高频NAVDAT系统测试及未来应用

汤可成

摘  要：NAVDAT是基于OFDM/OAM体制的新型岸基海上数字广播系统，可在中高频播发海上安全信息和其他服务信息，实现岸对船的数字文件播发，如文本、图像、图表及数据等。文章介绍了中法联合开展高频NAVDAT海上测试的情况，提供了试验系统的构建方案，对实际环境下高频NAVDAT测试结果进行分析，结果表明，试验系统的地波信号传输性能基本达到了设计要求，与仿真结果比较接近，采用的帧结构和文件纠错重构方法有效。

关键词：高频;NAVDAT;试验系统;测试

中图分类号：U664.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）09-0061-03

High Frequency NAVDAT System Testing and Future Applications

TANG Kecheng

（Donghai Navigation Safety Administration （DNSA） MOT，Shanghai  200086，China）

Abstract：NAVDAT is a new shore-based offshore digital broadcasting system based on OFDM/OAM system. It can transmit maritime safety information and other service information in medium and high frequency，and realize the digital file transmission from shore to ship，such as text，image，chart and data. This paper introduced the method of joint to carry out the high frequency NAVDAT sea trials，provided the construction scheme of experimental system，the actual conditions of HF NAVDAT test results were analyzed，and the results show that the test system of ground wave signal transmission performance meet the design requirements，basic compared with the simulation results，the frame structure and file error correction reconstruction method is effective.

Keywords：high frequency;NAVDAT;test system;test

0  引  言

海上数字广播系统（NAVDAT）是一种在500 kHz以及高频（HF）频段上，基于正交频分多路复用（OFDM）技术进行数字广播的系统，可实现岸对船的数字文件播发，如文本、图像、图表及数据等。可借此将图像信息提供给航海者，以使航海者更方便地运用相关航信信息，并可进一步将数字信息整合入船上信息化系统，提高航海保障部门为船舶提供信息服务的能力。

从2014年开始，交通运输部东海航海保障中心（下简称东保中心）和上海埃威航空电子有限公司在上海海岸电台开展了中频（MF）频段NAVDAT系统测试，测试结果已经提交国际海事组织（IMO）和国际电信联盟（ITU），并形成了对ITU-R M.2010建议书[1]的修订和行业标准JT/T 1255—2019 海上數字广播系统技术要求[2]。

2017年，东保中心开展了对水上高频NAVDAT整体框架和关键技术的研究，对高频数字式数据传输标准进行了研究，突破了高频软件定义无线电、数字调制解调、通信协议、射频技术等一系列关键技术。为进一步完善高频NAVDAT有关技术参数，验证高频NAVDAT的性能，在中国中频试验的基础上，东保中心组织了中法合作高频NAVDAT通信试验，法国利用中方提供的NAVDAT核心设备，开展了一系列静态测试和海上航行试验。基于上述试验，中法联合向IMO航行/通信和搜救分委会（NCSR）第七次会议提交了两份提案。本文对高频NAVDAT试验系统及测试结果进行了介绍，并提出了未来高频NAVDAT的应用方向。

1  高频NAVDAT关键技术

1.1  信道技术特征

高频通信是A2、A3、A4海区重要的遇险呼救和日常通信手段。高频通信主要通过天波进行传输，即通过电离层的反射后，把发射信号送到远距离的接收设备，是远程通信的重要手段之一。由于电离层又具有不可破坏特性，高频通信是一种基础通信手段。

2019年，在世界无线电通信大会（WRC-19）上，为高频NAVDAT分配了工作频段：4 221.0～4 231.0 kHz、6 332.5～6 342.5 kHz、8 438.0～8 448.0 kHz、12 658.5～12 668.5 kHz、16 904.5～16 914.5 kHz，22 445.5～22 455.5 kHz频段也可用于NAVDAT系统，条件是NAVDAT系统发射台限定用于按照最新版ITU-R M.2058建议书工作的海岸电台。试验在4 221.0～4 231.0 kHz频段进行，发射的中心频率为4 226.0 kHz。

上述频率具备海上高频通信的重要信道特性：高频信号主要依靠天波传播，也可以依靠地波传播。天波传播是指电波经高空电离层反射而达到地面接收点的一种传播方式，由于电离层是分层、不均匀、时变的媒介，所以天波信道属于随机变参信道。地波沿地球表面传播，其传输的特点是信号比较稳定，基本上不受天气的影响，信道参数基本不随时间变化，可视为恒参信道。但随着电波频率的增高，传输损耗会迅速增大。

1.2  关键技术及解决方案

根据ITU-R M.2058-0（高频频段）建议书[3]，NAVDAT系统可在3种数字调制模型下运行：4-QAM（正交调幅）、16-QAM和64-QAM，包括两个级别的码率（0.50或0.75）和4个频谱占用模式（1.0 kHz、3.0 kHz、5.0 kHz或10.0 kHz）。这些参数的诸多排列组合给HF NAVDAT系统播发信息提供了很大的灵活度。使用10.0 kHz的64-QAM/0.75码率将在覆盖区域内提供约28 kbps的速率，其解调的信噪比（SNR）门限为22 dB。而在1.0 kHz的4-QAM/0.75的参数下，系统将可在更广的覆盖范围内进行低速率传输，其解调的SNR门限降低至12 dB。

