淺議海上通信的需求及技術手段

張曉明

摘要：該文結合海運業的蓬勃發展，分析了海上通信業務的現實需求，探討了發展海上通信業務亟須解決的問題，介紹了現在和未來海上通信業務的研究發展方向。

關鍵詞：海上通信;北斗;海事衛星;AIS;電臺

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0046-02

我國海岸線長1.8萬千米，內海和領海的面積共約470多萬平方千米。進入21世紀后，隨著經濟社會的飛速發展，海洋漁業、海上油氣勘探、海上運輸、船舶制造等行業都進入了一個高速發展期。隨著海上業務的增加，走私、偷渡、盜采海砂等違法犯罪活動日益猖獗，打擊海上違法犯罪活動、維護海上治安和安全保衛工作也日趨繁重，因此海上網絡通信服務也應緊跟時代的步伐迅速發展，以滿足海洋經濟和執法工作不斷增長的業務需要。

1 海上通信業務的需求

隨著網絡通信技術的高速發展，從有線到無線，從3G到4G再到現在的5G，城市中的人們幾乎可以隨時隨地的享受到通信技術飛速發展所帶來的生活和工作的便利，特別是國家近幾年提速降費政策的推廣，移動互聯已經與我們每一個人密切相關，截至2020年3月，中國網民數已達9億。然而，占地球表面面積70%的海洋，大部分區域卻幾乎無法接收到無線寬帶網絡信號，所以說在海洋上工作和生活的人，由于信息的閉塞仿若隔世。

（1）船舶導航需求

隨著科技的進步，GPS+海圖的導航方式將逐漸被時代所淘汰，導航服務將向智能化、多元化方向發展，未來智能化服務方式將徹底取代現有的傳統導航服務模式，海上業務的使用者，也會希望各類通信方式能更加兼容、智能和簡化，具有良好人機交互界面操作平臺的系統，將會占去極大的市場份額。

（2）信息化管理需求

智能化的發展使得船舶操作、數據統計、航行定位等數據量激增，監控、多媒體娛樂、視頻會議及調度控制等的常態化應用，相對應的帶來了岸船無線數據流量的增加，同時5G時代的到來，高速度低成本也成為海上通信服務的基本要求。

（3）海事監管需求

目前，船舶安全檢測仍主要通過登船抽檢的方式來實現，用去了大量的時間和人力，不久的將來，智能一體化的充分應用將能實時檢測船舶的油水補給、運行狀態及排量等情況，通過無線寬帶網絡，數據回傳到監管部門，此舉將能極大提高監管保障效率。

（4）船員基本需求

目前，各大網絡運營商的網絡僅僅能覆蓋到近海區域，到了遠海手機基本接受不到任何信號。若通信網絡能延伸覆蓋到近海以外，艦船不僅可以隨時通過網絡與陸地保持聯絡，而且能滿足船員閑暇時上網娛樂休閑需要，這對緩解海上枯燥、單調、潮濕的生活，有很大的積極作用。

2實現海上無線通信的難題

（1）在海上部署無線網絡，首要問題是設計合理的網絡架構。現在網絡節點的布設，還是利用有線和無線相結合的方式進行。在近海，利用現有的燈塔、島礁等固定位置部署網絡節點是相對傳統的方式，成本相對較低;但在遠海，固定位置網絡基站的維護和布設費用將會是一個天文數字，若沒有技術層面的突破，這將會是未來很長一段時間的難題。

（2）海上濕度大，氣候變幻莫測，高溫、高濕、多風等復雜天氣因素的影響，會使網絡節點長期工作在一個遠比陸地惡劣的環境中，因此設備材料的研發、頻繁的維護檢修、多功能備件的準備都將納入架設遠海網絡節點的研究設計中。

（3）供電問題。為了有更好的通信質量，網絡節點往往具備很大的功率，而海上很難實現有線電源供電，高效率太陽能電源的研發也將是網絡節點向遠海布置的一個重要阻礙。

（4）由于地域特性，海上沒有高建筑遮擋，因此海上的無線網絡和發射頻率將不同于陸地，設計適用于海上的網絡協議將會大大降低硬件成本。

3 海上可用的通信手段

（1）北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統）是我國自主研發、獨立運行的衛星導航系統，將逐步取代GPS導航系統，為全世界提供更高質量的定位服務。該系統通過空間軌道衛星、地面各類管理檢測設施及終端應用系統三部分協同運轉，提供定位、報文、搜救等功能，現已廣泛應用于交通、漁業、氣象、測繪、防火、搜救等領域。2020年 6月23日9時43分，我國比原計劃提前半年，完成了北斗三號最后一顆全球組網衛星的發射升空任務。2020年7月31日上午，北斗三號全球衛星導航系統正式開通。2020年年底前，北斗二號系統還將發射1顆衛星，北斗三號系統還將發射11顆衛星，屆時北斗系統的全球導航和區域短報文通信服務能力將得到進一步提升。在為“21世紀海上絲綢之路”提供更優質服務的同時，作為全球性公共資源，系統的多兼容性將會使全世界人民利用北斗在太空進行“群聊”成為可能。

（2）衛星通信。用于海上和陸地間通信的衛星也叫海事衛星，是現今應用最廣泛、最實用的一種海上、航空領域的通信方式。海事衛星系統由衛星、地面站、協調站和船站組成，根據發射功率、抗干擾及雨衰等因素，又可以分為Ku、C和Ka等頻段，分別擔負了氣象、電視、廣播等業務。該系統在提供高速率數據服務的時候，可以實現真正的動中通（運動中通信），最新產品在高鐵上都可以實現衛星觀看視頻、下載資料。系統還可以與公共電話網相聯通，與開通了國際長途的手機進行通話，不過因為占用了衛星的帶寬，語音通信業務的費用非常昂貴。海事衛星經過幾十年的開發、運營和發展，作為成熟的全球商業衛星系統，早已成為海上通信的主流手段，同時補足了陸地常規通信的短板。在國家歷次重大自然災害和緊急突發事件的處置現場，隨時都作為應急通信手段發揮著關鍵的作用。在史無前例的汶川地震災害中，海事衛星成為受災地區的主要通信手段，在抗震救災的指揮聯絡、新聞報道等領域發揮了重要作用。

