基于天通的海上應急通信系統設計與驗證

張寶珍，徐亞沖

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

1 研究背景

進入21世紀，海洋再度成為世界關注的焦點，海洋在沿海國家的戰略地位空前提升。從我國重點海區來看，東海、南海面積遼闊、安全形勢復雜、自然環境惡劣，隨著我國海路對外貿易規模的快速增長、海洋產業的蓬勃發展，各種海洋自然災害和海上突發事件給海洋交通、海洋運輸、海洋漁業、海洋旅游等經濟、生產活動產生的危害日益顯現，面向我國海上活動的應急通信保障能力亟待加強[1]。

針對我國海洋安全、海洋資源開發利用、海上絲綢之路經濟帶建設等重大戰略需求，本文以海上應急通信為目標，以綜合業務應用示范為出發點，建立基于“天通一號”衛星移動通信系統海洋數據業務傳輸網絡，從根本上解決中/遠海區域信息傳送、應用服務能力覆蓋不足的問題，為船基/岸基平臺數據傳輸提供穩定、可靠、低成本的傳輸通道。

2 “天通一號”系統現狀

20 08年汶川地震發生后，震區地面通信網絡全面癱瘓，主要依靠租用國際移動通信衛星系統（Inmarsat）來確保應急通信。2008年7月，孫家棟、沈榮駿等院士聯名上書，呼吁加快我國自主衛星移動通信系統建設，填補國家在衛星移動通信領域的空白。2012年，我國首個衛星移動通信系統——“天通一號”衛星移動通信系統工程正式啟動[2]。“天通一號”衛星移動通信系統采用GEO衛星，使用S頻段109個陸地波束和2個海洋波束，采用多波束覆蓋，覆蓋我國陸地、周邊海域、印度洋和西太平洋區域，可為車輛、飛機、船舶和個人等移動用戶提供語音、短信、數據、短報文廣播等通信服務，傳輸速率最高可達384 kbps，能夠與地面PSTN、PLMN、Internet等網絡實現互聯互通。

2016年，“天通一號”01星發射成功，經過近兩年的測試（終端呼通率及業務通信、信關站功能及衛星轉發器穩定性、壓力測試等），衛星指標符合要求，通信效果良好，滿足提供電信級衛星移動通信服務的要求，中國電信衛星公司向商用市場放號，2018年7月，正式開始商業運營，標志著我國進入衛星移動通信時代。

3 應用解決方案

3.1 總體架構

針對海洋自然災害和海上突發事件給海洋經濟和海洋生產活動帶來的重要影響，設計一套海上應急通信系統，系統依托“天通一號”衛星移動通信系統，建立一套覆蓋整個海域的語音、數據業務傳輸網絡，為海上用戶提供短信、語音、數據回傳、用戶位置管理和跟蹤等業務[3]。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

根據應用需求分析，參照國內外類似系統的建設模式[4]，海上應急通信系統的構成可從天（衛星）、岸（海岸和島礁站點）、海（艦船）3個方面進行設計。①天基手段，利用“天通一號”自主衛星移動通信能力，為各類終端提供基本通信和常態化覆蓋；②岸基手段，部署于國內海岸、島礁、浮臺等既有固定站點，通過“天通一號”衛星實現站點周圍附近海域的常態化應急保障；③海基手段，部署在通用或專用艦船（大型試驗船/漁船）等移動站點，通過在東海、南海的機動部署，持久保障應急海區的通信能力。

3.2 系統特點

資源自主可控。保障突發緊急狀態下的大規模應急通信需求，可集中全部系統資源的20%針對特定區域進行重點保障。

安全可靠。從芯片、協議到核心系統和衛星完全自主，可以實現全方位的通信安全服務保障，滿足涉及國家安全的敏感信息傳輸要求。

高抗毀性。天通衛星移動通信系統使用同步衛星作為無線信號轉發器，可避免人為和自然因素破壞導致通信中斷。

互聯互通。既可以與PSTN、PLMN以及互聯網互聯互通，也可以定制專網服務與內部網絡互聯互通。

成本資費低。用戶無須建設和管理復雜的系統，只需購買終端和繳納較低的通信使用費用。

終端小型化。核心部件實現芯片化，終端功耗和體積大福減小，可實現手持、便攜等小型化終端類型。

3.3 終端設計

3.3.1 手持終端

手持終端機動部署在試驗船或漁船上，可提供天通、公網4G、北斗三種通信，支持語音、短信、低速數據等業務。根據應用場景及使用距離，終端可選擇通信模式，近海公網覆蓋良好區域可選擇公網4G模式；遠離海岸和海島的海區可選擇天通模式；通過北斗可實現各類船只的位置信息和軌跡跟蹤。

