某新型海洋指揮船無線通信一體化系統(tǒng)設計

張倩萍 楊禮文 蘇珍莉

摘? ? 要：傳統(tǒng)無線電設備（如VHF、MF/HF）僅能實現(xiàn)語言功能傳輸，而為了增強海上執(zhí)法部門海上可視化指揮能力，本文以新一代海洋指揮船為主體，系統(tǒng)論證無線通信一體化系統(tǒng)的總體構(gòu)架和設計方案，綜合利用衛(wèi)星通信船載終端、4G/5G無線通信、視頻會議、單兵背負圖傳終端等系統(tǒng)豐富指揮船的通信手段，實現(xiàn)指揮船與陸地指揮中心之間的高速音頻通信等業(yè)務功能。

關鍵詞：無線通信系統(tǒng)；信息化；指揮

中圖分類號：U665.26 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Design of New Wireless Communication Integrated System

for a Marine Command Ship

ZHANG Qianping1，? YANG Liwen2，? SU Zhenli1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;? 2. Unit 4805 Factory of PLA， Ningbo 315700 ）

Abstract： Traditional radio equipment （VHF， MF/HF） can only achieve language function transmission. In order to enhance the sea visual command capability of maritime law enforcement departments， this paper takes a new type of marine command ship as an example， systematically demonstrates the overall? framework， design scheme and installation of wireless communication integration system， and makes comprehensive use of VSAT satellite communication， 4G/5G wireless communication， audio and video conferencing， individual soldier image transmission and other systems to enrich the communication means of command ship， so as to achieve high speed audio and video communication between the command ship and the land command center and other business functions.

Key words： wireless communication systems;? informatization;? command

1? ? ?前言

隨著陸用資源的日益匱乏，各國開始爭奪海上資源，海洋經(jīng)濟蓬勃發(fā)展。然而海上安全和治安形勢也隨之日漸嚴峻。傳統(tǒng)指揮船的無線電通信設備通常按照法規(guī)配備，適用于航行安全和緊急遇險求助，且僅為語音數(shù)據(jù)傳輸[1]。面對日趨復雜的海洋環(huán)境，需研發(fā)出新一代海洋指揮船，承擔起海域范圍內(nèi)全方位管控、海上維權和執(zhí)法過程信息收集責任，并通過建立起“船-岸”一體化指揮系統(tǒng)和艇隊之間聯(lián)合通信的無線通信系統(tǒng)來提升指揮船的自動化和信息化水平。

2? ? ?無線通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前全國海洋綜合執(zhí)法部門分為北京主控站和各省市支隊級以上單位的指揮中心。陸地職能部門通過專網(wǎng)、專線等局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，具備初級信息化指揮能力。而各級執(zhí)法單位之間信息化指揮中心通信指揮和協(xié)調(diào)調(diào)度溝通機制體系相差甚遠。

對于執(zhí)行任務一線裝備，雖然具備基礎的通信手段，但通信能力較弱。例如，短波通信設備受環(huán)境影響較大，可用信道較少，頻段窄，抗干擾能力差，通聯(lián)效率低。而超短波通信設備覆蓋面較小，互相之間不能通聯(lián)。執(zhí)行任務時無可靠便捷設備進行現(xiàn)場過程記錄，缺乏強有力的證據(jù)對非法行為進行制裁。

對于任務頂層決策機構(gòu)的主控站，無法第一時間接受到前線的任務執(zhí)行狀況，缺乏一定的趨勢預判和可視化指揮能力，綜合資源利用率低，未形成統(tǒng)一標準化溝通機制。

因此加強無線通信一體化系統(tǒng)建設，直接影響到海上執(zhí)法維權效率、反應速度和綜合調(diào)配能力。本系統(tǒng)合理利用VSAT衛(wèi)星通信、4G/5G無線通信、視頻會議、單兵背負圖傳終端等豐富指揮通信手段，可實現(xiàn)指揮船與協(xié)同船、指揮船與陸地指揮中心、指揮船與主控站之間等多邊高速音視頻通信業(yè)務功能。

3? ? ?系統(tǒng)總體架構(gòu)

