某新型海洋指揮船無線通信一體化系統設計

張倩萍 楊禮文 蘇珍莉

摘? ? 要：傳統無線電設備（如VHF、MF/HF）僅能實現語言功能傳輸，而為了增強海上執法部門海上可視化指揮能力，本文以新一代海洋指揮船為主體，系統論證無線通信一體化系統的總體構架和設計方案，綜合利用衛星通信船載終端、4G/5G無線通信、視頻會議、單兵背負圖傳終端等系統豐富指揮船的通信手段，實現指揮船與陸地指揮中心之間的高速音頻通信等業務功能。

關鍵詞：無線通信系統；信息化；指揮

中圖分類號：U665.26 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Design of New Wireless Communication Integrated System

for a Marine Command Ship

ZHANG Qianping1，? YANG Liwen2，? SU Zhenli1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;? 2. Unit 4805 Factory of PLA， Ningbo 315700 ）

Abstract： Traditional radio equipment （VHF， MF/HF） can only achieve language function transmission. In order to enhance the sea visual command capability of maritime law enforcement departments， this paper takes a new type of marine command ship as an example， systematically demonstrates the overall? framework， design scheme and installation of wireless communication integration system， and makes comprehensive use of VSAT satellite communication， 4G/5G wireless communication， audio and video conferencing， individual soldier image transmission and other systems to enrich the communication means of command ship， so as to achieve high speed audio and video communication between the command ship and the land command center and other business functions.

Key words： wireless communication systems;? informatization;? command

1? ? ?前言

隨著陸用資源的日益匱乏，各國開始爭奪海上資源，海洋經濟蓬勃發展。然而海上安全和治安形勢也隨之日漸嚴峻。傳統指揮船的無線電通信設備通常按照法規配備，適用于航行安全和緊急遇險求助，且僅為語音數據傳輸[1]。面對日趨復雜的海洋環境，需研發出新一代海洋指揮船，承擔起海域范圍內全方位管控、海上維權和執法過程信息收集責任，并通過建立起“船-岸”一體化指揮系統和艇隊之間聯合通信的無線通信系統來提升指揮船的自動化和信息化水平。

2? ? ?無線通信系統發展現狀

目前全國海洋綜合執法部門分為北京主控站和各省市支隊級以上單位的指揮中心。陸地職能部門通過專網、專線等局域網拓撲結構，具備初級信息化指揮能力。而各級執法單位之間信息化指揮中心通信指揮和協調調度溝通機制體系相差甚遠。

對于執行任務一線裝備，雖然具備基礎的通信手段，但通信能力較弱。例如，短波通信設備受環境影響較大，可用信道較少，頻段窄，抗干擾能力差，通聯效率低。而超短波通信設備覆蓋面較小，互相之間不能通聯。執行任務時無可靠便捷設備進行現場過程記錄，缺乏強有力的證據對非法行為進行制裁。

對于任務頂層決策機構的主控站，無法第一時間接受到前線的任務執行狀況，缺乏一定的趨勢預判和可視化指揮能力，綜合資源利用率低，未形成統一標準化溝通機制。

因此加強無線通信一體化系統建設，直接影響到海上執法維權效率、反應速度和綜合調配能力。本系統合理利用VSAT衛星通信、4G/5G無線通信、視頻會議、單兵背負圖傳終端等豐富指揮通信手段，可實現指揮船與協同船、指揮船與陸地指揮中心、指揮船與主控站之間等多邊高速音視頻通信業務功能。

3? ? ?系統總體架構

本船無線通信系統設計針對海洋指揮船的任務需求，利用已有資源確定系統規模。采用可靠性高的設備，充分考慮數據信息安全，基礎硬件建設與高效便捷軟件相結合，實現船艇航行任務狀態監視、綜合數據收集及處理、基礎業務辦理等信息服務功能，實現頂層決策機構與一線裝備之間低偏差、低延時的“指揮——執行”雙向通信模式。

