0 引　言

舰船航行过程中产生的环境监测、定位导航、运动状态等数据的实时无损传输已成为保障舰船航行安全、提升海上作业效能的核心支撑^[1]。然而，舰船航行所处的海洋环境存在各种杂乱的电磁信号，影响通信链路稳定性，导致数据传输过程中易出现丢包、失真等问题^[2]，数据传输容易断连、不稳定，亟需研究一种可以实现航行大数据无损传输的有效解决方法。当前，舰船数据传输领域已涌现相关技术研究，但针对复杂电磁环境下大数据安全无损传输的专项解决方案较少。吴科献等^[3]将Opus自适应编解码算法与网页实时通讯传输方案相结合，实现船舶音频编解码传输及岸基回放。但船舶复杂电磁/海况环境下，此方法的无线传输易受干扰，可能出现航行数据丢包和延迟问题。李昭然等^[4]为优化船岸数据通信效果，对船岸数据通信系统的PCB串口、SD卡信号线建模仿真，分析电磁耦合特性，经PCB重新布局（减过孔直径、宽信号线），减少串口串扰、提升数据传输效率。但此方法仅针对PCB串口、SD卡信号线优化，未覆盖船岸通信装置其他信号链路（如射频、电源等），存在一定的适配性问题。吴雪琴^[5]为提升海洋数据传输安全性，提出无人船辅助的移动边缘计算方法。此方法技术架构分四层，主要利用无人船MEC服务器降延迟提效率，结合安全多方计算与AI算法，在保障传输安全的同时优化航行数据传输效率。但无人船MEC服务器的本地数据存储，未设计物理级加密（如硬件加密芯片），若无人船通信系统被恶意入侵，存储数据存在泄露风险。张博文等^[6]针对船舶通信网络服务器节点因任务增多出现的负载不均问题，提出改进蚁群与帝国竞争算法融合的任务调度法，选取最优节点传输船舶数据，实现船舶通信的负载均衡出力。但此方法未结合电磁环境下链路丢包、信号衰减等特性优化调度，当某节点通信链路因电磁干扰出现传输瓶颈时，算法仍可能将大数据任务分配至该节点，导致数据传输延迟、失真。

本文研究复杂电磁环境下舰船航行大数据无损传输方法，为舰船在复杂海洋环境中的稳定通信与数据安全传输提供有效技术参考。

1 复杂电磁环境下舰船航行大数据无损传输 1.1 复杂电磁环境对舰船航行大数据传输的影响分析

为了研究有效的复杂电磁环境下舰船航行大数据无损传输方法，分析舰船通信系统拓扑，以及舰船航行大数据来源，厘清通信系统的模块架构与数据的类型特征。对图1所示的舰船通信系统进行研究。

舰船通信系统通过天线单元的天线分配、共用及匹配功能，收发对接通信信号；经射频单元的功率分配与接收前端完成信号的射频处理后，传递至模块数字无线电单元，执行接收/发射变换、调制/解调、协议差错控制及信息加解密等核心通信处理，再通过IO单元的数据接口转发数据，结合本地控制接口的调度，依托通信管理控制与内部通信系统，借助自动数字网络系统舰内骨干网，实现与其他信息系统、武器指控系统的通信交互，达成舰船内部与外部的信号传输与数据传输。

雷达波浪仪、GPS及姿态测量仪等设备用于采集舰船在航行过程中的环境状态、精确定位与运动姿态等多类数据。这些数据依托图1所示的通信架构完成编码、加密、传输与交互处理，构成舰船通信系统中信息传输的核心内容。

舰船通信时，电磁干扰是影响船舶自动通信系统的关键因素，按作用空间可分为内部与外部两类，二者形成机制存在差异。内部电磁干扰源于船舶内部复杂空间结构下电子设备的大规模应用，具体包括电磁屏蔽设计缺陷、接地干扰、电磁传导干扰等。外部电磁干扰则针对船舶自动通信系统的跨平台远距离无线通信功能，随海上航线繁忙程度提升而更趋复杂，按频率范围可分为同频、邻频干扰。同频干扰指无用信号载频与通信系统发射信号频率一致时的干扰；邻频干扰由不同通信设备的频段差异及频段复用导致。当相邻频道频率接近且缺乏抗干扰机制时，容易发生此类干扰，其影响可通过邻频干扰保护比判定，该比值与信道宽度相关，若无法满足对应保护比要求，则难以抑制邻频干扰，且随船舶无线设备增加与通信资源紧张，邻频干扰的危害会进一步加剧^[7]。

