NAVDAT系统在舰船航海保障中的应用探究*

雷 波，刘 文，彭汉国，张渊博，杨 伟，董晓峰

0 引 言

随着国家“一带一路”战略的推向深入，我国舰船也将更多地走向深蓝，助力我国成为海洋强国。为了更好地履行使命任务，在未来航海保障中需要高效地向航海人员提供更精准、更可靠的信息，为船员对早期危险识别和快速响应提供决策支持。针对此问题，国际海事组织倡导的e-navigation战略定义了16种海事服务集，明确了岸基向船舶提供服务的种类，具体包括：VTS信息服务、助航服务、交通组织服务、本地港口服务、海事安全信息服务、引航服务、拖轮服务、船舶报告、远程医疗救援服务、海事救援服务、海图服务、航海出版物服务、冰区航行服务、气象信息服务、实时水文和环境信息服务。上述信息服务的核心是船岸数据交换，而通信技术是舰船航海保障的基石。目前，主要的通信手段可以分为卫星通信系统和地面通信系统。卫星通信具有覆盖区域大、频带宽、容量大、便于多址连接、可靠性高等优点，但通信费用昂贵；地面通信系统的主体中频及甚高频通信可实现遇险报警、搜救协调通信、现场通信、MSI的播发与接收和常规通信的功能，具有较好的通信距离，使用成本低，然而这种通信方式传输速率较低，且易受到干扰。为了充分发挥地面通信系统的优势，e-navigation战略提出研发中频通信系统，以满足新型海事服务集信息传输的效率和可靠性，提出发展NAVDAT系统，即在500 kHz频带播发岸船海上安全和保障信息的导航数据系统。

本文结合NAVDAT的架构分析其特征，并在此基础上分析NAVDAT为舰船航海保障领域的可能应用。

1 NAVDAT系统定义、架构及性能特点

2012年，IMO将NAVDAT系统列入GMDSS系统现代化发展的新系统计划。2012年，ITU根据部分国家的前期研究成果，发布了工作在500 kHz频带的中频海上移动服务数字广播系统NAVDAT，用于播发海上安全相关信息。NAVDAT是一种新型的海上数字通信系统，采用数字传输技术，具有良好的覆盖性，播发岸-船海上安全信息及航海保障相关信息，以支持航海信息技术现代化业务[1-5]。

1.1 系统定义

NAVDAT是工作在500 kHz频带的中频海上移动服务数字广播系统，播发岸-船海上安全及保障相关信息[1]。

1.2 系统架构

系统的主要构成包括信息管理分系统、岸基网络、岸基发射分系统、传输通道和舰船接收分系统五部分，如图1所示。

图1 NAVDAT信息传输

1.2.1 信息管理分系统（SIM）

信息管理分系统主要负责收集合控制各种信息，创建传送信息列表，并根据信息的优先权及重复次数的需要来创建播发程序。具体由四部分组成，分别是信息源、文件多路复用器、文件复用管理器和岸基发射管理器。

（1）信息源包括所有能提供的信息资源，如气象局、安全组织等；

（2）文件多路复用器从数据源接收信息文件，根据需要加密信息文件，格式化信息文件的接收人信息、优先权和有效性，发送信息文件到发射机；

（3）文件复用管理器是人机交互界面，可以查看任何来源的信息文件，指定其优先级、周期性和接收者。其中，一些功能是自动的，如信息的优先级和发送周期，均可根据来源或资源指定在信息中的优先级设定；

（4）岸基发射机管理器为通过网络连接到发射机的人机界面。可以监视发射机报警、发送确认、有效发射功率、同步报告等状态指标，也可改变发射机的发射功率、发射计划等参数。

1.2.2 岸基网络

岸基网络是连接信息管理分系统（SIM）到岸基发射分系统的传输网络，确保信息文件从源头到发射机的发送。

1.2.3 岸基发射分系统

岸基发射分系统负责接收来至SIM的数据信息，通过正交频多任务分频技术转换为OFDM信号，通过天线发送射频信号，对海上舰船进行数字音讯广播（DAB）。岸基发射基站包括以下最低配置：受保护访问权限的本地服务器、OFDM调制器、500 kHz放大器、发射天线匹配单元、全球导航卫星系统接收器或用于同步本地控制器的原子时钟、用于检查该频率在传送前是否空闲并提供检查传输的可能性的监测接收器。

