“空天地海”一体化的海上应急通信网络技术综述

林彬 张治强 韩晓玲 刘琳 刘振秋 车雨笛

【摘  要】

随着航运业的不断发展，现有的海上应急通信技术资源分散，已经难以应对复杂的海上紧急情况。基于多通信平台融合，“空天地海”一体化的海上应急通信网络应运而生。介绍了海上应急通信研究背景、意义及发展现状，阐述了天基、空基、岸基、海基通信手段及其在海上应急通信中的应用，最后对海上应急通信技术的发展前景进行了展望。海上应急通信将成为“空天地海”一体化通信网络的重要应用领域，实现快速高效的海上救助和通信接入，对建设“海洋强国”发挥重要作用。

【关键词】海上应急通信;“空天地海”一体化;GMDSS;海上救援

0   引言

随着“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的提出，坚持海陆统筹，进一步加快海洋科技创新步伐，开拓海上经济带成为我国经济增长新的着力点。目前，我国海上运输船舶数量及从事水上工作的人员迅速增长，而海难事故也经常发生，海上搜救任务日益繁重。海上应急通信是指在海上突发紧急情况或海洋自然災害时，综合利用各种通信资源，提供紧急救助和必要信息数据传输的通信方法与手段。不同于陆地应急通信保障，海上应急通信保障通常需要面对海上基础通信设施缺乏、海上工况环境恶劣等不利条件，通常具有事发突然、应急响应窗口短、后果严重等特点，因此海上应急通信保障要求相对较高。这也增加了建立全球覆盖、重点部署、持续保障的海上应急通信体系的紧迫性[1]。

为了保障海上航行安全，IMO（International Maritime Organization，国际海事组织）提出的GMDSS（Global Maritime Distress and Safety System，全球海上遇险与安全系统），用于海上遇险、安全和日常通信的海上无线电通信系统。由国际移动卫星通信系统、低极轨道搜寻救助卫星系统和甚高频（VHF）、中/高频（MF/HF）地面频率通信系统等组成，具有遇险报警、搜救协调通信、救助现场通信、海上安全信息播发、寻位、日常通信以及驾驶台对驾驶台安全避让通信等功能。

海上应急通信网络的建设是海上搜救系统的重要组成部分，是保证搜救快速准确的前提，而建立健全“空天地海”一体化体系更是构建海上应急通信网的基础。将天基、空基、陆基、海基网络联合在一起，构成了海上应急通信网络，如图1所示，互通互联，可实现信息及时有效地传输，利用数据基准与协同感知探测、广域动态多源信息智能化处理等一系列关键技术，可以推动“空天地海”一体化在海上应急场景的实际应用。

随着各项关键技术的发展，“空天地海”一体化应急通信网络建设可分为几个方面：（1）将地面系统与非地面系统相互融合。设计开放、安全的网关接口，实现网络互联，逐步优化非地面网络的时延和传输成本。（2）将不同轨道高度的卫星统一规划，实现组网通信。采用与地面网络相似的架构模式和关键技术，通过共享产业链，提高“空天地海”一体化的组网效率，为遇险船只提供可靠的服务。（3）实现空天地海通信网络设备和计算处理能力的复用共享。通过设备模块化、计算处理云化、引入区块链等技术，进一步减少海上应急救援的成本消耗[2] ，为海上应急提供网络技术支撑。

进入21世纪后，无线、宽带、泛在、融合、立体的网络技术飞速发展，为信息共享、互联互通、统一指挥、协调配合的海上应急通信平台建设赋能。综合运用大数据、云计算、AI（Artificial Intelligence，人工智能）、卫星通信、多媒体通信、移动通信等先进技术，融合天基、空基、岸基、海基多种平台，构建了“空天地海”一体化的应急通信网络架构。“空天地海”一体化网络在本质上是一个分层的异构体系结构，各种组网技术通过有效的互联，互补来提供服务[3]。以卫星和岸基基站为网络框架，结合多种海上和空中应用平台，实现多元接入。“空天地海”四位一体化通信体系将实现多平台整体应急资源规划和协同服务。

1    天基通信手段

无线通信系统作为现代通信系统的重要组成部分，在海洋建设应用中处于举足轻重的地位，而天基通信系统作为海洋通信的主要手段，也逐渐受到更多的重视。它充分利用卫星传输距离长大以及组网灵活、高效的特点[4]，通过移动卫星节点、地面节点和空中节点间的组网与互联，实现面向全球的高效、可靠通信。