本文主要针对此类影响，从复杂电磁环境下舰船抗干扰通信、航行大数据加密传输2种角度，研究复杂电磁环境下舰船航行大数据无损传输方法，旨在优化复杂电磁环境下舰船航行大数据无损传输效果。

1.2 电磁干扰拦截

舰船内部空间有限，雷达、导航、通信等电磁设备密集分布，频谱资源拥挤，设备间易产生电磁耦合干扰；同时，复杂电磁环境中包含外部恶意干扰源释放的强电磁信号、舰船内部大功率电机产生的交变磁场以及自然界雷电等干扰，这些干扰会破坏数据链通信稳定性，导致信号中断、数据错误或丢失。为防止敌方窃取或破坏舰船航行数据，进行电磁干扰拦截。采用跳频、扩频等抗干扰技术动态规避干扰频段，确保数据链可靠通信。为此，依托抗干扰通信模型，引入状态值函数与状态动作值函数，构建复杂电磁环境下舰船抗干扰通信函数，该函数以满足二维连续性要求的跳频频率序列为基础，在通信信号发送前完成干扰信号排查与连续性检验，其中状态值函数用于定义跳频频点的转换关系，最终实现稳定通信。状态值函数的表达式为：

$ {g}_{m}\left(y\right)=\left({g}_{m-1}+F\left({y}_{m}\right)\right)\mathrm{mod}\left({m}\right) 。$

(1)

式中：$ {g}_{m}\left(y\right) $、$ {g}_{m-1} $分别为状态值函数、上一跳频频点数；$ F\left({y}_{m}\right) $、$ \mathrm{mod}\left(m\right) $分别为通信数据集合中数据对应的跳频规则、提前规定的频点数量上限（用于约束频点范围）。

设定当前通信数据、第$ m+1 $个跳频点的跳频动作值为$ {y}_{m} $、$ {y}_{m+1} $，状态动作值函数$ {g}_{n}\left(y\right) $用于描述跳频动作的均匀分布特性：

$ {g}_{n}\left(y\right)=\left({g}_{m-1}+{y}_{m}+2{y}_{m+1}\right)\mathrm{mod}z+I\cdot {g}_{m}\left(y\right)。$

(2)

式中：$ z $、$ I $分别为跳频控制参数、跳频序列组成的闭集。

基于上述函数对通信状态数据执行二进制运算，得到对应频率序列。若设$ {g}_{m+1}=F\left({g}_{m+2},{y}_{m+1}\right) $、$ {g}_{m+2}=F\left({g}_{m+1},{y}_{m+2}\right) $，那么跳频频点的递推关系为：

$ {g}_{m}=F\left(F\left(\ldots F\left({y}_{m-2},{y}_{m-1}\right),{y}_{m}\right),{y}_{m}\right) 。$

(3)

式中：$ {g}_{m} $为跳频序列的第$ m $个频点数。

结合跳频控制字构建舰船抗干扰通信函数，表达式为：

$ {A}_{o}=\left({g}_{m-1}+L_{m}^{2}+2{g}_{m}\right){g}_{m}\left(y\right){g}_{n}\left(y\right)。$

(4)

式中：$ L_{m}^{2} $为跳频控制字；$ {A}_{o} $为抗干扰通信模型。

将复杂电磁环境下舰船航行的通信数据每一次跳频切换的具体频率值输入模型，对每个信号角频率实施干扰拦截，以实现复杂电磁环境下的稳定通信。

1.3 基于AES算法的舰船航行大数据无损传输

舰船内部设备密集，且需与外部系统（如其他舰艇、岸基基站）共享频段，若仅依赖电磁干扰拦截而未结合加密技术，数据在传输中可能被截获并破解。因此，在电磁干扰拦截后，引入AES算法对航行大数据执行轮次转换加密，以实现数据的安全无损传输。舰船终端发送的航行大数据经AES加密模块处理生成密文，密文通过抗干扰通信模型传输至接收终端，接收终端依托对应轮次转换逻辑完成解密，以还原原始数据。

