INMARSAT國際移動衛星通信系統在GMDSS中的原理

鄧昭廷

摘 要：INMARSAT廣泛應用于GMDSS中。文章主要從其技術原理和應用原理兩方面進行分析。并且通過多種船站的比較，分析了為什么INMARSAT-C作為航運中用戶量最多的船站的原因。

關鍵詞：INMARSAT;INMARSAT-C;多路復用;多址連接

中圖分類號：TN911.22 文獻標識碼：A

1 INMARSAT概述

INMARSAT（國際移動衛星通信系統）是GMDSS中衛星通信系統的一個重要部分，INMARSAT主要由海事通信衛星、移動終端（船舶地球站）、海岸地球站以及網絡協調站和網絡控制中心組成。使用的設備有各類INMARSAT船站，以及用于MSI接收的增強群呼（EGC）接收設備。

其在現代國際航運的船舶保駕護航中起著重要作用。INMARSAT國際海事衛星組織1979年成立，1994年更改為IMSO國際移動衛星組織，1999年轉制為國際移動衛星公司：INMARSAT公司、INVSAT公司、RYDEX公司。

2 INMARSAT的衛星通信技術原理

INMARSAT主要用到衛星通信的一部分技術與原理。

INMARSAT衛星為靜止軌道衛星（地球同步衛星），被應用于除A1和A2海區以外的、INMARSAT靜止衛星所覆蓋的南北緯70°以內區域。在這個區域內可進行連續的INMARSAT報警。但衛星存在攝動現象，必須采用軌道控制措施。還需要注意日凌和星蝕兩個都與太陽有關的現象，其中日凌中斷對通信質量影響的大小和方向性天線的尺寸成正比[1]。如果天線是直立的無線電波，就很可能射到天線的底部而沒有射到天線的頂部接收端。所以，采用全向天線的地球站不會產生日凌中斷，和同步衛星盲區的原理類似。應用星蝕的原理可以推出INMARSAT衛星上每天有且發生一次。

衛星通信基本技術有：第一，多路復用：簡單來說，就是地面站將多個用戶的數字基帶信號按時間先后順序排列，利用衛星的一個信道傳輸給多個移動地球站的技術。INMARSAT地面站常采用TDM技術（時分多路復用）。第二，多址連接：基本原理為，同一衛星覆蓋區內的多個MES，通過衛星的同一信道，與同一個LES實現通信。又稱為多站通信技術。二者的差別在于，應用場合不同：多路復用是在基帶內復用，即在基帶上對信號混合和區分;而多址連接是在射頻信道上復用;信號來源不同：多路復用的信號直接來自話路，區分信號即區分話路，而多址連接的信號來自站址，區分信號即區分站址。多址接入技術在INMARSAT系統中的應用：FDMA/TDMASDMA實現多站通信;采用SCPC/FDMA進行船到岸、岸到船的INMARSAT話音、傳真、數據通信;TDM/TDMA實現INMARSAT的電傳通信;INMARSAT移動地球站的TDMA幀由地面站的TDM發射進行定時。

隨機（爭用）多址方式：第一種為純ALOHA（P-ALOHA）方式，這種完全隨機的多址方式是在公用信道發送數據分組以便競爭信道。只要地球站需要信息傳輸，任何站都可以在0.54s的時間內收到該信息數據。而由于這種方式導致所有地球站發出的信號都在一個信道上，便很容易發生碰撞。業務量增大，碰撞機率也增大。雖然該方式有延時再分別重發的安排，但實際上這種信道的最大利用率只有18.4%，顯然不盡人意。第二種為時隙ALOHA（S-ALOHA）方式：此方式是純ALOHA（P-ALOHA）方式的升級版，考慮到純ALOHA（P-ALOHA）方式中同一信道的任意位置都有可能被占據，可控性不強，所以做出時隙ALOHA（S-ALOHA）方式的改進，使得信道利用率翻倍。其原理是將信道分成多個時隙，每個站只取其中的一個時隙，且發送時保證時鐘同步。這樣即便發生碰撞也是完全碰撞，而不會有部分碰撞，便于各站的重發處理。當然，這種方式會存在信息優先級的問題。第三種為預約ALOHA（R-ALOHA）方式。該方式要解決的是時隙ALOHA（S-ALOHA）方式的遺留問題，即信息優先級選擇。顯然R-ALOHA就是用預約的方式來確定優先級避免信道擁擠，提高了信道利用率。

信道分配方式：一是預分配（PA）方式：這種方式和預約ALOHA（R-ALOHA）方式有異曲同工之妙，都是先確定信道時隙來增強信息的可控性。PA的載頻是專用的，這樣在有業務時便可大大提升信道利用率，顯然在沒有業務時這部分時隙便沒有利用，所以PA方式只適合于業務量大的線路。二是按需分配（D AMA）方式，PA方式適合業務量大的線路，而DAMA方式是為滿足業務量小的需求的線路，是PA的補充方式。三是隨機分配方式，這種方式又是PA和DAMA的進一步補充，即專門應對突發的信息傳輸。這三種方式是處理信息量逐漸變小的過程，是集中到分散的過程。

