船載應急通信技術(shù)研究及系統(tǒng)驗證

譚奇坤 金上璽

摘要：文章研究了海上應急通信技術(shù)，探討了構(gòu)建我國船載應急通信系統(tǒng)所需關(guān)鍵技術(shù)。首先，對海上應急通信的技術(shù)現(xiàn)狀進行了分析；然后介紹了船載應急通信中的無線電通信技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、應急感知技術(shù)及應急通信調(diào)度技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，提出了船載應急通信系統(tǒng)設(shè)計方案以及通信載荷模塊化設(shè)計思路；最后，通過試驗驗證該船載應急通信系統(tǒng)的可行性和有效性。研究結(jié)果表明船載應急通信系統(tǒng)滿足海上應急通信的需求，可與岸基的應急通信系統(tǒng)配合形成“空天地?！钡囊惑w化應急通信方案。

關(guān)鍵詞：海上應急通信；海上遇險搜救；海上通信感知；穩(wěn)定平臺；GMDSS；船載通信技術(shù)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.005

中圖分類號：TN 92，TP 311.1，TP 393.09? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-00-03

海上應急通信場景具有時間突發(fā)性、地點不確定性、容量需求不確定性、信息多樣性以及環(huán)境復雜性等特點，海上應急通信效率及通信的可靠性直接影響到待救援人員的生命和財產(chǎn)安全。本文通過探討海上應急通信現(xiàn)狀，對船載應急通信及關(guān)鍵技術(shù)進行研究，開展船載應急通信系統(tǒng)設(shè)計，并對船載應急通信系統(tǒng)進行驗證。

1? ?海上應急通信技術(shù)現(xiàn)狀

國際海事組織（IMO）建立了GMDSS海上全球性的通信搜救系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)主要由衛(wèi)星通信系統(tǒng)——INMARSAT（海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)）和COS_PAS SARSAT（極地軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)）、地面無線電通信系統(tǒng)（即海岸電臺）以及海上安全信息播發(fā)系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。GMDSS作為遇險報警、協(xié)調(diào)平臺及常規(guī)通信平臺，其現(xiàn)場通信依賴于VHF/HF/MF無線電岸臺、船臺，作用范圍受限且受干擾影響大，難以體系化地發(fā)揮作用[2]。中國加入國際海事組織的SOLAS公約后，沿用其海上應急通信技術(shù)，尚未形成自主完整的海洋應急通信體系。

2? ?船載應急通信關(guān)鍵技術(shù)

文獻[3]就海上應急通信技術(shù)提出了“空天地?！币惑w化應急通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想，將天基、空基、陸基、海基網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合在一起，構(gòu)成海上應急通信網(wǎng)絡(luò)，主要包括衛(wèi)星通信、短波/超短波通信、移動通信、可見光通信、水下通信等。

2.1 應急通信技術(shù)

船載應急通信技術(shù)須適應海洋環(huán)境、具備應急通信能力，其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾方面。

（1）衛(wèi)星通信技術(shù)。利用衛(wèi)星通信技術(shù)建立穩(wěn)定的回岸鏈路，使船岸間保持可靠的通信。衛(wèi)星通信應依托國內(nèi)天通一號及其他衛(wèi)星資源構(gòu)建應急通信系統(tǒng)[4]。

（2）地面微波通信技術(shù)。微波通信頻帶寬、容量大，可用于衛(wèi)星回岸備份鏈路。

（3）地面MF/HF/VHF通信技術(shù)。船舶按航行海區(qū)要求配置通信電臺，具有發(fā)送和接收船岸、船船的遇險報警、搜救協(xié)調(diào)、救助現(xiàn)場通信功能。

（4）LTE移動通信技術(shù)。救助現(xiàn)場的大容量無線通信覆蓋功能。

2.2 應急感知技術(shù)

應急感知技術(shù)是船載應急通信技術(shù)中感知船舶位置、接收船舶報警的綜合性通信技術(shù)，包括以下幾種。

（1）AIS。集通信、網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)于一體的新型海上安全信息與助航系統(tǒng)。

（2）SOS。海上應急通信一鍵呼救技術(shù)，補充基于短波、超短波的示位標功能。

（3）北斗短報文應急通信。

（4）NBIoT。窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，支持海上無人平臺低帶寬、大容量接入。

2.3 應急通信調(diào)度

可視化指揮調(diào)度技術(shù)綜合利用各類通信指揮功能，實現(xiàn)船岸間現(xiàn)場實時畫面共享，解決應急通信開展時“看不見、聽不清”的難題。文獻[5]提出多模融合構(gòu)建海上寬帶通信與信息服務系統(tǒng)平臺，為海上公務船提供高速及穩(wěn)定的服務[6]。

3? ?船載應急通信系統(tǒng)設(shè)計

船載應急通信系統(tǒng)具備快速應急響應能力，多模通信能力。文獻[7]提出應急通信船系統(tǒng)，為現(xiàn)場救援提供通信支撐平臺。文獻[8]提出基于無人艇組建LTE網(wǎng)絡(luò)的海上應急通信系統(tǒng)，但無人艇在高海況下生存能力弱。

3.1 船載應急通信系統(tǒng)架構(gòu)

船載應急通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星通信子系統(tǒng)、地面微波通信子系統(tǒng)、地面MF/VHF/HF通信子系統(tǒng)、地面岸基指揮調(diào)度子系統(tǒng)、船舶平臺、通信方艙。船載應急通信系統(tǒng)中各子系統(tǒng)可靈活搭配，形成不同的應急通信方案。

