海事通信技术新进展 VDES系统

● 文|中国航天科技集团公司第五研究院总体部 熊雅颖



海事通信技术新进展 VDES系统

● 文|中国航天科技集团公司第五研究院总体部 熊雅颖

可靠的海事通信不但满足了船舶正常航行和运营的需要,更是海上生命安全必不可少的基本保证。它从原始的旗语、灯光信号开始，经过无线电报、无线电话，发展到现在的多频段、多平台通信，逐渐形成了一套天地一体的立体化无线通信网络。在这个发展过程中，船舶自动识别（AIS）系统扮演了举足轻重的角色。自2000年以来，在确保海上交通安全、改善海上交通秩序、确保船舶航行安全方面发挥着不可或缺的作用，目前从事国际航运的各类船舶必须装配AIS设备。

但随着海事通信技术的快速发展，“下一代”的研究和产业化逐步被提上日程，目前被定义为甚高频数据交换系统（VDES）的“下一代”船舶自动识别系统就这样出现了。海事通信技术的发展促进了航海事业的发展，而航海事业的发展也带动了通信技术的进步，因此研究新一代的VDES系统及其发展趋势对保障海上航行安全、实现全球航海信息资源的利用与共享、促进航运事业发展起着至关重要的作用。

一、VDES系统发展背景

VDES是针对AIS加强和升级的系统，于2012年世界无线电通信（WRC-12）大会后提出。VDES的产生和发展都与AIS密切相关。

1．AIS遇到的问题和解决方法

最初设计的AIS系统是为了在20~30海里（27km~56km）的范围内，自动在船舶、海岸电台和导航设备之间交换短消息。而很显然，当船舶处于距离基站20~30海里以外时，船舶的AIS信息将无法被基站获取。因此使用AIS卫星侦测作为实现远距离船舶侦测的手段是AIS系统发展的一个重要趋势。挪威、瑞典等北欧国家和美国于2006年前后率先开展了天基AIS系统的研究和AIS卫星的研制，以美国轨道通信公司为代表的AIS卫星星座于2010年前后组网并开始提供岸基AIS基站无法提供的全球AIS数据服务。至此，一项原本由各国海事部门用于监控船舶安全的系统，变成了一款“互联网+大数据”的全球化的船舶跟踪应用，随之而来的是一片令人惊异的巨大潜在市场。

随着对AIS系统在VHF频段通信需求的增加，AIS系统的可使用频段内已经非常拥挤，在许多繁忙港口已经达到对频段50%以上的占用率，国际航标组织（IALA）提出当AIS数据链路负载超过50%时，将会导致信息阻塞等严重问题的发生，影响航行安全。

全球目前已经有相当一部分地区的海上交通繁忙导致AIS链路负载接近甚至超过上述50%的标准。2012年中国的一项初步的研究表明：在一些交通繁忙的时刻，上海港和渤海湾地区AIS1和AIS2频段的平均占有率已高达30%，某些时刻甚至高达40%。2012年12月18日美国墨西哥北部湾24小时数据显示：AIS链路负载高达64%，导致69%的重要信息丢失。这些事实都表明非常有必要提供额外的频段供AIS系统使用。

为了缓解AIS系统现有频段内的压力以及保证正常功能的实现，IALA和国际海事组织（IMO）在2012年建议将原本交换数据中的应用信息（Application Specific Messages，ASM）移入其他新的频段以缓解原有AIS频段的压力，国际电信联盟（ITU）在WRC-12也认可了这一说法，将增强型海事系统做为下一届大会（WRC-15）的1.16议题进行研究，并提供了4个备选的频段用于ASM研究。由此我们不难看出，频段的压力要求AIS系统进行升级。除了频段的压力，对数据交换需求的提高也是需要升级AIS系统的重要因素。

