海事衛(wèi)星第五代全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)及應(yīng)用

● 文|中國(guó)交通通信信息中心 邵珍珍 萬(wàn)千 余風(fēng)平

海事衛(wèi)星第五代全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)及應(yīng)用

● 文|中國(guó)交通通信信息中心 邵珍珍 萬(wàn)千 余風(fēng)平

1979年，在聯(lián)合國(guó)國(guó)際海事組織倡導(dǎo)下，由美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)等三十多個(gè)國(guó)家共同發(fā)起創(chuàng)立了國(guó)際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat）（現(xiàn)已更名為國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司，英文縮寫(xiě)不變）。該組織成立的宗旨是以先進(jìn)的衛(wèi)星通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶海上遇險(xiǎn)、救助和調(diào)度指揮現(xiàn)代化。根據(jù)這一宗旨，各國(guó)政府支持海事衛(wèi)星組織建設(shè)了第一個(gè)具有全球通信覆蓋能力的國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以其高可靠性、全天候、全球覆蓋能力，成為海上航行安全最主要的保障手段，是滿足國(guó)際海事組織（IMO）《全球海上人命安全公約》要求，唯一一個(gè)寫(xiě)入全球海上遇險(xiǎn)安全通信標(biāo)準(zhǔn)（GMDSS）的移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。海事衛(wèi)星組織發(fā)展到今天，成員國(guó)已達(dá)93個(gè)，其通信服務(wù)在全球160多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的海上船舶、航空飛行器得到廣泛應(yīng)用。

30年來(lái)，Inmarsat不斷引入最新技術(shù)成果，2013年年底發(fā)射的第一顆第五代衛(wèi)星，采用了Ka頻段，繼續(xù)服務(wù)海上、陸地和航空三大領(lǐng)域，通過(guò)Ka衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為用戶提供全球覆蓋、數(shù)據(jù)傳輸性能高達(dá)50Mbit/s的移動(dòng)衛(wèi)星信息通信和安全服務(wù)，滿足政府和社會(huì)公眾對(duì)更高帶寬、更高可靠性、更加安全的需求，海事衛(wèi)星即將完成全球覆蓋并形成全球范圍內(nèi)首個(gè)超高速移動(dòng)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

一、海事衛(wèi)星第五代全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

全球信息化以及互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字多媒體通信和信息個(gè)性化需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)了衛(wèi)星通信向?qū)拵Щ?、個(gè)性化、移動(dòng)化、無(wú)縫化方向發(fā)展。國(guó)際航運(yùn)和航空市場(chǎng)對(duì)寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信需求日趨強(qiáng)烈，除高清視頻安全通信需要外，空中旅客、海上船員對(duì)日常網(wǎng)絡(luò)通信和休閑娛樂(lè)的呼聲已經(jīng)越來(lái)越高。為此，Inmarsat開(kāi)始部署海事衛(wèi)星第五代全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“五代星”）的研發(fā)和商業(yè)應(yīng)用。目前世界上很多衛(wèi)星公司提出了通過(guò)Ka頻段傳輸數(shù)據(jù)的模式，但是很多都是支持固定點(diǎn)之間的通信，部分中繼衛(wèi)星通過(guò)Ka頻段傳輸，但是一般同一時(shí)間支持用戶數(shù)量很少，難以滿足大眾用戶需求。Inmarsat在兩年前開(kāi)始進(jìn)行Ka寬帶移動(dòng)通信衛(wèi)星的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、用戶終端等研制，目前已經(jīng)在天基、陸地系統(tǒng)和終端型譜系列化方面實(shí)現(xiàn)突破，2013年年底成功發(fā)射第一顆Ka寬帶移動(dòng)通信衛(wèi)星后，將在2015年年底提供全球商業(yè)服務(wù)，單個(gè)用戶的下行帶寬可達(dá)50Mbit/s、上行5Mbit/s。

海事衛(wèi)星第五代全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、關(guān)口站和移動(dòng)終端三大部分組成。

1.空間衛(wèi)星

五代星系統(tǒng)共投資12億美元，由波音公司提供3顆工作在Ka頻段的衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星包括兩個(gè)有效載荷，即全球載荷和可旋轉(zhuǎn)高容量載荷。全球載荷提供89個(gè)固定點(diǎn)波束、72個(gè)信道，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。每顆衛(wèi)星下部署6個(gè)可移動(dòng)高容量載荷，提供多地區(qū)動(dòng)態(tài)覆蓋，有效提升熱點(diǎn)區(qū)域的通信能力。衛(wèi)星還提供一個(gè)全球波束、兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)網(wǎng)關(guān)波束，用于地面接續(xù)。每顆衛(wèi)星的總帶寬可達(dá)5GHz，支持144個(gè)40MHz的頻帶。衛(wèi)星采用靈活的彎管轉(zhuǎn)發(fā)器，極化方式支持左旋和右旋的圓極化。

