王黨衛(wèi)，胡安平

(中國電子科技集團(tuán)公司第20 研究所，西安 710068)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從事海上運輸和漁業(yè)的船只越來越多，出現(xiàn)了許多噸位更大、速度更快的船只，沿海水域更加擁擠，而由于船只的增加很快，每個船上有經(jīng)驗的船員在減少，使得全球海運出現(xiàn)事故的風(fēng)險增大。據(jù)統(tǒng)計，海上船只出現(xiàn)的事故中，80%是由人為造成的。

面對日益復(fù)雜的海上運輸環(huán)境，國際海事組織(IMO)基于協(xié)調(diào)海上導(dǎo)航系統(tǒng)和海岸服務(wù)的需求，在2006 年成員聲明中提出了e-Navigation 的概念。根據(jù)IMO 對e-Navigation 的定義，e-Navigation 是指協(xié)調(diào)搜集，綜合，交換，表達(dá)和分析船上的和岸上的海上信息，為了在海上的安全(safety)和保安(security)，以及保護(hù)海上環(huán)境，采用電子手段來增強(qiáng)停泊處到停泊處的導(dǎo)航和相關(guān)服務(wù)。在IMO 等國際組織及國家、用戶及工業(yè)界的支持下，每年都召開e-Navigation 會議，商討e-Navigation 技術(shù)的發(fā)展及執(zhí)行戰(zhàn)略，最終的e-Navigation 戰(zhàn)略執(zhí)行計劃將在2014 年制定完成［1～2］。

1 E-Navigation 技術(shù)體系介紹

E-Navigation 的概念中的“e”可以代表“增強(qiáng)(enhanced)”或者“電子(electronic)”，但這未必限制在e-Navigation內(nèi)所能做的事情，可以把e-Navigation 整體當(dāng)作一個類似商標(biāo)的標(biāo)記來看待。E-Navigation 中至少包括了增強(qiáng)的覆蓋所有導(dǎo)航區(qū)域電子海圖、增強(qiáng)的位置導(dǎo)航定位，以及強(qiáng)壯的通信能力等幾個方面的內(nèi)容［2～3］。

E-Navigation 的一個描述如圖1 所示，圖中虛線的橢圓所圈的部分，都可以歸到e-Navigation 的范疇之內(nèi)，可以看到，e-Navigation 的內(nèi)容是相當(dāng)廣泛的。既包括了有傳統(tǒng)的輔助導(dǎo)航手段如ECDIS/GIS、Radar、INS/IBS、VTS、AIS、DGNSS 等，也包括了各種通信手段如VHF/HF/MF、衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換等，還包括了遠(yuǎn)距離識別和跟蹤LRIT、航海氣象信息、水文傳感器、輔助靠泊等內(nèi)容，可以說是組成了一個保證航海航行安全的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

對e-Navigation 的體系，也可以從輸入輸出的角度進(jìn)行劃分，e-Navigation 的一個輸入/輸出模型描述體系，如圖2 所示［2～3］。

按照IMO 的考慮，通過實施e-Navigation，希望能達(dá)到如下目標(biāo)［1～2］:

(1)考慮到水文地理氣象和導(dǎo)航信息及風(fēng)險，促進(jìn)船只導(dǎo)航的安全和安心;

(2)從岸邊/沿海位置合適的設(shè)施，促進(jìn)船只交通觀察和管理;

(3)促進(jìn)通信，包括數(shù)據(jù)交換，船只到船只，船只到海岸，海岸到船只，海岸到海岸和其他用戶之間;

(4)提供機(jī)會來提升交通效率和后勤;

(5)支持偶然事件響應(yīng)的有效實施，以及搜索和救援服務(wù);

(6)演示適合一個安全非常重要系統(tǒng)劃分等級的精度，完整性和連續(xù)性;

(7)通過一個人性化接口，綜合和展示船上和岸上的信息，使得導(dǎo)航安全性優(yōu)點最大化，任何混亂或者從使用者的角度誤解的風(fēng)險最小化;

