“空天地?！币惑w化的海上應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

林彬 張治強(qiáng) 韓曉玲 劉琳 劉振秋 車雨笛

【摘 ?要】

隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的海上應(yīng)急通信技術(shù)資源分散，已經(jīng)難以應(yīng)對復(fù)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(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。介紹了海上應(yīng)急通信研究背景、意義及發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了天基、空基、岸基、?；ㄐ攀侄渭捌湓诤Ｉ蠎?yīng)急通信中的應(yīng)用，最后對海上應(yīng)急通信技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。海上應(yīng)急通信將成為“空天地?！币惑w化通信網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)快速高效的海上救助和通信接入，對建設(shè)“海洋強(qiáng)國”發(fā)揮重要作用。

【關(guān)鍵詞】海上應(yīng)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(qiáng)國”戰(zhàn)略的提出，堅持海陸統(tǒng)籌，進(jìn)一步加快海洋科技創(chuàng)新步伐，開拓海上經(jīng)濟(jì)帶成為我國經(jīng)濟(jì)增長新的著力點。目前，我國海上運(yùn)輸船舶數(shù)量及從事水上工作的人員迅速增長，而海難事故也經(jīng)常發(fā)生，海上搜救任務(wù)日益繁重。海上應(yīng)急通信是指在海上突發(fā)緊急情況或海洋自然災(zāi)害時，綜合利用各種通信資源，提供緊急救助和必要信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧椒ㄅc手段。不同于陸地應(yīng)急通信保障，海上應(yīng)急通信保障通常需要面對海上基礎(chǔ)通信設(shè)施缺乏、海上工況環(huán)境惡劣等不利條件，通常具有事發(fā)突然、應(yīng)急響應(yīng)窗口短、后果嚴(yán)重等特點，因此海上應(yīng)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(xù)保障的海上應(yīng)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(tǒng)），用于海上遇險、安全和日常通信的海上無線電通信系統(tǒng)。由國際移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)、低極軌道搜尋救助衛(wèi)星系統(tǒng)和甚高頻（VHF）、中/高頻（MF/HF）地面頻率通信系統(tǒng)等組成，具有遇險報警、搜救協(xié)調(diào)通信、救助現(xiàn)場通信、海上安全信息播發(fā)、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(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是海上搜救系統(tǒng)的重要組成部分，是保證搜救快速準(zhǔn)確的前提，而建立健全“空天地?！币惑w化體系更是構(gòu)建海上應(yīng)急通信網(wǎng)的基礎(chǔ)。將天基、空基、陸基、海基網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合在一起，構(gòu)成了海上應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，互通互聯(lián)，可實現(xiàn)信息及時有效地傳輸，利用數(shù)據(jù)基準(zhǔn)與協(xié)同感知探測、廣域動態(tài)多源信息智能化處理等一系列關(guān)鍵技術(shù)，可以推動“空天地?！币惑w化在海上應(yīng)急場景的實際應(yīng)用。

隨著各項關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，“空天地?！币惑w化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可分為幾個方面：（1）將地面系統(tǒng)與非地面系統(tǒng)相互融合。設(shè)計開放、安全的網(wǎng)關(guān)接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，逐步優(yōu)化非地面網(wǎng)絡(luò)的時延和傳輸成本。（2）將不同軌道高度的衛(wèi)星統(tǒng)一規(guī)劃，實現(xiàn)組網(wǎng)通信。采用與地面網(wǎng)絡(luò)相似的架構(gòu)模式和關(guān)鍵技術(shù)，通過共享產(chǎn)業(yè)鏈，提高“空天地?！币惑w化的組網(wǎng)效率，為遇險船只提供可靠的服務(wù)。（3）實現(xiàn)空天地海通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和計算處理能力的復(fù)用共享。通過設(shè)備模塊化、計算處理云化、引入?yún)^(qū)塊鏈等技術(shù)，進(jìn)一步減少海上應(yīng)急救援的成本消耗[2] ，為海上應(yīng)急提供網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐。

進(jìn)入21世紀(jì)后，無線、寬帶、泛在、融合、立體的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，為信息共享、互聯(lián)互通、統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)配合的海上應(yīng)急通信平臺建設(shè)賦能。綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計算、AI（Artificial Intelligence，人工智能）、衛(wèi)星通信、多媒體通信、移動通信等先進(jìn)技術(shù)，融合天基、空基、岸基、海基多種平臺，構(gòu)建了“空天地?！币惑w化的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?！翱仗斓睾！币惑w化網(wǎng)絡(luò)在本質(zhì)上是一個分層的異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，各種組網(wǎng)技術(shù)通過有效的互聯(lián)，互補(bǔ)來提供服務(wù)[3]。以衛(wèi)星和岸基基站為網(wǎng)絡(luò)框架，結(jié)合多種海上和空中應(yīng)用平臺，實現(xiàn)多元接入?！翱仗斓睾！彼奈灰惑w化通信體系將實現(xiàn)多平臺整體應(yīng)急資源規(guī)劃和協(xié)同服務(wù)。

