现代通信技术在海上搜救中的应用

吕振肃, 刘忠学, 王连胜, 王良成

(①海南大学三亚学院,海南三亚 572022;②三亚海事局,海南 三亚 572022)

0 引言

辽阔的海洋占地球总面积的四分之三,每天都有成千上万只不同类型、不同大小、不同任务的船泊航行在不同的海域中。由于海洋气候条件的无常变化和突发事故等原因,在海上经常有船泊发生遇难。遇难者面对茫茫大海盼望得到救助,而及时发出和准确获得遇难信息,也就是通信,是救援工作的关键。

海上通信可分常规通信和遇险与安全通信,搜救使用的主要是后者。海上搜救通信的基本功能是遇险报警、搜救协调和帮助定位[1-2]。由于海上环境的特殊性,海洋通信与陆地通信有很大不同：①海洋地域辽阔,注定了海上搜救通信必然是跨地区和跨国家的全球国际通信;②海上航行的船舶是一个运动载体,海上又没有条件建立永久性通讯基站,因此,海上搜救通信只能采用无线的、移动的通讯方式;③海上通信条件恶劣,为了保证通信的可靠性,必须使用多种通讯方式和配备多种通信系统;④船舶遇险报警和搜救通常是一种紧急呼叫和一些简单语言命令传递,因此,要求通信方式必须简单、快捷、可靠和明了。

在各种海上救援系统中,GMDSS无疑是技术最全面、应用最广泛、作用最显著的系统。GMDSS是国际海事组织(IMO)利用现代化的通信技术改善海上遇险与安全通信,建立新的海上搜救通信程序,并用来进一步完善现行常规海上通信的一套庞大、综合与全球性的通信搜救网络。作为一种全新的搜救通信系统,由于引入了许多高新的技术和全新的内容,特别是引入了卫星通信,使得该系统能基本满足船舶搜救和通信的需求。可以说 GMDSS在某种程度上代表了当今通信技术的发展水平[3-5]。

1 甚高频(VHF)通信技术

VHF是海上救援最重要的通信方式,通常用来进行水上近距离无线电通信[6-8]。

甚高频又称超短波(米波),指波长为 10～1米,频率在30～300 MHz之间的无线电波。正常情况下,这个频段内的无线电信号基本上都是沿直线方式传播,传播的距离一般在100海里以内,实际正常范围 30～50海里左右。VHF在四个海区中都采用。在 A 1海区进行船 -岸无线电通信、船-船驾驶台之间通信和现场搜救作业通信。在A 2-A 4海区进行船 -船之间通信和现场搜救作业通信。VHF70频道(VHF CH70)遇险安全数字选择性呼叫(DSC)功能则在四个海区中都使用。

按照国际电信联盟(ITU-R)规定,GMDSS占用 156～174MHz之间的 VHF频段,其主要功能是水上常规通信和遇险安全报警通讯。前者包括海岸电台和陆上电话网用户之间的常规公众通信;港口引航业务和船舶动态业务通信;船舶之间驾驶台对驾驶台的通信以及海上近距离搜救协调通信和搜救现场通信等。后者包括 VHF 60频道(VHFCH16)遇险、安全值守功能和VHFCH 70遇险、紧急、安全 DSC呼叫功能。另外,近年投入使用的船舶自动识别系统(AIS)也工作在 VHF波段,AIS采用数字通信技术实现船位的自动播发和收集以及对附近船舶的监测。

VHF通信系统包括海上船舶装载设备和陆上系统。根据 1988年 SOLAS公约修正案要求：海上船舶必须配备具有无线电话和 DSC功能的 VHF无线电通信设备(包括双向VHF收发信机、DSC终端和 VHF CH 70信道 DSC值守机),船舶还应配备 2～3台救生艇筏上使用的双向VHF无线电话通信设备。对仅航行在 A 1海区的船舶还可以配备VHF CH70信道应急无线电示位标(EPIRB),用以代替卫星EPIRB实现遇险搜救。陆上系统通常由 VHF通信信息中心(RCC)、VHF通信控制分中心(RSC)和VHF岸台组成。各VHF岸台分别配置遥控型 VHF收发信机、天馈线系统、遥控设备和网络设备(PCM)等;各通信控制分中心由转接控制设备、DSC处理设备和网络设备等组成。VHF岸台与通信控制分中心通过网络设备与数字传输线路连接,可采用同步数字体系(SDH)、电缆、微波等;RCC与各地区通信控制分中心的连接通过公用电信网联接。

