海上甚高频数据交换系统（VDES）建设与思考

　　伍爱群1，叶曦2，杜璞玉2，蒯震华2，黄硕2

　　(1.上海航天信息科技研究院;2.中国航天科技集团有限公司第八研究院第八〇四研究所)

　　党的十九大报告提出“加快建设海洋强国”战略发展要求。建立安全、高效、自主可控的海上信息服务保障体系迫在眉睫。甚高频数据交换系统(VDES)作为下一代海事通信系统，可提供全天时、全天候的甚高频数据通信、数据采集和海上物联等信息管控及服务，应用前景极为广阔。本文在对VDES系统国内外发展现状与趋势进行梳理的基础上，研究提出了VDES系统建设的对策建议。

　　2012年11月，党的十八大报告提出“建设海洋强国”，标志着中国对海洋的发展规划正式上升到了国家战略层面。2017年10月，在党的十九大报告中，习近平总书记明确提出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”的要求。2013年9月和10月,国家主席习近平在出访中亚和东南亚国家期间,先后提出共建“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”(以下简称“一带一路”)的重大倡议,得到国际社会高度关注。无论是加快建设海洋强国还是共建“一带一路”，安全、高效的海上信息服务保障体系是必要基础条件之一，必须优先发展海上安全保障通信体系，提供先进的海洋信息获取及传输方式。

　　一、建设VDES系统的背景和必要性

　　频繁的船舶相撞事故，对船舶自动识别系统(AIS)提出了改进的迫切需求。2018年1月6日，巴拿马籍13万吨超级油船“SANCHI”轮与香港籍散货船“长峰水晶”轮在长江口以东160海里发生碰撞，32名船员失联。2018年1月20日，广东阳江籍钢质渔船“粤阳东渔12158”与新加坡籍集装箱船“SATSUKI”轮在广东珠海高栏岛正南方的46海里处发生碰撞，“粤阳东渔12158”沉没，船上13人落水，7人获救，6人失踪。2018年2月2日上海籍油船“沪油18”轮与舟山籍油船“百通8”轮在浙江舟山海域发生碰撞。

　　海洋运输的日益频繁，使得全球使用AIS系统的两个VHF频段25KHz带宽的信道日益拥挤，国际航标协会(IALA)提出当信道超过50%负载时，信息阻塞等问题将造成信号传输滞后，碰撞预警漏报概率大幅上升，严重影响航行安全。目前，上海港和渤海湾地区平均负荷40%、峰值超过50%，墨西哥湾64%，朝鲜半岛和日本40%。另外传统AIS岸基站只能覆盖50海里距离，难以满足远海活动需求。

　　AIS系统是一个通过数字通信协议交换船舶航行数据的通信系统，起步于2003年，按照国际海事组织(IMO)《国际海上人命安全公约》(SOLAS)第V章第19条的规定，300总吨及以上从事国际航线的所有船舶、500总吨及以上从事非国际航线航行的货船和不论吨位的客船，都应安装AIS设备。AIS是确保船舶海上安全航行的必备技术。

　　2013年国际航标协会(IALA)首次提出了甚高频数据交换系统(VDES)的概念，拟通过建立一个天地融合系统以升级替代AIS系统。

　　VDES系统是在AIS系统的基础上，增加卫星远距离AIS(LAIS)、特殊应用消息业务(ASM)、地面VHF频段数据交换和星地VHF频段数据交换业务(VDE)。并且，在地基VDES系统的基础上，扩展由VDES卫星星座、VDES岸基系统、VDES终端和VDES大数据平台等组成，形成天地一体的新一代VDES系统。

　　VDES系统包括一个窄带数据交换卫星星座，数万个VDES岸基系统和千万个以上VDES终端用户。VDES系统有以下特点：(1)是国际海事组织针对海事信息领域现有的信道拥堵、数据能力不足、覆盖范围不广等问题所明确规划的升级系统，具有全球性、行业性以及建设明确性等特点;(2)是面向全球海上遇险与安全系统(GMDSS)以及e-航海发展需求，采用海上专用通信频段(VHF频段)的信息通信系统，具有专用信息网的特点;(3)VDES系统从AIS系统的船、岸等地基信息节点引入卫星节点，系统内任意两两节点可直接、灵活、无缝联通，具有显著的一体化特点。

