G1117《VDES概览》于2016年12月发布了第一版，2017年12月发布了第二版。该指南不含技术细节，对VDES做了总体介绍，主要目的是帮助有关人员理解、开发和推广VDES。指南阐明了VDES系统提供服务的优先级顺序，与航行安全有关的基本服务（AIS）处于最高优先级，非航行安全的信息服务优先级最低。为了促进VDES的推广使用，指南还分析了有可能应用VDES的其他七类海事服务，包括搜救通信、海事安全信息、船舶报告、船舶交通管理、海图与水文信息发布、航路信息交换及物流服务。

指南G1139《VDES技术规范》于2016年12月发布第一版，2018年12月发布了第二版，目前是2019年6月发布的第三版[14]。该指南为VDES的研发人员提供了设备研发所需的技术信息，指南的两次修订反映了VDES实际研发过程中的技术经验。第三版G1139主要阐述了VDES的共性技术要素、ASM的技术特征、地基VDES的技术特征和星基VDES的技术特征，是ITU-R M.2092修订版的输入文件之一。该指南强调，随着VDES的发展，一旦ITU公布了相关标准，VDES的任何部署都应该遵循ITU规则。

指南G1159《VDES-R模式》于2020年12月发布了第一版，2022年7月做了一些编辑性修改后作为1.1版进行了发布。该指南描述了VDES-R模式系统的要求和建设目标，阐述了如何在VDES框架中设置VDES-R模式以及在不同条件和环境下的性能，可作为管理部门部署VDES-R模式系统和研发人员设计VDES-R模式系统和设备的指导性文件。

4.3 ITU发布的VDES标准

2015年，ITU确定了VDES地面系统频率划分，通过并发布了VDES地面系统技术标准ITU-R M.2092-0。随后ITU围绕在VDES中引入星基系统研究频率划分问题，同时对VDES地面系统标准进行反复修订、论证和示范验证，完善了VDES地面系统标准，地面VDES系统进入推广应用阶段。

2019年，ITU确定了VDES星基系统的频率划分，开始研究星基VDE的技术要求。2022年2月ITU完成了对ITU-R M.2092的修订，发布了ITU-R M.2092-1《VHF海上移动频段内的甚高频数据交换系统的技术特性》，规定了包括地基VDE和星基VDE、ASM和AIS在内的完整的VDES系统特性，这标志着VDES即将进入应用推广的加速阶段。

4.4 IEC关于VDES标准的制定情况

IEC/TC80负责组织VDES检测标准的制定。IEC的VDES标准采取模块化的方式逐步进行，最终目标是制定涵盖VDES所有功能（即AIS、ASM、地基VDE和星基VDE）的设备检测标准。IEC首先开展了AIS/ASM台站的标准制定，2021年2月发布了公开规范IEC PAS 63343，根据ITU-R M.2092-0规定了带有ASM功能的VDES系统台站的技术要求、测试方法和要求的测试结果[15]，支持地基VDES进入实际应用。IEC PAS 63343是IEC制定VDES标准的第一步，希望通过这个PAS文件的发布能够吸引更多的技术专家加入到星基标准制定的工作中。

目前IEC/TC80正在为制定涵盖VDES所有功能的检测标准做提案准备工作，即将制定的IEC标准依据的是最新的ITU-R M.2092-1，目前确定的文件适用范围是船载VDES设备、岸基VDES设备、VDES传输链路（包括对VDES卫星的上行链路和下行链路）以及与外部网关和显示设备之间的接口。

5 结语

VDES 是一个全球开放的信息服务系统，不仅可以满足多场景的海上通信需求，并且能够提供安全、高效、高可靠的数据传输，对全球的海运业发展具有重大意义，同时对我国加快建设交通强国和海洋强国也具有十分重要的意义[1]。目前全球VDES标准尚处于制定和不断完善的阶段，各国的系统和设备基本处于研发状态，尚未呈现出完全商业化的态势，我国一方面应坚持关键技术自主研发、核心设备国产化，另一方面应力争使VDES成为我国参与未来全球海上通信系统标准制高点的切入点，积极参与VDES标准的制定，全面布局在IMO、IALA、ITU、IEC等国际组织中VDES相关技术标准和政策的推进工作，各国际组织在国内的对口单位也应主动与相关部门、院所、企业进行沟通与合作，通过VDES国际标准制定争取市场主导权与话语权。

[1] 杨红岩，谢子军. 中国3颗交通VDES卫星首发成功为全球天地一体海上安全通信贡献力量：访中国交通通信信息中心副主任宋溱[N]. 中国交通报，2021-10-15（05）.

[2] 白木，子荫. 认识船舶自动识别系统[J]. 中国水运，2002（06）.

[3] 伍爱群，叶曦. 海上甚高频数据交换系统（VDES）建设与思考[J]. 科技中国，2021（04）.

[4] International Telecommunication Union. Technical characteristics for a VHF data exchange system in the VHF maritime mobile band：ITU-R M.2092-1[S]. 2022，2.

[5] International Telecommunication Union. Technical characteristics for an automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile frequency band： ITU-R M.1371-5[S]. 2014，2.

[6] IALA. VHF DATA EXCHANGE SYSTEM（VDES）OVERVIEW Ed 2：G1117[S]. 2017，12.

[7] International Maritime Organization. Recommendation on performance standards for AIS：IMO Resolution MSC.74 （69），Annex 3[S]. 1998，5.

[8] IALA. VDES R-Mode Ed 1.1：G 1158[S]. 2020，12.

[9] 8家日本公司成立联盟推动海上卫星VDES应用[EB/OL].https://m.10jqka.com.cn/20221028/c642539458.shtml.

[10] 赵玉民，王黎莉. 天地一体VDES发展现状及应用展望[J]. 卫星应用，2022（02）.

[11] 王福斋，胡青. 甚高频数字交换系统发展现状及推进工作建议[J]. 中国海事，2021（02）.

[12] 谢薇. 南海海区首座VDES 基站在北部湾海域正式投入使用[J]. 中国海事，2022（02）.

[13] International Maritime Organization. E-NAVIGATION STRATEGY IMPLEMENTATION PLAN：MSC.1/Circ.1595[S]. 2018，5.

[14] IALA. The Technical Specification of VDES Ed 3：G1139[S]. 2019，6.

[15] International Electro technical Commission. Maritime navigation and radio communication equipment and systems-VHF data exchange system-Requirements and methods of testing for stations including ASM functionality：IEC PAS 63343[S]. 2021，2.

Development of VHF Data Exchange System and Relevant International Standards

WU Yan

With the development of global marine transport, the information blocking problem in the Automatic Identification System is becoming worse. The safety of navigation has been affected seriously by the failed collision warning. The emerging VHF Data Exchange System (VDES) integrates the functionality of ASM and VDE on the basis of the original AIS function. The background and composition of VHF data exchange system are described; the development status of VDES is introduced and the development of relevant international standards is summarized.

VDES; AIS; ASM; Standards Development

TN919

A

1674-7976-(2022)-06-420-06

2022-10-31。

吴燕（1967.04—），山东滕州人，硕士，高级工程师，主要研究方向为导航、通信。