论现代信息技术在舰船通信导航领域中的应用

摘 要：船舶通信导航是一种常见的数据信号传输应用行为，可在已知传输目的地的情况下，将信号参量转换至既定编码形式。然而传统导频型船舶导航系统的通信数据传输误码率水平过高，很难实现对稳定性航行时间的有效延长。为解决上述问题，引入现代信息技术，在导航基带电路、通信数据转换模板等多个设备应用元件的支持下，设计一种新型的船舶通信导航信息系统，并通过对比实验的方式，突出该系统的实际应用价值。

关键词：现代信息技术;舰船通信导航领域;应用

引言

舰船通信数据的信息量较大，内部含有多种特征的信息资源，在传输提取过程中容易产生丢失或是提取信息不完全的问题。为此，在大数据的背景下，研究一种舰船通信信息资源提取方法，能够从海量的信息资源中准确提取目标信息，加快艦船通信过程信息流通。在舰船通信技术初始发展时期，国外研究人员，利用计算机技术划分不同通信数据为不同的属性。采用不同的固定特征参数描述为不同的信息资源特征，并根据该种特征对应设计不同的提取方法。国内对于舰船技术研究起步较晚，对于通信信息资源提取方法的研究还处于理论阶段，还需要不断地研究改进。为此，探析大数据背景下，舰船通信信息资源提取方法非常必要。

1船舶导航与通信系统的研究与发展现状

1.1GPS卫星导航系统。

GPS系统，即导航卫星定位系统和测距全球定位系统，诞生于美国，由NASA技术中心开发，可以利用高轨道卫星传输带来的延迟和频移，判断目标物体发生的距离变化和对应的位置信息。（二）地理信息系统（GIS）。GIS系统是一种专业化的空间信息系统架构，由主机系统的硬件结构和软件程序构成，可以有效地收集地球表层位置的空间信息，综合分析信息。整个系统主要包括嵌入式系统、数据服务器、自动化终端等。（三）雷达系统。雷达系统作为船舶使用最多、使用最广泛的通信方式，可以说是船舶通信系统中最完善的一部分。（四）舰船自动识别系统（AIS）。AIS系统作为一种新型的船舶辅助装置，可以有效地进行船舶间或船舶与岸边之间的数据信息传输，整体智能化水平较高。一般来说，数据信息传输中的类别有静态信息、轨迹信息、定位状况等。

1.2新时期5G无线通信技术的发展

移动通信的发展始于20世纪中叶，当时通信过程是通过无线电波传送的，这需要通过中央数据中心进行信息迁移，以便既满足呼叫又满足被呼叫用户的需要，但是受到容量的限制。5G基于用户中心云量计算的无线通信技术，包括NFV、SDN、新的多支持网络技术和4G基准，以解决传输效率问题，充分体现开发和应用安全、可靠性、稳定性和效率、长期减少能源消耗，可以更好地整合高质量的资源，包括网络建设领域的新实施平台，起到扩大视野和增强网络连接的作用。5G无线通信技术成功地使人们在技术层面更加接近，而且还通过多个平台实时转换，测试了高速数据传输的可行性，从而为用户的使用体验注入了新鲜空气般的能量，而这种经验已不再局限于一个领域，也从人的角度转移到物理和材料层面。新的低能源消耗满足了用户的需求，从而产生了更大的实效性。

2现代信息技术在船舶通信导航领域中的应用

2.1通信数据转换模板

通信数据转换模板是导航基带电路的下级执行结构，以PCF8591T芯片作为核心搭建设备。通信转接口作为船舶数据输入端，可将电信号转化为信息连接信号，再借助PCF8591T芯片将数据信号反馈至下级系统应用设备结构体之中[4]。导航转接口作为船舶数据输出端，可将信息连接信号转化为电信号，并借助PCF8591T芯片再次传输回导航基带电路中，实现船舶通信导航信息系统内的信息互联传输。

2.2局域网搭建

局域网系统主要由一个主控点、一台交换机和各计算机设备组成。船舶局域网的构建以10Base-T网络技术为核心，与STP技术合作。也就是说，可以从主控点的位置向外连接两条STP线路，在两端的位置确保足够的空间，为后期连接做准备。关于分支计算机设备，必须设置在室内，确保电源系统的稳定。实际上，为了尽可能提高数据传输效率，可以选择多模光纤方式进行连接。在实际构建局域网期间，必须与供电线连接。电流通过电缆时，会产生电磁效果，避免数据丢失。因此，连接时，为了选择PVC软管有效地包复网线，需要防止网线所在的环境潮湿、过热等。