基于以上設計理念，本系統主要由VSAT衛星通信指揮系統、4G/5G無線通信系統、Wi-Fi系統、單兵背負圖傳終端和監管指揮系統等組成，系統總體架構如圖1所示。

船載部分包括五個部分：

1）安裝船載VSAT衛星通信系統。在沒有4G/5G網絡信號覆蓋的海域，指揮船可以利用衛星通信鏈路實現與主控站、指揮中心之間的數據通信；

2）安裝船載4G/5G無線通信系統。在有4G/5G網絡信號覆蓋的海域，執法船上所有通信數據業務系統可以利用4G/5G鏈路傳輸數據，與協同船、指揮中心通信；

3）安裝Wi-Fi系統。利用船載4G/5G路由器及信號放大器實現執法船內的Wi-Fi覆蓋；

4）安裝單兵背負圖傳終端。在指揮船無法抵達的海域，可利用單兵乘坐小艇的方式進行現場視頻采集，并通過單兵背負圖傳終端傳輸視頻圖像，且可利用硬盤錄像機實現對視頻的處理和存儲；

5）安裝監管指揮系統。其中包含巡航綜合執法系統、海上救助指揮系統和視頻會議系統。指揮船可與指揮中心、直屬支隊以及其它執法船之間召開雙方或者多方高清音視頻會議。

陸地指揮中心和主控站部分包括需配套安裝以上設備的管理系統，實現船——岸高速音視頻通信、指揮通信等業務。

4? ? 設計方案

4.1? 無線通信鏈路設計

1）VSAT衛星通信系統

目前衛星頻段分為Ka、Ku和C波段。在全球3大無線電區域內，為了合理使用頻帶，國家電信聯盟將其安裝各種衛星業務進行劃分，但相同業務在不同的區域也存在使用不同的頻段衛星業務[2]。各頻段實現主要業務如下表1所示。

根據本船任務作用海域，VSAT衛星通信系統采用可覆蓋我國全境、周邊海域以及南海全海域的中星12號衛星Ku頻段實現。船載VSAT衛星通信系統可接入指揮中心現有衛星網，實現與網內各節點的互聯互通。船載動中通用于接收和發射Ku頻段衛星信號，其天線伺服系統基于激光陀螺慣性導航技術，能夠保證船舶在航行中準確對準衛星，極大降低惡劣氣候和海浪條件下對通信業務的影響。

衛星調制解調器負責衛星通信基帶信號的處理，能夠解調前向鏈路的DVB-S2信號，并解析、過濾出帶有自身標識的信令和業務信息。信令信息用于主控站的同步追蹤，資源分配的獲取等；業務信息發送至相應終端處理操作。對待發送的業務信息，衛星路由負責信號的調制，并以突發的方式在分配的信道和時隙資源上發送回傳信號。

具體功能要求及技術指標及功能如下：

（1）衛星信號需直接落地到衛星地面站，并能利用衛星專網等方式進入岸端內網，以滿足船舶通信業務的需求；

（2）支持全方位、全天候的保障應急網及公共信息網和專網寬帶衛星通信接入；

（3）支持點對點傳輸話音、數據和視頻業務；

（4）支持 Qos 管理，緊急優先；

（5）可自動調節發射功率保證雙向鏈路穩定工作；

（6）帶寬不少于 2 Mbps，滿足本船航區要求。

2）4G/5G無線通信系統

4G的頻譜根據規范TS38.104（V15.0.0版）定義，三大運營商有略微的區別，但常用頻譜范圍集中在2300-2390 Hz之間[3]。

5G的頻譜根據3GPP R15版本定義為FR1和FR2范圍，其中FR1范圍（450 MH-6G Hz）為目前的主營頻譜，具有低頻率、覆蓋范圍廣、傳輸速度快等優點。

本船4G/5G無線通信系統結合4G/5G多卡聚合通信手段，無需有線網絡連接，僅需一張4G/5G流量卡在公網4G/5G信號覆蓋的地方即可提供WIFI和網口上網，實現船與指揮中心視頻會議。只需在船舶上部署室外4G/5G天線、5G路由器，便可實現整船視頻會議、Wi-Fi上網及移動電話通信。

具體技術指標如下：

（1）頻率范圍：698 MHz-269 MHz；

（2）增益：12 dBi；

（3）電壓駐波比≤1.5。

3）Wi-Fi系統

本方案配置了路由器，在有4G/5G信號覆蓋區域，可直接利用4G/5G信號向指揮船提供Wi-Fi信號覆蓋。當在沒有4G/5G信號覆蓋的海域上，可利用衛星通信鏈路提供Wi-Fi信號覆蓋。 室內設置無線AP模塊，由AC控制器監控和管理接入用戶。