船用VHF有单工和双工两种通信方式：船舶间通信工作在同频单工方式;船台和岸台间通信,或者是船台经岸台转接到公众通信网上用户的通信使用双工方式;船与岸之间为港口工作或船舶动态业务而进行的通信,可使用同频单工方式,也可使用半双工方式。VHF无线电话采用调相方式(G3E);VHF DSC呼叫采用利用副载波调制的单路调相自动报方式(G2B),DSC终端的调制解调器采用移频键控(FSK)调制方式。

2 中/高频(MF/HF)通信技术

MF/HF是海洋通讯和海上救援中使用历史较长的一种传统通信方式,目前在 A1以外海区的救援通信中仍占有重要地位。

中频(MF)指波长为 1 000～100米,频率在 300～3 000 kHz之间的无线电波。这个频段内的无线电信号主要靠地波传播,也伴有部分天波。白天靠地波,可传播 200海里;夜间靠地波和天波,可传播 400海里,主要用于海上中距离通讯业务。高频(HF)又称短波,指波长为 100～10米,频率在 3～30 MHz之间的无线电波。这个频段内的无线电信号主要靠电离层波(天波)传播,传输距离可达数千公里,主要用于海上远距离通信。

按照ITU-R规定,水上通信占用 435～526.5 k Hz,1.606 5～3.8MHz之间的 MF频段和 3.155～27.5 MHz之间的HF频段。MF/HF的主要功能是实现船到岸、岸到船、船到船的中距离和远距离遇险报警和通信,紧急呼叫和通信,安全呼叫和通信,日常呼叫和通信,以及 MF/HF DSC遇险与安全的自动值守。要求MF设备能够发送和接收 DSC、无线电话和窄带直接印字电报(NBDP)。其中MF 2 187.5k Hz频率专用在DSC值班接收机上进行遇险报警和安全呼叫;在2 182 kHz上使用无线电话进行遇险和安全通信,包括搜救协调通信和现场通信;2 174.5 kHz将用于NBDP的遇险和安全通信。HF主要用在船到岸和岸到船的远距离通信中。特别是在A 4海区,高频是唯一的远距离通信手段。其中单边带抑制载波电话(SSB)最早服务于海上远距离通讯,至今仍是海岸和船舶配备的主要短波电台,用于远距离的船舶遇险、紧急、安全通信的值守、呼叫及各类船岸无线电话业务联系。

SOLAS公约规定航行在 A2海区的船舶必须配备带有DSC的中频无线电话设备和专用在 2 187.5 kHz频率上的MF值班接收机。航行在 A 3、A 4海区的船舶除配备以上两项外,还应配备 MF/HF DSC值守机,并要求在 DSC遇险安全呼叫频率 2 187.5 kHz和 8 414.5 kHz上 24小时值守,另外还要在 DSC遇险安全呼叫频率 4 207.5 kHz、6 312 k Hz、12 577k Hz和 16 804.5 kHz中的一个频率上保持不间断收听,也可在这些频率上全部扫描值守。A4海区船舶必须配备MF/HF带有 DSC和 NBDP组合的无线电话与电传设备,配备中频/高频 DSC扫描值班接收机。中、高频海岸地面通信设备主要是MF/HF组合电台,由MF/HF收发信机和其终端设备,包括无线电电传终端、DSC终端以及无线电话等部分组成。MF/HF的传输、连网以及管理通常与 VHF岸台放在一起。

