低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)在海洋海事活動中的應(yīng)用

● 文 | 中國長城工業(yè)集團(tuán)有限公司 何穆 關(guān)止

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由多顆覆蓋全球的小衛(wèi)星、地面應(yīng)用系統(tǒng)及小型化終端組成，通過星間鏈路，可實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋、全天候、全時段及在復(fù)雜地形條件下的實(shí)時雙向短數(shù)據(jù)通信服務(wù)，滿足用戶低成本、低功耗、小型化的終端產(chǎn)品應(yīng)用需求。

在海洋海事應(yīng)用領(lǐng)域，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于船只跟蹤、浮標(biāo)監(jiān)測和跟蹤、衛(wèi)星船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）等三個領(lǐng)域，能夠?yàn)闈O船、船隊(duì)、游輪等提供全球水域的近實(shí)時、雙向、遠(yuǎn)程船只跟蹤、監(jiān)測和控制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全球海域范圍內(nèi)船舶與港口之間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通信，保障海上安全、增加燃油效率、優(yōu)化漁業(yè)流程、確保監(jiān)管的合規(guī)性。

一、低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功能及應(yīng)用領(lǐng)域

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)適用于物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器對機(jī)器（M2M）的應(yīng)用，通常來說具備的功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星AIS、衛(wèi)星廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）、導(dǎo)航增強(qiáng)等。詳見表1。

二、低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的海洋海事應(yīng)用

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)海洋海事應(yīng)用主要的目標(biāo)對象如表2所示。

表1 低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能

表2 低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)海洋海事應(yīng)用主要目標(biāo)對象

1.船只跟蹤

（1）特色和優(yōu)勢

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的船只跟蹤應(yīng)用特色和優(yōu)勢如下：

1）增加海洋安全，引導(dǎo)救援行動。識別海上緊急情況，通過連接到海岸系統(tǒng)的緊急按鈕，保障海員安全，指導(dǎo)救援行動；向海上人員發(fā)送實(shí)時天氣和安全預(yù)警；船只航線符合船舶遠(yuǎn)程識別和跟蹤（LRIT）以及船舶保安警報(bào)服務(wù)（SSAS）條例。

2）監(jiān)控發(fā)動機(jī)性能，降低船舶燃油成本。通過近實(shí)時對船只燃油傳感器以及發(fā)動機(jī)性能的監(jiān)控，優(yōu)化燃油損耗，降低成本；將船舶跟蹤設(shè)備無縫集成到現(xiàn)有的燃料監(jiān)控解決方案中，形成降低燃油成本的整體解決方案。

3）減少紙上作業(yè)。在任何時候通過連續(xù)監(jiān)測船舶性能數(shù)據(jù)，確保所有船只的工作效率最高；通過船載IT系統(tǒng)，近實(shí)時獲取漁情報(bào)告、漁業(yè)表格和岸上系統(tǒng)的情況，減少紙上作業(yè)。

（2）解決方案

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)船只跟蹤解決方案提供硬件、終端應(yīng)用、服務(wù)于一體的船只跟蹤解決方案（如圖1所示），主要由以下幾個部分構(gòu)成：

1）衛(wèi)星通信終端。低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的海洋衛(wèi)星終端是一個密封裝置，能夠通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供全球海上船只之間的連接，實(shí)現(xiàn)船只跟蹤和安全監(jiān)管、船對岸的通信。船只跟蹤應(yīng)用中采用基本型終端，具備短數(shù)據(jù)通信和導(dǎo)航分米級定位功能，通過串口、網(wǎng)絡(luò)接口與船載設(shè)備相連，符合IP67標(biāo)準(zhǔn)，能夠存儲2MB用戶數(shù)據(jù)文件，具備地理圍欄、數(shù)據(jù)記錄器、位置匯報(bào)等功能。該終端也可應(yīng)用于遠(yuǎn)程管理固定和移動資產(chǎn)設(shè)備，卡車、漁船、石油天然氣和小型設(shè)備的管理。提供全球、雙向的衛(wèi)星通信服務(wù)。

2）嵌入式的終端應(yīng)用。預(yù)先在低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)海洋衛(wèi)星通信終端設(shè)備中裝載一個可配置的應(yīng)用軟件。能夠周期性，或者基于事件上報(bào)GPS位置、地理圍欄預(yù)警、系統(tǒng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)日志等信息，具備雙向電子郵件發(fā)送能力，也能夠遠(yuǎn)程配置。

3）接口單元。接口單元通過LED指示器將電力狀態(tài)、終端連接狀態(tài)、衛(wèi)星連接和GPS可用性等狀態(tài)信息傳遞給船舶操作員。接口單元能夠通過串口連接到計(jì)算機(jī)，用于系統(tǒng)診斷/更新，具有電子郵件功能。

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)船只跟蹤解決方案的功能和特性如下：

1）周期性上報(bào)。在預(yù)先設(shè)置好的時間間隔內(nèi)，發(fā)送船只的時間、經(jīng)度、維度、速度、航線、GPS和衛(wèi)星信號質(zhì)量、系統(tǒng)狀態(tài)等信息。也可以由用戶控制信息上報(bào)的時間周期。

圖1 低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)船只跟蹤解決方案

圖2 低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)浮標(biāo)監(jiān)測和跟蹤解決方案示意圖

2）基于事件上報(bào)。檢測到異常情況發(fā)生，例如電源斷開、GPS干擾，連接到計(jì)算機(jī)和接口單元不可用時，發(fā)送上報(bào)和通知消息。

此外，在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)海洋通信終端內(nèi)設(shè)定了多個地理圍欄，當(dāng)進(jìn)或出某個特定區(qū)域時發(fā)出通知。還可以遠(yuǎn)程進(jìn)行配置和系統(tǒng)更新，減少了漁業(yè)作業(yè)中斷和外場人員配置的成本。

