船載應急通信技術研究及系統驗證

譚奇坤 金上璽

摘要：文章研究了海上應急通信技術，探討了構建我國船載應急通信系統所需關鍵技術。首先，對海上應急通信的技術現狀進行了分析；然后介紹了船載應急通信中的無線電通信技術、衛星通信技術、應急感知技術及應急通信調度技術，在此基礎上，提出了船載應急通信系統設計方案以及通信載荷模塊化設計思路；最后，通過試驗驗證該船載應急通信系統的可行性和有效性。研究結果表明船載應急通信系統滿足海上應急通信的需求，可與岸基的應急通信系統配合形成“空天地海”的一體化應急通信方案。

關鍵詞：海上應急通信；海上遇險搜救；海上通信感知；穩定平臺；GMDSS；船載通信技術

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性、地點不確定性、容量需求不確定性、信息多樣性以及環境復雜性等特點，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安全。本文通過探討海上應急通信現狀，對船載應急通信及關鍵技術進行研究，開展船載應急通信系統設計，并對船載應急通信系統進行驗證。

1? ?海上應急通信技術現狀

國際海事組織（IMO）建立了GMDSS海上全球性的通信搜救系統[1]，該系統主要由衛星通信系統——INMARSAT（海事衛星通信系統）和COS_PAS SARSAT（極地軌道衛星搜救系統）、地面無線電通信系統（即海岸電臺）以及海上安全信息播發系統三大部分構成。GMDSS作為遇險報警、協調平臺及常規通信平臺，其現場通信依賴于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，尚未形成自主完整的海洋應急通信體系。

2? ?船載應急通信關鍵技術

文獻[3]就海上應急通信技術提出了“空天地海”一體化應急通信網絡構想，將天基、空基、陸基、海基網絡聯合在一起，構成海上應急通信網絡，主要包括衛星通信、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

船載應急通信技術須適應海洋環境、具備應急通信能力，其關鍵技術包括以下幾方面。

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

（2）地面微波通信技術。微波通信頻帶寬、容量大，可用于衛星回岸備份鏈路。

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

（4）LTE移動通信技術。救助現場的大容量無線通信覆蓋功能。

2.2 應急感知技術

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

（1）AIS。集通信、網絡與信息技術于一體的新型海上安全信息與助航系統。

（2）SOS。海上應急通信一鍵呼救技術，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。窄帶物聯網通信技術，支持海上無人平臺低帶寬、大容量接入。

2.3 應急通信調度

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

3? ?船載應急通信系統設計

船載應急通信系統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，為現場救援提供通信支撐平臺。文獻[8]提出基于無人艇組建LTE網絡的海上應急通信系統，但無人艇在高海況下生存能力弱。

3.1 船載應急通信系統架構

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

（1）衛星通信子系統。靈活選用海事衛星、Ku衛通、Ka衛通、天通一號或低軌衛星。

（2）微波通信子系統。在離岸100 km內，可選用微波通信方式。

（3）MF/HF/VHF子系統。根據海區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、公務船或專用船舶等。

（5）通信方艙。依據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 船載應急通信系統功能

船載應急通信系統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。通過衛星通信鏈路或微波視距通信設備實現船載應急通信系統與岸基通信系統互聯，近岸時采用微波鏈路，中遠海采用衛星鏈路；

（3）感知數據采集。采用大區域NBIoT無線接入技術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）多媒體調度。搭載船舶作為臨時指揮調度中心進行應急通信指揮調度。

（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據庫。

（6）海上遇險求救（SOS）功能。接收海上遇險求救信號功能。

4? ?應急通信方艙設計

應急通信方艙采用通用船舶、漁船或專用船舶作為搭載平臺，采用平板車及集裝箱車作為運輸平臺，集成通信載荷，應急通信方艙設計包括以下5個方面。

（1）方艙艙體設計。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、振動等海洋環境；艙體布局分為載荷艙、工作艙及設備艙三部分。

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

（3）工作艙及指揮調度設計。具備視頻接入、語音對講、態勢查看等功能。

（4）能源設計。具備多余度能源方案接入市電、船電，配備柴油發電設備。

（5）裝船設計。通信方艙與搭載船舶之間的電話、網絡及電源接口設計。

5? ?船載應急通信系統驗證

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關系，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。

試驗結果分析如下。

（1）船載應急通信系統具備快速機動、綜合應急通信功能。

（2）衛星跟蹤能力強，衛星通信信號及質量穩定。

（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。

（4）受海浪橫、縱搖影響，船載LTE通信天線主波束產生差異偏離，在高海況上頻繁發生通信中斷現象，LTE天線穩定平臺設計需優化。

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

6? ?結束語

本文旨在探究船載應急通信技術及系統的設計和應用，通過對應急通信現狀和技術的分析，選擇適合船載應急通信的無線電通信技術和衛星通信技術，模塊化構建應急通信系統并提出了船載應急通信系統設計方案。通過海上航行試驗驗證船載應急通信技術和系統的設計具有可快速部署到指定海域能力，通信載荷滿足性能設計要求，在測試中發現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，我們將繼續探索更加優化的船載應急通信技術系統，以推動船載應急通信技術的發展和應用。

參考文獻

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[9] 周雪，郭文剛，王曉瑞，等．海上無線通信多類型手段融合組網方案與驗證[J]．中國電子科學研究院學報，2023（1）：80-86.