　　积极参与建设VDES系统对于我国建设海洋强国具有十分重要的意义。

　　一是VDES系统是争夺未来全球海上通信系统标准的制高点。国际航标协会(IALA)作为国际非盈利组织机构，负责VDES系统标准的制定，目前欧美、日本、澳大利亚等海事大国积极参与，按照行业国际标准，有实力的大国和地区组织将建设并运行开放式的VDES系统，为全球VDES用户提供无偿和有偿服务。过去中国没有参与AIS国际标准制定，AIS设备虽已发展多年，但在性能、质量方面不如国外。当前，中国交通运输部海事局和中国航天等有关工业部门代表中国同步参与VDES标准的制定，取得积极有效的阶段性成果。目前全球VDES行业标准尚未出台，各国均处于研发状态，尚未出现商业化产品，以中国当前的综合科技实力、行业技术整合能力和国际影响力，在VDES系统发展过程中，中国具有先发赶超的机遇。

　　二是VDES系统是全球海上遇险与安全系统(GMDSS)的重要组成。VDES系统可以扩展海事的多种应用场合，国际航标协会(IALA)正在开发基于电子航海的用例模型，将为海上导航的安全和效率、航海环境保护、海上安全、减轻船员操作负担等做出贡献。VDES系统带来的好处不仅覆盖了国际海事组织(IMO)事务的所有方面，而且超出现有范围，例如扩展到渔业操作、科学调查和资源开发。

　　三是VDES系统是e-航海发展的海上数字基础设施。e-航海作为国际海事组织(IMO)、国际海道测量组织(IHO)、国际航标协会(IALA)大力推进的下一代海上航海保障综合服务战略体系，通过信息化手段将船端和岸端的各类航行相关信息进行收集、整合、交换、分析，并按照不同航海用户的需求进行显示，从而加强船舶航行安全和保障能力，最终实现航行安全、高效、环保、节能的目标。e-航海战略自诞生起就受到了国内外海事管理部门的高度重视，制订了诸如S-100、VDES、岸基通用系统架构(CSSA)等一系列标准草案。各国在遵循国际标准草案的基础上纷纷开展了一系列的试点示范工程，上海洋山港e-航海示范工程就是其中之一。

　　四是VDES系统是智慧海洋发展信息化的重要手段。VDES系统针对海洋“大”(地球70%表面为海洋覆盖)、“分”(有沿海、近海、远海之分，有领海、专属经济区和公海之分)、“散”(海洋主体和海洋活动是分散的)和“变”(海洋气象、海洋主体和海洋活动是不断变动的)的特点，为全球海上乃至陆地用户提供全天时、全天候的VHF频段通信、数据采集和海上物联等最基础的信息管控手段和服务，并可与地面其他通信系统实现融合，提供“互联网+海洋”平台，全面提高对于海洋的安全防范能力、管理能力和开发利用能力。

　　二、国内外发展现状与趋势

　　国际航标协会(IALA)牵头制定VDES的国际标准，2015年10月发布了第一个标准版本ITU-R 2092-0，并不断在修改完善，世界各国都加快了VDES系统研究与试验验证。

　　(一)VDES星座系统

　　美国卫星运营商Orbcomm公司、瑞典小卫星制造商AAC克莱德空间公司和瑞典航空航天承办商萨博公司三方合作，正在开发VDES演示立方星，预计将于2022年发射，在此基础上新建一个星座，规模可能达到100余颗。

　　欧洲启动了EfficienSea 2计划，由丹麦海事局DMA牵头，其中的VDES卫星由欧空局ESA领导开展(ARTES计划)。2017年欧空局资助挪威发射了全球首颗试验微纳卫星NorSat-2。2018年英国萨里卫星技术有限公司为加拿大AIS供应商ExactEarth公司研制一颗VDES演示立方星，霍尼韦尔公司开发VDES有效载荷，通过“猎鹰9”火箭发射升空。

　　我国国防科技大学持续开展基于微纳卫星平台的AIS/VDES系统研制与试验工作。2020年8月，发射了“天拓五号”卫星，其主要任务是开展新一代AIS信号接收、ADS-B信号接收以及VDES等新技术研制。中国航天科工四院航天行云科技有限公司计划发射80颗行云小卫星，建设低轨窄带通信卫星星座，在后续行云小卫星计划搭载VDES载荷，航天科工8511所同步开展VDES物理层相关技术攻关工作。中国航天科技集团八院组织开展了VDES搭载试验星、技术验证星研制工作，在卫星载荷核心技术、国际标准等方面连续多年开展了技术研究与验证工作。

