現代通信技術在海上搜救中的應用

呂振肅, 劉忠學, 王連勝, 王良成

(①海南大學三亞學院,海南三亞 572022;②三亞海事局,海南 三亞 572022)

0 引言

遼闊的海洋占地球總面積的四分之三,每天都有成千上萬只不同類型、不同大小、不同任務的船泊航行在不同的海域中。由于海洋氣候條件的無常變化和突發事故等原因,在海上經常有船泊發生遇難。遇難者面對茫茫大海盼望得到救助,而及時發出和準確獲得遇難信息,也就是通信,是救援工作的關鍵。

海上通信可分常規通信和遇險與安全通信,搜救使用的主要是后者。海上搜救通信的基本功能是遇險報警、搜救協調和幫助定位[1-2]。由于海上環境的特殊性,海洋通信與陸地通信有很大不同：①海洋地域遼闊,注定了海上搜救通信必然是跨地區和跨國家的全球國際通信;②海上航行的船舶是一個運動載體,海上又沒有條件建立永久性通訊基站,因此,海上搜救通信只能采用無線的、移動的通訊方式;③海上通信條件惡劣,為了保證通信的可靠性,必須使用多種通訊方式和配備多種通信系統;④船舶遇險報警和搜救通常是一種緊急呼叫和一些簡單語言命令傳遞,因此,要求通信方式必須簡單、快捷、可靠和明了。

在各種海上救援系統中,GMDSS無疑是技術最全面、應用最廣泛、作用最顯著的系統。GMDSS是國際海事組織(IMO)利用現代化的通信技術改善海上遇險與安全通信,建立新的海上搜救通信程序,并用來進一步完善現行常規海上通信的一套龐大、綜合與全球性的通信搜救網絡。作為一種全新的搜救通信系統,由于引入了許多高新的技術和全新的內容,特別是引入了衛星通信,使得該系統能基本滿足船舶搜救和通信的需求。可以說 GMDSS在某種程度上代表了當今通信技術的發展水平[3-5]。

1 甚高頻(VHF)通信技術

VHF是海上救援最重要的通信方式,通常用來進行水上近距離無線電通信[6-8]。

甚高頻又稱超短波(米波),指波長為 10～1米,頻率在30～300 MHz之間的無線電波。正常情況下,這個頻段內的無線電信號基本上都是沿直線方式傳播,傳播的距離一般在100海里以內,實際正常范圍 30～50海里左右。VHF在四個海區中都采用。在 A 1海區進行船 -岸無線電通信、船-船駕駛臺之間通信和現場搜救作業通信。在A 2-A 4海區進行船 -船之間通信和現場搜救作業通信。VHF70頻道(VHF CH70)遇險安全數字選擇性呼叫(DSC)功能則在四個海區中都使用。

按照國際電信聯盟(ITU-R)規定,GMDSS占用 156～174MHz之間的 VHF頻段,其主要功能是水上常規通信和遇險安全報警通訊。前者包括海岸電臺和陸上電話網用戶之間的常規公眾通信;港口引航業務和船舶動態業務通信;船舶之間駕駛臺對駕駛臺的通信以及海上近距離搜救協調通信和搜救現場通信等。后者包括 VHF 60頻道(VHFCH16)遇險、安全值守功能和VHFCH 70遇險、緊急、安全 DSC呼叫功能。另外,近年投入使用的船舶自動識別系統(AIS)也工作在 VHF波段,AIS采用數字通信技術實現船位的自動播發和收集以及對附近船舶的監測。

