高通量衛(wèi)星通信在海巡船艇應(yīng)用的探索與思考

鐘子洋（深圳海事局，廣東 深圳，518032）

一、引言

隨著海洋運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，海洋權(quán)益以及海上交通安全越來(lái)越受到關(guān)注，船舶在海上特別是遠(yuǎn)洋的通信困境已經(jīng)成為國(guó)家海洋與水上交通相關(guān)戰(zhàn)略落地的制約因素之一。尤其在交通運(yùn)輸部海事局提出建設(shè)“陸?？仗臁币惑w化水上交通運(yùn)輸保障體系后，船岸通信尤其是寬帶通信的重要性愈發(fā)顯著。如何利用現(xiàn)有及未來(lái)可預(yù)見的移動(dòng)寬帶通信手段實(shí)現(xiàn)海巡船艇與海事岸基中心的數(shù)據(jù)高速互聯(lián)，成為海事管理部門亟需解決的問(wèn)題。

二、海巡船艇信息化通信現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至“十三五”末，海事系統(tǒng)擁有各類型海巡船艇逾800艘，形成以覆蓋港區(qū)及沿海為主、兼顧專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的海巡船艇隊(duì)伍，并在日常巡航、動(dòng)態(tài)監(jiān)管、應(yīng)急搜救等工作中發(fā)揮了重要作用。但是因歷史等多方面原因，除了新建造的部分大型船艇外，大部分海巡船艇的綜合信息化尤其是船岸寬帶通信能力較為薄弱：

一是部分船艇除常用通導(dǎo)設(shè)備（如NAVTEX、VHF）外幾乎不配置綜合信息化寬帶通信系統(tǒng)，船艇與岸基不具備寬帶數(shù)據(jù)互聯(lián)的通信基礎(chǔ)，日常監(jiān)管及應(yīng)急只能依靠移動(dòng)電話及甚高頻等音頻通信手段，無(wú)法與岸基及其他船端進(jìn)行視頻和其他寬帶通信，導(dǎo)致船上態(tài)勢(shì)感知以及智能應(yīng)用受限。

二是部分船艇擁有基礎(chǔ)的信息化系統(tǒng)（如指揮會(huì)議系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)），但由于對(duì)信息化系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)缺乏運(yùn)維機(jī)制與資源，相關(guān)信息化系統(tǒng)不能與時(shí)俱進(jìn)，導(dǎo)致系統(tǒng)的可用性不足，越來(lái)越不具備與岸基的寬帶通信能力。

三是部分船艇則擁有較為完善的綜合信息化系統(tǒng)，同時(shí)具備與岸基寬帶通信的能力（3G/4G通信），但受制于船岸通信手段不足（如離岸10公里以上區(qū)域），無(wú)法發(fā)揮移動(dòng)監(jiān)管指揮中心的基本功能。

四是部分船艇除擁有較好綜合信息化系統(tǒng)外，也具備廣域船岸寬帶通信能力（衛(wèi)星通信），但是受制于衛(wèi)星通信昂貴的資費(fèi)及衛(wèi)星通信范圍限制（即一方面全天候衛(wèi)星通信的費(fèi)用十分高昂，另一方面高通量衛(wèi)星因點(diǎn)波束的緣故無(wú)法覆蓋所有的海域），這類海巡船艇無(wú)法發(fā)揮海巡船艇移動(dòng)監(jiān)管指揮中心的全部功能。

海巡船艇的綜合信息化水平整體較低，船岸寬帶通信能力較弱，嚴(yán)重限制了海巡船艇綜合監(jiān)管指揮功能的發(fā)揮。例如在2018年1月“桑吉”輪事件的處置中，海巡船艇雖然及時(shí)抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，但因通信手段單一且穩(wěn)定性不足，岸基指揮中心無(wú)法獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)（畫面）數(shù)據(jù)，一定程度上影響了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置工作。為了滿足“陸海空天”背景下海上安全監(jiān)管、巡航與應(yīng)急搜救等新需求，讓海巡船艇真正成為海上移動(dòng)監(jiān)管指揮中心的要求越來(lái)越迫切。因此，本文提出運(yùn)用高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)解決海巡船艇船岸寬帶通信的相關(guān)問(wèn)題。

三、衛(wèi)星通信概述及現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信是指在通信站（陸端、船端及機(jī)端）和用衛(wèi)星（LEO、MEO、GEO①GEO：靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)；MEO：中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)；LEO：低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。）[1]作中繼站進(jìn)行通信的方式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由衛(wèi)星、地球站、監(jiān)測(cè)管理以及衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)等組成。衛(wèi)星通信系統(tǒng)從地球站向衛(wèi)星發(fā)送并接收信號(hào)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口以互聯(lián)網(wǎng)或者專網(wǎng)方式向相關(guān)用戶提供衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1 典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)