（3）無線電臺是一種通過發送和接收無線電信號來實現通信的設備。無線電也可以稱之為在空氣和真空中傳遞的電磁波，德國人赫茲1887年發現電磁波后，意大利人馬可尼在1895年就利用無線電成功完成了傳遞信號的實驗。其實，衛星、手機通信、北斗定位、藍牙等都是利用了空氣和真空（也稱自由空間）中的電磁波，通過各自不同的原理，實現了各種各樣的功能，滿足了人們生活工作的各種需要，但無線電臺是使用時間最久、范圍最廣、受眾群體最多、進入門檻最低和傳輸方式最有效的一種通信手段。理論上講，任何一個無線電業余愛好者，只要有一臺收發信機，就可以與其他具有收發信機的無線電業務愛好者取得聯系。無線電臺有很多種分類方式，通過頻段分，可以分為長波、中波、短波（也稱高頻）、超短波、微波等幾種電臺;通過業務范圍分，可以分為定位、航空、營救、廣播、業務、氣象等類型電臺;通過外觀形態分，還可以分為手持臺、車載臺等類型。用于海上通信的無線電臺，通過頻率分主要有兩種，短波（高頻）電臺和超短波（甚高頻）電臺。超短波電臺就是利用波長短、頻率高的無線電來實現信號的收發的，因為其受季節天氣變化的影響小、通信質量優于其他無線電臺、具有較高的信噪比和傳播方式穩定等特性，在海上通信中得到了廣泛的應用。因為波長和頻率的特性，發向天空的超短電波不能反射回地面和不能越過障礙物的特點及電波直射的原理，決定了超短波電臺只能應用于短距離通信，但毫無遮擋的大海反而成了超短波電臺充分發揮作用的舞臺，視距范圍內都是超短波電臺聯通的范圍，因此即使在遠海作業，使用超短波電臺，船隊之間的通信幾乎不受任何影響。相對于超短波電臺，短波電臺波長長、頻率低，他的信號發向天空時，被電離層吸收的少，可以進行反射，因此具有較長的傳播距離。在海上通信時，短波電臺一般應用于長距離視距外的通信需求。但因為電離層反射加吸收，及電離層的不穩定，短波電臺發射和接收信號會出現時強時弱的現象，因此船舶上的短波電臺，一般都需要配備鞭狀天線或者高架天線，以獲取滿意的信息傳輸效果。

（4）船舶自動識別系統（簡稱AIS系統）也叫船舶動態監控系統，從敵我識別器發展而來，是一種開放式數據傳輸系統，由VHF通信機、定位儀和通信控制器組成，采用甚高頻（VHF）向周圍水域發送船舶信息和接收VHF覆蓋范圍內其他船舶的信息（船位、航速、航向、船名、呼號、吃水及危險貨物等靜態信息）的方式，實現自動應答，智能化獲取海上交通信息，及時掌握附近海面所有船舶的動靜態資訊，采取必要避讓行動，可以有效減少船舶碰撞事故保障航行安全。AIS系統通過在電子海圖上直觀地顯示周邊船舶的航向、航線和船名等信息，建立了一種高效、簡化的信息交流方式，唯一的安全隱患就是，裝備了AIS系統的船舶，只能和裝備了AIS系統的船舶及岸指進行交流。因此，在北斗導航、海事衛星系統、雷達及短波電臺都出現故障的情況下，只要AIS系統運轉正常，船舶仍可以勉強在海上航行，但若AIS系統故障，船舶將不可以出航，在航的船舶必須采取一切方式立即呼叫救援。

（5）其他傳統通信方式。電報是最早用電來遠距離傳送信息的通信方式，在19世紀30年代由英國人發明，通過專用的交換線路使用摩爾斯編碼代替文字和數字發送消息，具有很高的保密和安全性，曾一度在通信領域占有極為重要的地位，在海上通信業務里也發揮了重要貢獻，但慢慢地被電話、傳真等更方便的通信工具所替代。燈光通信，使用信號燈、手電筒等發光器材，通過長短閃光的方式來表示字母、數字和摩爾斯編碼，以此實現視覺信號通信的目的。除了長短閃光的方式，還可以采用不同的燈光顏色、燈泡晃動等來增加通信內容，但因為光的特性，最佳通信應用環境只能是夜間，解決中短距離的船舶指揮、位置標識、識別船只等的需求，具有很大的局限性，隨著其他通信手段的發展，燈光作為后備通信方式，現在已經很少有船只使用。旗語，借助于旗幟來傳遞信號的方式可以說是海上通信的鼻祖，也叫手旗信號或手旗通信。通過單手或雙手持不同顏色的旗幟，指向不同方向和角度，來表示不同的字母和數字，甚至可以通過約定好的編碼轉譯，來表示更加復雜的信息。相對于燈光通信，旗語的應用環境受限更多，條件更苛刻。首先海上天氣不能太差，要有良好的能見度，其次船舶之間的距離不能太遠，為了獲得旗語的信息，望遠鏡曾一度是信號轉譯人員的必備裝備。隨著時代的進步和科技的發展，電報、燈光和旗語等這些曾經一度十分活躍、海上唯一的通信手段，現在已經逐漸退出了歷史舞臺。

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