“空天地?！币惑w化的海上應急通信網絡技術綜述

林彬 張治強 韓曉玲 劉琳 劉振秋 車雨笛

【摘 ?要】

隨著航運業的不斷發展，現有的海上應急通信技術資源分散，已經難以應對復雜的海上緊急情況?；诙嗤ㄐ牌脚_融合，“空天地?！币惑w化的海上應急通信網絡應運而生。介紹了海上應急通信研究背景、意義及發展現狀，闡述了天基、空基、岸基、?；ㄐ攀侄渭捌湓诤Ｉ蠎蓖ㄐ胖械膽?，最后對海上應急通信技術的發展前景進行了展望。海上應急通信將成為“空天地?！币惑w化通信網絡的重要應用領域，實現快速高效的海上救助和通信接入，對建設“海洋強國”發揮重要作用。

【關鍵詞】海上應急通信;“空天地海”一體化;GMDSS;海上救援

0 ? 引言

隨著“一帶一路”倡議和“海洋強國”戰略的提出，堅持海陸統籌，進一步加快海洋科技創新步伐，開拓海上經濟帶成為我國經濟增長新的著力點。目前，我國海上運輸船舶數量及從事水上工作的人員迅速增長，而海難事故也經常發生，海上搜救任務日益繁重。海上應急通信是指在海上突發緊急情況或海洋自然災害時，綜合利用各種通信資源，提供緊急救助和必要信息數據傳輸的通信方法與手段。不同于陸地應急通信保障，海上應急通信保障通常需要面對海上基礎通信設施缺乏、海上工況環境惡劣等不利條件，通常具有事發突然、應急響應窗口短、后果嚴重等特點，因此海上應急通信保障要求相對較高。這也增加了建立全球覆蓋、重點部署、持續保障的海上應急通信體系的緊迫性[1]。

為了保障海上航行安全，IMO（International Maritime Organization，國際海事組織）提出的GMDSS（Global Maritime Distress and Safety System，全球海上遇險與安全系統），用于海上遇險、安全和日常通信的海上無線電通信系統。由國際移動衛星通信系統、低極軌道搜尋救助衛星系統和甚高頻（VHF）、中/高頻（MF/HF）地面頻率通信系統等組成，具有遇險報警、搜救協調通信、救助現場通信、海上安全信息播發、尋位、日常通信以及駕駛臺對駕駛臺安全避讓通信等功能。

海上應急通信網絡的建設是海上搜救系統的重要組成部分，是保證搜救快速準確的前提，而建立健全“空天地海”一體化體系更是構建海上應急通信網的基礎。將天基、空基、陸基、?；W絡聯合在一起，構成了海上應急通信網絡，如圖1所示，互通互聯，可實現信息及時有效地傳輸，利用數據基準與協同感知探測、廣域動態多源信息智能化處理等一系列關鍵技術，可以推動“空天地海”一體化在海上應急場景的實際應用。

隨著各項關鍵技術的發展，“空天地?！币惑w化應急通信網絡建設可分為幾個方面：（1）將地面系統與非地面系統相互融合。設計開放、安全的網關接口，實現網絡互聯，逐步優化非地面網絡的時延和傳輸成本。（2）將不同軌道高度的衛星統一規劃，實現組網通信。采用與地面網絡相似的架構模式和關鍵技術，通過共享產業鏈，提高“空天地?！币惑w化的組網效率，為遇險船只提供可靠的服務。（3）實現空天地海通信網絡設備和計算處理能力的復用共享。通過設備模塊化、計算處理云化、引入區塊鏈等技術，進一步減少海上應急救援的成本消耗[2] ，為海上應急提供網絡技術支撐。

進入21世紀后，無線、寬帶、泛在、融合、立體的網絡技術飛速發展，為信息共享、互聯互通、統一指揮、協調配合的海上應急通信平臺建設賦能。綜合運用大數據、云計算、AI（Artificial Intelligence，人工智能）、衛星通信、多媒體通信、移動通信等先進技術，融合天基、空基、岸基、?；喾N平臺，構建了“空天地?！币惑w化的應急通信網絡架構?！翱仗斓睾！币惑w化網絡在本質上是一個分層的異構體系結構，各種組網技術通過有效的互聯，互補來提供服務[3]。以衛星和岸基基站為網絡框架，結合多種海上和空中應用平臺，實現多元接入。“空天地?！彼奈灰惑w化通信體系將實現多平臺整體應急資源規劃和協同服務。