VHF通信系統包括海上船舶裝載設備和陸上系統。根據 1988年 SOLAS公約修正案要求：海上船舶必須配備具有無線電話和 DSC功能的 VHF無線電通信設備(包括雙向VHF收發信機、DSC終端和 VHF CH 70信道 DSC值守機),船舶還應配備 2～3臺救生艇筏上使用的雙向VHF無線電話通信設備。對僅航行在 A 1海區的船舶還可以配備VHF CH70信道應急無線電示位標(EPIRB),用以代替衛星EPIRB實現遇險搜救。陸上系統通常由 VHF通信信息中心(RCC)、VHF通信控制分中心(RSC)和VHF岸臺組成。各VHF岸臺分別配置遙控型 VHF收發信機、天饋線系統、遙控設備和網絡設備(PCM)等;各通信控制分中心由轉接控制設備、DSC處理設備和網絡設備等組成。VHF岸臺與通信控制分中心通過網絡設備與數字傳輸線路連接,可采用同步數字體系(SDH)、電纜、微波等;RCC與各地區通信控制分中心的連接通過公用電信網聯接。

船用VHF有單工和雙工兩種通信方式：船舶間通信工作在同頻單工方式;船臺和岸臺間通信,或者是船臺經岸臺轉接到公眾通信網上用戶的通信使用雙工方式;船與岸之間為港口工作或船舶動態業務而進行的通信,可使用同頻單工方式,也可使用半雙工方式。VHF無線電話采用調相方式(G3E);VHF DSC呼叫采用利用副載波調制的單路調相自動報方式(G2B),DSC終端的調制解調器采用移頻鍵控(FSK)調制方式。

2 中/高頻(MF/HF)通信技術

MF/HF是海洋通訊和海上救援中使用歷史較長的一種傳統通信方式,目前在 A1以外海區的救援通信中仍占有重要地位。

中頻(MF)指波長為 1 000～100米,頻率在 300～3 000 kHz之間的無線電波。這個頻段內的無線電信號主要靠地波傳播,也伴有部分天波。白天靠地波,可傳播 200海里;夜間靠地波和天波,可傳播 400海里,主要用于海上中距離通訊業務。高頻(HF)又稱短波,指波長為 100～10米,頻率在 3～30 MHz之間的無線電波。這個頻段內的無線電信號主要靠電離層波(天波)傳播,傳輸距離可達數千公里,主要用于海上遠距離通信。

按照ITU-R規定,水上通信占用 435～526.5 k Hz,1.606 5～3.8MHz之間的 MF頻段和 3.155～27.5 MHz之間的HF頻段。MF/HF的主要功能是實現船到岸、岸到船、船到船的中距離和遠距離遇險報警和通信,緊急呼叫和通信,安全呼叫和通信,日常呼叫和通信,以及 MF/HF DSC遇險與安全的自動值守。要求MF設備能夠發送和接收 DSC、無線電話和窄帶直接印字電報(NBDP)。其中MF 2 187.5k Hz頻率專用在DSC值班接收機上進行遇險報警和安全呼叫;在2 182 kHz上使用無線電話進行遇險和安全通信,包括搜救協調通信和現場通信;2 174.5 kHz將用于NBDP的遇險和安全通信。HF主要用在船到岸和岸到船的遠距離通信中。特別是在A 4海區,高頻是唯一的遠距離通信手段。其中單邊帶抑制載波電話(SSB)最早服務于海上遠距離通訊,至今仍是海岸和船舶配備的主要短波電臺,用于遠距離的船舶遇險、緊急、安全通信的值守、呼叫及各類船岸無線電話業務聯系。

SOLAS公約規定航行在 A2海區的船舶必須配備帶有DSC的中頻無線電話設備和專用在 2 187.5 kHz頻率上的MF值班接收機。航行在 A 3、A 4海區的船舶除配備以上兩項外,還應配備 MF/HF DSC值守機,并要求在 DSC遇險安全呼叫頻率 2 187.5 kHz和 8 414.5 kHz上 24小時值守,另外還要在 DSC遇險安全呼叫頻率 4 207.5 kHz、6 312 k Hz、12 577k Hz和 16 804.5 kHz中的一個頻率上保持不間斷收聽,也可在這些頻率上全部掃描值守。A4海區船舶必須配備MF/HF帶有 DSC和 NBDP組合的無線電話與電傳設備,配備中頻/高頻 DSC掃描值班接收機。中、高頻海岸地面通信設備主要是MF/HF組合電臺,由MF/HF收發信機和其終端設備,包括無線電電傳終端、DSC終端以及無線電話等部分組成。MF/HF的傳輸、連網以及管理通常與 VHF岸臺放在一起。