(8)綜合和展示船上和岸上的信息，以管理用戶的工作量，同時也激發(fā)和吸引用戶，并支持決策;

(9)通過開發(fā)和執(zhí)行過程，同時進(jìn)行對用戶的培訓(xùn)和熟悉需求;

(10)促進(jìn)全球覆蓋，一致的標(biāo)準(zhǔn)和安排，以及相互兼容和設(shè)備、系統(tǒng)、符號和操作步驟的互用性，以便避免用戶之間的潛在沖突;

(11)可升級的，以方便所有潛在海上用戶的使用。

從以上目標(biāo)可以看出，e-Navigation 是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而且隨著實際需要而不斷發(fā)展。e-Navigation的實施除了需要國際組織和國家之間的協(xié)調(diào)之外，還需要大量的通信、導(dǎo)航、探測、識別等基礎(chǔ)設(shè)施來支撐。

2 發(fā)展建議

從目前航海所用的手段來看，還不能滿足實現(xiàn)e-Navigation 目標(biāo)的要求，還需要大力發(fā)展電子信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施來支撐e-Navigation 系統(tǒng)。下面就針對導(dǎo)航、通信、電子海圖等方面的發(fā)展提出一些建議。

2.1 建立完備的無線電導(dǎo)航監(jiān)測和差分系統(tǒng)

傳統(tǒng)的導(dǎo)航能力可以作為e-Navigation 的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的船載導(dǎo)航手段包括慣性導(dǎo)航平臺和無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航平臺只裝備在一些大型和特種船只上，在一般的船上配備有全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航儀，有些還有羅蘭C 導(dǎo)航儀，但目前更多的是依賴于GPS。要實現(xiàn)e-Navigation 的要求，必須要對傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行性能的提升，以滿足導(dǎo)航的可用性、連續(xù)性、高可靠要求。除了采取措施提升傳統(tǒng)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)自身能力之外，還可采用以下方式來提升現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

(1)建設(shè)無線電導(dǎo)航完善性監(jiān)測系統(tǒng)

無線電導(dǎo)航系統(tǒng)具有精度高、誤差不累積的優(yōu)點，特別是衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全球覆蓋，是目前無線電導(dǎo)航的主要手段。但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身也有可能因元器件故障而使系統(tǒng)可用性降低甚至中斷。例如GPS 系統(tǒng)，2000 年7 月28 日至8月24 日衛(wèi)星時鐘不穩(wěn)定，抖動較大;2002 年10 月28 日一個衛(wèi)星時鐘不穩(wěn)定，持續(xù)近2 個小時;2004年1 月1 日，一個衛(wèi)星時鐘故障，持續(xù)3 小時。另外，衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號也可能遭受有意或無意的干擾，使得在某區(qū)域無法工作。其他的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)也有可能發(fā)生類似的問題。因此，有必要建立無線電導(dǎo)航完善性監(jiān)測系統(tǒng)，及時對e-Navigation 系統(tǒng)中的導(dǎo)航系統(tǒng)提供完善性告警信息。

無線電導(dǎo)航完善性監(jiān)測站設(shè)置在港口和船只運行密集區(qū)域附近，實時監(jiān)測無線電導(dǎo)航的完整性，并將監(jiān)測結(jié)果通過無線數(shù)據(jù)通道廣播出去，或者根據(jù)需要，在必要時只廣播完善性告警信息。船上的無線電接收裝置接收到收到告警信息時，做必要的處理，以保證航行導(dǎo)航的可靠性。

目前，船只最常用的無線電導(dǎo)航信息包括了衛(wèi)星導(dǎo)航和羅蘭C 導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航目前主要有GPS、GLONASS、Galileo 和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在監(jiān)測站，由無線電導(dǎo)航監(jiān)測接收機(jī)實時接收處理所收到的各種無線電導(dǎo)航信號，與已知的參數(shù)做比較后，給出完整性監(jiān)測信息。當(dāng)出現(xiàn)無線電導(dǎo)航信息故障時，監(jiān)測站及時將告警信息通過無線電通道，廣播給船只，提醒船員做相應(yīng)的操作處理。