采用AES算法对舰船航行大数据加密时，先选取抗干扰通信模型$ {A}_{o} $中某一传输信道内的航行数据作为映射样本，生成适配舰船信道的随机伪序列：

$ S=R\mathrm{mod}c。$

(5)

式中：$ S $、$ R $分别为随机伪序列、航行数据映射样本；$ c $为适配复杂电磁环境的随机数。

完成数据映射后扩展密钥，生成与舰船大数据多维度特征相匹配的通信数据矩阵，并将其作为首轮转换密钥，完成航行大数据的首轮转换：

$ Z=\frac{\partial }{\varepsilon }t。$

(6)

式中：$ Z $、$ \partial $分别为首轮转换操作、航行数据字节量；$ \varepsilon $、$ t $分别为舰船数据链的矩阵生成过程、复杂电磁环境下的节点抗干扰跳转时间。

考虑到传输信道中干扰对无损性的影响，进行第2轮转换：

$ {Z}_{2}=\left| {Q}_{1}\right| \cdot \left| {Q}_{2}\right| \cdot Z。$

(7)

式中：$ {Z}_{2} $为第2轮抗干扰转换；$ {Q}_{1} $、$ {Q}_{2} $为舰船数据链的副本协议发送量、信道中数据碰撞的补偿次数。

为规避舰船终端身份混淆引发的传输风险^[8]，引入数字签名技术完成身份验证。传输过程中发送终端指令携带数据公钥，接收终端上传自身身份信息的二进制字节流，完成身份匹配并生成数字签名：

$ D=\frac{BU}{\gamma \cdot {\theta }_{j}}。$

(8)

式中：$ D $为身份认证结果；$ B $、$ U $分别为舰船终端身份信息、身份信息的二进制字节格式；$ \gamma $、$ {\theta }_{j} $分别为复杂电磁环境下的身份匹配校验过程、航行数据对应的公钥。

完成认证后，接收终端通过公钥解密，实现航行大数据的无损接收：

$ K=\varpi \left(D\right)\cdot \rho \cdot \eta。$

(9)

式中：$ K $为舰船航行大数据无损接收过程；$ \varpi $、$ \rho $、$ \eta $分别为数据在干扰下的容错嵌入处理、舰船大数据的分块拆分解密过程、加密数据包中的航行数据字符串。

通过AES轮次加密与数字签名认证的协同操作，可在复杂电磁环境下实现舰船航行大数据的安全无损传输。

2 实验分析 2.1 实验情景设计

为验证复杂电磁环境下舰船航行大数据无损传输方法的有效性，实验采用半实物仿真与实测验证相结合的方式。半实物仿真平台基于通用软件无线电外设（USRP N310）搭建舰船通信收发节点，并利用矢量信号发生器（Keysight N5172B）模拟复杂电磁干扰信号，注入通信链路。算法仿真与数据分析在Matlab 2023a环境中完成。为进一步验证工程实用性，在实验室实测环节，选取船舶AIS及VHF通信常用频段156～162 MHz作为测试目标，使用USRP设备配合GNU Radio开源框架进行实时信号处理与协议验证，确保了方法的可复现性与可靠性。

在图2所示实验场景中，舰船端通信系统通过接收北斗/GPS信号获取定位与导航数据，使用本文方法进行数据加密，将加密后航行大数据经组网通信链路，传输至陆地基站及5G 基站，后者将数据接入VPN Internet，最终由监控平台借助VPN网络获取并解析舰船传输的全量数据。表1为实验中研究的舰船参数信息。

2.2 实验数据与分析

本次实验模拟舰船航行时的典型复杂电磁干扰场景，内部叠加船舶雷达脉冲干扰（3～10 GHz，峰值功率10 W，间歇性强辐射）、发电机传导噪声（150 kHz～30 MHz，电压波动±15%）；外部包含港口同频广播（156～162 MHz，与舰船通信频段重叠30%）、窄带扫频干扰（功率密度−30 dBm/Hz）。

