吳 燕

海上甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的發(fā)展及其國際標(biāo)準(zhǔn)制定

吳 燕

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

隨著全球海洋運(yùn)輸業(yè)的日益發(fā)展，船舶自動識別系統(tǒng)的信息阻塞等問題愈發(fā)突出，碰撞預(yù)警漏報概率大幅上升，嚴(yán)重影響航行安全，在保留原有系統(tǒng)體系功能的基礎(chǔ)上，增加專用報文和甚高頻數(shù)據(jù)交換功能的甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。概述了甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)產(chǎn)生的背景和系統(tǒng)組成，介紹了系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定情況并給出對策。

VDES；AIS；ASM；標(biāo)準(zhǔn)制定

0 引言

甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VHF Data Exchange System，VDES）是新一代國際海事通信系統(tǒng)的一個重要組成部分，是國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）認(rèn)可的E—航海數(shù)字通信基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)。VDES系統(tǒng)在近岸和港口區(qū)域可滿足大規(guī)模、密集船—船、船—岸之間的雙向數(shù)據(jù)交換，在廣闊的海洋區(qū)域可通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球信息播報和數(shù)據(jù)交換，滿足海上航行安全、通信安全以及海洋環(huán)境監(jiān)測等需求，具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。

1 VDES概念的提出

船舶是交通運(yùn)輸，特別是貨物運(yùn)輸?shù)闹饕d體，在海上航行的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)船舶之間距離過近，不能及時避讓而發(fā)生碰撞的事件，這不僅會威脅到海上航行人員的安全，而且可能因船舶有時所載的有毒有害貨物而對海洋生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響。早期的海上航行船舶采用船用雷達(dá)和自動雷達(dá)標(biāo)繪儀，在航行中難以準(zhǔn)確獲取船舶的詳細(xì)信息，如若遭遇海上惡劣天氣，更易影響船舶的航行安全。在這種情況下，產(chǎn)生了船舶自動識別系統(tǒng)（Automated Identification System，AIS ）。AIS系統(tǒng)是一個通過數(shù)字通信協(xié)議交換船舶航行數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)，起步于2003年，按照IMO《國際海上人命安全公約》第V章第19條的規(guī)定，300總噸及以上從事國際航線的所有船舶、500總噸及以上從事非國際航線航行的貨船和不論噸位的客船，都應(yīng)安裝AIS設(shè)備[1]。AIS是確保船舶海上安全航行的必備技術(shù)。在頻率分配上，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union，ITU）將兩個海上移動VHF通信頻率分配給AIS，如果某個海區(qū)設(shè)置不同的VHF頻率，則要將相應(yīng)的頻率分配給AIS[2]。為交換大量的海上航行信息，AIS系統(tǒng)需要有很大的數(shù)據(jù)容量。

隨著海洋運(yùn)輸?shù)娜找骖l繁，使得全球使用AIS系統(tǒng)的兩個VHF頻段25 kHz帶寬的信道日益擁擠，國際航標(biāo)協(xié)會（International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA）提出當(dāng)信道超過50%負(fù)載時，信息阻塞等問題將造成信號傳輸滯后，碰撞預(yù)警漏報概率大幅上升，嚴(yán)重影響航行安全。據(jù)報道，上海港和渤海灣地區(qū)平均負(fù)荷40%、峰值超過50%，墨西哥灣64%，朝鮮半島和日本40%[3]。另外，傳統(tǒng)的AIS岸基站只能覆蓋50 n mile距離，不能滿足遠(yuǎn)海航行的需要[1]。

2013年IALA提出了VDES的概念用以解決AIS系統(tǒng)VHF數(shù)據(jù)流負(fù)載過量的問題。VDES系統(tǒng)包括地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)，在保留傳統(tǒng)AIS體系功能的基礎(chǔ)上，增加專用報文（Application Specific Messages，ASM）和甚高頻數(shù)據(jù)交換（VHF Data Exchange，VDE）功能，建立一個天地融合的新一代數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。ITU于2015年和2019年先后通過了VDES地基系統(tǒng)頻率劃分和VDES星基系統(tǒng)頻率劃分。