2．VDES系统的产生

针对上述提到的AIS系统需要解决的问题，ITU、IALA和IMO积极响应，分别从频点、应用和规则层面对现有AIS系统进行“升级”的可行性进行研究，并在2013年由IALA首次提出了VDES的概念。

相比于AIS系统，VDES系统的通信链路更加丰富，且在原来广播信道基础上增加了VDE的通信信道。不仅如此，VDES系统还在设计之初就考虑了地面与卫星两大系统，在系统设计和兼容性分析等多个角度做了大量技术研究工作。从2013年至今，VDES系统设计在IALA和ITU的牵头努力下，各国在这样的框架下进行了长时间的讨论和修改，并最终确定了VDES系统技术特性的最初版本。值得注意的是，在VDES系统中大部分的卫星部分的技术特性讨论和制定，都由欧洲航天局（ESA）牵头完成。

二、VDES卫星的应用

海事通信应用的现实需求促进了AIS、星载AIS以及VDES系统概念提出并实施，并得到世界各国研究机构和行业用户的迅速响应和跟进，之所以受到如此大的关注还因为其广阔的应用前景。

1．VDES主要应用领域

星载AIS服务的供应商exactEarth在2015年的VDES Workshop上提出了该公司对于VDES应用领域的认识和描述，其中主要包括极地通信、全球天气预报、全球甚高频交通设备（VHF Traffic Service）、全球海事遇险和安全系统的现代化等方面。

☆ VDES应用领域之一：全球海事遇险和安全系统

在VDES中，卫星起到的作用与AIS相同，即拓展了岸基服务的范围，使得区域性服务变成了全球性服务，而从星载AIS系统带来的改变来看，其中蕴含的巨大商机和市场前景都是非常可观的。

2．VDES的频率划分

上文提到，要实现从AIS系统到VDES系统的升级，增加可供VDES系统使用的新频段是前提条件。因此研究VHF频段关于海事业务的频率划分是研究VDES系统未来发展的重要组成部分，AIS系统的出现与发展升级都离不开VHF频段用于海事业务的频率划分。有些历史甚至可以追溯到20世纪初，那时海事通信主要使用LF频段，虽然那时在VHF频段的157~162MHz有移动区域、162~170MHz有低功率电台区域的业务划分，但并没有明确是用于海事服务的。ITU颁布的《无线电规则》（RR）中规定了VHF频段的业务划分，从1947年到2012年期间，RR中关于VHF频段业务划分的内容被多次修订以推动海事应用的发展。这些决议逐步确定了AIS系统在VHF频段合法使用的地位，特别是2012年的决议还为以后AIS系统的卫星应用确定了新频点，同时提供了用于测试的新频段。2012年后，ITU和各成员国将目光和精力投入到了对VDES频点的划分中来，经过3年的努力，目前ITU提出了四种针对VDES系统频率划分的方案。

这四种方案分别由IALA、ESA（及欧洲各国）、加拿大和中国提出。这四种方案基本上都是24、84、25、85、26和86信道可供VDE使用，27和28信道供ASM使用，AIS依旧使用原来的频点，只有方案四另外增加了四个信道用于语音功能。四种方案的不同集中在卫星部分可使用的信道，其中方案一中卫星可使用的带宽是最宽的。

ITU根据各频段划分方案，对四个划分方案的各类功能的符合程度进行了比较，期待在WRC-19大会结束后确定最终的频率划分方案。

WRC-15大会之后，ITU规定包括中国在内的全球大部分地区可从2017年1月1日起，在在VHF频段对应的24、84、25、85、26和86信道进行数字调制发射，用于地面VDES。从2019年1 月1日起，信道2027将被标为ASM 1，信道2028将被标为ASM 2，即这两个信道用于ASM。VDES卫星部分在有效使用VHF水上频谱和满足各用户需求的同时，不应干扰AIS、具体针对应用的电文（ASM）和VDES地面部分。VDES卫星部分不应对数字选择呼叫（DSC）、AIS、话音遇险、安全和呼叫信道造成有害干扰。VDES卫星部分可在156.0125—157.4375 MHz和160.6125—162.0375 MHz 的VHF水上频段的相关部分运行用于测试研究。这些都充分说明ITU已经在逐步确定对VDES系统的频率划分，目前地面VDES系统已经在VHF频段可以合法使用。