本船無線通信系統(tǒng)設計針對海洋指揮船的任務需求，利用已有資源確定系統(tǒng)規(guī)模。采用可靠性高的設備，充分考慮數(shù)據(jù)信息安全，基礎硬件建設與高效便捷軟件相結(jié)合，實現(xiàn)船艇航行任務狀態(tài)監(jiān)視、綜合數(shù)據(jù)收集及處理、基礎業(yè)務辦理等信息服務功能，實現(xiàn)頂層決策機構(gòu)與一線裝備之間低偏差、低延時的“指揮——執(zhí)行”雙向通信模式。

基于以上設計理念，本系統(tǒng)主要由VSAT衛(wèi)星通信指揮系統(tǒng)、4G/5G無線通信系統(tǒng)、Wi-Fi系統(tǒng)、單兵背負圖傳終端和監(jiān)管指揮系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

船載部分包括五個部分：

1）安裝船載VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在沒有4G/5G網(wǎng)絡信號覆蓋的海域，指揮船可以利用衛(wèi)星通信鏈路實現(xiàn)與主控站、指揮中心之間的數(shù)據(jù)通信；

2）安裝船載4G/5G無線通信系統(tǒng)。在有4G/5G網(wǎng)絡信號覆蓋的海域，執(zhí)法船上所有通信數(shù)據(jù)業(yè)務系統(tǒng)可以利用4G/5G鏈路傳輸數(shù)據(jù)，與協(xié)同船、指揮中心通信；

3）安裝Wi-Fi系統(tǒng)。利用船載4G/5G路由器及信號放大器實現(xiàn)執(zhí)法船內(nèi)的Wi-Fi覆蓋；

4）安裝單兵背負圖傳終端。在指揮船無法抵達的海域，可利用單兵乘坐小艇的方式進行現(xiàn)場視頻采集，并通過單兵背負圖傳終端傳輸視頻圖像，且可利用硬盤錄像機實現(xiàn)對視頻的處理和存儲；

5）安裝監(jiān)管指揮系統(tǒng)。其中包含巡航綜合執(zhí)法系統(tǒng)、海上救助指揮系統(tǒng)和視頻會議系統(tǒng)。指揮船可與指揮中心、直屬支隊以及其它執(zhí)法船之間召開雙方或者多方高清音視頻會議。

陸地指揮中心和主控站部分包括需配套安裝以上設備的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)船——岸高速音視頻通信、指揮通信等業(yè)務。

4? ? 設計方案

4.1? 無線通信鏈路設計

1）VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)

目前衛(wèi)星頻段分為Ka、Ku和C波段。在全球3大無線電區(qū)域內(nèi)，為了合理使用頻帶，國家電信聯(lián)盟將其安裝各種衛(wèi)星業(yè)務進行劃分，但相同業(yè)務在不同的區(qū)域也存在使用不同的頻段衛(wèi)星業(yè)務[2]。各頻段實現(xiàn)主要業(yè)務如下表1所示。

根據(jù)本船任務作用海域，VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用可覆蓋我國全境、周邊海域以及南海全海域的中星12號衛(wèi)星Ku頻段實現(xiàn)。船載VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)可接入指揮中心現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)，實現(xiàn)與網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點的互聯(lián)互通。船載動中通用于接收和發(fā)射Ku頻段衛(wèi)星信號，其天線伺服系統(tǒng)基于激光陀螺慣性導航技術，能夠保證船舶在航行中準確對準衛(wèi)星，極大降低惡劣氣候和海浪條件下對通信業(yè)務的影響。

衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器負責衛(wèi)星通信基帶信號的處理，能夠解調(diào)前向鏈路的DVB-S2信號，并解析、過濾出帶有自身標識的信令和業(yè)務信息。信令信息用于主控站的同步追蹤，資源分配的獲取等；業(yè)務信息發(fā)送至相應終端處理操作。對待發(fā)送的業(yè)務信息，衛(wèi)星路由負責信號的調(diào)制，并以突發(fā)的方式在分配的信道和時隙資源上發(fā)送回傳信號。