2 VDES系統(tǒng)的構(gòu)成

提出VDES概念的初衷是增強(qiáng)海上安全保障，包括提高海上生命安全、航行安全與效率以及海洋環(huán)境保護(hù)水平。如圖1[4]所示，VDES由AIS、ASM、VDE等部分組成，其中VDE由地基網(wǎng)絡(luò)和星基網(wǎng)絡(luò)兩部分構(gòu)成。與航行安全關(guān)系最為緊密的船舶位置和航行狀態(tài)信息保留在AIS 信道下，為減輕該信道負(fù)擔(dān)，水文、氣象等非安全信息由ASM承載，而其他內(nèi)容更為豐富，格式更為靈活的信息，則由VDE完成傳輸。。

圖1 VDES系統(tǒng)組成與功能圖示

在IALA提出的VDES系統(tǒng)架構(gòu)中，AIS、ASM和VDE可以獨(dú)立使用也可以組合后使用。VDES通過高效且有效地利用海上無線電通信在船與船、船與岸之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)海上航行安全的目標(biāo)

2.1 VDES頻率分配與調(diào)制方式

按照ITU-R M.1371-5建議書[5]和IALA指南G1117[6]，AIS1和AIS2是兩個AIS信道，也用作衛(wèi)星接收AIS消息；采用信道75和信道76的遠(yuǎn)程AIS是衛(wèi)星接收AIS消息的指定信道。

按照ITU-R M.2092-1建議書，ASM1（2027）和ASM2（2028）是為ASM指定的兩個信道，也用作衛(wèi)星接收ASM電文；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頻數(shù)據(jù)交換，在不影響地基VDE使用的情況下也可用于VDE衛(wèi)星與船舶之間的數(shù)據(jù)交換；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頻數(shù)據(jù)交換，在不影響地基VDE使用的情況下也可用于VDE衛(wèi)星與船舶之間的數(shù)據(jù)交換；信道1026、1086、2026和2086是星基VDE信道，用于船舶與VDE衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)交換，不作為地基VDE信道使用。VDES的頻率分配如表1[6]所示。AIS和ASM的信道帶寬均是25 kHz，VDE的信道帶寬是100 kHz。

AIS的調(diào)制方式是高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK），ASM的調(diào)制方式是π/4正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK），VDE的調(diào)制方式是π/4 QPSK、8相位鍵控（Phase Shift Keying，PSK）以及16正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）[4]。

表1 VDES的頻率分配

2.2 VDES的硬件配置

VDES提供了通過地面或衛(wèi)星鏈路在船舶和岸上用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力。從實(shí)際應(yīng)用來看，數(shù)據(jù)交換應(yīng)該具備自動模式和人工模式兩種方式，但應(yīng)將需人工完成的工作量降到最低。為此，IALA給出的指南G1117對VDES的軟硬件配置提出了以下八點(diǎn)最低要求：

1）應(yīng)配置能夠通過地面、衛(wèi)星鏈路發(fā)射和接收數(shù)據(jù)的天線；

2）應(yīng)具有符合IMO 決議MSC.74（69）附錄3[7]規(guī)定的AIS；

3）應(yīng)具有可進(jìn)行多功能數(shù)據(jù)通信和定時的處理過程，可與AIS、ASM和VDE互操作；

4）應(yīng)配置能夠在指定的AIS、ASM和VDE頻率上工作的多功能發(fā)射機(jī)和多功能接收機(jī)；

5）具備可自動輸入輸出數(shù)據(jù)的接口；

6）具備可確保數(shù)據(jù)完好性的方法；

7）具備可根據(jù)需要自動或手動更新設(shè)備軟件的方法；

8）具有內(nèi)置測試設(shè)備的功能。

2.3 VDES-R模式

考慮到GNSS的脆弱性，IALA認(rèn)為有必要建設(shè)VDES-R模式系統(tǒng)，作為海上航運(yùn)定位、導(dǎo)航和授時（Positioning，Navigation and Timing，PNT）系統(tǒng)的應(yīng)急備份。VDES-R系統(tǒng)從地面臺站發(fā)送帶有精確時間標(biāo)記的VHF信號，船載VDES-R模式傳感器將測量所收信號的時間及其他相關(guān)參數(shù)，并輸出至船上的PNT設(shè)備（例如多系統(tǒng)無線電接收機(jī)），PNT設(shè)備則使用測量數(shù)據(jù)來確定位置、對地速度和其他導(dǎo)航參數(shù)。VDES-R模式系統(tǒng)應(yīng)盡可能使用已有的岸邊基礎(chǔ)設(shè)施，包括岸上臺站、監(jiān)控中心以及已有的船載AIS/VDES設(shè)備。監(jiān)控數(shù)據(jù)可通過已有的廣域網(wǎng)在基站與監(jiān)控站之間傳送。VDES-R模式系統(tǒng)應(yīng)與一個可溯源到公共時間的外部時間源相同步，從而可與其他PNT系統(tǒng)互操作。當(dāng)海上GNSS服務(wù)中斷時，VDES R-模式系統(tǒng)可與其他陸基PNT系統(tǒng)（例如eLoran）一同為船上的導(dǎo)航系統(tǒng)提供測距數(shù)據(jù)，從而將GNSS服務(wù)中斷對船舶安全導(dǎo)航能力的影響降至最低。VDES-R模式的邏輯架構(gòu)[8]如圖2所示。