（1）衛(wèi)星通信子系統(tǒng)。靈活選用海事衛(wèi)星、Ku衛(wèi)通、Ka衛(wèi)通、天通一號或低軌衛(wèi)星。

（2）微波通信子系統(tǒng)。在離岸100 km內(nèi)，可選用微波通信方式。

（3）MF/HF/VHF子系統(tǒng)。根據(jù)海區(qū)選用不同的通信電臺。

（4）船舶平臺。選擇具備平直甲板的通用船舶、漁船、公務船或?qū)Ｓ么暗取?/p>

（5）通信方艙。依據(jù)信號覆蓋距離選用系留無人機通信方艙搭載AIS/LTE/SOS/微波通信載荷、系留氣球通信方艙搭載AIS/LTE/SOS/微波通信載荷、綜合通信方艙搭載AIS/LTE/SOS/微波/衛(wèi)星通信載荷。通信方艙具備能源自供給、平板運輸、吊裝能力。

3.2 船載應急通信系統(tǒng)功能

船載應急通信系統(tǒng)面向多種海上應急任務場景，通過通信方艙的快速吊裝實現(xiàn)應急通信功能，具體包括以下方面。

（1）海域無線覆蓋增強。利用系留氣球方艙及系留無人機方艙提供的無人升空平臺，擴大海域無線覆蓋范圍。

（2）岸基互聯(lián)。通過衛(wèi)星通信鏈路或微波視距通信設(shè)備實現(xiàn)船載應急通信系統(tǒng)與岸基通信系統(tǒng)互聯(lián)，近岸時采用微波鏈路，中遠海采用衛(wèi)星鏈路；

（3）感知數(shù)據(jù)采集。采用大區(qū)域NBIoT無線接入技術(shù)對應急海域各類海上無人探測平臺、船舶提供信息接入服務。

（4）多媒體調(diào)度。搭載船舶作為臨時指揮調(diào)度中心進行應急通信指揮調(diào)度。

（5）海上AIS避碰信號搜集。收集海上船舶的AIS信號，建立應急搜救船舶信息數(shù)據(jù)庫。

（6）海上遇險求救（SOS）功能。接收海上遇險求救信號功能。

4? ?應急通信方艙設(shè)計

應急通信方艙采用通用船舶、漁船或?qū)Ｓ么白鳛榇钶d平臺，采用平板車及集裝箱車作為運輸平臺，集成通信載荷，應急通信方艙設(shè)計包括以下5個方面。

（1）方艙艙體設(shè)計。方艙艙體尺寸為標準40英尺平底集裝箱，艙體適應高鹽、高濕、振動等海洋環(huán)境；艙體布局分為載荷艙、工作艙及設(shè)備艙三部分。

（2）載荷艙及通信載荷設(shè)計。可搭載衛(wèi)星收發(fā)單元、LTE基站、微波收發(fā)單元、AIS收發(fā)單元及SOS收發(fā)單元。根據(jù)搭載通信載荷種類設(shè)計通用方艙、系留無人機方艙及系留氣球方艙，設(shè)計天線穩(wěn)定平臺及升降平臺。

（3）工作艙及指揮調(diào)度設(shè)計。具備視頻接入、語音對講、態(tài)勢查看等功能。

（4）能源設(shè)計。具備多余度能源方案接入市電、船電，配備柴油發(fā)電設(shè)備。

（5）裝船設(shè)計。通信方艙與搭載船舶之間的電話、網(wǎng)絡(luò)及電源接口設(shè)計。

5? ?船載應急通信系統(tǒng)驗證

通過開展陸上試驗、系泊試驗及海上航行試驗，全面驗證船載應急通信系統(tǒng)的功能及性能[9]。陸上試驗及系泊試驗驗證應急通信方艙之間的通聯(lián)關(guān)系，海上航行試驗驗證海上應急通信能力。

海上航行試驗選定舟山東極島附近的試驗海域（如圖2所示），P6、P7、P8、P9四點坐標分別是：29°2.685'N 122°37.530'E；30°4.075'N 123°0.405'E；30°5.001'N 124°3.787'E；29°2.218'N 123°42.363'E；試驗海域平均水深為56米，平均風速為5.9 m/s，白天平均溫度為27.5℃，流速為0.1 m/s。兩艘測試船1#和2#及一艘配試船3#參與海上航行試驗，試驗科目見表1。

試驗結(jié)果分析如下。

（1）船載應急通信系統(tǒng)具備快速機動、綜合應急通信功能。

（2）衛(wèi)星跟蹤能力強，衛(wèi)星通信信號及質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）VHF/HF電臺離岸一定距離后通信不暢，部分位置存在通信盲區(qū)。

（4）受海浪橫、縱搖影響，船載LTE通信天線主波束產(chǎn)生差異偏離，在高海況上頻繁發(fā)生通信中斷現(xiàn)象，LTE天線穩(wěn)定平臺設(shè)計需優(yōu)化。

（5）近岸LTE語音通信受公網(wǎng)通信干擾質(zhì)量差，離岸20 km后通信質(zhì)量較好。

6? ?結(jié)束語

本文旨在探究船載應急通信技術(shù)及系統(tǒng)的設(shè)計和應用，通過對應急通信現(xiàn)狀和技術(shù)的分析，選擇適合船載應急通信的無線電通信技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù)，模塊化構(gòu)建應急通信系統(tǒng)并提出了船載應急通信系統(tǒng)設(shè)計方案。通過海上航行試驗驗證船載應急通信技術(shù)和系統(tǒng)的設(shè)計具有可快速部署到指定海域能力，通信載荷滿足性能設(shè)計要求，在測試中發(fā)現(xiàn)海上通信時存在的一些局限性，這些問題需要進一步研究和改進，我們將繼續(xù)探索更加優(yōu)化的船載應急通信技術(shù)系統(tǒng)，以推動船載應急通信技術(shù)的發(fā)展和應用。

參考文獻

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