關(guān)口站向衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)稱為上行鏈路，從衛(wèi)星接收信號(hào)稱為下行鏈路。衛(wèi)星是通過(guò)站線( line-of-site)到達(dá)接收機(jī)的，總體而言衛(wèi)星通信具有通信容量大、距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展與應(yīng)用，目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)已全面進(jìn)入寬帶通信時(shí)代，寬帶通信系統(tǒng)主要包括第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)FX以及VSAT②VSAT：Very Small Aperture Terminal（甚小口徑衛(wèi)星終端站）。系統(tǒng)[2][3]，其中通信容量大于10 Gbit/s[4]的通信衛(wèi)星就被稱為高通量通信衛(wèi)星③高通量通信衛(wèi)星采用頻率復(fù)用和多點(diǎn)波束技術(shù)，在同樣頻譜下，通信容量是傳統(tǒng)支持固定通信衛(wèi)星數(shù)倍。（High Throughput Satellite）。高通量通信衛(wèi)星系統(tǒng)一般分為空間段（Ku及Ka頻段GEO衛(wèi)星）、地面段（主控站、網(wǎng)控中心及關(guān)口站）以及用戶段（VSAT終端及固定地球站）。

中國(guó)的衛(wèi)星通信事業(yè)起步較晚，但發(fā)展步伐較快。近幾年來(lái)成功發(fā)射了天通一號(hào)、中星16號(hào)以及亞太6D等一系列高通量衛(wèi)星，特別是2020年成功發(fā)射的亞太6D高通量衛(wèi)星，通信容量為50 Gbit/s，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的在軌通信衛(wèi)星容量。除了能夠提供高帶寬數(shù)據(jù)服務(wù)，衛(wèi)星通信服務(wù)的租賃成本也大幅降低，應(yīng)用于海上交通行業(yè)具有一定經(jīng)濟(jì)性，能夠滿足海事通信各種信息化寬帶通信需求。

四、高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)在海巡船艇的應(yīng)用

一直以來(lái)，海事衛(wèi)星作為GMDSS體系的重要組成部分，除了公約的相關(guān)規(guī)范要求外，具備安裝條件的海巡船艇大部分都安裝了衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)，遠(yuǎn)離海岸線航行的海巡船艇可以通過(guò)衛(wèi)星將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)回傳岸基單位，并可以通過(guò)雙向通信及時(shí)獲取岸基的各類動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，這為拓展海事動(dòng)態(tài)管理覆蓋范圍、提高水上交通安全監(jiān)管與應(yīng)急指揮搜救的效率發(fā)揮了重要作用。

但是過(guò)去海巡船艇大部分的衛(wèi)星通信系統(tǒng)在不同程度上都存在通信租賃費(fèi)高、帶寬小、設(shè)備大、盲區(qū)多以及穩(wěn)定性差等問(wèn)題，造成海巡船艇出港區(qū)或沿海水域即“失明”，無(wú)法與岸基單位建立實(shí)時(shí)有效的寬帶通信鏈路，制約了海事管理部門進(jìn)一步履行對(duì)遠(yuǎn)海海域水上安全管理以及應(yīng)急搜救的職責(zé)。因此新一代國(guó)產(chǎn)高通量衛(wèi)星的商用為海巡船艇管理部門提供了一個(gè)可行的解決方案。

以深圳海事局為例，該局的旗艦海巡船“深海01”輪于2020年8月正式投入使用，其綜合信息化采用“一中心四系統(tǒng)”（即移動(dòng)數(shù)據(jù)中心，智能感知系統(tǒng)、綜合指揮系統(tǒng)、船舶管理系統(tǒng)和支持保障系統(tǒng)）的建設(shè)模式，尤其是移動(dòng)數(shù)據(jù)中心對(duì)船岸寬帶通信數(shù)據(jù)互聯(lián)提出了極高的要求。為了滿足“深海01”輪信息化寬帶通信需求，深圳海事局選擇了當(dāng)時(shí)最成熟的高通量“中星16”衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為船岸數(shù)據(jù)互聯(lián)的重要通信手段，通過(guò)在“深海01”輪上安裝衛(wèi)星船站，在船艇移動(dòng)數(shù)據(jù)中心配置安全網(wǎng)關(guān)、虛擬安全隧道以及配套設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全策略（圖2），即可確?！吧詈?1”輪的綜合信息化系統(tǒng)在應(yīng)急處置及搜救巡航工作中能通過(guò)衛(wèi)星鏈路與海事信息專網(wǎng)下的岸基數(shù)據(jù)中心及相關(guān)信息化系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通。比如在應(yīng)急工作中可以通過(guò)衛(wèi)星通信鏈路與岸基的多個(gè)指揮中心同步實(shí)時(shí)視頻連線，讓指揮人員能夠?qū)崟r(shí)感知現(xiàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)，以便作出科學(xué)合理的應(yīng)急處置決策；在巡航執(zhí)法工作中執(zhí)法人員也可以通過(guò)衛(wèi)星鏈路連接岸基數(shù)據(jù)中心及相關(guān)的信息化系統(tǒng)，獲取目標(biāo)船的基本信息或者關(guān)聯(lián)水域的水文氣象信息，從而提升監(jiān)管執(zhí)法工作的效率；在非緊急與非工作時(shí)間也可以通過(guò)衛(wèi)星鏈路以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，方便指揮人員以及船員加強(qiáng)與外部單位的訪問(wèn)連接，便利后續(xù)執(zhí)法以及船舶運(yùn)維相關(guān)工作。

