INMARSAT国际移动卫星通信系统在GMDSS中的原理

邓昭廷

摘 要：INMARSAT广泛应用于GMDSS中。文章主要从其技术原理和应用原理两方面进行分析。并且通过多种船站的比较，分析了为什么INMARSAT-C作为航运中用户量最多的船站的原因。

关键词：INMARSAT;INMARSAT-C;多路复用;多址连接

中图分类号：TN911.22 文献标识码：A

1 INMARSAT概述

INMARSAT（国际移动卫星通信系统）是GMDSS中卫星通信系统的一个重要部分，INMARSAT主要由海事通信卫星、移动终端（船舶地球站）、海岸地球站以及网络协调站和网络控制中心组成。使用的设备有各类INMARSAT船站，以及用于MSI接收的增强群呼（EGC）接收设备。

其在现代国际航运的船舶保驾护航中起着重要作用。INMARSAT国际海事卫星组织1979年成立，1994年更改为IMSO国际移动卫星组织，1999年转制为国际移动卫星公司：INMARSAT公司、INVSAT公司、RYDEX公司。

2 INMARSAT的卫星通信技术原理

INMARSAT主要用到卫星通信的一部分技术与原理。

INMARSAT卫星为静止轨道卫星（地球同步卫星），被应用于除A1和A2海区以外的、INMARSAT静止卫星所覆盖的南北纬70°以内区域。在这个区域内可进行连续的INMARSAT报警。但卫星存在摄动现象，必须采用轨道控制措施。还需要注意日凌和星蚀两个都与太阳有关的现象，其中日凌中断对通信质量影响的大小和方向性天线的尺寸成正比[1]。如果天线是直立的无线电波，就很可能射到天线的底部而没有射到天线的顶部接收端。所以，采用全向天线的地球站不会产生日凌中断，和同步卫星盲区的原理类似。应用星蚀的原理可以推出INMARSAT卫星上每天有且发生一次。

卫星通信基本技术有：第一，多路复用：简单来说，就是地面站将多个用户的数字基带信号按时间先后顺序排列，利用卫星的一个信道传输给多个移动地球站的技术。INMARSAT地面站常采用TDM技术（时分多路复用）。第二，多址连接：基本原理为，同一卫星覆盖区内的多个MES，通过卫星的同一信道，与同一个LES实现通信。又称为多站通信技术。二者的差别在于，应用场合不同：多路复用是在基带内复用，即在基带上对信号混合和区分;而多址连接是在射频信道上复用;信号来源不同：多路复用的信号直接来自话路，区分信号即区分话路，而多址连接的信号来自站址，区分信号即区分站址。多址接入技术在INMARSAT系统中的应用：FDMA/TDMASDMA实现多站通信;采用SCPC/FDMA进行船到岸、岸到船的INMARSAT话音、传真、数据通信;TDM/TDMA实现INMARSAT的电传通信;INMARSAT移动地球站的TDMA帧由地面站的TDM发射进行定时。

随机（争用）多址方式：第一种为纯ALOHA（P-ALOHA）方式，这种完全随机的多址方式是在公用信道发送数据分组以便竞争信道。只要地球站需要信息传输，任何站都可以在0.54s的时间内收到该信息数据。而由于这种方式导致所有地球站发出的信号都在一个信道上，便很容易发生碰撞。业务量增大，碰撞机率也增大。虽然该方式有延时再分别重发的安排，但实际上这种信道的最大利用率只有18.4%，显然不尽人意。第二种为时隙ALOHA（S-ALOHA）方式：此方式是纯ALOHA（P-ALOHA）方式的升级版，考虑到纯ALOHA（P-ALOHA）方式中同一信道的任意位置都有可能被占据，可控性不强，所以做出时隙ALOHA（S-ALOHA）方式的改進，使得信道利用率翻倍。其原理是将信道分成多个时隙，每个站只取其中的一个时隙，且发送时保证时钟同步。这样即便发生碰撞也是完全碰撞，而不会有部分碰撞，便于各站的重发处理。当然，这种方式会存在信息优先级的问题。第三种为预约ALOHA（R-ALOHA）方式。该方式要解决的是时隙ALOHA（S-ALOHA）方式的遗留问题，即信息优先级选择。显然R-ALOHA就是用预约的方式来确定优先级避免信道拥挤，提高了信道利用率。

信道分配方式：一是预分配（PA）方式：这种方式和预约ALOHA（R-ALOHA）方式有异曲同工之妙，都是先确定信道时隙来增强信息的可控性。PA的载频是专用的，这样在有业务时便可大大提升信道利用率，显然在没有业务时这部分时隙便没有利用，所以PA方式只适合于业务量大的线路。二是按需分配（D AMA）方式，PA方式适合业务量大的线路，而DAMA方式是为满足业务量小的需求的线路，是PA的补充方式。三是随机分配方式，这种方式又是PA和DAMA的进一步补充，即专门应对突发的信息传输。这三种方式是处理信息量逐渐变小的过程，是集中到分散的过程。