具體功能要求及技術指標及功能如下：

（1）衛(wèi)星信號需直接落地到衛(wèi)星地面站，并能利用衛(wèi)星專網(wǎng)等方式進入岸端內(nèi)網(wǎng)，以滿足船舶通信業(yè)務的需求；

（2）支持全方位、全天候的保障應急網(wǎng)及公共信息網(wǎng)和專網(wǎng)寬帶衛(wèi)星通信接入；

（3）支持點對點傳輸話音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務；

（4）支持 Qos 管理，緊急優(yōu)先；

（5）可自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率保證雙向鏈路穩(wěn)定工作；

（6）帶寬不少于 2 Mbps，滿足本船航區(qū)要求。

2）4G/5G無線通信系統(tǒng)

4G的頻譜根據(jù)規(guī)范TS38.104（V15.0.0版）定義，三大運營商有略微的區(qū)別，但常用頻譜范圍集中在2300-2390 Hz之間[3]。

5G的頻譜根據(jù)3GPP R15版本定義為FR1和FR2范圍，其中FR1范圍（450 MH-6G Hz）為目前的主營頻譜，具有低頻率、覆蓋范圍廣、傳輸速度快等優(yōu)點。

本船4G/5G無線通信系統(tǒng)結(jié)合4G/5G多卡聚合通信手段，無需有線網(wǎng)絡連接，僅需一張4G/5G流量卡在公網(wǎng)4G/5G信號覆蓋的地方即可提供WIFI和網(wǎng)口上網(wǎng)，實現(xiàn)船與指揮中心視頻會議。只需在船舶上部署室外4G/5G天線、5G路由器，便可實現(xiàn)整船視頻會議、Wi-Fi上網(wǎng)及移動電話通信。

具體技術指標如下：

（1）頻率范圍：698 MHz-269 MHz；

（2）增益：12 dBi；

（3）電壓駐波比≤1.5。

3）Wi-Fi系統(tǒng)

本方案配置了路由器，在有4G/5G信號覆蓋區(qū)域，可直接利用4G/5G信號向指揮船提供Wi-Fi信號覆蓋。當在沒有4G/5G信號覆蓋的海域上，可利用衛(wèi)星通信鏈路提供Wi-Fi信號覆蓋。 室內(nèi)設置無線AP模塊，由AC控制器監(jiān)控和管理接入用戶。

具體技術指標如下：

（1）支持網(wǎng)絡類型：LTE，TD-SCDMA，UMTS；

（2）接口包括電源接口、標準SIM卡接口、千兆自適應網(wǎng)口以及4 G天線接口。

4）單兵背負圖傳終端系統(tǒng)

在執(zhí)法船無法抵達某些海域的情況下，需要利用小型執(zhí)法艇等進行輔助執(zhí)法。為了提高指揮船的移動態(tài)勢獲取能力和任務處理風險等級判斷，單兵無線圖傳系統(tǒng)可實現(xiàn)現(xiàn)場態(tài)勢的采集和實時回傳。

單兵背負圖傳終端子系統(tǒng)由船載接收機、單兵背負發(fā)射機、便攜式DV攝錄機、耳機、麥克風等通信附件組成。

無線接收單元安置于衛(wèi)星寬帶機柜內(nèi)，天線安裝于羅經(jīng)甲板上，便攜式無線發(fā)射單元與便攜式DV可隨行沖鋒舟，便于采集數(shù)據(jù)、圖像。

單兵背負圖傳終端是在一定范圍內(nèi)可以通過自組網(wǎng)模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像傳輸，其工作頻段按照傳輸內(nèi)容劃分，如表2所示。

具體功能考慮如下：

（1）高清模式下視距半徑范圍；

（2）高速移動時的傳輸延時要求。

4.2? ?配套監(jiān)管指揮系統(tǒng)設計

為了提升管理的高效性與便捷性，實現(xiàn)對船艇態(tài)勢和狀態(tài)信息的監(jiān)測和管控，結(jié)合任務需求和硬件建設，配套設計一套監(jiān)管指揮系統(tǒng)軟件。具體功能要求如下：

