船载应急通信技术研究及系统验证

谭奇坤 金上玺

摘要：文章研究了海上应急通信技术，探讨了构建我国船载应急通信系统所需关键技术。首先，对海上应急通信的技术现状进行了分析；然后介绍了船载应急通信中的无线电通信技术、卫星通信技术、应急感知技术及应急通信调度技术，在此基础上，提出了船载应急通信系统设计方案以及通信载荷模块化设计思路；最后，通过试验验证该船载应急通信系统的可行性和有效性。研究结果表明船载应急通信系统满足海上应急通信的需求，可与岸基的应急通信系统配合形成“空天地海”的一体化应急通信方案。

关键词：海上应急通信；海上遇险搜救；海上通信感知；稳定平台；GMDSS；船载通信技术

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.005

中图分类号：TN 92，TP 311.1，TP 393.09      文献标志码：A         文章编码：1672-7274（2024）03-00-03

海上应急通信场景具有时间突发性、地点不确定性、容量需求不确定性、信息多样性以及环境复杂性等特点，海上应急通信效率及通信的可靠性直接影响到待救援人员的生命和财产安全。本文通过探讨海上应急通信现状，对船载应急通信及关键技术进行研究，开展船载应急通信系统设计，并对船载应急通信系统进行验证。

1   海上应急通信技术现状

国际海事组织（IMO）建立了GMDSS海上全球性的通信搜救系统[1]，该系统主要由卫星通信系统——INMARSAT（海事卫星通信系统）和COS_PAS SARSAT（极地轨道卫星搜救系统）、地面无线电通信系统（即海岸电台）以及海上安全信息播发系统三大部分构成。GMDSS作为遇险报警、协调平台及常规通信平台，其现场通信依赖于VHF/HF/MF无线电岸台、船台，作用范围受限且受干扰影响大，难以体系化地发挥作用[2]。中国加入国际海事组织的SOLAS公约后，沿用其海上应急通信技术，尚未形成自主完整的海洋应急通信体系。

2   船载应急通信关键技术

文献[3]就海上应急通信技术提出了“空天地海”一体化应急通信网络构想，将天基、空基、陆基、海基网络联合在一起，构成海上应急通信网络，主要包括卫星通信、短波/超短波通信、移动通信、可见光通信、水下通信等。

2.1 应急通信技术

船载应急通信技术须适应海洋环境、具备应急通信能力，其关键技术包括以下几方面。

（1）卫星通信技术。利用卫星通信技术建立稳定的回岸链路，使船岸间保持可靠的通信。卫星通信应依托国内天通一号及其他卫星资源构建应急通信系统[4]。

（2）地面微波通信技术。微波通信频带宽、容量大，可用于卫星回岸备份链路。

（3）地面MF/HF/VHF通信技术。船舶按航行海区要求配置通信电台，具有发送和接收船岸、船船的遇险报警、搜救协调、救助现场通信功能。

（4）LTE移动通信技术。救助现场的大容量无线通信覆盖功能。

2.2 应急感知技术

应急感知技术是船载应急通信技术中感知船舶位置、接收船舶报警的综合性通信技术，包括以下几种。

（1）AIS。集通信、网络与信息技术于一体的新型海上安全信息与助航系统。

（2）SOS。海上应急通信一键呼救技术，补充基于短波、超短波的示位标功能。

（3）北斗短报文应急通信。

（4）NBIoT。窄带物联网通信技术，支持海上无人平台低带宽、大容量接入。

2.3 应急通信调度

可视化指挥调度技术综合利用各类通信指挥功能，实现船岸间现场实时画面共享，解决应急通信开展时“看不见、听不清”的难题。文獻[5]提出多模融合构建海上宽带通信与信息服务系统平台，为海上公务船提供高速及稳定的服务[6]。

3   船载应急通信系统设计

船载应急通信系统具备快速应急响应能力，多模通信能力。文献[7]提出应急通信船系统，为现场救援提供通信支撑平台。文献[8]提出基于无人艇组建LTE网络的海上应急通信系统，但无人艇在高海况下生存能力弱。

3.1 船载应急通信系统架构

船载应急通信系统包括卫星通信子系统、地面微波通信子系统、地面MF/VHF/HF通信子系统、地面岸基指挥调度子系统、船舶平台、通信方舱。船载应急通信系统中各子系统可灵活搭配，形成不同的应急通信方案。

（1）卫星通信子系统。灵活选用海事卫星、Ku卫通、Ka卫通、天通一号或低轨卫星。

（2）微波通信子系统。在离岸100 km内，可选用微波通信方式。

（3）MF/HF/VHF子系统。根据海区选用不同的通信电台。

（4）船舶平台。选择具备平直甲板的通用船舶、渔船、公务船或专用船舶等。

（5）通信方舱。依据信号覆盖距离选用系留无人机通信方舱搭载AIS/LTE/SOS/微波通信载荷、系留气球通信方舱搭载AIS/LTE/SOS/微波通信载荷、综合通信方舱搭载AIS/LTE/SOS/微波/卫星通信载荷。通信方舱具备能源自供给、平板运输、吊装能力。