3 INMARSAT的应用原理

INMARSAT系统在船舶航行中起到重要应用，主要有船对岸遇险报警、岸至船遇险报警接受、搜救协调通信、船舶日常无线电通信接收和发射、海上安全信息（MSI）接收和发射的应用。其主要应用原理如下。

INMARSAT系统由空间段、地面段和移动站三大部分组成，可以实现以上的应用。第一部分为空间段，其最具标志性的是INMARSAT-3，用四颗静止卫星无缝隙覆盖整个地球（除南北两极）。从物理学角度来说，三颗地球同步卫星POR、IOR、AOR-W足以实现地球南北纬70°以下纬度区域全覆盖，INMARSAT-4便是采用3颗同步卫星覆盖的方式。INMARSAT-3增加的AOR-E，主要目的是服务二十世纪末繁忙的欧洲航线及十几个大港，如鹿特丹港、费利克斯托港、汉堡港等。目前，最先进的卫星系统是INMARSAT-5（GX），正如INMARSAT-3增加的卫星是服务二十世纪末十几个大港一样，INMARSAT-5（GX）增加的一颗卫星也是服务世界最大几个港口地区及中国地区。GX的卫星终端宽带能力相当于4G水平，实现了“互联网无处不在”的愿景。管理空间站的跟踪遥测与控制站（TT&C）与卫星控制中心（SCC），保证卫星的性能安全与工作正常。

第二部分为地面段，其包括：地面站（LES/CES），地面站起到再传递和连接的效用，船舶信息发送的流程为——移动站发信息给INMARSAT卫星，INMARSAT卫星再发送给地面站，最终由地面站将信息发送给陆地用户。地面站和电话总机是一个道理，地面站是总机，移动站就是分机。网络协调中心（NCS）：每个洋区都有一个，分管本洋区的所有固定地球站和移动地球站;发布公共时分多路复用（TDM）信息，确保信道得到合理有效使用，主要用于船舶跟踪本洋区卫星;接收遇险信号并协调多方力量进行海难救助。网络运行中心（NOC）：NOC是INMARSAT系统的核心，是系统的总负责中心，管理四个洋区的NCS。对于海难救助来说，如果NCS可以处理，可以NCS直接处理而NOC为监视作用。

第三部分为移动站，移动站是指，利用INMARSAT系統进行通信的卫星终端设备。其直接面向用户，由移动用户负责购买或租用（每个移动站都被分配有自己专用的识别码）。对于国际航运的船舶来说，移动站就是指海用移动站（SES），简称船站。目前，船舶使用的完全满足GMDSS要求的船站是INMARSAT-C/F77。

4 INMARSAT的应用现状

INMARSAT系统有A、B、C、D/D+、M、Mini-M、M4、E和F等几种，但目前广泛使用的主要是INMARSAT-C、INMARSAT-F这两种系统。其中，INMARSAT-C占主导地位。虽然INMARSAT-B也是INMARSAT系统中重要的一环，却有其一定的优势，如其具有数字电话、数字传真、传输数据、电传、视频和E-mail的功能，比INMARSAT-A更能充分利用频率资源，使得空间段费用大大降低，因而是INMARSAT-A系统的替代品;还有在遇险报警中优于INMARSAT-C系统的地方是，其可以提供电话报警，但由于有些业务在实际航行中并没有经常应用且费用较高，尽管性能优于INMARSAT-C系统，却被INMARSAT-C更低廉的价格和更贴切的需求所打败。INMARSAT-B已于2016年12月31日关闭。对于INMARSAT-F，其具有数字电话通信、数字传真、高速数据传输、电传、视频、ISDN、总是在线接入互联网、MPDS、E-mail等功能，是目前功能较多的INMARSAT系统之一。尽管功能强大，但也由于费用高昂等原因计划将于2020年12月关闭。

而INMARSAT-C与INMARSAT-B一样，也是INMARSAT-A的升级版，虽然只有数据传输、电传和E-mail这三个功能，但却是现存的唯一没有计划关闭的INMARSAT系统。为什么呢？是由于其体积小、重量轻，适用于各种吨位的船舶。并且INMARSAT-C系统按字节收费价格低廉，关键还在于在遇险报警中，INMARSAT-C在极端条件下仍有很好的报警效果，可经NSC发射（经NSC发射的原因可能是船舶没有选择LES，或者选择了LES但岸站却没有收到，或者船站没有入网）。因此，其是目前INMARSAT公司拥有用户量最多的系统。尽管INMARSAT-C没有语音通信的功能，但因其实用的功能和低廉的价格，使得其成为INMARSAT系统中的常青树。而且INMARSAT-C是海事卫星通信系统中唯一的全向性天线，其不会受到日凌现象的影响，方便船员使用与管理。

总之，INMARSAT是在GMDSS中应用广泛的的卫星通信系统，现代国际航运已然离不开它。相信随着现代无线电通讯的发展及5G的应用，INMARSAT技术将会有更大的发展。

参考文献

[1] 刘伟潮.GMDSS系统与设备[M].上海：上海交通大学出版社，2007.