組合電臺一般采用單邊帶的上邊帶通信,而不采用調幅制通信。無線電傳通信和 DSC呼叫在終端采用 FSK調制,在收發通道采用調頻(F1B)方式。在地面通信系統中,當發射MF/HF NBDP終端或 MF/HF DSC終端的信息時,發信機中采用的是 F1B或G2B工作種類。對 MF/HF電話終端,發信機的工作種類為G3E或單邊帶減載波電話(R3E)。GMDSS船舶的組合電臺在船與岸之間通信時一般采用半雙工工作方式,即船舶采用單工方式,海岸電臺采用雙工工作方式。而船臺與船臺之間通信通常采用的是單工工作方式。不論船岸間通信,還是船船間通信,船舶電臺一般采用單工工作方式。

另外,在MF頻段還負責播發海上航行安全信息(NAVTEX系統),NAVTEX是一種近距離廣播通信系統,工作頻率為 518 kHz,用英語以窄帶前向糾錯工作方式及時有效地向400海里范圍以內沿岸船舶播發有關航行警告,氣象警告、搜救信息、氣象預報及其它緊急的海上安全信息(MSI),以保證船舶航行的安全。航行在四個海區的船上都裝有 NAVTEX接收機,可自動接收和處理NAVTEX播發臺發射的本航行區域內的海上安全信息[9]。

3 衛星通信技術

衛星通信是 GMDSS的重要組成部分。GMDSS目前使用的海洋衛星通信有兩大系統：國際移動衛星組織(INMARSAT)系統和全球衛星搜救系統(COSPAS/SARSAT系統)。

INMARSAT成立于 1979年,建立初期宗旨是為海上用戶提供遇險安全通信和常規衛星通信服務,現已發展成為世界上唯一能為空中、陸地、水上各固定和移動終端提供全球、全天侯話音、傳真、圖像、數據通信業務和遇險安全通信業務的系統[10]。

INMARSAT系統主要由海事通信衛星、衛星控制中心(SOC)和測控站(TT＆C),網絡協調站(NCS)、網絡控制中心(NCC)以及海岸地球站(地面站LES)和船舶地球站 (移動站MES)組成。INMARSAT衛星控制中心設在倫敦 INMARSAT總部,它通過測控站負責對 INMARSAT衛星進行監測、協調和控制。INMARSAT在全球四個洋區都指定一個岸站兼作網絡協調站,負責對本洋區通信網的營運和管理。地面站是陸地網絡和移動終端的網關(接口),通過衛星和移動站進行通信,并為移動站提供國內或國際網絡通信的一個接口。

海事通信衛星采用的是定點于赤道上空 36000公里處的靜止軌道衛星,用四顆衛星將地球南北緯 76度之間的表面全部覆蓋。目前,INMARSAT共經營著11顆衛星,其中,海事第 2代星有 3顆,第 3代星有 5顆,第 4代星有 3顆。目前使用的是第三代衛星,設有一個全球波束轉發器和五個點波束轉發器,由于點波束和雙極化技術的引入,使得在第三代衛星上可以動態地進行功率和頻帶分配,從而大大提高了衛星信道資源的利用率。INMARSAT第 4代第 3顆衛星于2008年 8月 18日成功發射,并于 2009年 2月 24日完成全球覆蓋調整。INMARSAT正不停地更新改進其現有的通信衛星,以便為用戶提供更多、更好的服務。