3.2 船载应急通信系统功能

船载应急通信系统面向多种海上应急任务场景，通过通信方舱的快速吊装实现应急通信功能，具体包括以下方面。

（1）海域无线覆盖增强。利用系留气球方舱及系留无人机方舱提供的无人升空平台，扩大海域无线覆盖范围。

（2）岸基互联。通过卫星通信链路或微波视距通信设备实现船载应急通信系统与岸基通信系统互联，近岸时采用微波链路，中远海采用卫星链路；

（3）感知数据采集。采用大区域NBIoT无线接入技术对应急海域各类海上无人探测平台、船舶提供信息接入服务。

（4）多媒体调度。搭载船舶作为临时指挥调度中心进行应急通信指挥调度。

（5）海上AIS避碰信号搜集。收集海上船舶的AIS信号，建立应急搜救船舶信息数据库。

（6）海上遇险求救（SOS）功能。接收海上遇险求救信号功能。

4   应急通信方舱设计

应急通信方舱采用通用船舶、渔船或专用船舶作为搭载平台，采用平板车及集装箱车作为运输平台，集成通信载荷，应急通信方舱设计包括以下5个方面。

（1）方舱舱体设计。方舱舱体尺寸为标准40英尺平底集装箱，舱体适应高盐、高湿、振动等海洋环境；舱体布局分为载荷舱、工作舱及设备舱三部分。

（2）载荷舱及通信载荷设计。可搭载卫星收发单元、LTE基站、微波收发单元、AIS收发单元及SOS收发单元。根据搭载通信载荷种类设计通用方舱、系留无人机方舱及系留气球方舱，设计天线稳定平台及升降平台。

（3）工作舱及指挥调度设计。具备视频接入、语音对讲、态势查看等功能。

（4）能源设计。具备多余度能源方案接入市电、船电，配备柴油发电设备。

（5）装船设计。通信方舱与搭载船舶之间的电话、网络及电源接口设计。

5   船载应急通信系统验证

通过开展陆上试验、系泊试验及海上航行试验，全面验证船载应急通信系统的功能及性能[9]。陆上试验及系泊试验验证应急通信方舱之间的通联关系，海上航行试验验证海上应急通信能力。

海上航行试验选定舟山东极岛附近的试验海域（如图2所示），P6、P7、P8、P9四点坐标分别是：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；试验海域平均水深为56米，平均风速为5.9 m/s，白天平均温度为27.5℃，流速为0.1 m/s。两艘测试船1#和2#及一艘配试船3#参与海上航行试验，试验科目见表1。

试验结果分析如下。

（1）船载应急通信系统具备快速机动、综合应急通信功能。

（2）卫星跟踪能力强，卫星通信信号及质量稳定。

（3）VHF/HF电台离岸一定距离后通信不畅，部分位置存在通信盲区。

（4）受海浪横、纵摇影响，船载LTE通信天线主波束产生差异偏离，在高海况上频繁发生通信中断现象，LTE天线稳定平台设计需优化。

（5）近岸LTE语音通信受公网通信干扰质量差，离岸20 km后通信质量较好。

6   结束语

本文旨在探究船载应急通信技术及系统的设计和应用，通过对应急通信现状和技术的分析，选择适合船载应急通信的无线电通信技术和卫星通信技术，模块化构建应急通信系统并提出了船载应急通信系统设计方案。通过海上航行试验验证船载应急通信技术和系统的设计具有可快速部署到指定海域能力，通信载荷满足性能设计要求，在测试中发现海上通信时存在的一些局限性，这些问题需要进一步研究和改进，我们将继续探索更加优化的船载应急通信技术系统，以推动船载应急通信技术的发展和应用。

参考文献

[1] 白木，周洁．国际海上安全应急通信及应用简介[J]．全球定位系统，2003（2）：34-36.

[2] 马中和，马清波．建立搜救应急通信体系 实现有效海上人命救助——对一起通过发布无线电航警实现海上人命救助案例的思考[J]．中国海事，2009（1）：28-31.

[3] 林彬，张治强，韩晓玲，等．“空天地海”一体化的海上应急通信网络技术综述[J]．移动通信，2020（9）：19-26.

[4] 张宝珍，徐亚沖．基于天通的海上应急通信系统设计与验证[J]．数字通信世界，2022（6）：1-3，13.

[5] 赵伯华．多模融合应急通信技术应用研究[J]．数字通信世界，2022（10）：11-13，17.

[6] 张凯皓，王高峰，李徽．海上险情处置可视化通信研究[J]．中国海事，2022（5）：48-50.

[7] 吴益斌．浅谈可用于未来海上遇险搜救的现代化通信手段[J]．中国新通信，2018（17）：18.

[8] 韦飞燕．基于无人船组网的海上应急通信系统设计与实现[D]．海口：海南大学，2019.

[9] 周雪，郭文刚，王晓瑞，等．海上无线通信多类型手段融合组网方案与验证[J]．中国电子科学研究院学报，2023（1）：80-86.