组合电台一般采用单边带的上边带通信,而不采用调幅制通信。无线电传通信和 DSC呼叫在终端采用 FSK调制,在收发通道采用调频(F1B)方式。在地面通信系统中,当发射MF/HF NBDP终端或 MF/HF DSC终端的信息时,发信机中采用的是 F1B或G2B工作种类。对 MF/HF电话终端,发信机的工作种类为G3E或单边带减载波电话(R3E)。GMDSS船舶的组合电台在船与岸之间通信时一般采用半双工工作方式,即船舶采用单工方式,海岸电台采用双工工作方式。而船台与船台之间通信通常采用的是单工工作方式。不论船岸间通信,还是船船间通信,船舶电台一般采用单工工作方式。

另外,在MF频段还负责播发海上航行安全信息(NAVTEX系统),NAVTEX是一种近距离广播通信系统,工作频率为 518 kHz,用英语以窄带前向纠错工作方式及时有效地向400海里范围以内沿岸船舶播发有关航行警告,气象警告、搜救信息、气象预报及其它紧急的海上安全信息(MSI),以保证船舶航行的安全。航行在四个海区的船上都装有 NAVTEX接收机,可自动接收和处理NAVTEX播发台发射的本航行区域内的海上安全信息[9]。

3 卫星通信技术

卫星通信是 GMDSS的重要组成部分。GMDSS目前使用的海洋卫星通信有两大系统：国际移动卫星组织(INMARSAT)系统和全球卫星搜救系统(COSPAS/SARSAT系统)。

INMARSAT成立于 1979年,建立初期宗旨是为海上用户提供遇险安全通信和常规卫星通信服务,现已发展成为世界上唯一能为空中、陆地、水上各固定和移动终端提供全球、全天侯话音、传真、图像、数据通信业务和遇险安全通信业务的系统[10]。

INMARSAT系统主要由海事通信卫星、卫星控制中心(SOC)和测控站(TT＆C),网络协调站(NCS)、网络控制中心(NCC)以及海岸地球站(地面站LES)和船舶地球站 (移动站MES)组成。INMARSAT卫星控制中心设在伦敦 INMARSAT总部,它通过测控站负责对 INMARSAT卫星进行监测、协调和控制。INMARSAT在全球四个洋区都指定一个岸站兼作网络协调站,负责对本洋区通信网的营运和管理。地面站是陆地网络和移动终端的网关(接口),通过卫星和移动站进行通信,并为移动站提供国内或国际网络通信的一个接口。

海事通信卫星采用的是定点于赤道上空 36000公里处的静止轨道卫星,用四颗卫星将地球南北纬 76度之间的表面全部覆盖。目前,INMARSAT共经营着11颗卫星,其中,海事第 2代星有 3颗,第 3代星有 5颗,第 4代星有 3颗。目前使用的是第三代卫星,设有一个全球波束转发器和五个点波束转发器,由于点波束和双极化技术的引入,使得在第三代卫星上可以动态地进行功率和频带分配,从而大大提高了卫星信道资源的利用率。INMARSAT第 4代第 3颗卫星于2008年 8月 18日成功发射,并于 2009年 2月 24日完成全球覆盖调整。INMARSAT正不停地更新改进其现有的通信卫星,以便为用户提供更多、更好的服务。

INMARSAT先后开发了十多个系列的通信终端,包括Inmarsat-A、B、C(Mini-C)、D、E、M(Mini-M)、M4、F(F77、F55、F33)等。但能够满足海上遇险、安全和常规通信业务的主要是 A、B、C和F77系统。Inmarsat-A系统服务于 1982年,20多年来一直是远洋运输船舶、大型油轮及客轮移动通信的主要手段,曾经为海上移动通信作出很大的贡献,但随着通信技术的发展,A标准于 2007年 12月 31日退出历史舞台。Inmarsat-B于 1993年提供服务,它是 Inmarsat-A的数字接替产品之一,提供所有与A系统相同但有所增强的服务。Inmarsat-C系统是纯数据通信系统,是GMDSS要求船舶必备的设备之一。C系统除提供普通的电传、数据、文字传真外,还有许多诸如增强群呼安全网,车、船管理网,遥测、遥控和数据采集,以及遇险报警等。有多种型号 C终端可与全球定位系统(GPS)综合在一起作为船舶定时位置报告手段。Inmarsat-F77设备使用了目前世界上最先进的技术,其业务不但可提供满足 GMDSS要求的海上遇险、紧急、安全和常规电话通信业务,还可以提供高速数据传输业务。同时,F77提供的移动综合业务数字网(IDSN)和移动包交换数据(MPDS)业务可以使F77船站方便地接人到国际互联网,并与宽带网业务兼容。