1.2.4 传输通道

传输通道为500 kHz射频传输频率。

1.2.5 舰船接收分系统

舰船接收分系统的主要功能是解调接收到的信号、重建信息文件、分类并整理信息，使之用于专用设备。

1.3 NAVDAT系统的主要性能特点

NAVDAT系统工作在500 kHz频带，可以采用16-QAM或64-QAM两种调制模式的正交频分复用技术（OFDM）的数字广播系统，其实用数据传输速率约为12～18 kbit/s。系统发送的信息类型多样，可以传输任何类型的文本、图像、图标、数字地图、多媒体视频等。通过合理设计NAVDAT系统，可以实现数字调幅广播（ORM）单频网模式工作，及通过一个单频网多个发射器，使用一个单一的频率完全覆盖一个国家或地区，同时单时隙大大提高了频谱利用效率[1]。ORM技术成熟，能提供优越的覆盖范围，信号保真度高，消除了多径干扰。单频网络（SFN）操作是发射机在相同频率、相同时间发送同一数据信息，信号到达时少于保护间隔时间差的情况下，将提供积极的信号增强。NAVDAT系统技术特点满足e-navigation系统对通信更精准、更可靠、大容量、高速、低延迟的技术要求，较现有的通信方式，大大提升了信息的准确性、实时性和功能性。

2 NAVDAT系统与NAVTEX系统的性能分析及比较

目前，海上安全信息的传输主要依靠NAVTEX（Navigational Telex）系统，即由NAVTEX岸台采用窄带直接印字电报技术以CFEC方式播发，由船上的NAVTEX接收机自动接收的海上安全信息系统。NAVDAT系统使用由国际海事组织协调和NAVTEX系统相类似的时隙分配方式。NAVDAT系统与现有的NAVTEX系统不冲突，工作频率相近，只需较小改造就可完成NAVDAT的发射。

NAVDAT采用数字传输，12～18 kbit/s的数据传输速率，约为NAVTEX系统传输速率的300倍，其数字传输方式有效克服了NAVTEX播放信息易干扰、及时性差的缺陷，满足了现代航海大量信息传输处理的需求。同时，NAVDAT系统除传输文本信息外，还能传输图像、图标、数字地图、多媒体视频等信息，从而弥补了NAVTEX系统有文无图的不足。NAVTEX系统无法与舰船信息系统及设备实现无缝连接，需要人工操作；NAVDAT系统则可与舰船上的设备相连，实现相关安全信息的直观显示，有效减轻船员的工作量。

3 NAVDAT系统在海上舰船航海保障服务中的应用

任何一种新通信方式的产生都是以满足用户新的需求为目的。当前，用户对通信方式的需求细分为以下几个方面：

（1）更好地促进海上区域预警数据采集；

（2）更加高效的信息管理；

（3）更好地向船舶提供信息；

（4）更强的质量保证；

（5）岸上主管机构用户之间更有效地共享信息，以减少船员压力，提高管理效率。

NAVDAT系统显著的性能特点是数字化保真度高、覆盖范围较大、传输速率较高、成本低、易加密，可以在舰船上大范围使用。NAVDAT作为新型数字传输系统，能为海上舰船提供更强的航海保障服务，主要应用在以下几个方面。

3.1 高效、快速管理海上安全信息

海上安全信息包括航行警告、气象警告、冰况报告、搜救信息、气象预报、引航业务、电航信息系统的更正信息[4-6]。然而，一直以来缺乏一种有效整合海上安全信息的手段。由于海上安全信息种类多，一个船只往往需要携带很多不同类型的通信设备，以便能够接收相关信息。现有广播系统播发大量海上安全信息，但有很大部分信息与本航行次无关，同时也增加了信息过载、遗漏重要及关键信息的可能。NAVDAT系统通过信息管理系统（IMS），整合汇总来自于海事、气象、安全机构等多部门的各类安全信息，以数字显示发布信息，根据需要进行加密，设定优先级和播发周期，有效处理、分类和过滤信息。信息接收后，根据信息类型进行排序，接收系统可与舰船上的导航系统相连，实现信息在导航系统显示器上的直观显示。

NAVDAT系统改变了现有通信系统不能对接收信息进行处理、分类、过滤和对信息进行排列、显示的不足。同时，可以根据信息类型确定播发方式，如海盗袭击警告信息具有区域性，播发方式上可以选择区域播发。NAVDAT系统高效、快速地整合、处理海上安全信息，大大降低了航海人员的工作量，提高了工作效率和航行安全。