　　(二)VDES地面系统与终端

　　南非Stone Three公司重点开展VDES终端产品研发，2019年1月，联合加拿大在魁北克进行了VDE-TER的陆地性能实测以及与AIS兼容性测试。日本无线株式会社(JRC)重点开展了VDES船载原型样机研发，2018年12月完成了点对点试验和广播试验。新加坡海事港口局与信息通信研究所、ST电子共同开展了VDES船台样机研制与试验，完成了陆上和水上点对点通信试验。国内遨海科技公司，主要开展船载及岸基设备研制，2020年与中国海事局北海航海保障中心共同完成了稳定距离35海里的海上通信试验。

　　(三)产业发展趋势与重要机遇

　　2016年全球AIS卫星服务市场规模为3.69亿美元，较2015年增长79%，国内市场规模为0.84亿元，随着全球物联网的快速发展，AIS和下一代的VDES卫星服务市场规模将保持较高的增长速度。

　　随着航海全球化、船舶无人化、海洋环境立体监测的发展，传统基于岸基和内河水域的保障船舶航行安全的技术不再能满足要求，需要能延伸到全球远海。所以，充分发挥卫星全球运行、广域覆盖的天然优势，与岸基系统形成一个全球化的天地一体的保障船舶航行安全和新型海洋环境监测体系的通信系统，具有重要的意义。为了确保未来全球航行的船舶特别是无人船的安全航行，不仅需要支持视频传输的宽带卫星通信系统，而且更需要全天候确保船舶安全航行的专用安全保障通信系统。

　　三、VDES系统建设方案

　　(一)VDES系统建设定位

　　卫星通信如同地面移动通信一样，同时向两个方向发展：一是以人为中心的互联网，向高速率、高带宽方向发展。典型代表是国外Inmarsat静止轨道卫星，提供高质量语音、高质量视频、高速数据通信和远程遥控宽带等服务。二是以机器为中心的物联网，向低速率、低功耗、低成本和覆盖增强方向发展。典型代表是国外的Orbcomm低轨卫星，提供专注于M2M、loT messaging和AIS services应用的窄带数据全球服务。

　　VDES系统定位是天地一体的窄带通信网络，定位服务于海上物联网。

　　(二)VDES系统建设目标

　　以国家海洋战略需求和发展目标为导向，聚焦海事信息化、智慧海洋等领域重点方向，利用卫星与通信技术实现在全球范围内海事VHF移动波段覆盖，提供船对船、岸对船、星对船和星对岸相互之间的更高、更强、更安全和更经济的窄带数据交换服务能力，牵引在海事通信与信息系统领域的创新突破，产出具有世界影响力和国际领先水平的海事信息领域技术，形成覆盖全球的国际VDES产业链，满足e-航海(e-Nav)、全球海上遇险与安全系统现代化(modernization of GMDSS)、全球航行警告业务(WWNWS)和海上物联网的迫切需要，支撑智慧海洋的军民融合发展。

　　(三)VDES系统主要建设内容

　　VDES系统主要建设内容是构建海上信息基础设施，带动服务、运营、产业和行业发展，主要由地基VDES系统、天基VDES系统两大部分组成。

　　地基VDES系统由全球分布于海岸及内陆河域的岸基站、全球水上船载VDES终端、地基航海数据服务系统组成。天基VDES系统由运行于地球轨道的VDES卫星星座、星座地面系统(测控中心、业务中心)组成。

　　地基、天基航海数据服务系统基于VDES中包含的全球船舶AIS数据、ASM(特殊应用消息)数据、经VHF频段的VDE双向通信信道的各类通信数据，与航海GMDSS(全球海上遇险与安全系统)等共同组成未来电子航海大系统。

　　(四)VDES系统市场前景分析

　　一是全球VDES处于萌芽期。目前，全球VDES行业仍然处于萌芽期，企业均处于研发阶段，尚未有产品实现商业化应用，且受市场和技术壁垒的限制，目前研发企业的数量也很有限。预计“十四五”期间行业标准确定以后，VDES系统行业将开启全面实施阶段，需求市场逐步打开，现有少数研发企业将成为主要的供应商，行业将逐渐转入成长期。

　　二是VDES行业发展前景看好。随着AIS系统信息阻塞等问题的频繁发生，航行安全引发越来越广泛的关注，VDES替代AIS将成为必然趋势，相关的强制执行政策有望逐步出台，未来VDES行业前景看好。由于VDES相关的研发机构较少，在行业初步发展阶段，市场需求量将伴随着政策的强制执行而大量增加，而具备生产实力的企业数量较少，企业的销售情况看好。

　　三是中国有望参与全球VDES标准的制定。在VDES概念提出以及WRC-12和WRC-15会议中提出VDES相关议题之后，我国加快了VDES的研发进程。现阶段全球范围内进行VDES研发的企业很少，取得阶段性研发成果的企业屈指可数，我国在VDES领域已经取得了一定的研究成果。我国是WRC-19会议的重要与会国，在后续相关工作中，我国有望以研制成功的VDES系统产品技术标准为依据，参与全球VDES标准的制定。