2.浮標(biāo)監(jiān)測和跟蹤

（1）特色和優(yōu)勢

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)浮標(biāo)跟蹤解決方案，為處于偏遠(yuǎn)海域的海岸船只和海洋浮標(biāo)之間提供高效的通信，其特色和優(yōu)勢如下：

1）優(yōu)化漁業(yè)

●通過跟蹤魚類聚集設(shè)備的位置來優(yōu)化捕魚操作。

2）定位浮標(biāo)位置發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)

● 跟蹤浮標(biāo)以獲得即時位置；

●獲取浮標(biāo)采集到的溢油、水溫、天氣、海洋模式、環(huán)流和海岸線變化數(shù)據(jù)。

3）浮標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)控

●通過異常的報(bào)告來標(biāo)志非常規(guī)事件；

●通過遠(yuǎn)程指令控制，改變數(shù)據(jù)上報(bào)的頻率或控制傳感器開/關(guān)。

（2）解決方案

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)浮標(biāo)監(jiān)測和跟蹤解決方案如圖2所示。

浮標(biāo)采集信息傳輸步驟描述如下：

步驟1：浮標(biāo)數(shù)據(jù)處理器收集各個傳感器的信息；

步驟2：浮標(biāo)按照預(yù)設(shè)的信息傳輸周期，占用預(yù)留時隙或者利用隨機(jī)時隙發(fā)送數(shù)據(jù)；

步驟3：衛(wèi)星接收到數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至地面關(guān)口站，再經(jīng)由運(yùn)管中心將數(shù)據(jù)分發(fā)給用戶。

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)浮標(biāo)監(jiān)測和跟蹤解決方案終端也采用同船只跟蹤一樣的基本型終端，具備同時支持地面通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的雙模通信能力，定位精度2.5m，其可編程功能可以實(shí)現(xiàn)50000個位置報(bào)告的數(shù)據(jù)記錄功能，具備物資預(yù)警、周期性上報(bào)和遠(yuǎn)程控制能力。

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)浮標(biāo)監(jiān)測和跟蹤終端支持地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，能夠提供低成本、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，提供永遠(yuǎn)在線的衛(wèi)星通信服務(wù)。根據(jù)用戶需求，使用可編程軟件進(jìn)行快速配置。

3.衛(wèi)星AIS

AIS發(fā)送船只的身份／位置和其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)，用于協(xié)助航行，改善海上安全和跟蹤船舶管理船隊(duì)或海事執(zhí)法。

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星AIS功能依托船載AIS終端設(shè)備，利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星上高靈敏度的AIS信號探測轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，對船只連續(xù)、自動發(fā)射的AIS信號進(jìn)行探測和傳輸，以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)船舶的自動跟蹤監(jiān)視。星載AIS系統(tǒng)采用全向天線實(shí)現(xiàn)星下點(diǎn)的全覆蓋，整個星座能夠準(zhǔn)確提供全球范圍內(nèi)的所有衛(wèi)星AIS船只位置（見圖3）。

（1）特色和優(yōu)勢

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)AIS解決方案的特色和優(yōu)勢如下：

1）加強(qiáng)海洋監(jiān)視。監(jiān)視海面異常情況并作出反應(yīng)，避免沖突，保障海洋航路安全。

2）反海盜襲擊。衛(wèi)星AIS跟蹤可以定位可疑的海上移動目標(biāo)，識別可疑船只，對船只的潛在威脅進(jìn)行預(yù)警，從而對抗海盜攻擊，保證船員安全。

3）提高搜救效率。進(jìn)行遇險(xiǎn)船舶識別，將搜索和救援資源集中到特定區(qū)域，提高相應(yīng)時間和整體救援協(xié)調(diào)效率。

4）支持漁業(yè)和環(huán)境監(jiān)測。提供及時、準(zhǔn)確的船舶數(shù)據(jù)，預(yù)防海洋污染、保障漁業(yè)法規(guī)以及船舶交通管理政策的實(shí)施，通過與一些可信賴的海洋信息提供商合作，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星AIS可以為全球數(shù)千萬用戶提供最完備的全球船只狀態(tài)圖。

（2）解決方案

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星AIS結(jié)合了衛(wèi)星AIS、衛(wèi)星M2M、地面AIS三種應(yīng)用，提供“衛(wèi)星AIS+衛(wèi)星M2M+地面AIS”的完備的解決方案。

裝配了AIS設(shè)備的船只，向一定區(qū)域內(nèi)的船只、岸基發(fā)送自身船舶位置、身份等關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，通過全球衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，將船只的信息廣播給其他船只或者遠(yuǎn)海地區(qū)的基于Web的船只管理平臺，為船隊(duì)經(jīng)營者、海事局和執(zhí)法機(jī)構(gòu)提供可靠的AIS解決方案。

（3）終端

低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)AIS終端采用國際標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)如表3。

表3 低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)AIS終端指標(biāo)

三、小結(jié)

海洋海事是衛(wèi)星通信的主要應(yīng)用領(lǐng)域，在沒有地面網(wǎng)絡(luò)或者無線通信網(wǎng)絡(luò)的情況下，衛(wèi)星成為船員或者船只與岸基進(jìn)行聯(lián)絡(luò)的唯一手段。低軌數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)在海洋海事領(lǐng)域通過構(gòu)建基于衛(wèi)星的窄帶物聯(lián)網(wǎng)、M2M，為海洋船舶、浮標(biāo)、岸基之間提供基于短數(shù)據(jù)的采集、交互、AIS服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)海員船只安全、漁業(yè)捕撈、燃油監(jiān)控、海洋環(huán)境信息采集等應(yīng)用。

圖3 衛(wèi)星AIS應(yīng)用示意圖