INMARSAT先后開發了十多個系列的通信終端,包括Inmarsat-A、B、C(Mini-C)、D、E、M(Mini-M)、M4、F(F77、F55、F33)等。但能夠滿足海上遇險、安全和常規通信業務的主要是 A、B、C和F77系統。Inmarsat-A系統服務于 1982年,20多年來一直是遠洋運輸船舶、大型油輪及客輪移動通信的主要手段,曾經為海上移動通信作出很大的貢獻,但隨著通信技術的發展,A標準于 2007年 12月 31日退出歷史舞臺。Inmarsat-B于 1993年提供服務,它是 Inmarsat-A的數字接替產品之一,提供所有與A系統相同但有所增強的服務。Inmarsat-C系統是純數據通信系統,是GMDSS要求船舶必備的設備之一。C系統除提供普通的電傳、數據、文字傳真外,還有許多諸如增強群呼安全網,車、船管理網,遙測、遙控和數據采集,以及遇險報警等。有多種型號 C終端可與全球定位系統(GPS)綜合在一起作為船舶定時位置報告手段。Inmarsat-F77設備使用了目前世界上最先進的技術,其業務不但可提供滿足 GMDSS要求的海上遇險、緊急、安全和常規電話通信業務,還可以提供高速數據傳輸業務。同時,F77提供的移動綜合業務數字網(IDSN)和移動包交換數據(MPDS)業務可以使F77船站方便地接人到國際互聯網,并與寬帶網業務兼容。

另外,增強群呼(EGC)也是INMARSAT的一項海上安全服務業務,具有和NAVTEX系統相同的功能。EGC系統通過海事衛星向固定海域、臨時劃定區域的船舶群或所有船舶提供全球統一的自動海上安全信息衛星廣播業務,它彌補了NAVTEX的空白,保證 NAVTEX岸臺覆蓋不到的遠海域、沒有能力建立 NAVTEX業務或由于船舶密度太低而不開放NAVTEX業務的沿海水域也能接收到海上安全信息。

COSPAS/SARSAT系統是一個國際性衛星輔助搜救系統。為世界上所有負責海上、空中和陸地搜救行動的組織提供服務,主要功能是無線電定位。該系統由衛星、EPIRB、區域用戶終端(LUT)和任務控制中心(MCC)組成,其工作頻率為 121.5MHz、243MHz、406MHZ。系統目前使用四顆低高度極軌道衛星,提供全球包括兩極區域在內的船對岸遇險報警服務。GMDSS系統要求航行于四個海區的船舶必須配備406MHz自浮式衛星應急無線電示位標。EPIRB在遇險時可人工或自動啟動,發出包括本船識別碼在內的遇險報警信息,當極軌道衛星通過時,由衛星轉發器接收處理和中繼后轉發到地面上的區域用戶終端,然后通過陸上公眾交換網或專用線路通知任務控制中心和有關的搜救協調中心,完成船對岸的遇險報警。

4 雷達尋位技術

在 GMDSS中,搜救雷達應答器(SART)屬于尋位設備,其工作頻率為 9GHz,是對遇險船舶或其救生艇筏進行尋位的主要手段。GMDSS要求航行于四個海區的船舶必須配備兩臺搜救雷達應答器。當發生海難事故時,搜救雷達應答器人工開啟,進入待命狀態,當應答器接收到搜索與營救船舶或飛機上的9GHz波段雷達發來的掃描信號后,通過天線發出信號,該信號被雷達接收,在其顯示器的熒光屏上顯示出由一系列光點組成的信號。根據這獨特的信號,搜救者可判斷出遇險船舶或救生艇,或遇險幸存者所在的位置,進行營救。

5 結語

GMDSS實施已經快 20年了,通過 SOLAS公約的不斷修正,其要求越來越高,功能越來越完善,技術也越來越先進。作為一種全球性的海上無線電通信系統,GMDSS的實施和運行無疑對海上船舶安全航行和遇險救助產生了巨大影響,因而受到世界各國的普遍響應和遵守。但是從現代通信與信息技術的發展水平看,GMDSS在新技術應用方面還存在一定的滯后,有許多陸地上已經應用成熟的信息技術需要進一步向海上推廣,更有許多適合海上應用的現代通信技術需要研究與開發。

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[3]楊永康,毛奇凰.海上無線電通信[M].第 2版.北京：人民交通出版社,2009.

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[9]張洪全,王曉蕾,劉鑫.新型 NAVTEX系統岸臺配置的研究[J].通信技術,2009,42(02)：235-237.

[10]王海峰.基于全球區域網絡的通信系統設計[J].通信技術,2010,43(05)：132-134.