1 ? ?天基通信手段

無線通信系統(tǒng)作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的重要組成部分，在海洋建設(shè)應(yīng)用中處于舉足輕重的地位，而天基通信系統(tǒng)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(wèi)星傳輸距離長大以及組網(wǎng)靈活、高效的特點[4]，通過移動衛(wèi)星節(jié)點、地面節(jié)點和空中節(jié)點間的組網(wǎng)與互聯(lián)，實現(xiàn)面向全球的高效、可靠通信。

地球海域遼闊，相比于傳統(tǒng)的海上無線電通信方式，衛(wèi)星通信不會受到海上天氣條件影響，被認(rèn)為是最有效的海上通信手段[5]。多個國家都在積極研發(fā)可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以增強(qiáng)海上船舶和人員的通信能力。如海上發(fā)生險情，可為?；⒖栈鶓?yīng)用平臺和救援人員提供即時的應(yīng)急通信連接，將遇險信息準(zhǔn)確傳達(dá)到救援部門以便實施搜救，保障人身財產(chǎn)安全。

1.1 ?現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)在海上應(yīng)急通信中的應(yīng)用

目前，全球大多數(shù)通信衛(wèi)星主要以地球同步軌道衛(wèi)星為主，覆蓋范圍廣、位置相對穩(wěn)定、可以確保提供連續(xù)服務(wù)，但隨著軌道空間日漸擁擠、衛(wèi)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(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，低軌衛(wèi)星逐漸加入到天基通信系統(tǒng)的應(yīng)用行列，其軌道高度低、傳輸時延短、路徑損耗小、頻率復(fù)用更有效。多個國家相繼推出規(guī)模龐大的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)方案，如摩托羅拉公司的銥星系統(tǒng)和美國SpaceX公司的星鏈計劃;我國正在建設(shè)的鴻雁、虹云星座和2020年7月開通的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（由低軌衛(wèi)星和地球同步軌道衛(wèi)星共同組成）等，如表1和表2所示。完全部署的低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)將實現(xiàn)全球全覆蓋，為海上用戶提供應(yīng)急移動通信、寬帶接入、導(dǎo)航增強(qiáng)等服務(wù)[6]。

國外主要衛(wèi)星通信系統(tǒng)如表1所示。

國內(nèi)主要衛(wèi)星通信系統(tǒng)如表2所示。

1.2 ? 面向海上應(yīng)急的GMDSS衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)代化

自1992年GMDSS采用Inmarsat系統(tǒng)投入使用至今，Inmarsat衛(wèi)星共經(jīng)歷了四代更新，在傳統(tǒng)電路交換技術(shù)基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)分組交換技術(shù)，并已實現(xiàn)寬帶通信業(yè)務(wù)，在海上救援協(xié)調(diào)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(chǎn)安全，IMO在各成員國一致認(rèn)可下發(fā)布《SOLAS公約》，規(guī)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(quán)的GMDSS衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端設(shè)備，確保船舶遇險時能及時發(fā)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(jìn)行現(xiàn)代化完善，引入信息化和數(shù)字化通信技術(shù)，提高通信速度及通信系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。GMDSS現(xiàn)代化是海上通信領(lǐng)域轉(zhuǎn)型進(jìn)入“海上互相網(wǎng)時代”關(guān)鍵戰(zhàn)略，是我們面臨的重要機(jī)遇及挑戰(zhàn)，我國也要緊緊抓住當(dāng)前這個戰(zhàn)略機(jī)遇，持續(xù)跟蹤國際海事組織GMDSS現(xiàn)代化進(jìn)程，建立以需求為導(dǎo)向的服務(wù)機(jī)制，拓寬業(yè)務(wù)范圍，實現(xiàn)多元化的通信服務(wù)，進(jìn)一步增強(qiáng)海上應(yīng)急安全保障[7]。

4 ? ?；ㄐ攀侄?/p>

海基通信手段以船舶、浮標(biāo)等為海上平臺，在海上突發(fā)事件或自然災(zāi)害發(fā)生時，迅速建立通信保障，展開救援任務(wù)。

4.1 ?無人艇及其在海上應(yīng)急通信中的應(yīng)用

無人艇是一種能夠自主航行的水面運(yùn)動平臺。針對不同應(yīng)用場景，我國不斷推出具有專業(yè)優(yōu)勢的“天行1號”、“Seafly01”、“藍(lán)鯨號”等無人艇[19]。無人艇的岸基監(jiān)控子系統(tǒng)可設(shè)置在其他水面艦艇之上，實現(xiàn)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(shù)傳電臺、4G無線網(wǎng)絡(luò)、Ad-Hoc自組網(wǎng)和衛(wèi)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(nèi)采用數(shù)傳電臺，若超出視距，在50 km范圍內(nèi)可在近岸水域布置4G無線網(wǎng)絡(luò)[21]，4G無線網(wǎng)絡(luò)通訊速率高、建設(shè)成本低，是無人艇近岸通信的首選方式。在海上搜救任務(wù)中，無人艇離岸較遠(yuǎn)，可選用Inmarsat、北斗、天通一號等衛(wèi)星通信方式進(jìn)行遠(yuǎn)海通信[22]。同時，無人艇組網(wǎng)靈活、可迅速搭建通信網(wǎng)絡(luò)，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(yīng)用中可以通過與無人機(jī)協(xié)同作業(yè)擴(kuò)展搜救范圍[18]。