本文方法通过数字签名技术完成舰船航行大数据传输时的身份验证，确保仅合法用户（如“YHS”）能触发数据请求，解决了舰船通信系统中“非授权终端越权访问”的安全风险。认证通过后才弹出“航行大数据定位数据包”下载提示，实现身份合法性、数据访问权限的强关联，避免敏感航行数据被无权限主体获取。

“原文”与“解密”内容相同，由此说明本文方法的加密算法（如AES）实现了舰船航行数据无损加密/解密，解决了舰船复杂电磁环境下数据传输的“失真/丢包”问题。传输内容涵盖定位、航速、航向、吃水、航行状态等核心航行数据，体现本文方法支持多维度舰船大数据的稳定传输，为远端监控提供全要素数据支撑。

本文方法构建的复杂电磁环境下舰船抗干扰通信模型的“应用前后效果对比”，以峰值信噪比（PSNR）作为舰船通信信息传输质量的核心评价指标，该指标可直观量化通信质量。

$ PS NR=101{\log }_{10}\left[\frac{{\left({2}^{\ell}-1\right)}^{2}}{{A}_{o}}\right]。$

(10)

式中：$ \ell $为通信信息的载荷密度。

PSNR数值越低，意味着航行大数据在加密传输过程中的失真、损失程度越高，数据质量越差；PSNR数值越高，则数据的保真度越好，传输损失越轻微。PSNR≥30 dB即可满足无损传输的质量要求。基于这一标准，本次实验针对复杂电磁环境下的舰船航行大数据传输过程，统计其PSNR指标结果，以此验证传输的抗扰性与无损性，设定需要传输的舰船航行数据量为100 GB，则复杂电磁环境下舰船航行大数据传输时，PSNR具体对比结果如图3所示。

可知，应用本文方法的复杂电磁环境下舰船抗干扰通信模型之前，PSNR处于较低区间且波动剧烈，整体远低于30 dB的无损阈值，表明此阶段数据在传输过程中存在显著的失真与损失；应用复杂电磁环境下舰船抗干扰通信模型后，PSNR在短时间内快速攀升并稳定维持在30 dB以上的水平，这一变化直观验证了复杂电磁环境下舰船抗干扰通信模型，能够有效改善舰船航行大数据的传输质量，实现符合要求的抗扰无损传输效果。

为验证本文方法在复杂电磁环境下的传输性能，本实验设置了对比验证环节，选取文献[3]与文献[4]作为对照方法，在相同干扰场景下进行数据传输测试。实验以PSNR作为核心评价指标。实验过程中分别对3种方法在传输不同数据量10、50、100 GB时的PSNR进行统计，结果如表2所示。

在相同复杂电磁干扰环境下，本文方法在不同数据量下的PSNR均稳定高于30 dB，满足无损传输要求，且优于文献[3]与文献[4]方法。随着数据量增大，文献[3]与文献[4]的PSNR下降明显，尤其在100 GB大数据传输时已低于20 dB，说明其在干扰环境下数据失真严重。本文方法因融合跳频抗干扰与AES加密机制，在保证身份安全认证的同时，有效抑制了信号衰减与丢包，展现出更优的稳定性和适应性。表明所提方法有效解决了复杂电磁环境下大数据传输的失真与丢包难题，实现了稳定、可靠的无损传输。

3 结　语

本文针对复杂电磁环境下舰船航行大数据传输的核心需求，提出了融合抗干扰建模、加密传输与身份认证的无损传输方案，主要创新点与实验成果如下：

1）解决传统抗干扰依赖专用设备的缺点，构建可用于复杂电磁环境中的抗干扰通信模型，通过跳频函数与相关状态函数实现干扰拦截。

2）引入AES轮次转换加密结合数字签名技术，既解决数据传输失真问题，又建立“身份合法性-数据访问权限”的强关联，填补单一优化信号链路或调度算法的适配性与安全性短板。

3）实验数据表明，在内部雷达脉冲干扰、外部同频/邻频干扰叠加的复杂场景中，该方法使舰船航行数据传输PSNR稳定超30 dB，实现定位、航速等多维度数据的无损传输，身份认证机制有效阻挡非授权访问。该方法为复杂电磁环境下舰船航行大数据的稳定、安全传输提供了可靠技术支撑，对提升舰船航行安全与协同作战能力具有实际意义。