(2)建設(shè)無線電導(dǎo)航差分系統(tǒng)

按照GLA(英國燈塔總局)的研究，船只在港口航道中，需要2 ～10 m 的定位精度，而進(jìn)入船塢則需要20 mm 的定位精度。美國海岸警衛(wèi)隊的研究，船只在海港入口和航道中需要8 ～12 m(95%)的精度要求。在歐洲開展了差分eLoran 的試驗研究，其試驗研究結(jié)果表明，精度可以達(dá)到10 m 以內(nèi)。幾種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)在港口及限制水域要求及精度，如圖3 所示，可以看到無線電差分導(dǎo)航系統(tǒng)能夠滿足IMO.A.915 對港口航道和限制水域的精度要求［4］。

圖3 無線電導(dǎo)航系統(tǒng)在港口及限制水域精度要求

實時無線電導(dǎo)航差分定位系統(tǒng)是由基準(zhǔn)站、無線數(shù)據(jù)通道和用戶接收機(jī)組成?；鶞?zhǔn)站的坐標(biāo)精確已知，在基準(zhǔn)站的基準(zhǔn)監(jiān)測接收機(jī)可以將偽距、載波相位和導(dǎo)航電文信息處理后，發(fā)給用戶接收機(jī)信息，用戶接收機(jī)則進(jìn)行差分定位。高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航RTK 技術(shù)，則將基準(zhǔn)站的原始觀測值及基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和天線高等數(shù)據(jù)發(fā)送給接收機(jī)，可以進(jìn)行厘米級的高精度定位。通過在沿海港口航道測量建立一點數(shù)量的差分基準(zhǔn)站，并進(jìn)行合理布局，形成網(wǎng)絡(luò)，以便對船只進(jìn)行e-Navigation 高精度定位。

2.2 提升船只e-Navigation 設(shè)備性能

目前的船只上的導(dǎo)航通信設(shè)備，功能較為單一，更多的需要船上人員的操控處理，操作人員負(fù)擔(dān)較多，需要在體系上，對船只完成e-Navigation 進(jìn)行性能提升改造［5］。船只e-Navigation 設(shè)備的體系框架，如圖4 所示。

圖4 船載e-Navigation 設(shè)備體系

船載e-Navigation 設(shè)備涉及操作層、數(shù)據(jù)處理層、傳感器/數(shù)據(jù)源層等多個方面的系統(tǒng)或設(shè)備。在傳感器/數(shù)據(jù)源層面，涵蓋了PNT(定位/導(dǎo)航/授時)傳感器、水深傳感器、雷達(dá)傳感器、AIS(船舶識別系統(tǒng))，從低頻至甚高頻的通信設(shè)備，以及衛(wèi)星通信設(shè)備。在數(shù)據(jù)處理層面，需要對PNT 數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，對集成導(dǎo)航系統(tǒng)的參考數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實時更新和處理，對無線電通信資源進(jìn)行管理。在操作層面，涉及了避撞、路徑監(jiān)測、導(dǎo)航控制與告警管理等導(dǎo)航控制的內(nèi)容，同時還要與安全等其他系統(tǒng)進(jìn)行交聯(lián)操作。

船載e-Navigation 設(shè)備可以在以下方面進(jìn)行性能提升:(1)將來的船載e-Navigation 將面向全球海域應(yīng)用，因此，需要對覆蓋全球的電子海圖數(shù)據(jù)及相關(guān)的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測繪和實時觀測，建立測繪觀測體系，并能夠及時更新船載設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)庫。(2)對船載導(dǎo)航、通信、探測、水文等數(shù)據(jù)的智能化綜合處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的人工智能處理，實現(xiàn)船只的智能化航行。例如，利用船載導(dǎo)航系統(tǒng)、船載傳感器實時確定船只的位置、航向和航速，并借助雷達(dá)信息，智能識別危險目標(biāo)，減少人工操作的差錯，提高船只的操控效率，保證航行安全。