圖2 VDES-R模式邏輯架構(gòu)

3 國內(nèi)外VDES的發(fā)展現(xiàn)狀

歐美、日本等海事大國都積極開展VDES的研究與建設(shè)。2022年10月，包括船東、配套商、貿(mào)易公司、投資人和科研機(jī)構(gòu)在內(nèi)的八家日本企業(yè)共同成立“衛(wèi)星VDES聯(lián)盟”，其主要活動包括研究使用情況和商業(yè)模式、進(jìn)行地面VDES的通信實(shí)驗(yàn)以及開發(fā)VDES衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)[9]。中國交通運(yùn)輸部和中國航天等有關(guān)工業(yè)部門也正在進(jìn)行VDES相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的研發(fā)與部署。

3.1 VDES衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲啟動了EfficienSea 2計劃，由丹麥海事局牽頭，其中的VDES衛(wèi)星由歐空局領(lǐng)導(dǎo)開展研發(fā)。2017年歐空局資助挪威發(fā)射了搭載有新型自動識別系統(tǒng)的兩顆微小衛(wèi)星NorSat-1 和NorSat-2，并開展了測試驗(yàn)證工作。加拿大ExactEarth公司為了布局衛(wèi)星 VDES 技術(shù)，與英國霍尼威爾公司合作研發(fā)了3U的立方星 VESTA，并攜帶有一個雙路VDES 載荷用以驗(yàn)證自主研發(fā)的星基VDES關(guān)鍵技術(shù)。美國衛(wèi)星運(yùn)營商Orbcomm公司、瑞典小衛(wèi)星制造商AAC克萊德太空公司和瑞典航空航天承辦商薩博公司三方合作，正在開發(fā)VDES演示立方星，預(yù)計于2022年～2023年發(fā)射，并在此基礎(chǔ)上新建一個星座，規(guī)模可能達(dá)到100余顆[10]。

我國自主可控的VDES衛(wèi)星系統(tǒng)正在建設(shè)中。2019年10月召開的世界無線電通信大會（WRC-19大會）為衛(wèi)星VDES全球發(fā)展和應(yīng)用專門指配了頻率并立即生效[1]。中國交通通信信息中心在大會后上報了“交通星”VDES衛(wèi)星頻率資料，是WRC-19大會規(guī)則生效后第一批公布的網(wǎng)絡(luò)資料，按照所有申報人申報時間排序處于世界第一位，擁有VDES頻率軌道資源“世界第一”優(yōu)先權(quán)。中國航天科工行云科技有限公司、北京和德宇航技術(shù)有限公司排名第二、第三位。整個星座部署完畢共計60顆星，其中包括50顆工作星和10顆備份星。在2021年10月14日，由中國交通通信信息中心與航天科技集團(tuán)八院、北京和德宇航技術(shù)有限公司合作的3顆交通VDES衛(wèi)星成功發(fā)射，激活了交通星頻率，開啟了我國VDES星上載荷在軌測試驗(yàn)證工作[1,10]。

3.2 VDES地面臺站與設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

瑞典SAAB公司與瑞典海事局于2014年底完成了VDE原理樣機(jī)研制，2015年完成了VDE 外場測試。目前其VDES設(shè)備R60已經(jīng)上市，但對中國用戶僅開放AIS和ASM功能。日本無線株式會社（Japanese Radio Company，JRC）重點(diǎn)開展了VDES船載原型樣機(jī)研發(fā)，2018年12月完成了點(diǎn)對點(diǎn)試驗(yàn)和廣播試驗(yàn)。日本古野電氣針對VDES地面系統(tǒng)研發(fā)了模擬器，驗(yàn)證了多載波和單載波QAM調(diào)制性能曲線。南非Stone Three公司重點(diǎn)開展VDES終端產(chǎn)品研發(fā)，于2019年1月聯(lián)合加拿大在魁北克進(jìn)行了VDE地面系統(tǒng)的陸地性能實(shí)測以及與AIS的兼容性測試。新加坡開展了 VDES船載樣機(jī)研制與試驗(yàn)，已完成了陸上和水上點(diǎn)對點(diǎn)通信試驗(yàn)。英國CML微系統(tǒng)公司研發(fā)了VDES開發(fā)工具VDES 1000，采用軟件無線電技術(shù)，提供高性能和高靈活度的AIS、ASM和VDE開發(fā)環(huán)境。目前，部分國內(nèi)廠商采用VDES 1000開發(fā)平臺開展VDES設(shè)備的研發(fā)[11]。