在WRC-19的议题中，ITU－R将会考虑修改《无线电规则》，其中包括为卫星水上移动业务（地对空和空对地）进行新的频谱划分，包括卫星上行的156.0125—157.4375 MHz和下行的160.6125 —162.0375 MHz，以促成实现新的VDES卫星部分，同时确保该卫星部分不会降低现有VDES地面部分、ASM、AIS的运行质量，且不会对这些以及154 MHz至156 MHz频段的低端相邻频段和162MHz至164 MHz频段的高端相邻频段内现有业务造成有害干扰和限制。

因此，ITU-R的研究组将在WRC-19之前及时研究VDES卫星部分与上述相邻频段内现有业务之间的频率共用和兼容性，以便为卫星水上移动业务（地对空和空对地）的VDES应用划分频谱。同时ITU-R希望各主管部门参与并支持VDES卫星部分的现场试验。由此不难看出，ITU也在通过频率研究和鼓励VDES卫星的现场试验来积极推动VDES卫星系统的发展，同时表示希望在WRC-19上明确VDES卫星部分的频率划分，这都充分说明了VDES系统的发展迅速，并且离实现VDES的全面运行和应用已经越来越近了。

☆　VDES系统未来发展规划

3．VDES未来发展规划

法国在2014年提出了VDES系统未来的发展规划，该规划跨度10年，从2014年至2023年。其中包含了两大层面的运作，规则层和实施层。

在规则层，IMO、IALA和ITU三大组织的各项会议和IMO的电子航海（E-NAV）、全球海上遇险与安全系统（GMDSS）现代化进程将成为整个系统的关键，其中IMO的组织机构中包括海上安全委员会（MSC）和导航、通信和搜救小组委员会（NCSR），MSC是组织的最高技术机构，由所有成员国组成。IALA主要为每年两次的ENAV会议，ITU主要为四年一次的WRC大会和每年两次的5B工作组会议。通过这些会议，能够在规则和标准层面给予VDES系统有力的支撑。

实施层面主要包括AIS和ASM收发信机的原理样机研制、仿真、外场测试、实验星的技术开发与发射验证以及相关标准的制定。

三、实施层面的最新进展

1．卫星系统建设

NORSAT-2是挪威空间中心在研的一颗VDES卫星，这是一颗质量达15kg、尺寸为20cm×30cm×40cm的微小卫星，预计在2016年发射。NORSAT-2可以在挪威的领海区域提供先进的船舶跟踪与数据交换服务。

☆　NORSAT-2示意图

上文已经提到，ESA牵头完成了VDES系统中大部分的卫星部分的技术特性讨论和制定，因此在VDES卫星系统建设中，ESA也一直在积极推动和发展。ESA在2014—2015年期间对VDES卫星系统的相关研究和设备研制进行了3次招标，2014年6月提出了招标金额为20万~50万欧元的VDES卫星系统设计（包括频段选择、传输方案的制定以及计划进度预算等），不久之后的2014年9月提出了招标金额为至少50万欧元的VDES卫星部分下行链路验证。接着ESA在2015年6月提出了设计一款性价比高的VDE卫星部分地面用户终端的招标，招标金额大于50万欧元。不难看出ESA对VDES系统的设计思路就是利用试验星来验证VDES系统的相关性能，而且还在积极发展VDES卫星系统的地面终端，这些都是推动VDES卫星系统建设的重要部分。

ISIS是荷兰的一家致力于小卫星研制及应用的公司，近几年该公司一直在发展星载AIS的无线电通信载荷。目前ISIS设计了一款专门针对VDES系统的星载高效发射装置，6W发射功率,下行链路数据速率40 ksps。由于VDES的链路设计，使得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。