2.3舰船通信网络异常入侵检测

舰船通信网络要加强信息安全防护，引入先进的异常入侵检测技术，快速识别入侵行为，提出数据噪声，保障通信安全。基于密度聚类分析算法构建的入侵检测数学模型，能够通过聚类和检测，准确区分异常行为和正常行为，便于入侵检测系统快速做出应对措施，从而提高舰船通信网络安全水平。入侵检测是对恶意攻击系统、窃取机密性信息的行为进行识别确认的一种技术措施，该技术措施是通信网络重要的安全策略。对于舰船通信网络而言，入侵检测技术主要应用于网络异常检测领域，根据舰船通信系统的行为或资源使用状况对是否发生入侵行为进行判断。当前，常用的异常入侵检测技术包括基于数据挖掘、机器学习以及预测模式的检测技术，但是随着黑客入侵行为识别难度的增加，单一的入侵检测技术已经难以满足检测需求，所以在未来一段时期内，通信网络异常入侵检测技术会向着协同入侵检测和分布式入侵检测技术发展。其中，协同入侵检测是将单一的入侵检测技术与防火墙、病毒防护、安全电子交易等技术进行结合使用，促使各项技术协同运作，增强对入侵行为的安全防御能力;分布式入侵检测可以检测出分布式网络架构中的入侵行为，适用于大规模网络。

2.4匹配网络通信数据

降噪处理后的通信信号存在离群点，因此对这些通信数据进行匹配。匹配的第一步，根据不同源数据属性特征，获取数据之间的公共非主属性，按照其重要程度建立合适的集合，然后依据特性规则粗略筛选通信数据，降低数据集合的规模。利用一个离群点检测模型，对粗筛选后的数据进行进一步筛选，得到实体对集合。再对该集合进行采样，利用机器学习训练数据，获取网络通信数据匹配对。在传统方法的基础上，通过加强降噪处理完善对离散点的匹配，以此取得不错的研究成果。因此，先进的识别方法能大大提高工作效率。

2.5人工神经网络法

人工神经网络通过学习人脑对信息处理的方式，根据一定的规则进行学习，并根据学习的结果进行推论以获得某种信号的处理能力。神经元是神经网络的基本单位，它抽象地表示了生物神经元的信息处理过程，并将这个过程用数学语言进行描述。神经元集信息储存和信息处理为一体，具有空间上分布存放，时间上并行处理的特点。网络中的神经元个数越多，该网络识别、处理信息的能力就越强。当前的神经元模型是由线性元件及阈值元件组成，是大多数神经网络模型的基础。要实现通过神经网络对多元信息系统进行融合要：（1）通过待融合系统数学模型及传感器信息类型建立神经网络结构;（2）将所有传感器的输入信息作为神经网络总输入进行训练，通过神经网络与对输入传感器信号处理、统计得到与待融合系统对应的网络结构;（3）对传感器得到的信息进行学习及权值分配，通过以构建神经网络对信息进行融合，并输出融合结果。

2.6通、导、遥卫星在行业监管的应用

安全监管和环境监测。各级管理部门需要及时、全面地掌握单位内部建设项目及周边环境的安全状况并实施相应的管理，而舰船单位多且散，类别及级别不同，安全管控范围及关注的潜在外部威胁有所差异，亟需主动、长期、全面、自动化的监测手段，由被动审核转化为主动监控机制。利用高时空分辨率的遥感卫星数据、航海影像数据和北斗定位数据等，进行融合处理，实现舰船重要目标提取，进行地面形变监测、基础设施外观变化监测、获得工程建设进展信息，识别重大安全隐患，提高社会综合效益。利用可以综合运用高分遥感卫星可见光、红外、热红外、微波和北斗卫星定位监测等多种探测手段，对大型船厂等大中型舰船单位进行灾害监测、灾害特征识别和提取，实现风险分析评估、应急救援决策、灾后重建决策分析，积极寻求防灾减灾的有效途径。

2.7惯性导航技术的应用

由于惯性导航系统（INS）的加速度传感器会产生误差，尤其是在AUV遵循线性路线的情况下，仅使用INS的导航系统会随着时间的推移逐渐降低定位精度。为了提高AUV长时间任务的定位精度，可以使用DVL声呐测量与海底的相对速度来减少误差。同样的，声学多普勒流速剖面仪（ADCP）声呐可以测量局部海流的相对速度。DVL声呐的范围有限，只能在AUV靠近海底时使用。但是，当同时使用INS和DVL时，定位误差仍会随时间而积累。如果使用这种系统执行长时间任务，则必须通过确定参考点的相对位置来消除定位误差。可以通过上浮到海面通过GPS或北斗接收机来完成，但这在深海勘测中是无法完成的。惯性导航系统和水下声学导航技术发展得比较成熟，但是两者的性能受到成本、范围以及AUV任务校正周期的限制。尽管可以使用昂贵的惯性和声学系统来减少AUV任务过程中导航精度的降低，但它们的使用限制了AUV的任务范围。而通过使用AUV任务海域的现有地图，地球物理导航系统可以提供较为廉价并更为准确的定位导航方法。但是，现有地图的需求和特征识别的困难限制了這些方法的使用。