2.3 基于(船舶識別系統(tǒng))AIS 的岸基通信導(dǎo)航一體化系統(tǒng)

AIS 作為一種新興的航海儀器，對防止碰撞等安全事故的發(fā)生起到了重要的作用，AIS 已經(jīng)發(fā)展到在船舶上強(qiáng)制安裝執(zhí)行。我國從2005 年開始，至2010 年已建設(shè)了全面覆蓋中國沿海和內(nèi)河主要航道的AIS 基站系統(tǒng)，對我國船舶實時動態(tài)監(jiān)控和管理及區(qū)域船舶航行安全發(fā)揮了重要作用［6］。

AIS 作為實現(xiàn)e-Navigation 的重要組成部分，目前主要是實現(xiàn)船只監(jiān)控并實時報告自身的位置。如果能將AIS 基站的位置精確測定，并將眾多AIS 基站時間同步，通過AIS 基站的無線電發(fā)波通信信道，播發(fā)導(dǎo)航授時電文，船載設(shè)備通過接收三個以上的AIS 基準(zhǔn)導(dǎo)航授時電文，就可以解算出船只自身的位置，實現(xiàn)船只的導(dǎo)航定位和授時。船只通過AIS系統(tǒng)實現(xiàn)自主定位功能，不需要另外增加過多的岸基導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，只需要在原有AIS 基站的基礎(chǔ)上，增加少量設(shè)備并升級軟件就可以完成，船載設(shè)備一般通過軟件升級就可以實現(xiàn)導(dǎo)航定位解算，費效比顯著。

利用AIS 系統(tǒng)實現(xiàn)船只導(dǎo)航，可以增加船只導(dǎo)航的可靠性和可用性，避免衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受到干擾而失效時的導(dǎo)航性能下降問題，為船只e-Navigation提供了另一種獨立的無線電導(dǎo)航定位手段，對提高e-Navigation 的整體性能很有幫助。

3 結(jié) 語

E-Navigation 是一個進(jìn)化的和動態(tài)的概念，由IMO(國際海事組織)等國際組織推動持續(xù)推進(jìn)，e-Navigation 涉及多方面的內(nèi)容，需要國家和地區(qū)之間的合作，在國際組織中，就涉及IMO、IALA(國際航標(biāo)協(xié)會)和IHO(國際航道組織)的合作。與e-Navigation 相關(guān)的還有歐盟的e-Maritime 項目，瑞典海事管理局和丹麥海事安全局的高效海洋項目。通過e-Navigation 項目的研究，可以推進(jìn)航海導(dǎo)航體系的技術(shù)進(jìn)步。

我國作為航運大國和海事大國，應(yīng)積極參與國際e-Navigation 體系的技術(shù)研究和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)研發(fā)中，參與到國際e-Navigation 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定中，同時，積極推動國內(nèi)e-Navigation 相關(guān)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升我國航海、航運的科技水平。

［1］ IMO. E-navigation［EB/OL］. ［2012-10-04］. http://www.imo.org/

［2］ IMO. IMO news issue［EB/OL］.［2010-03-10］. http://www.imo.org/mediacentre/newsmagazine

［3］IALA.E-navigation Frequently Asked Questions［EB/OL］.［2011-09-13］.FAQhttp://www.iala-aism.org/

［4］程琳娜.E-Navigation 與eLoran 實例［Z］.情報參考，中國電子科技集團(tuán)公司第20 研究所信息保障中心，2009.

［5］張鐵軍，朱勇強(qiáng).E-Navigation 環(huán)境下ECDIS 發(fā)展研究［J］.中國海事，2012 (1):48-51.

［6］徐忠，萬載東.AIS 電文解析技術(shù)研究［J］.江蘇船舶，2012，29(1):20-22.