2.關(guān)口站

現(xiàn)階段Inmarsat計(jì)劃在每顆衛(wèi)星下設(shè)置兩個(gè)關(guān)口站，互為備份，以實(shí)現(xiàn)極端天氣下站點(diǎn)間的快速切換，保障全網(wǎng)通信質(zhì)量。五代星的地面關(guān)口站要求建在衛(wèi)星下方30°內(nèi)氣候干燥的地方。每個(gè)衛(wèi)星下將有一主一備兩個(gè)地面站，形成熱備份機(jī)制。印度洋衛(wèi)星的地面站建在希臘和意大利，大西洋衛(wèi)星的地面站建在美國(guó)和加拿大，太平洋的地面站建在新西蘭。地面站天線尺寸為13.2m，信令和用戶數(shù)據(jù)加密采用AES 256標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)務(wù)基于公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)，支持IPv4/6和多播業(yè)務(wù)。地面站關(guān)口站系統(tǒng)制造商是iDirect公司。

3.移動(dòng)終端

海事衛(wèi)星移動(dòng)終端負(fù)責(zé)用戶射頻信號(hào)的收發(fā)和處理，與其他海陸空終端、國(guó)內(nèi)外固定、移動(dòng)電話間撥打電話或收發(fā)短信，還可以將數(shù)據(jù)終端設(shè)備（如電腦、視頻設(shè)備等）通過(guò)以太網(wǎng)口與衛(wèi)星終端連接，使用基于標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議的寬帶業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)、電子郵件、視頻傳輸?shù)纫幌盗芯W(wǎng)絡(luò)功能。

海事衛(wèi)星第五代海用終端支持60cm到1m的天線，航空終端支持民用飛機(jī)機(jī)身安裝50cm天線，商用飛機(jī)機(jī)尾安裝30cm天線，陸用終端天線范圍則是60cm到2.4m。五代星終端采用標(biāo)準(zhǔn)的iDirect公司提供的核心模塊，使得終端設(shè)計(jì)可以相應(yīng)簡(jiǎn)化，尺寸變小、接口一致、業(yè)務(wù)綜合，而終端數(shù)據(jù)傳輸速率大幅提高。

二、海事衛(wèi)星五代星的應(yīng)用

Inmarsat從四代星系統(tǒng)發(fā)展到五代星系統(tǒng)是移動(dòng)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的重大技術(shù)革新。Inmarsat四代星系統(tǒng)支持的帶寬與目前傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商的3G網(wǎng)絡(luò)帶寬處于同一水平，滿足行業(yè)用戶對(duì)話音及數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘枨?。Inmarsat五代星系統(tǒng)支持的帶寬將與電信運(yùn)營(yíng)商正在建設(shè)的4G網(wǎng)絡(luò)帶寬相當(dāng)，一方面可以應(yīng)對(duì)海上突發(fā)事件，為遇險(xiǎn)船舶提供實(shí)時(shí)、有效、高質(zhì)量的視頻圖像，保證海上航行安全以及搜救工作的順利進(jìn)行提供更完善的通信保障；另一方面，還可以滿足由多媒體應(yīng)用引發(fā)的大量視頻業(yè)務(wù)的需求，完全支持各行業(yè)用戶的視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等應(yīng)用，為行業(yè)用戶衛(wèi)星通信的應(yīng)用廣度及深度拓展更大的空間。

1.海上遇險(xiǎn)安全通信及搜救指揮調(diào)度

現(xiàn)有Inmarsat衛(wèi)星通信系統(tǒng)的帶寬尚不能滿足實(shí)時(shí)高清視頻傳輸，因此在數(shù)據(jù)獲取的實(shí)效性方面不能完全滿足需求，而五代星系統(tǒng)將為海上執(zhí)法和搜救提供更加先進(jìn)的傳輸技術(shù)，視頻圖像將更加清晰流暢，為維護(hù)航道秩序，保證海上航行安全以及搜救工作的順利進(jìn)行提供更完善的通信保障，圖1為海事衛(wèi)星船載通信系統(tǒng)。五代星具有4G通信服務(wù)能力，可實(shí)現(xiàn)海上全信息通信保障服務(wù)，在海上遇險(xiǎn)安全通信和搜救等領(lǐng)域可有效快捷實(shí)現(xiàn)岸基遠(yuǎn)程、全過(guò)程視頻指揮和救助。由于Inmarsat四代星系統(tǒng)基于L頻段，通信質(zhì)量不受惡劣氣候的影響，因此基于Ka頻段的Inmarsat五代星系統(tǒng)業(yè)務(wù)，在受到雨雪天氣影響的情況下，業(yè)務(wù)將切換至四代星系統(tǒng)承載，待五代星系統(tǒng)信號(hào)恢復(fù)后，業(yè)務(wù)將自動(dòng)再切換至五代星系統(tǒng)承載。

圖1　海事衛(wèi)星船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)

2.機(jī)載衛(wèi)星寬帶接入服務(wù)