2.8低轨导航精度增强

低轨导航增强服务中最主要，同时得到最广泛的类型为低轨导航精度增强，其利用低轨卫星空间多样性为用户提供快速收敛的高精度服务。对于定位性能辅助提升的主要机理体现在，卫星导航系统测距信号中，载波相位的测距精度比伪距高几个量级。高精度的定位服务通常利用载波相位测量来实现，而相位模糊度固定是其中的关键。由于中高轨导航卫星的轨道较高，卫星运行速度慢，往往需要很多个历元的观测数据才能实现载波相位模糊度的固定。解决这一问题最简单的方法就是利用高动态的空间多样性产生偏移观测量。低轨卫星轨道低，运动速度快，能够产生较大的空间变化，使得定位过程中历元间观测方程的相关性减弱，参数的可估性大大增强，从根本上解决了载波相位模糊度参数收敛和固定慢的问题，进而实现快速精密定位。

2.9捷联惯导仿真分析

捷联惯导的原理是由陀螺仪得出的航海方位角变化率，加速度计得到的速度变化率，再通过这些及初始位置信息得到定位信息。所以首先要仿真得到舰船运动轨迹，再由此得到加速度及转向角加速度，通过惯导数学模型解算得到位置，速度等信息并与真实舰船轨迹对应验证捷联惯性导航系统的可行性。随着误差的积累，惯性导航随定位相对于真实轨迹越来越大。基于以上现象，惯导误差会由于时间积累越来越大，不适用于长时间的导航，因此需要一种能够减少误差积累的导航方式。

2.10联合定轨

传统GNSS卫星精密定轨是利用全球均匀分布的大量地面监测站，对导航卫星进行伪距和载波相位测量，再结合精确的轨道动力学模型和误差改正模型进行数据处理，从而确定GNSS卫星的精密轨道。然而，我国北斗导航系统监测站建设受地缘因素影响较大，难以实现全球均匀布站。搭载星载GNSS接收机的低轨卫星可以作为星基监测站，结合星间链路传输原始观测量，参与高中低轨卫星联合定轨，以弥补地面站的不足，极大增强了GNSS卫星跟踪网的图形强度，使轨道和动力学模型参数估计更为准确，从而实现区域监测站条件下的导航卫星精密定轨。可以预见，随着未来低轨通信网络的建成，各类星地链路、星间链路将会带来更多的观测数据和更优的几何构型，从而进一步提升联合定轨的性能。

2.11充分利用现有资源，加强多种导航增强系统联合互补与协调规划。

包括低轨增强、广域增强、地基增强在内的多种手段并非互相排斥、互为取代的关系，需处理好系统建设的统筹规划和服务上的功能错位，避免重复建设造成的资源浪费。宜充分发挥低轨的独特优势，与其他导航增强手段形成有机互补，以优化、高效、协同的路线解决多系统建设问题。随着未来下一代移动通信将卫星网络技术纳入到规划路线中，空、天、地、海泛在移动通信网络的建立，使低轨导航增强最终有望走进航海行业，实现大众应用。低轨导航增强也将是我国综合PNT体系的重要组成部分。各种不同轨道卫星的融合，将为世界卫星导航带来新变化、新发展，而其中低轨星座因其独特优势将为世界卫星导航领域发展注入新的动力源泉。

3高光谱激光雷达系统的未来发展趋势

近年来，国内外高光谱激光雷达的研究获得长足发展，理论与技术探索已初步成熟，并已经展现了其初步的应用潜力。然而现有系统研制大都处在原理样机研究阶段，探测距离最大仅为百米量级，甚至对于可见光短波谱段以及地物低反射率探测谱段仅能实现近距离探测应用，在一定程度上限制了其实用化发展。高光谱激光雷达作为基于激光主动探测的、地物光谱与测距信息一体化获取的全天时新型成像技术，其探测机理与现有技术必然存在较大区别，因此需不断构建和完善基于宽谱段激光发射与多波段回波探测的高光谱激光雷达成像机理与数据处理体系。为更好地发挥高光谱激光雷达全天时高光谱与空间信息一体化获取的技术优势，未来可通过推动其在航海业等领域的示范应用，促进测绘遥感行业领域的技术变革，并不断探索其在更多领域的独特应用潜力。

结束语

新型通信导航信息系统可在现代信息技术的作用下，联合导航基带电路与通信数据转换模板，在计算信息时延量数值的同时，确定信息数据的预编码条件与最大信息似然值的解码条件。从实用性角度来看，船舶通信数据传输误码率的降低，能够促进船体稳定性航行状态持续时间的不断延长，满足控制船舶通信数据错误传输行为产生几率的实际应用需求。

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作者简介：

姜朝宇，（1979-），汉，本科，男，黑龙江省哈尔滨市，高级工程师，学士，研究方向：舰船通信。

（辽宁省葫芦岛市龙港区岛里船厂代表室，辽宁 葫芦岛 125004）