1 ? ?天基通信手段

無線通信系統作為現代通信系統的重要組成部分，在海洋建設應用中處于舉足輕重的地位，而天基通信系統作為海洋通信的主要手段，也逐漸受到更多的重視。它充分利用衛星傳輸距離長大以及組網靈活、高效的特點[4]，通過移動衛星節點、地面節點和空中節點間的組網與互聯，實現面向全球的高效、可靠通信。

地球海域遼闊，相比于傳統的海上無線電通信方式，衛星通信不會受到海上天氣條件影響，被認為是最有效的海上通信手段[5]。多個國家都在積極研發可以實現全球無縫覆蓋的衛星通信系統，以增強海上船舶和人員的通信能力。如海上發生險情，可為海基、空基應用平臺和救援人員提供即時的應急通信連接，將遇險信息準確傳達到救援部門以便實施搜救，保障人身財產安全。

1.1 ?現代衛星通信系統在海上應急通信中的應用

目前，全球大多數通信衛星主要以地球同步軌道衛星為主，覆蓋范圍廣、位置相對穩定、可以確保提供連續服務，但隨著軌道空間日漸擁擠、衛星傳輸時延大等問題的不斷暴露以及蜂窩通信、多址、點波束等小衛星技術的發展，低軌衛星逐漸加入到天基通信系統的應用行列，其軌道高度低、傳輸時延短、路徑損耗小、頻率復用更有效。多個國家相繼推出規模龐大的低軌衛星系統方案，如摩托羅拉公司的銥星系統和美國SpaceX公司的星鏈計劃;我國正在建設的鴻雁、虹云星座和2020年7月開通的北斗三號衛星導航系統（由低軌衛星和地球同步軌道衛星共同組成）等，如表1和表2所示。完全部署的低軌衛星星座系統將實現全球全覆蓋，為海上用戶提供應急移動通信、寬帶接入、導航增強等服務[6]。

國外主要衛星通信系統如表1所示。

國內主要衛星通信系統如表2所示。

1.2 ? 面向海上應急的GMDSS衛星通信系統現代化

自1992年GMDSS采用Inmarsat系統投入使用至今，Inmarsat衛星共經歷了四代更新，在傳統電路交換技術基礎上增加了數據分組交換技術，并已實現寬帶通信業務，在海上救援協調中心、船和岸之間提供可靠的信息傳輸。同時為了更好地保障海上人身和財產安全，IMO在各成員國一致認可下發布《SOLAS公約》，規定國際航行的船舶及300總噸以上的貨船都必須配備已授權的GMDSS衛星通信系統終端設備，確保船舶遇險時能及時發送遇險和求救信息。目前全球化大勢所趨，IMO也在不斷對GMDSS進行現代化完善，引入信息化和數字化通信技術，提高通信速度及通信系統的有效性和準確性。GMDSS現代化是海上通信領域轉型進入“海上互相網時代”關鍵戰略，是我們面臨的重要機遇及挑戰，我國也要緊緊抓住當前這個戰略機遇，持續跟蹤國際海事組織GMDSS現代化進程，建立以需求為導向的服務機制，拓寬業務范圍，實現多元化的通信服務，進一步增強海上應急安全保障[7]。

4 ? 海基通信手段

?；ㄐ攀侄我源啊⒏说葹楹Ｉ掀脚_，在海上突發事件或自然災害發生時，迅速建立通信保障，展開救援任務。

4.1 ?無人艇及其在海上應急通信中的應用

無人艇是一種能夠自主航行的水面運動平臺。針對不同應用場景，我國不斷推出具有專業優勢的“天行1號”、“Seafly01”、“藍鯨號”等無人艇[19]。無人艇的岸基監控子系統可設置在其他水面艦艇之上，實現母艦集中控制的艇群巡航模式。無人艇的通信方式有UHF/VHF頻率數傳電臺、4G無線網絡、Ad-Hoc自組網和衛星通信[20]。無人艇與岸基控制中心之間的通信在視距范圍內采用數傳電臺，若超出視距，在50 km范圍內可在近岸水域布置4G無線網絡[21]，4G無線網絡通訊速率高、建設成本低，是無人艇近岸通信的首選方式。在海上搜救任務中，無人艇離岸較遠，可選用Inmarsat、北斗、天通一號等衛星通信方式進行遠海通信[22]。同時，無人艇組網靈活、可迅速搭建通信網絡，適用于高移動性的無人艇間通信。無人艇的搜救范圍有限，實際應用中可以通過與無人機協同作業擴展搜救范圍[18]。

