基于窄帶無線技術的海洋應急通信研究

張劍

摘 要：隨著技術水平的進步和海洋意識的增強，我國在海洋開發方面的投入越來越多，各項經濟活動積極開展。與此同時，海洋活動也屬于一項高風險行業，由于生產過程遠離內陸，自然環境變化無常，海域范圍極大等等，這些都使得一旦遭遇突發災害，營救工作困難極大。如何在遠離內陸、傳統通信手段受限的情況下，準確找到被困人員成為了一項十分重要的工作。本文提出了一種基于窄帶無線技術的海洋應急通信系統，采用擴頻手段增加抗干擾性能，通過中繼擴大通信范圍，可應對海上無線信號復雜，通信距離遠等不利條件，為常規海上應急通信提供一種補充手段。

關鍵詞：應急通信，海洋，無人機，窄帶通信，Sub-G頻段。

目前，現有技術中關于應急通信的大部分解決方案是通過衛星通信，或是通過無人機搭載便攜基站，這些應急通信方式需要實現申請頻段，這種方法對于只傳輸位置信息等小數量的呼救信號是一種資源的浪費。在上述背景下，本文提出了一種基于窄帶無線技術的海洋應急通信系統，并對系統架構及功能單元組成進行了闡述，具有一定的實際應用價值及理論研究意義。

一、系統簡介

本套應急通信系統，包括應急中心、應急呼救接收機、應急呼救中繼和多臺應急呼救終端。應急呼救終端配備于出海作業船只或人員身上，采用鋰電池供電，內置GPS模塊;應急呼救接收機安裝于無人機或氣球上，負責收集某一海域內所有應急呼救終端發出的求救信號，在收到求救信號后，將數據打包通過應急呼救中繼鏈路傳回應急中心;應急呼救中繼為多種無線通信手段統稱，可為微波、衛星、短波等，主要用于中繼無線呼救信息。

應急呼救終端配備于出海作業船只或人員身上，在作業人員被困后，打開電源并按下呼救按鈕，整個終端開始上電工作，GPS模塊進行定位，在獲取到正確的經緯度信息后，將經緯度信息發給基帶模塊;基帶模塊將終端自身預設ID加入到位置信息后進行擴頻處理，并在預設的Sub-G頻段上進行發送。裝有應急呼救接收機的無人機在作業海域進行長時間巡邏飛行。應急呼救接收機預先設有多個頻點，并可在所有預設頻點進行呼救信息的接收。接收機在收到應急呼救終端發出的呼救信息后，將內含的終端ID號、受困人員經緯度信息等通過地空鏈路發回地面應急中心。應急中心在收到被困信息后，向應急呼救接收機發送確認指令，再由接收機返回應答信息至應急呼救終端。

二、系統工作流程

為了解決多個終端同時進行呼救所可能遇到的呼救沖突的情況，本呼救系統借助GPS模塊上引出的1PPS信號進行時隙劃分，通過TDD方式實現系統的多路信號傳輸。具體實施方法方式為：

應急呼救終端和應急呼救接收機均帶有GPS模塊，每臺呼救終端和呼救接收機在初次開機后，通過自身GPS模塊的1PPS信號進行同步。假設地面存在N臺應急呼救終端，則將1s均分為2N份。在第一個1/2N時段內，第一臺呼救終端在發送1次呼救信號后立即切換到接收模式，并在這一秒其余時間內均保持接收模式;在下個1/2N內，第二臺呼救終端發送呼救信號后立即切換到接收模式，依次進行直到第N臺呼救終端。這樣N臺終端全部完成發送共需0.5s，應急呼救接收機統計在前0.5s內收到的所有終端ID，并將收到終端的ID號統一組包作為應答信號，在后0.5s以廣播的方式發給各臺終端，各臺終端通過查詢應答信號中是否有自身ID來判斷呼救信號是否已被成功接收。

應急呼救終端和應急呼救接收機具體工作流程如下：

l第i臺應急呼救終端被觸發后執行如下程序，1≤i≤N：

（1）通過自身GNSS模塊的1pps信號與應急呼救接收機以及其他應急呼救終端進行同步;

（2）同步成功后進行定位，在獲取到正確的經緯度信息后，將經緯度信息發給基帶模塊;

（3）基帶模塊將終端自身預設的ID和當前經緯度信息組包;

（4）基帶模塊根據預設的擴頻參數對基帶信號進行擴頻處理;

（5）在1秒中的第i/2N個時隙內，基帶模塊在預設的Sub-G頻點上發送呼救信息，然后切換到接收模式，并保持接收狀態;

（6）等待應急呼救接收機的應答信號，查詢應答信號中是否含有自身ID，若超過預設時間閾值仍未收到包含自身ID的應答信號，則在預設的一系列頻點中選取下個頻點進行呼救信號重傳;

（7）收到包含自身ID的應答信號后，通過提示模塊發出提示;

l應急呼救接收機開機后執行如下程序：

（1）通過自身GNSS模塊的1pps信號與N臺應急呼救終端進行同步;

（2）進入接收狀態，在預設的頻點上監聽應急呼救終端的呼救信號;

（3）記錄一秒中前0.5s內收到的所有終端ID，并將ID號統一組包作為應答信號，然后在后0.5s以廣播的形式發送應答信號;

（4）將收到的應急呼救終端的ID號以及它們上報的位置信息通過地空鏈路傳回后臺應急中心。

由于海域附近無線電環境復雜，各頻段信號都可能存在，為了盡可能避免噪聲干擾，需要采用一定手段進行抗干擾。本系統中采用擴頻技術極大程度上提升系統的抗干擾能力。為了進一步提升呼救信號的傳輸成功率，呼救接收機和終端事先設定好多個通信頻點，應急呼救終端從默認頻點開始進行呼救信號的傳輸，呼救接收機在收到呼救信號后返回應答信號，若應急呼救終端在一定時間內沒有收到應答信號，則在選好的頻點序列中挑選下一頻點再次發送呼救信號，直至收到應答信號或是從頭繼續。

三、總結

本套系統為點對多點的星型應急呼救系統，受困人員通過應急呼救終端來采集當前經緯度信息，在Sub-G頻段對呼救信息進行擴頻和選頻處理，增強信號的抗干擾能力，由于呼救內容所需數據量較小，故可以將傳輸速率降低來改善接收門限，降低應急呼救終端上的發射功率，從而提高終端待機時間。應急呼救終端不直接和應急中心通信，而是借助安裝在升空的無人機或氣球上應急呼救接收機作為中繼，從而減小終端無線信號的發射功率，延長待機以及呼救時間;應急呼救終端通過擴頻、認知無線電等手段，提高了呼救信號抗干擾能力;應急呼救終端和應急呼救接收機均采用模塊化設計，使用方便、更換簡單;本系統既可在ISM頻段也可在其他管控頻段使用，采用中繼的形式擴大通信距離，使用方式靈活，是對傳統應急通信方式的一種很好的補充。

參考文獻

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