國內(nèi)相關(guān)單位正在加緊開展研發(fā)工作。中國交通運(yùn)輸部東海航保中心與航天八院等單位合作開展了大量的研究工作。2019年4月，在杭州灣水域開展了VDES地面系統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)試驗(yàn)。大連遨?？萍脊狙邪l(fā)了一系列的VDES地面終端設(shè)備和管理系統(tǒng)，2020年與中國交通運(yùn)輸部北海航保中心共同完成了穩(wěn)定距離35 n mile的海上通信試驗(yàn)。北京凱盾環(huán)宇有限公司、上海翊臻科技有限公司、北京交通大學(xué)等單位都開展了VDES基站測試平臺的開發(fā)，并在天津港、大連老鐵山水域開展了性能測試。2022年初，南海海區(qū)首座VDES基站欽州港三墩VDES基站在北部灣海域正式投入使用[12]。

4 VDES國際標(biāo)準(zhǔn)的制定

與VDES國際標(biāo)準(zhǔn)制定有關(guān)的國際組織主要有IMO、IALA、ITU和國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）。

4.1 IMO關(guān)于VDES的文件

IMO發(fā)布的E—航海戰(zhàn)略（2008年7月發(fā)布，2018年5月進(jìn)行了更新）中明確指出，通信是E—航海的一個關(guān)鍵因素，VDES是E—航海未來通信系統(tǒng)的支柱之一[13]。目前，IMO海事安全委員會尚未就VDES系統(tǒng)納入《國際海上人命安全公約》事項(xiàng)做出決議，與VDES系統(tǒng)要求有關(guān)的IMO文件也還未發(fā)布。

4.2 IALA發(fā)布的關(guān)于VDES的指南

為便于理解VDES和促進(jìn)VDES的發(fā)展，IALA發(fā)布了三項(xiàng)關(guān)于VDES的指南：G1117《VDES概覽》、G1139《VDES技術(shù)規(guī)范》以及G1158《VDES-R模式》。

指南G1117《VDES概覽》于2016年12月發(fā)布了第一版，2017年12月發(fā)布了第二版。該指南不含技術(shù)細(xì)節(jié)，對VDES做了總體介紹，主要目的是幫助有關(guān)人員理解、開發(fā)和推廣VDES。指南闡明了VDES系統(tǒng)提供服務(wù)的優(yōu)先級順序，與航行安全有關(guān)的基本服務(wù)（AIS）處于最高優(yōu)先級，非航行安全的信息服務(wù)優(yōu)先級最低。為了促進(jìn)VDES的推廣使用，指南還分析了有可能應(yīng)用VDES的其他七類海事服務(wù)，包括搜救通信、海事安全信息、船舶報告、船舶交通管理、海圖與水文信息發(fā)布、航路信息交換及物流服務(wù)。

指南G1139《VDES技術(shù)規(guī)范》于2016年12月發(fā)布第一版，2018年12月發(fā)布了第二版，目前是2019年6月發(fā)布的第三版[14]。該指南為VDES的研發(fā)人員提供了設(shè)備研發(fā)所需的技術(shù)信息，指南的兩次修訂反映了VDES實(shí)際研發(fā)過程中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。第三版G1139主要闡述了VDES的共性技術(shù)要素、ASM的技術(shù)特征、地基VDES的技術(shù)特征和星基VDES的技術(shù)特征，是ITU-R M.2092修訂版的輸入文件之一。該指南強(qiáng)調(diào)，隨著VDES的發(fā)展，一旦ITU公布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，VDES的任何部署都應(yīng)該遵循ITU規(guī)則。