　　(五)产业模式与运营机制

　　VDES系统继承原有成熟应用的AIS系统，具有广泛的海上用户和成熟的商业应用模式。

　　VDES系统以商业化运营为主，除了为航海提供航运安全、海上搜救等国际海事组织(IMO)事务所有方面的服务外，还为航海以及物联数据行业提供简单、可靠、高费效比的全球覆盖的VHF频段专用数据通信系统。作为未来空间基础设施的重要组成部分，为全球船舶、资产数据节点、个人用户提供全球电子航海相关的通信服务和大数据新型服务。

　　VDES系统目标用户主要为三类：一是特定用户。以政府部门为主，主要涉及国防、情报及安全部门，搜索和救援部门，边境巡逻和海上安全机构，航天机构，以及其他政府机构。二是行业用户。包括商业捕鱼、商业智能和风险管理、港口管理、商业离岸(油气)、商业航运、水文和制图以及其他学术和研究机构、港航企业、船公司、代理公司和船员外派公司等。三是个人用户。主要包括近岸船载用户和远海船载用户等。

　　VDES提供的产品与服务：一是实时数据通信产品与服务。通过特定的网络接口给予客户访问来自VDES卫星的某一区域、船舶航运信息，提供世界上最完整的全球航运信息，包含固定船只、固定区域的VDES数据信息。二是历史数据产品与服务。包括历史原始数据，以及船舶历史轨迹图、密度图、特定船只的历史定位图、特定区域的数据图等。三是硬件产品。包括船载VDES设备、管理中心设备和岸站通信系统设备，其中船载VDES设备市场容量最大，包括A类船载设备和B类船载设备。还能将VDES技术与其他技术相结合不断开发出新的产品。四是软件及其集成系统。VDES卫星数据直接融入M2M和物联网解决方案中，除此之外，还有基于全球监视和情报市场的应用和信息服务的大数据分析软件。

　　四、VDES系统建设的对策建议

　　一是依托上海市等地方政府，推动VDES系统成为科技创新和产业融合创新示范。VDES系统的建设是涵盖了科技创新、产业融合、工业生产、高端制造，投资融资、商业运作的系统工程。当前，上海市即将完成经济中心、金融中心、航运中心、贸易中心的建设，正在建设军民融合创新中心、科创中心，同时也是我国面向海洋产业发展的重要城市。因此，上海市可发挥自身在全产业链、体制机制、高端人才、金融创新等方面的优势，牵头VDES系统的建设，加速向建成具有全球影响力、辐射力和竞争力的科技创新中心、资源配置中心、财富管理中心、信息交互中心的目标迈进。

　　二是助力“一带一路”建设，加快以“海上丝绸之路”为重点的国际合作。VDES系统具备全球覆盖能力，开展国际合作将有利于丰富资金渠道，通过多种合作方式，将可形成布局合理、协同互补的全球业务格局以及基于全球视野下的长期稳定运营及收益。建议在交通部、国家海事局与有关国家及相关国际组织签订的合作协议框架下，推动VDES项目的多维合作，提升我国国际影响力;针对 “海上丝绸之路”沿线的第三世界国家，以VDES系统为新的合作契机进一步扩展合作领域，共同推进该系统的建设和应用;面对其他有合作意向和应用需求的国家和国际组织，以开放的态度在技术、应用、资金等各方面开展合作，加强国家间、地区间的技术合作和数据共享。

　　三是提供组织及政策保障，启动专项项目的研究与实施。成立重大专项推进领导小组。建议国家相关部委统一协同国家相关资源，开展政策研究及细化指导实施意见，为专项的建设实施提供组织保障及政策保障。启动国家级专项项目的研究与实施，协调跨地区、跨部门、跨学科、跨单位的产学研用科技创新合作，组织联合技术攻关，推动VDES系统关键技术研究与产业化应用试点。

　　四是产业融合，推动VDES系统产业化应用。一方面，积极发挥政府引导作用，协调推动相关领域企业组建VDES研发产业技术联盟，整合资源，实现优势互补，推动成果转化及应用落地。另一方面，建议选择在适当时期，由政府出资设立专门的投资引导基金作为风险基金，投资VDES系统的建设和运营项目，同时引导科研院所、企业、各类风险基金等社会资本投资，从而实现项目投资经费来源的多元化，支撑完整星座系统的构建，加快地面应用系统的发展。