1）巡航綜合執(zhí)法：日常巡航執(zhí)法包括海上巡視、海上安全監(jiān)督管理、船舶秩序維護、航行安全信息發(fā)布、海上事故調(diào)查、海上維權等。當岸基數(shù)據(jù)中心接收到 值守人員巡航突發(fā)狀況報告時，可以立即調(diào)用船岸一體化管理系統(tǒng)對巡航現(xiàn)場情況進行同步查看，并聯(lián)動統(tǒng)一通信。在內(nèi)網(wǎng)安全環(huán)境下，通過平臺嵌入的AIS、 岸基數(shù)據(jù)及電子海圖，結(jié)合船載系統(tǒng)獲得的預警信息、區(qū)域態(tài)勢、船舶動態(tài)、取證信息等功能，直接進行相關船只的調(diào)配，人員支援調(diào)動的下令，還原巡航現(xiàn)場的情形狀況，快速配合指揮中心進行指令下達，實現(xiàn)巡航現(xiàn)場的可觀、可估、可判、可追溯；

2）海上救助指揮：為提高船舶碰撞、人員落水等各種應急搜救等指揮能力，系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和歷史應急指揮知識庫，自動提供應急預案，為指揮人員提供輔助決策。系統(tǒng)以電子海圖及各種圖形化工具為基礎，接入 AIS 信息，顯示相關船舶，提供高度便捷的、可操作的人機交互系統(tǒng)。同時，提供船—岸、船—船之間高度融合的通信系統(tǒng)，提高遠程指揮能力。在應急指揮任務結(jié)束之后，可以對指揮過程中的重要信息進行歷史回放；

3）視頻會議：基于衛(wèi)星通信網(wǎng)和無線網(wǎng)進行構(gòu)建，在無線網(wǎng)可覆蓋的地方，通過無線網(wǎng)通信鏈路開展視頻會議；在無線網(wǎng)無法覆蓋的地方，通過衛(wèi)星通信鏈路接入現(xiàn)指揮中心衛(wèi)星網(wǎng)，對采集到的音視頻信號壓縮編碼，用語音網(wǎng)關提供8路FXS口的VOIP通道，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號打成IP包發(fā)送出去。接收IP包并解碼后還原為模擬視頻信號，通過顯示器輸出顯示，將決策部署可視化，實現(xiàn)與指揮中心及系統(tǒng)內(nèi)其他網(wǎng)絡節(jié)點之間的視頻會議開展。

5? ? 結(jié)語

該型船無線通信一體化系統(tǒng)，通過地面專線將主控站與指揮中心相連接，由“單兵背負圖傳終端—船載衛(wèi)星通信—主控站”和“單兵背負圖傳終端—船載4G/5G無線通信系統(tǒng)—指揮中心—主控站”這兩條無線通信通道，實現(xiàn)海洋指揮船“船—岸”通信，提高了岸基指揮中心對艇隊的監(jiān)管指揮能力。后續(xù)船加入編隊也只需增加相應衛(wèi)星通信設備即可實現(xiàn)“船—船”間協(xié)同通信和資源共享，而各級單位的指揮中心僅需更新相應管理系統(tǒng)軟件即可實現(xiàn)“主控站—指揮中心—船艇”等多邊互聯(lián)互通。

參考文獻

[1] 王棟.科考船船岸一體化網(wǎng)絡設計及發(fā)展趨勢[J].船舶， 2017 （S1）.

[2] 張忠強. INMARSAT-5代星Ka頻段 Global Xpress [J]. 信息通信，?2013 （04）.

[3] 孫星，嚴新平，初秀民等.基于船標岸一體化技術的內(nèi)河信息服務關鍵技術研究[J].交通信息與安全， 2012 （04）.

基金項目：中國船舶集團有限公司綜合導航系統(tǒng)（INS）研制項目（202130ZZ）

作者簡介：張倩萍（1992- ），女，工程師。主要從事船舶電氣設計工作。

楊禮文（1987- ），男，工程師。主要從事船舶電氣維修工作。

收稿日期：2022-12-02