圖2 “深海01”輪衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)圖

在1年多的時(shí)間里，“深海01”輪的船岸寬帶通信系統(tǒng)在日常安全監(jiān)管、重點(diǎn)能源（例如LNG）運(yùn)輸安全護(hù)航、重大危險(xiǎn)品應(yīng)急演練以及系列跨轄區(qū)長(zhǎng)航訓(xùn)練中發(fā)揮了重要的作用，為圓滿完成各項(xiàng)工作任務(wù)提供了便捷穩(wěn)定的移動(dòng)寬帶通信服務(wù)。

五、高通量衛(wèi)星船岸寬帶通信方案的優(yōu)點(diǎn)

“深海01”輪衛(wèi)星通信的應(yīng)用方案在確保海事部門網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，有效解決了長(zhǎng)久以來(lái)困擾海巡船艇的信息化寬帶通信難題，為海事部門積累了可推廣使用的經(jīng)驗(yàn)：

（一）船岸通信帶寬有效擴(kuò)充?！吧詈?1”輪的衛(wèi)星通信采用的是上行6 Mbps、下行10 Mbps的寬帶通信服務(wù)方案，在滿足組織船岸視頻聯(lián)動(dòng)會(huì)議（720 P）的同時(shí)，可以同步穩(wěn)定地回傳至少2路高清視頻監(jiān)控信號(hào)（1080 P）至岸基終端，有效解決過(guò)去現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)管以及應(yīng)急搜救指揮工作中船岸實(shí)時(shí)動(dòng)靜態(tài)寬帶數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的難題，也為各類信息化系統(tǒng)在船上的應(yīng)用提供了良好的通信服務(wù)基礎(chǔ)。

（二）船岸通信范圍不斷擴(kuò)大。隨著高通量衛(wèi)星資源的不斷增多，衛(wèi)星通信覆蓋范圍將不斷變大，對(duì)于“深海01”輪來(lái)說(shuō)現(xiàn)有的衛(wèi)星覆蓋充足且盲區(qū)較少，但是衛(wèi)星的點(diǎn)波束增多可以為船岸通信的穩(wěn)定性提供更可靠的保障。

（三）船岸通信組網(wǎng)快速便捷。相較過(guò)去體積龐大的衛(wèi)星天線及附屬設(shè)備，新一代高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端（天線）直徑短至45cm，對(duì)船艇的安裝基礎(chǔ)要求不高，同時(shí)部署及使用簡(jiǎn)便，通過(guò)一鍵開關(guān)模式，將開機(jī)-搜星-登錄-使用等傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)繁瑣的程序便捷化，大大降低船員的使用門檻，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用的便捷性。

（四）船岸通信資費(fèi)大幅下降。隨著高通量衛(wèi)星商用的不斷推廣，相關(guān)通信資費(fèi)也將持續(xù)下降，結(jié)合衛(wèi)星通信資費(fèi)特點(diǎn)以及實(shí)際使用需求，“深海01”輪靈活地采用流量數(shù)據(jù)包的方式購(gòu)買衛(wèi)星寬帶通信服務(wù)，保障了日常以及應(yīng)急情況下船岸寬帶通信的需求，較以往大幅降低了衛(wèi)星通信的租賃費(fèi)用，目前高通量衛(wèi)星的通信資費(fèi)（20至40萬(wàn)元）僅為船舶運(yùn)維費(fèi)用（千萬(wàn)元級(jí)）的零頭。

（五）船岸通信使用靈活冗余。衛(wèi)星通信與4G網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步提升船岸寬帶通信能力與可靠性，通過(guò)智能路由實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)感切換（即4G信號(hào)不足時(shí)切換到衛(wèi)星通信），同時(shí)通過(guò)信號(hào)放大器以及網(wǎng)絡(luò)中繼器等設(shè)備與手段，實(shí)現(xiàn)全船所有有人艙室的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

（六）船岸通信網(wǎng)絡(luò)安全可控。由于目前所使用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是商用衛(wèi)星，信號(hào)落地后經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)連接海事終端，存在網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。為將風(fēng)險(xiǎn)控制在低水平，“深海01”輪采用一體化網(wǎng)關(guān)、防火墻和訪問(wèn)白名單等措施組合，為常態(tài)化使用衛(wèi)星通信提供網(wǎng)絡(luò)安全支撐。