3.2 海上装备远程维修

海上装备远程维修是通过信息传输系统，依托舰岸远程通信网和舰载综合通信系统实现海上节点的维修“终端”接入岸基军事综合信息网，充分利用岸基网络提供的共享信息和协同环境，使海上维修人员从后方获得技术指导和维修信息[7-10]，以信息的流动代替人员的流动，支持对海上舰船维修的技术支援，及时消除装备隐患，节省人力、物力和时间。第一时间完成高质量的维修，在有效的时间内通过分享经验提高维修技术人员的熟练水平，同时降低对培训的要求，显著减少装备现场修理时间和停用时间，提高装备维修质量。

长久以来，海上舰船装备维修一直依靠单兵保障为主的舰员级维修。随着装备的不断更新换代，新装备信息化、自动化程度不断提高，设备复杂程度越来越高，维修涉及知识面广。然而，对于舰员来说，理论水平有限，难以掌握对基础学科要求较高的专业知识。传统的舰员维修保障能力越显不足，特别是舰船远离后勤保障基地履行使命任务增多的情况下，海上装备维修保障的滞后与履行使命任务需求间的矛盾也越突出。

现有无线电通信方式难以实现及时、大容量的数据传输。NAVDAT系统具有通信距离远、成本低、保真度高、信息量大、速度快的特点，同时具备网络特性，可以跨区域进行数据服务，利用编址信息，发送指定船只接收。例如，船只不在本服务区，可以通过岸基网络功能，联系所在区域岸基播发。同时，它具有加密功能，满足了海军对保密的要求。例如，现有装备的复杂性造成维修难度大，单靠舰员依据维修资料进行维修，时间成本相对较高，而利用NAVDAT将岸基技术专家的维修过程，特别是关键环节，通过现场图片、视频传输给舰船，实现装备远程维修的信息化、数字化和可视化，从而使在短时间内提高舰员级维修水平成为可能。

3.3 基于AIS的舰船动态数据实时显示

海上舰船实时动态监控有助于指挥员掌握海上舰船实时动态监控，有助于指挥员掌握当前舰船及编队的位置、航向等信息。较传统的雷达等技术，它具有友好、直观等优点。虽然卫星通信具有通信距离远的特点，但由于通信费用高，不适于所有舰船。NAVDAT系统能提供信息刷新率高、信息种类多、易于和其他信息系统兼容的舰船实时动态监视系统。

结合AIS连续采集舰船的运动参数和航行状态等信息，利用岸基网络实现AIS采集的舰船航行信息共享，再经NAVDAT进行编码发送至舰船。舰船接收后，结合电子海图，通过显示终端显示，实现舰船位置、运动参数和编队状态的实时动态显示。NAVDAT更高效的数据传输能有效减少舰船航行碰撞风险，便于编队指挥员及时掌握编队其他舰船实时航行状态，在编队护航中能增强对紧急情况（如防海盗、搜救救援）的反应和处理能力。同时，通过信息共享，岸基相关利益者可以实现对海域的监督和监测，以增强安全性。

4 结 语

在详细分析NAVDAT系统性能特点的基础上，探讨NAVDAT系统在海上安全信息处理、舰船装备远程维修、航行安全上的应用及实现方法。对NAVDAT系统的广泛而深入的应用，具有一定的借鉴和参考价值。

[1] ITU.ITU-R M.2010 Characteristics of a Digital System,Named Navigational Data for Broadcasting Maritime.Safety and Security Related Information from Shoreto-ship in the 500 kHz Band[S].Geneva:Electronic Publication,2012:2-8.

[2] IMO.Development of an E-Navigation Strategy Implementation Plan[R].Norway,2014:6-7.

[3] IALA.IALA Maritime Radio Communications Plan[S].2009.

[4] ITU.Report ITU-R M.2201 Utilization of the 495-505 kHz Band by the Maritime Mobile Service for the Digital Broadcasting of Safety and Security Related Information from Shore-to-ships[S].2010.

[5] IMO.Consideration of Radio Communication ITU-R Study Group Matters-Digital System for Broadcasting Maritime Safety and Security-related Information in the 500kHz Band[S].2012.

[6] IMO.Regulation 19 of SOLAS Chapter V[S].2003.

[7] 汤昕怡.4G通信技术在舰船导航信息系统中的应用[J].舰船科学技术,2014(12):148-151.TANG Xin-yi.Application of 4G Communication Technology in Ship Navigation Information System[J].Ship Science and Technology,2014(12):148-151.

[8] 李晓婷.军用电子装备远程智能故障诊断系统的设计与实现[C].AECC专题学术研讨会论文集,2007.LI Xiao-ting.Design and Implementation of Remote Intelligent Fault Diagnosis System for Military Electronic Equipment[C].Proceedings of the Symposium on AECC,2007.

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