指南G1159《VDES-R模式》于2020年12月發(fā)布了第一版，2022年7月做了一些編輯性修改后作為1.1版進(jìn)行了發(fā)布。該指南描述了VDES-R模式系統(tǒng)的要求和建設(shè)目標(biāo)，闡述了如何在VDES框架中設(shè)置VDES-R模式以及在不同條件和環(huán)境下的性能，可作為管理部門部署VDES-R模式系統(tǒng)和研發(fā)人員設(shè)計VDES-R模式系統(tǒng)和設(shè)備的指導(dǎo)性文件。

4.3 ITU發(fā)布的VDES標(biāo)準(zhǔn)

2015年，ITU確定了VDES地面系統(tǒng)頻率劃分，通過并發(fā)布了VDES地面系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ITU-R M.2092-0。隨后ITU圍繞在VDES中引入星基系統(tǒng)研究頻率劃分問題，同時對VDES地面系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行反復(fù)修訂、論證和示范驗(yàn)證，完善了VDES地面系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，地面VDES系統(tǒng)進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。

2019年，ITU確定了VDES星基系統(tǒng)的頻率劃分，開始研究星基VDE的技術(shù)要求。2022年2月ITU完成了對ITU-R M.2092的修訂，發(fā)布了ITU-R M.2092-1《VHF海上移動頻段內(nèi)的甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的技術(shù)特性》，規(guī)定了包括地基VDE和星基VDE、ASM和AIS在內(nèi)的完整的VDES系統(tǒng)特性，這標(biāo)志著VDES即將進(jìn)入應(yīng)用推廣的加速階段。

4.4 IEC關(guān)于VDES標(biāo)準(zhǔn)的制定情況

IEC/TC80負(fù)責(zé)組織VDES檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定。IEC的VDES標(biāo)準(zhǔn)采取模塊化的方式逐步進(jìn)行，最終目標(biāo)是制定涵蓋VDES所有功能（即AIS、ASM、地基VDE和星基VDE）的設(shè)備檢測標(biāo)準(zhǔn)。IEC首先開展了AIS/ASM臺站的標(biāo)準(zhǔn)制定，2021年2月發(fā)布了公開規(guī)范IEC PAS 63343，根據(jù)ITU-R M.2092-0規(guī)定了帶有ASM功能的VDES系統(tǒng)臺站的技術(shù)要求、測試方法和要求的測試結(jié)果[15]，支持地基VDES進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。IEC PAS 63343是IEC制定VDES標(biāo)準(zhǔn)的第一步，希望通過這個PAS文件的發(fā)布能夠吸引更多的技術(shù)專家加入到星基標(biāo)準(zhǔn)制定的工作中。

目前IEC/TC80正在為制定涵蓋VDES所有功能的檢測標(biāo)準(zhǔn)做提案準(zhǔn)備工作，即將制定的IEC標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)的是最新的ITU-R M.2092-1，目前確定的文件適用范圍是船載VDES設(shè)備、岸基VDES設(shè)備、VDES傳輸鏈路（包括對VDES衛(wèi)星的上行鏈路和下行鏈路）以及與外部網(wǎng)關(guān)和顯示設(shè)備之間的接口。

5 結(jié)語

VDES 是一個全球開放的信息服務(wù)系統(tǒng)，不僅可以滿足多場景的海上通信需求，并且能夠提供安全、高效、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸，對全球的海運(yùn)業(yè)發(fā)展具有重大意義，同時對我國加快建設(shè)交通強(qiáng)國和海洋強(qiáng)國也具有十分重要的意義[1]。目前全球VDES標(biāo)準(zhǔn)尚處于制定和不斷完善的階段，各國的系統(tǒng)和設(shè)備基本處于研發(fā)狀態(tài)，尚未呈現(xiàn)出完全商業(yè)化的態(tài)勢，我國一方面應(yīng)堅持關(guān)鍵技術(shù)自主研發(fā)、核心設(shè)備國產(chǎn)化，另一方面應(yīng)力爭使VDES成為我國參與未來全球海上通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制高點(diǎn)的切入點(diǎn)，積極參與VDES標(biāo)準(zhǔn)的制定，全面布局在IMO、IALA、ITU、IEC等國際組織中VDES相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策的推進(jìn)工作，各國際組織在國內(nèi)的對口單位也應(yīng)主動與相關(guān)部門、院所、企業(yè)進(jìn)行溝通與合作，通過VDES國際標(biāo)準(zhǔn)制定爭取市場主導(dǎo)權(quán)與話語權(quán)。

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[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。

吳燕（1967.04—），山東滕州人，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、通信。