2．地面系统建设

设想未来海事爱好者可以利用一个只接收的设备来获取VDES系统广播的海事安全信息以及船舶相关数据。2015年前后，ESA已经开展了一项相关的研究，看能否利用谷歌（Google）手机中的只用于接收的模块来实现这个应用，研究结果是这样一个手机模块是完全能够帮助海事爱好者实现接收VDES信息这个功能。这个研究结果将积极推动未来VDES系统地面终端的发展，一旦VDES系统开始投入使用，相信这个应用也会很快被推广使用。

目前许多船台厂商已经投入到船载VDES相关设备的研发与生产当中,下面以FURUNO和SAAB这两个船台厂商为例，来说明VDES地面系统在实施层面的最新进展：

1）古野电气株式会社（FURUNO）是一家日本的船台厂商，同时生产海底地形探测声纳、潮流测量系统和其他海洋研究设备，目前FURUNO已经针对VDES地面系统研发了一款模拟器。

2）Saab TransponderTech AB（SAAB）公司是瑞典领先的船舶自动信息系统供应商，SAAB与瑞典海事局开展了VDES相关研究，并将按照发展规划完成VDES相关的原理样机的研制和地面系统测试。早在2014年年底，就已经完成了VDE原理样机的研制，2015年年中，VDE的外场测试就已经完成。从这里可以看出，国外船台厂商都在踊跃地参与和推动VDES系统的建设。

四、我国的VDES系统规划

从上文中，我们可以清晰地看出国外在VDES系统建设中投入了大量的人力和财力，并且由于国际社会的积极推动，VDES系统无论是卫星部分还是地面部分的建设都已进入实施阶段，各国在VDES的发展已是风起云涌，而我们国家目前尚无公开报道或研究文献出现。这在某种程度上反映了我国在该领域应用研究方面处于相对被动的地位。

目前已确定的2019年世界无线电通信大会将就VDES系统卫星部分的频率划分可行性进行研究，并鼓励各国在近3年的研究周期内开展相应系统的实验性研究，特别是VDES卫星部分与相邻频段内现有业务的频率兼容性研究。

鉴于VDES与AIS的最大区别，VDES的卫星下行信道并没有采用扩频等多址方式，原则上VDES全球卫星系统只能有一套。为了有机会参与即将到来的海事数据移动通信新应用领域，我国需要把握这3年的研究时间，在以下四个方面开展工作：VDES卫星星座规划；应用场景与应用模式研究；AIS+ASM以及地面VDE原理样机的研制与测试；开发符合国际标准的船台设备。

无论从建设海事强国的战略目标出发，还是从卫星产业新应用的发展需求出发，我们都需要把握这个海事移动通信系统建设中难得出现的新机遇。

参考文献

[1]REPORT ITU-R M.2084. Satellite detection of automatic identification system messages. 2006.

[2]REPORT ITU-R M.2231-1. Use of Appendix 18 to the Radio Regulations for the maritime mobile service. 2011-2014.

[3]REPORT ITU-R M.2287-0. Automatic identification system VHF data link loading. 2013.

[4]Third Workshop on International Standardization of VDES Tokyo, JAPAN 1-5 December, 2014.

[5]Liaison Note to ITU-R WP 5B. Regarding the justification of the channel plan for VDES under agenda item 1.16. 2015.

[6]International Association of Marine Aids to Navigation. and Lighthouse Authorities. LIAISON NOTE TO ITU-R WORKING PARTY 5B. REGARDING THE PRELIMINARY DRAFT NEW RECOMMENDATION ITU-R M.[VDES]. 2015.

[7]European Space Agency. A PROGRESS REPORT ON TECHNICAL DEVELOPMENTS RELATED TO VHF DATA EXCHANGE SYSTEM (VDES) UNDER AGENDA ITEM 1.16. 2015.