4.2 ?浮標及其在海上應急通信中的應用

應急浮標是一種漂浮式通信平臺，通信方式主要是衛星通信，還有CDMA、GPRS、4G移動通信網絡、數傳電臺、Wi-Fi等[23]。它主要包括應急救生浮標、通信中繼浮標和應急監測浮標，如表5所示。應急救生浮標在潛艇水下遇險時使用，無纜形式可配合導航雷達系統應答雷達掃描信號，使救援艦船或飛機快速定位遇險潛艇。有纜形式通常裝備超短波救生電臺和有線電話，實現對外報警以及通信的功能[24]。通信中繼浮標一般為拖曳浮標，作為潛艇通信的中轉站，可以使潛艇在水下航行時與岸艦進行通信。溢油跟蹤監測浮標采用北斗衛星定位平臺實現對不同海況、不同油膜的實時跟蹤、監測功能，以減少海上油船溢油事故導致的經濟損失和環境危害[25]。

4.3 ?Mesh/Ad-Hoc網絡及其在海上應急通信中的應用

Mesh/Ad-Hoc網絡的每個節點都具備數據傳輸和路由中繼功能，能快速搭建高質量的網絡，在船舶、無人艇、無人機組網中都有廣泛的應用。在近岸情況下，船舶可采用Mesh網絡通信，它是由Mesh routers構成骨干網絡，通過有線Internet網為Mesh clients提供多跳的網絡連接。船舶在無線電接入站（RAS）的覆蓋范圍內可以直接與RAS通信，若超出RAS的覆蓋范圍，Mesh網絡可以與其他船舶/浮標共建網絡[26]。Ad-Hoc網絡與Mesh網絡最大的區別在于Ad-Hoc網絡中不存在基站[27]。在遠離海岸無法安裝基站的情況下，Ad-Hoc網絡相較于Mesh網絡的弱移動性結構更適用于隨意移動的通信終端。基于Ad-Hoc網絡的海上移動通信系統通常選用AODV（Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing）協議[28]，該協議通過廣播形式發送路由數據包（RREQ），中間節點在接收到RREQ包時，會更新自己的路由緩存信息，當判斷從未見過RREQ包時，則繼續轉發該包，并向數據源船舶發送一個路由應答（RREP）包。AODV協議復雜度低，可避免大量路由信息擁堵，因此，能夠較好地適應拓撲不斷變化的海上移動組網。

5 ? 展望

海上應急通信設備面臨著眾多技術挑戰，支持多頻多模、地面網絡與低軌衛星有效結合、減小終端尺寸及提高便攜性等，因此，加快推動“空天地?！币惑w化，是現階段海上應急通信領域研究面臨的首要問題。未來的“空天地?！币惑w化網絡將通過相互融合實現高效協作，如：通過對衛星的統一規劃，實現空間組網，發揮網絡優勢。隨著未來6G技術[29]的不斷發展，融合6G關鍵技術的“空天地?！币惑w化網絡體系將借助非地面網絡實現全球覆蓋、持續保障，達到低時延、高速率的效果，為海上船舶和人員提供可靠穩定的寬帶通信網絡接入，同時向搜救部門準確傳達信息并制定高效的搜救方案、進而保障海上人員生命和財產安全。

6 ? 結束語

本文分析了當前海上應急通信技術的發展現狀及挑戰，介紹了基于“空天地?！币惑w化的海事應急通信網絡，分別從空基、天基、陸基、?；ㄐ抨P鍵技術進行綜述。基于“空天地?！币惑w化的網絡架構，將融合衛星、高空平臺、岸基以及無人艇等新技術，構建可靠、高效、安全的海上應急通信體系，有效應對海上自然災害和各種突發事件，旨在為建設海洋強國提供有力保障。

參考文獻：

[1] ? ?蔣冰，鄭藝，華彥寧，等. 海上應急通信技術研究進展[J]. 科技導報， 2018，36（6）： 28-39.

[2] ? ?中國聯通網絡技術研究院. 中國聯通空天地一體化通信網絡白皮書[R]. 2020.

[3] ? ?YOU X H， WANG C X， HUANG J， et al. Towards 6G wireless communication networks： enabling technologies， and new paradigm shifts[J]. Sci China Inf Sci， for review.

[4] ? ?胡旭，林彬，王珍. 基于VDES的空天地海通信網絡架構與關鍵技術[J]. 移動通信， 2019，43（5）： 2-8.

[5] ? ?肖娜，駱盼. 自主衛星移動通信系統在海上通信中的應用[J]. 電信網技術， 2017（10）： 6-11.