“深海01”輪通過(guò)應(yīng)用高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，有效提升了船岸寬帶通信能力，實(shí)現(xiàn)船岸寬帶數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，打造了一個(gè)可靠實(shí)用的移動(dòng)監(jiān)管指揮中心，在安全監(jiān)管、應(yīng)急搜救以及調(diào)查取證等海事管理工作中發(fā)揮了積極作用。

六、高通量衛(wèi)星船岸通信方案存在的不足

盡管目前通過(guò)應(yīng)用高通量衛(wèi)星有效解決了海巡船艇船岸寬帶通信的部分難題，但是相比成熟的岸基移動(dòng)通信手段（4G/5G/WIMAX等），高通量衛(wèi)星依然存在不足：一是通信帶寬依然受限，盡管較過(guò)往有較大的提升，但依然不能全面滿足當(dāng)下及未來(lái)的高帶寬通信需求；二是微波通信的雨致衰減①雨致衰減是指電波進(jìn)入雨層中引起的衰減。它包括雨粒吸收引起的衰減和雨粒散射引起的衰減。使得衛(wèi)星通信穩(wěn)定性受氣象影響大，導(dǎo)致衛(wèi)星通信在部分場(chǎng)景、時(shí)間及區(qū)域下失效，尤其是Ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)；三是通信資費(fèi)相較岸基移動(dòng)通信手段而言依然較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)不間斷的衛(wèi)星寬帶通信；四是現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要依靠商用衛(wèi)星，缺乏海事專用的鏈路，網(wǎng)絡(luò)安全上依然存在風(fēng)險(xiǎn)。

七、相關(guān)建議

為了推廣高通量衛(wèi)星在海巡船艇上的應(yīng)用，進(jìn)一步提升船岸寬帶通信能力，提升海事履職能力，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，本文提出相關(guān)建議如下：

一是在“陸海空天”一體化水上交通運(yùn)輸保障體系建設(shè)的背景下，完善海巡船艇信息化建設(shè)及運(yùn)維機(jī)制，針對(duì)現(xiàn)有海巡船艇隊(duì)伍實(shí)際以及未來(lái)船艇建設(shè)情況，成立工作組或?qū)０嗑幹拼畔⒒ㄔO(shè)規(guī)劃，有序開展對(duì)海巡船艇的升級(jí)與改造。二是由專業(yè)管理部門承擔(dān)高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的管理職責(zé)，負(fù)責(zé)對(duì)接海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)維及管理，配套相應(yīng)資源支持高通量衛(wèi)星通信在海巡船艇的應(yīng)用落地，同時(shí)推進(jìn)衛(wèi)星通信在海事領(lǐng)域的推廣與使用。三是應(yīng)用高通量衛(wèi)星的過(guò)程中可選用多頻段復(fù)用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如采用Ku/Ka頻段復(fù)用的衛(wèi)星及船載通信終端，盡可能降低衛(wèi)星通信雨衰的影響。四是加強(qiáng)與衛(wèi)星通信服務(wù)商及科研機(jī)構(gòu)的交流合作，密切關(guān)注新一代前沿通信技術(shù)及手段的發(fā)展，比如極高通量衛(wèi)星以及低軌星座（如虹云、鴻雁等）的技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展，確保海事部門能夠及時(shí)共享上述技術(shù)的發(fā)展成果。五是加快海事船岸通信專業(yè)人才隊(duì)伍的建設(shè)步伐，這支隊(duì)伍既要具備專業(yè)項(xiàng)目管理能力，又要具備過(guò)硬的海事業(yè)務(wù)以及通信專業(yè)能力。六是加強(qiáng)海巡船艇船岸通信網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)劃與研究，針對(duì)各船的特點(diǎn)與實(shí)際，在船艇信息化升級(jí)改造或建設(shè)的同時(shí)開展網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)估與建設(shè)，降低相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。

八、結(jié)語(yǔ)

由于各種原因，多年來(lái)海事部門未能有效地解決海巡船艇的船岸寬帶通信問(wèn)題，加上海巡船艇信息化基礎(chǔ)薄弱等現(xiàn)狀，一定程度上影響了海事部門在部分領(lǐng)海、毗鄰區(qū)以及專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的海上監(jiān)管、搜救應(yīng)急等工作的效能。隨著我國(guó)高通量衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，在海巡船艇上推廣應(yīng)用高通量衛(wèi)星可為解決遠(yuǎn)海船岸寬帶通信等難題提供一個(gè)可行的解決方案，也使得海巡船艇能夠在“陸?？仗臁币惑w化水上交通運(yùn)輸保障體系建設(shè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。