具體技術指標如下：

（1）支持網絡類型：LTE，TD-SCDMA，UMTS；

（2）接口包括電源接口、標準SIM卡接口、千兆自適應網口以及4 G天線接口。

4）單兵背負圖傳終端系統

在執法船無法抵達某些海域的情況下，需要利用小型執法艇等進行輔助執法。為了提高指揮船的移動態勢獲取能力和任務處理風險等級判斷，單兵無線圖傳系統可實現現場態勢的采集和實時回傳。

單兵背負圖傳終端子系統由船載接收機、單兵背負發射機、便攜式DV攝錄機、耳機、麥克風等通信附件組成。

無線接收單元安置于衛星寬帶機柜內，天線安裝于羅經甲板上，便攜式無線發射單元與便攜式DV可隨行沖鋒舟，便于采集數據、圖像。

單兵背負圖傳終端是在一定范圍內可以通過自組網模式實現數據、圖像傳輸，其工作頻段按照傳輸內容劃分，如表2所示。

具體功能考慮如下：

（1）高清模式下視距半徑范圍；

（2）高速移動時的傳輸延時要求。

4.2? ?配套監管指揮系統設計

為了提升管理的高效性與便捷性，實現對船艇態勢和狀態信息的監測和管控，結合任務需求和硬件建設，配套設計一套監管指揮系統軟件。具體功能要求如下：

1）巡航綜合執法：日常巡航執法包括海上巡視、海上安全監督管理、船舶秩序維護、航行安全信息發布、海上事故調查、海上維權等。當岸基數據中心接收到 值守人員巡航突發狀況報告時，可以立即調用船岸一體化管理系統對巡航現場情況進行同步查看，并聯動統一通信。在內網安全環境下，通過平臺嵌入的AIS、 岸基數據及電子海圖，結合船載系統獲得的預警信息、區域態勢、船舶動態、取證信息等功能，直接進行相關船只的調配，人員支援調動的下令，還原巡航現場的情形狀況，快速配合指揮中心進行指令下達，實現巡航現場的可觀、可估、可判、可追溯；

2）海上救助指揮：為提高船舶碰撞、人員落水等各種應急搜救等指揮能力，系統可根據現場數據和歷史應急指揮知識庫，自動提供應急預案，為指揮人員提供輔助決策。系統以電子海圖及各種圖形化工具為基礎，接入 AIS 信息，顯示相關船舶，提供高度便捷的、可操作的人機交互系統。同時，提供船—岸、船—船之間高度融合的通信系統，提高遠程指揮能力。在應急指揮任務結束之后，可以對指揮過程中的重要信息進行歷史回放；

3）視頻會議：基于衛星通信網和無線網進行構建，在無線網可覆蓋的地方，通過無線網通信鏈路開展視頻會議；在無線網無法覆蓋的地方，通過衛星通信鏈路接入現指揮中心衛星網，對采集到的音視頻信號壓縮編碼，用語音網關提供8路FXS口的VOIP通道，將轉換的數字信號打成IP包發送出去。接收IP包并解碼后還原為模擬視頻信號，通過顯示器輸出顯示，將決策部署可視化，實現與指揮中心及系統內其他網絡節點之間的視頻會議開展。

5? ? 結語

該型船無線通信一體化系統，通過地面專線將主控站與指揮中心相連接，由“單兵背負圖傳終端—船載衛星通信—主控站”和“單兵背負圖傳終端—船載4G/5G無線通信系統—指揮中心—主控站”這兩條無線通信通道，實現海洋指揮船“船—岸”通信，提高了岸基指揮中心對艇隊的監管指揮能力。后續船加入編隊也只需增加相應衛星通信設備即可實現“船—船”間協同通信和資源共享，而各級單位的指揮中心僅需更新相應管理系統軟件即可實現“主控站—指揮中心—船艇”等多邊互聯互通。

參考文獻

[1] 王棟.科考船船岸一體化網絡設計及發展趨勢[J].船舶， 2017 （S1）.

[2] 張忠強. INMARSAT-5代星Ka頻段 Global Xpress [J]. 信息通信，?2013 （04）.

[3] 孫星，嚴新平，初秀民等.基于船標岸一體化技術的內河信息服務關鍵技術研究[J].交通信息與安全， 2012 （04）.

基金項目：中國船舶集團有限公司綜合導航系統（INS）研制項目（202130ZZ）

作者簡介：張倩萍（1992- ），女，工程師。主要從事船舶電氣設計工作。

楊禮文（1987- ），男，工程師。主要從事船舶電氣維修工作。

收稿日期：2022-12-02