機(jī)艙內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)通過(guò)五代星系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程國(guó)內(nèi)航班和國(guó)際航班的全程通信接入服務(wù)。在為公眾乘客提供多媒體通信服務(wù)的同時(shí)，也可為空中交通管制和飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)急通信提供備份使用，為飛行管理駕駛艙數(shù)據(jù)、客艙乘客狀態(tài)信息傳輸提供寬帶接入服務(wù)。

航空公司飛行管理應(yīng)用。從駕駛艙到客艙，從飛行員到旅客，五代星系統(tǒng)可以提供一套完整的衛(wèi)星通信應(yīng)用解決方案，即將話音、數(shù)據(jù)、飛行數(shù)據(jù)、航空天氣預(yù)報(bào)以及更多的所有的管理都集成在一個(gè)包。這其中包括：起飛前的申報(bào)和許可；機(jī)場(chǎng)各航站樓的數(shù)字信息服務(wù)；為飛行員提供航站樓氣象信息；指定起飛和降落時(shí)間；位置報(bào)告；飛行計(jì)劃；通過(guò)電子郵件、無(wú)線設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)的短信服務(wù)；為每個(gè)飛機(jī)設(shè)定特有的郵件地址收發(fā)信息等。

GSM客艙應(yīng)用。通過(guò)五代星寬帶網(wǎng)絡(luò)的接入，可實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)上GSM的手機(jī)通信，可由下述方案實(shí)現(xiàn)：機(jī)載衛(wèi)星通信系統(tǒng)控制面板由乘務(wù)人員監(jiān)控；航空寬帶終端包括天線、低噪放和機(jī)艙衛(wèi)星數(shù)據(jù)單元；配置單元模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、與其他系統(tǒng)交聯(lián)接口、數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存；機(jī)載GSM基站用于收發(fā)信號(hào)、控制手機(jī)發(fā)射功率；機(jī)上控制模塊產(chǎn)生白噪聲隔離手機(jī)與地面GSM基站的通信，確保手機(jī)接入機(jī)載GSM基站；天線耦合單元將機(jī)載基站和航空寬帶終端的射頻單元信號(hào)進(jìn)行合路；用于互聯(lián)的漏波天線貫穿客艙天花板上方，發(fā)射射頻信號(hào)；無(wú)線接入點(diǎn)可為具有WiFi功能的終端或智能手機(jī)提供無(wú)線通訊連接。圖2為機(jī)載GSM衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決方案示意圖。

圖2　機(jī)載GSM衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決方案

3.海外應(yīng)急通信體系

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展以及我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng)，海外利益等問(wèn)題日益凸顯，國(guó)家外交、商務(wù)、能源、新聞等部門(mén)，石油、石化、海油、礦業(yè)、水利水電、建筑等大型企業(yè)，均有必要建立海外應(yīng)急通信保障機(jī)制。而五代星將在企業(yè)在海外部署應(yīng)急通信領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。一是為臨時(shí)、常設(shè)駐外組織和機(jī)構(gòu)配置海事衛(wèi)星便攜、車(chē)載終端及配套裝備。在發(fā)生緊急事件時(shí)及時(shí)提供移動(dòng)應(yīng)急通信保障。二是在常設(shè)駐外組織和機(jī)構(gòu)部署專線。形成與海事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，保障穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量的傳輸通道，將應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)延伸至海外。三是建設(shè)基于海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急與工作生產(chǎn)兼用的信息化系統(tǒng)。五代星寬帶系統(tǒng)可將音視頻、位置、移動(dòng)軌跡、短信、群發(fā)等功能集成在一起，形成強(qiáng)大安全的應(yīng)急信息系統(tǒng)，提供遠(yuǎn)程和本地使用一體化解決方案。中國(guó)石油集團(tuán)建設(shè)的基于海事衛(wèi)星覆蓋全球作業(yè)點(diǎn)的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

圖3　中國(guó)石油集團(tuán)海外應(yīng)急通信體系

三、結(jié)束語(yǔ)

海事衛(wèi)星經(jīng)歷了連續(xù)三十多年的良性發(fā)展，通信系統(tǒng)具有全球覆蓋廣、可靠性高、高帶寬、移動(dòng)性強(qiáng)、使用靈活方便等特點(diǎn)。海事衛(wèi)星第五代全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)繼承了前四代的特點(diǎn)，將成為全球第一個(gè)超高速衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)為全球海上、陸地和航空各行業(yè)提供無(wú)縫隙、安全、穩(wěn)定、可靠的通信服務(wù)。五代星作為現(xiàn)有業(yè)務(wù)的補(bǔ)充，通過(guò)L頻段和Ka頻段兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)為用戶提供獨(dú)特的混合應(yīng)用解決方案，使得用戶在偏遠(yuǎn)和惡劣環(huán)境下的通信能力達(dá)到前所未有的適應(yīng)性、靈活性和可靠性。