3 INMARSAT的應用原理

INMARSAT系統在船舶航行中起到重要應用，主要有船對岸遇險報警、岸至船遇險報警接受、搜救協調通信、船舶日常無線電通信接收和發射、海上安全信息（MSI）接收和發射的應用。其主要應用原理如下。

INMARSAT系統由空間段、地面段和移動站三大部分組成，可以實現以上的應用。第一部分為空間段，其最具標志性的是INMARSAT-3，用四顆靜止衛星無縫隙覆蓋整個地球（除南北兩極）。從物理學角度來說，三顆地球同步衛星POR、IOR、AOR-W足以實現地球南北緯70°以下緯度區域全覆蓋，INMARSAT-4便是采用3顆同步衛星覆蓋的方式。INMARSAT-3增加的AOR-E，主要目的是服務二十世紀末繁忙的歐洲航線及十幾個大港，如鹿特丹港、費利克斯托港、漢堡港等。目前，最先進的衛星系統是INMARSAT-5（GX），正如INMARSAT-3增加的衛星是服務二十世紀末十幾個大港一樣，INMARSAT-5（GX）增加的一顆衛星也是服務世界最大幾個港口地區及中國地區。GX的衛星終端寬帶能力相當于4G水平，實現了“互聯網無處不在”的愿景。管理空間站的跟蹤遙測與控制站（TT&C）與衛星控制中心（SCC），保證衛星的性能安全與工作正常。

第二部分為地面段，其包括：地面站（LES/CES），地面站起到再傳遞和連接的效用，船舶信息發送的流程為——移動站發信息給INMARSAT衛星，INMARSAT衛星再發送給地面站，最終由地面站將信息發送給陸地用戶。地面站和電話總機是一個道理，地面站是總機，移動站就是分機。網絡協調中心（NCS）：每個洋區都有一個，分管本洋區的所有固定地球站和移動地球站;發布公共時分多路復用（TDM）信息，確保信道得到合理有效使用，主要用于船舶跟蹤本洋區衛星;接收遇險信號并協調多方力量進行海難救助。網絡運行中心（NOC）：NOC是INMARSAT系統的核心，是系統的總負責中心，管理四個洋區的NCS。對于海難救助來說，如果NCS可以處理，可以NCS直接處理而NOC為監視作用。

第三部分為移動站，移動站是指，利用INMARSAT系統進行通信的衛星終端設備。其直接面向用戶，由移動用戶負責購買或租用（每個移動站都被分配有自己專用的識別碼）。對于國際航運的船舶來說，移動站就是指海用移動站（SES），簡稱船站。目前，船舶使用的完全滿足GMDSS要求的船站是INMARSAT-C/F77。

4 INMARSAT的應用現狀

INMARSAT系統有A、B、C、D/D+、M、Mini-M、M4、E和F等幾種，但目前廣泛使用的主要是INMARSAT-C、INMARSAT-F這兩種系統。其中，INMARSAT-C占主導地位。雖然INMARSAT-B也是INMARSAT系統中重要的一環，卻有其一定的優勢，如其具有數字電話、數字傳真、傳輸數據、電傳、視頻和E-mail的功能，比INMARSAT-A更能充分利用頻率資源，使得空間段費用大大降低，因而是INMARSAT-A系統的替代品;還有在遇險報警中優于INMARSAT-C系統的地方是，其可以提供電話報警，但由于有些業務在實際航行中并沒有經常應用且費用較高，盡管性能優于INMARSAT-C系統，卻被INMARSAT-C更低廉的價格和更貼切的需求所打敗。INMARSAT-B已于2016年12月31日關閉。對于INMARSAT-F，其具有數字電話通信、數字傳真、高速數據傳輸、電傳、視頻、ISDN、總是在線接入互聯網、MPDS、E-mail等功能，是目前功能較多的INMARSAT系統之一。盡管功能強大，但也由于費用高昂等原因計劃將于2020年12月關閉。

而INMARSAT-C與INMARSAT-B一樣，也是INMARSAT-A的升級版，雖然只有數據傳輸、電傳和E-mail這三個功能，但卻是現存的唯一沒有計劃關閉的INMARSAT系統。為什么呢？是由于其體積小、重量輕，適用于各種噸位的船舶。并且INMARSAT-C系統按字節收費價格低廉，關鍵還在于在遇險報警中，INMARSAT-C在極端條件下仍有很好的報警效果，可經NSC發射（經NSC發射的原因可能是船舶沒有選擇LES，或者選擇了LES但岸站卻沒有收到，或者船站沒有入網）。因此，其是目前INMARSAT公司擁有用戶量最多的系統。盡管INMARSAT-C沒有語音通信的功能，但因其實用的功能和低廉的價格，使得其成為INMARSAT系統中的常青樹。而且INMARSAT-C是海事衛星通信系統中唯一的全向性天線，其不會受到日凌現象的影響，方便船員使用與管理。

總之，INMARSAT是在GMDSS中應用廣泛的的衛星通信系統，現代國際航運已然離不開它。相信隨著現代無線電通訊的發展及5G的應用，INMARSAT技術將會有更大的發展。

參考文獻

[1] 劉偉潮.GMDSS系統與設備[M].上海：上海交通大學出版社，2007.