在中法试验中，为验证系统在最高速率下的能力，仅使用了10.0 kHz带宽上的所有调制进行试验。

由于采用了新型的数字调制解调技术，有需要满足在海上进行长距离高频信号通信的要求，其关键技术主要是海上复杂电磁环境下高频数字信号的接收技术，为此采取的技术措施包括：

（1）扩频OFDM同步技术和OFDM信道补偿技术。由于高频信道存在严重的衰弱和干扰，因此，需要一种抗干扰、高灵敏度的同步技术来保证信号的检测。基于扩频通信的OFDM同步技术是指在OFDM基础上加入频域扩频技术，从而确保中频信号在低信噪比、存在干扰和扰动的条件下也能实现快速准确的同步。

鉴于海上高频信号的信道具有时变衰落特性和天波地波混合的多径效应，采用基于导频的信道补偿技术，充分利用导频信息能有效地恢复出信道状态信息，保证接收机接收的正确性，提高了解调器抗衰落和抗多径的能力。导频信号分布如图1所示。

（2）LDPC纠错编码和分组传输重构措施。采用的低密度奇偶校验码（LDPC）是具有接近香农限性能的优秀信道纠错码，相比于RS等传统编解码，其具有较好的纠错性能，可以有效适应信号传输信道的多变环境。

文件传输采用分组协议，给消息文件添加文件头，组成包括文件头、消息文件在内的数据单元，再通过一系列分组数据包传输。一个文件多次传输后，接收机可以无误重构文件。NAVDAT帧结构如图2所示。

2  试验系统组成

高频NADAT试验系统[4]如图3所示，包括管理服务器、岸基高频播发子系统、船载接收子系统和岸基监测子系统4个部分。

（1）管理服务器，用于播发计划管理和接收监测子系统反馈的数据。

（2）岸基高频播发子系统，包括调制器、发射机和天馈等。调制器为埃威航电公司研制的NAVDAT专用调制器;发射机为通用的高频发射机，发射的功率在5～10 kW PEP（500 W～1 kW rms）之间可调;天馈采用了垂直极化天线和天线匹配单元。

（3）船载接收子系统，包括天线、高频接收机、具备自动探测调制模式的船载解调器、笔记本电脑。天线采用船用鞭状高频天线;高频接收机采用通用船载接收机，工作在

4 221.0～4 231.0 kHz频段，接收机的中心频率为4 226.0 kHz;船载解调器为专用NAVDAT解调器;笔记本电脑能够显示各种参数及所接收的文件，同时能够通过NMEA网络和其他接口（USB、以太网等）与其他船舶航行设备和标准办公设备连接。船载解调器由埃威航电公司提供。

（4）岸基监测子系统，除具备船载接收子系统功能外，可通过地面网络将接收情况实时反馈至管理服务器，远程管理人员可实时对监测子系统的接收情况进行查看。

3  试验结果及分析

高频NAVDAT通信試验在法国CORSEN海上搜救协调中心开展，有关监测设备也于该中心安装。船载接收机安装在法国的渔船BARA LOODEN和BARA BREIZ。通过对4个月的船舶测试数进行分析，表明NAVDAT信号按照SNR预期进行正常解码。以4-QAM调制模式（低传输速率）进行播发，所传输文件可在250海里的距离稳定、完整地被接收。表明试验系统的地波信号传输性能基本达到了设计要求，与仿真结果比较接近。试验采用了我方提供的文件分组传输和纠错方法，该方法且在发射期间对同一个文件进行3次信息播发，能够在存在干扰的情况下对文件进行重构，试验证明了该方法的有效性。受场地限制，试验主要针对地波传输进行测试，对高频信号的天波传输特性有待更大规模的试验验证。

测试结果展示了相较于NAVTEX，NAVDAT能够以数字格式更快地向船舶传输更复杂的信息，并为未来完善NAVDAT系统参数和开发NAVDAT设备提供了充分的技术信息。

4  未来高频NAVDAT应用方向

2019年5月16日，交通部等七部门联合发布《智能航运发展指导意见》，为交通强国建设发挥关键作用，《意见》指出要组织开展公益性保障工程建设，建立智能航保、智能监管等试验试点环境条件;扩大E航海系统工程试点范围，推进船舶智能航行的安全保障体系建设，提高水域气象、水文预报等方面的能力，不断提升智能航运信息服务水平。2019年9月19日，国务院发布《交通强国建设纲要》，指出要推进装备技术升级、大力发展智慧交通、加速新业态新模式发展，强化前沿关键科技研发，提高海运、民航的全球连接度，建设世界一流的国际航运中心。

高频NAVDAT系统未来不仅可取代高频NAVTEX和高频窄带直接印字电报（NBDP），可以更高的速率播发海上安全信息（MSI），图片信息由NAVDAT提供至向航行者，以帮助其对信息的正确理解;还可以传输航行、气象、水文等方面的数据文件，这些文件可以接入船桥系统，提升船舶驾驶的安全性和智能化水平。对于未来智能航行系统利用通导设备自动地感知并获取各种航行相关信息，实时地接收岸基云服务平台提供各种信息[5]。