手持終端架構采用分層、模塊化設計，系統體系架構由高到低分為界面層、應用業務層、系統服務層及硬件適配層和硬件層[5]。終端體系架構如圖2所示。

圖2 手持終端系統體系架構

3.3.2 便攜終端

便攜終端部署在國內海岸、島礁、浮臺等既有固定站點，可提供天通、公網4G、北斗三種通信，支持語音、高/低速數據、視頻回傳等業務。根據應用場景及使用距離，終端可選擇通信模式，海岸公網覆蓋良好區域可選擇公網4G模式；島礁、浮臺可選擇天通模式。

便攜終端以應用處理單元為核心，配置天通通信處理模塊、LTE通信處理模塊、導航定位模塊、Wi-Fi芯片組、天線、傳感器、用戶接口、結構及附件等，在應用處理器中運行智能操作系統，通信業務、應用軟件等終端功能基于軟件集成框架設計，終端架構可以支持通信軟件、應用軟件和各硬件平臺獨立升級演進。終端體系架構如圖3所示。

圖3 便攜終端系統體系架構

3.3.3 船載終端

船載終端基于“天通一號”衛星移動系統，具備語音、短信、數據通信能力，同時集成北斗短報文通信，支持天通和北斗短報文通信雙模通信。船載終端配備動中通天線，可部署在試驗船等大型海上機動環境中。

船載終端由終端主機和動中通天線組成，終端通過數據線與用戶設備相連。船載終端主機由業務接入單元、通信及定位單元、外圍電路組成，業務接入單元由通用I/O、語音編解碼及信令模塊、以太網接入模塊組成；通信及定位單元由衛星移動通信模塊、北斗/GPS定位模塊組成；外圍電路由括主控及業務處理、電源管理、天線控制與接口組成。船載天線整體采用密封方案，可滿足室外環境應用，由天線單元、伺服控制單元、跟蹤接收機單元、功放單元、北斗單元、電源單元和慣導單元8個單元組成[6]。終端主機組成圖如4圖所示，動中通天線如圖5所示。

圖4 終端主機組成圖

圖5 動中通天線組成圖

4 示范應用及驗證測試

4.1 示范系統搭建

海上應急通信示范系統由天通終端（手持、便攜、船載）、信關站（中國電信負責運營）組成，根據使用地點選擇不同類型終端，依托某海上示范應用項目，選取海南三亞海域對本課題海上應急通信系統進行測試驗證。

在三亞海域附近選取島礁、浮臺、試驗船、漁船進行測試工作，在島礁/浮臺上安裝天通便攜終端、在試驗船上安裝天通船載終端、在漁船上安裝天通手持終端，通過“天通一號”衛星將語音、數據、用戶位置管理和跟蹤等信息傳輸至信關站，再通過地面專網傳輸至海洋信息服務中心。

4.2 測試條件及要求

系統測試條件及要求見表1。

表1 海上應急通信示范驗證測試記錄表

4.3 測試結果

通過在南海示范海域開展的海上應急通信示范驗證試驗，天通衛星移動通信系統在本試驗中尤其在地面公共4G移動網絡信號無覆蓋區域，可靠地提供了天通終端和地面公共電話網、天通終端和地面公共移動網之間的語音、短信、數據（最高384 kbps）通信能力，出色完成了測試驗證和通信保障。詳細測試項目和數據見表2。

5 結束語

天通衛星移動通信系統用戶頻段為S頻段，不受降雨雨衰影響，適合海上復雜環境應用。目前，“天通一號”衛星已發射01星、02星、03星三顆衛星，形成覆蓋亞太、印度洋和非洲的區域移動通信衛星網絡，滿足海上應急通信的覆蓋需求。天通衛星移動通信系統支持語音通信、雙向數據通信、雙向天通短信和北斗短報文通信、支持基于北斗的定位功能，滿足海上多業務應用、高質量傳輸的要求；同時天通手持終端、便攜終端和船載終端采用防水、抗鹽霧、高溫高濕環境適應性設計，具備海洋環境適應性，滿足海上應用環境要求。

綜上所述，天通衛星移動通信系統在使用頻段、衛星覆蓋范圍、傳輸業務種類以及環境條件等方面具備海上應用適應性。本課題可以解決中/遠海區域信息傳送、應用服務能力覆蓋不足的問題，為船基/岸基監控平臺的數據傳輸提供穩定、可靠、低成本的傳輸通道。■