4.2 ?浮標(biāo)及其在海上應(yīng)急通信中的應(yīng)用

應(yīng)急浮標(biāo)是一種漂浮式通信平臺，通信方式主要是衛(wèi)星通信，還有CDMA、GPRS、4G移動通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)傳電臺、Wi-Fi等[23]。它主要包括應(yīng)急救生浮標(biāo)、通信中繼浮標(biāo)和應(yīng)急監(jiān)測浮標(biāo)，如表5所示。應(yīng)急救生浮標(biāo)在潛艇水下遇險時使用，無纜形式可配合導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)答雷達(dá)掃描信號，使救援艦船或飛機(jī)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(xiàn)對外報警以及通信的功能[24]。通信中繼浮標(biāo)一般為拖曳浮標(biāo)，作為潛艇通信的中轉(zhuǎn)站，可以使?jié)撏г谒潞叫袝r與岸艦進(jìn)行通信。溢油跟蹤監(jiān)測浮標(biāo)采用北斗衛(wèi)星定位平臺實現(xiàn)對不同海況、不同油膜的實時跟蹤、監(jiān)測功能，以減少海上油船溢油事故導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害[25]。

4.3 ?Mesh/Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)及其在海上應(yīng)急通信中的應(yīng)用

Mesh/Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都具備數(shù)據(jù)傳輸和路由中繼功能，能快速搭建高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)，在船舶、無人艇、無人機(jī)組網(wǎng)中都有廣泛的應(yīng)用。在近岸情況下，船舶可采用Mesh網(wǎng)絡(luò)通信，它是由Mesh routers構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò)，通過有線Internet網(wǎng)為Mesh clients提供多跳的網(wǎng)絡(luò)連接。船舶在無線電接入站（RAS）的覆蓋范圍內(nèi)可以直接與RAS通信，若超出RAS的覆蓋范圍，Mesh網(wǎng)絡(luò)可以與其他船舶/浮標(biāo)共建網(wǎng)絡(luò)[26]。Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)與Mesh網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別在于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中不存在基站[27]。在遠(yuǎn)離海岸無法安裝基站的情況下，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)相較于Mesh網(wǎng)絡(luò)的弱移動性結(jié)構(gòu)更適用于隨意移動的通信終端?；贏d-Hoc網(wǎng)絡(luò)的海上移動通信系統(tǒng)通常選用AODV（Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing）協(xié)議[28]，該協(xié)議通過廣播形式發(fā)送路由數(shù)據(jù)包（RREQ），中間節(jié)點在接收到RREQ包時，會更新自己的路由緩存信息，當(dāng)判斷從未見過RREQ包時，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該包，并向數(shù)據(jù)源船舶發(fā)送一個路由應(yīng)答（RREP）包。AODV協(xié)議復(fù)雜度低，可避免大量路由信息擁堵，因此，能夠較好地適應(yīng)拓?fù)洳粩嘧兓暮Ｉ弦苿咏M網(wǎng)。

5 ? 展望

海上應(yīng)急通信設(shè)備面臨著眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，支持多頻多模、地面網(wǎng)絡(luò)與低軌衛(wèi)星有效結(jié)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(xiàn)階段海上應(yīng)急通信領(lǐng)域研究面臨的首要問題。未來的“空天地?！币惑w化網(wǎng)絡(luò)將通過相互融合實現(xiàn)高效協(xié)作，如：通過對衛(wèi)星的統(tǒng)一規(guī)劃，實現(xiàn)空間組網(wǎng)，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢。隨著未來6G技術(shù)[29]的不斷發(fā)展，融合6G關(guān)鍵技術(shù)的“空天地?！币惑w化網(wǎng)絡(luò)體系將借助非地面網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全球覆蓋、持續(xù)保障，達(dá)到低時延、高速率的效果，為海上船舶和人員提供可靠穩(wěn)定的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)接入，同時向搜救部門準(zhǔn)確傳達(dá)信息并制定高效的搜救方案、進(jìn)而保障海上人員生命和財產(chǎn)安全。

6 ? 結(jié)束語

本文分析了當(dāng)前海上應(yīng)急通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)，介紹了基于“空天地?！币惑w化的海事應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，分別從空基、天基、陸基、?；ㄐ抨P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述?；凇翱仗斓睾！币惑w化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將融合衛(wèi)星、高空平臺、岸基以及無人艇等新技術(shù)，構(gòu)建可靠、高效、安全的海上應(yīng)急通信體系，有效應(yīng)對海上自然災(zāi)害和各種突發(fā)事件，旨在為建設(shè)海洋強(qiáng)國提供有力保障。

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