[6] ? ? 王權，劉清波，王悅，等. 天基通信系統在智慧海洋中的應用研究[J]. 航天器工程， 2019，28（2）： 126-133.

[7] ? ?劉法龍. GMDSS衛星通信發展及形勢分析[J]. 衛星應用， 2020（5）： 44-49.

[8] ? ?X Xing， J Wang， X Meng， et al. Design of The Stratospheric Airship Ground Safety Control Test and Analysis System Based on Adaptive Safety Control Decision Technology[C]//2019 IEEE 2nd International Conference on Automation， Electronics and Electrical Engineering （AUTEEE）. IEEE， 2019： 40-44.

[9] ? ? 譚百賀. 平流層飛艇通信系統關鍵技術探討[J]. 中國新通信. 2010，12（11）： 69-71.

[10] ? ?I Vandermeulen， M Guay， P J McLellan. Distributed Control of High-Altitude Balloon Formation by Extremum-Seeking Control[C]//IEEE Transactions on Control Systems Technology. IEEE， 2018，26（3）： 857-873.

[11] ? ?黃宛寧，張曉軍，祝榕辰，等. 浮空器在應急通信中的應用[J]. 科技導報， 2018，36（6）： 55-64.

[12] ?H Nawaz， H Mansoor Ali， A Ali Laghari. UAV Communication Networks Issues： A Review[J]. Archives of Computational Methods in Engineering， 2020： 1-21.

[13] ? 李超. 直升機海上救援技術的思考[J]. 科技風， 2019（24）： 239.

[14] ? 戚善才. 用于GMDSS培訓的海上中短波通信模擬器研究[D]. 大連： 大連海事大學， 2011.

[15] ? 陳放，張國強. GMDSS通信設備與業務[M]. 大連： 大連海事大學出版社， 2015.

[16] ? 陳超，王毅，毛強，等. 多種通信手段在遇險救生體系中的應用研究[J]. 計算機測量與控制， 2017，25（12）： 184-186.

[17] ? 夏啟兵，馬亞平，李勝全，等. AIS岸基網絡系統的應用模式[C]//海洋測繪綜合性學術研討會. 2008.

[18] ? 郝英川，甘啟光，賈夢媛. 散射通信在島嶼中的應用及傳播特性分析[J]. 無線電通信技術， 2014，40（2）： 20-22.

[19] ? 張衛東，劉笑成，韓鵬. 水上無人系統研究進展及其面臨的挑戰[J]. 自動化學報， 2020，46（5）： 847?857.

[20] ? 羅煬. 水面無人艇自主巡航研究與實現[D]. 鎮江： 江蘇科技大學， 2018.

[21] ? 王宗維. 無人艇體系結構及運動控制系統的研究[D]. 鎮江： 江蘇科技大學， 2013.

[22] ? 錢帆. 水面小型無人艇通信導航系統的設計與開發[D]. ?？冢?海南大學， 2020.

[23] ? D Yang， Z Shengmao， Z Heng， et al. The Application of IsatData Pro Service in Data Communication of Oceanic Buoys[C]//2019 IEEE 4th Advanced Information Technology， Electronic and Automation Control Conference （IAEAC）. IEEE， 2020.

[24] ? ?孫衛華，費禮，葉發新. 潛艇應急救生通信現狀及發展趨勢[J]. 艦船科學技術， 2016，38（23）： 16-19.

[25] ? ?楊瑞，顧群，王玉林，等. 水上溢油應急裝備跟蹤定位浮標關鍵技術研究[J]. 中國海事， 2014（4）： 51-53.

[26] ? ?Y Kim， J Kim， Y Wang， et al. Application scenarios of Nautical Ad-Hoc Network for maritime communications[C]//OCEANS 2009. IEEE， 2009.

[27] ? ?F Xhafa， C Sanchez， L Barolli. Ad Hoc and Neighborhood Search Methods for Placement of Mesh Routers in Wireless Mesh Networks[C]//2009 29th IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops. IEEE， 2009： 400-405.

[28] ? ?Z Xu， X Xiaoyang， S Liwei， et al. Performance Analysis of Sea Unmanned Ship Routing Protocol Based on Ad Hoc Network[C]//2019 International Conference on Information Technology and Computer Application （ITCA）. 2019： 221-224.

[29] ? ?裴郁杉，張忠皓，王婷婷. 空天地一體化通信網絡發展愿景與挑戰[J]. 郵電設計技術， 2020（4）： 15-20.