另外,增强群呼(EGC)也是INMARSAT的一项海上安全服务业务,具有和NAVTEX系统相同的功能。EGC系统通过海事卫星向固定海域、临时划定区域的船舶群或所有船舶提供全球统一的自动海上安全信息卫星广播业务,它弥补了NAVTEX的空白,保证 NAVTEX岸台覆盖不到的远海域、没有能力建立 NAVTEX业务或由于船舶密度太低而不开放NAVTEX业务的沿海水域也能接收到海上安全信息。

COSPAS/SARSAT系统是一个国际性卫星辅助搜救系统。为世界上所有负责海上、空中和陆地搜救行动的组织提供服务,主要功能是无线电定位。该系统由卫星、EPIRB、区域用户终端(LUT)和任务控制中心(MCC)组成,其工作频率为 121.5MHz、243MHz、406MHZ。系统目前使用四颗低高度极轨道卫星,提供全球包括两极区域在内的船对岸遇险报警服务。GMDSS系统要求航行于四个海区的船舶必须配备406MHz自浮式卫星应急无线电示位标。EPIRB在遇险时可人工或自动启动,发出包括本船识别码在内的遇险报警信息,当极轨道卫星通过时,由卫星转发器接收处理和中继后转发到地面上的区域用户终端,然后通过陆上公众交换网或专用线路通知任务控制中心和有关的搜救协调中心,完成船对岸的遇险报警。

4 雷达寻位技术

在 GMDSS中,搜救雷达应答器(SART)属于寻位设备,其工作频率为 9GHz,是对遇险船舶或其救生艇筏进行寻位的主要手段。GMDSS要求航行于四个海区的船舶必须配备两台搜救雷达应答器。当发生海难事故时,搜救雷达应答器人工开启,进入待命状态,当应答器接收到搜索与营救船舶或飞机上的9GHz波段雷达发来的扫描信号后,通过天线发出信号,该信号被雷达接收,在其显示器的荧光屏上显示出由一系列光点组成的信号。根据这独特的信号,搜救者可判断出遇险船舶或救生艇,或遇险幸存者所在的位置,进行营救。

5 结语

GMDSS实施已经快 20年了,通过 SOLAS公约的不断修正,其要求越来越高,功能越来越完善,技术也越来越先进。作为一种全球性的海上无线电通信系统,GMDSS的实施和运行无疑对海上船舶安全航行和遇险救助产生了巨大影响,因而受到世界各国的普遍响应和遵守。但是从现代通信与信息技术的发展水平看,GMDSS在新技术应用方面还存在一定的滞后,有许多陆地上已经应用成熟的信息技术需要进一步向海上推广,更有许多适合海上应用的现代通信技术需要研究与开发。

[1]中国交通部.1979年国际海上搜寻救助公约(1998年综合文本)[M].北京：中华人民共和国海事局,1998.

[2]钱悦良.国际航空和海上搜寻救助手册修正案[M].北京：人民交通出版,2006.

[3]杨永康,毛奇凰.海上无线电通信[M].第 2版.北京：人民交通出版社,2009.

[4]王翔.无线通信技术发展分析[J].通信技术,2007,40(06)：60-62.

[5]白木,周洁.全球海上遇险与安全系统[J].科技前沿,2000(12)：40-43.

[6]杨斌.海上超短波通信网络协议研究[J].通信技术,2009,42(05)：255-258.

[7]李恺,孙剑平.短波频管系统在海上通信中的应用研究[J].通信技术,2003(02)：46-47,50.

[8]郭晋宏,李建涛.舰船超短波通信侦察系统侦察效能评估[J].通信技术,2009,42(09)：117-120.

[9]张洪全,王晓蕾,刘鑫.新型 NAVTEX系统岸台配置的研究[J].通信技术,2009,42(02)：235-237.

[10]王海峰.基于全球区域网络的通信系统设计[J].通信技术,2010,43(05)：132-134.