地球海域辽阔，相比于传统的海上无线电通信方式，卫星通信不会受到海上天气条件影响，被认为是最有效的海上通信手段[5]。多个国家都在积极研发可以实现全球无缝覆盖的卫星通信系统，以增强海上船舶和人员的通信能力。如海上发生险情，可为海基、空基应用平台和救援人员提供即时的应急通信连接，将遇险信息准确传达到救援部门以便实施搜救，保障人身财产安全。

1.1  现代卫星通信系统在海上应急通信中的应用

目前，全球大多数通信卫星主要以地球同步轨道卫星为主，覆盖范围广、位置相对稳定、可以确保提供连续服务，但随着轨道空间日渐拥挤、卫星传输时延大等问题的不断暴露以及蜂窝通信、多址、点波束等小卫星技术的发展，低轨卫星逐渐加入到天基通信系统的应用行列，其轨道高度低、传输时延短、路径损耗小、频率复用更有效。多个国家相继推出规模庞大的低轨卫星系统方案，如摩托罗拉公司的铱星系统和美国SpaceX公司的星链计划;我国正在建设的鸿雁、虹云星座和2020年7月开通的北斗三号卫星导航系统（由低轨卫星和地球同步轨道卫星共同组成）等，如表1和表2所示。完全部署的低轨卫星星座系统将实现全球全覆盖，为海上用户提供应急移动通信、宽带接入、导航增强等服务[6]。

国外主要卫星通信系统如表1所示。

国内主要卫星通信系统如表2所示。

1.2   面向海上应急的GMDSS卫星通信系统现代化

自1992年GMDSS采用Inmarsat系统投入使用至今，Inmarsat卫星共经历了四代更新，在传统电路交换技术基础上增加了数据分组交换技术，并已实现宽带通信业务，在海上救援协调中心、船和岸之间提供可靠的信息传输。同时为了更好地保障海上人身和财产安全，IMO在各成员国一致认可下发布《SOLAS公约》，规定国际航行的船舶及300总吨以上的货船都必须配备已授权的GMDSS卫星通信系统终端设备，确保船舶遇险时能及时发送遇险和求救信息。目前全球化大势所趋，IMO也在不断对GMDSS进行现代化完善，引入信息化和数字化通信技术，提高通信速度及通信系统的有效性和准确性。GMDSS现代化是海上通信领域转型进入“海上互相网时代”关键战略，是我们面临的重要机遇及挑战，我国也要紧紧抓住当前这个战略机遇，持续跟踪国际海事组织GMDSS现代化进程，建立以需求为导向的服务机制，拓宽业务范围，实现多元化的通信服务，进一步增强海上应急安全保障[7]。

4   海基通信手段

海基通信手段以船舶、浮标等为海上平台，在海上突发事件或自然灾害发生时，迅速建立通信保障，展开救援任务。

4.1  无人艇及其在海上应急通信中的应用

无人艇是一种能够自主航行的水面运动平台。针对不同应用场景，我国不断推出具有专业优势的“天行1号”、“Seafly01”、“蓝鲸号”等无人艇[19]。无人艇的岸基监控子系统可设置在其他水面舰艇之上，实现母舰集中控制的艇群巡航模式。无人艇的通信方式有UHF/VHF频率数传电台、4G无线网络、Ad-Hoc自组网和卫星通信[20]。无人艇与岸基控制中心之间的通信在视距范围内采用数传电台，若超出视距，在50 km范围内可在近岸水域布置4G无线网络[21]，4G无线网络通讯速率高、建设成本低，是无人艇近岸通信的首选方式。在海上搜救任务中，无人艇离岸较远，可选用Inmarsat、北斗、天通一号等卫星通信方式进行远海通信[22]。同时，无人艇组网灵活、可迅速搭建通信网络，适用于高移动性的无人艇间通信。无人艇的搜救范围有限，实际应用中可以通过与无人机协同作业扩展搜救范围[18]。

4.2  浮标及其在海上应急通信中的应用

应急浮标是一种漂浮式通信平台，通信方式主要是卫星通信，还有CDMA、GPRS、4G移动通信网络、数传电台、Wi-Fi等[23]。它主要包括应急救生浮标、通信中继浮标和应急监测浮标，如表5所示。应急救生浮标在潜艇水下遇险时使用，无缆形式可配合导航雷达系统应答雷达扫描信号，使救援舰船或飞机快速定位遇险潜艇。有缆形式通常装备超短波救生电台和有线电话，实现对外报警以及通信的功能[24]。通信中继浮标一般为拖曳浮标，作为潜艇通信的中转站，可以使潜艇在水下航行时与岸舰进行通信。溢油跟踪监测浮标采用北斗卫星定位平台实现对不同海况、不同油膜的实时跟踪、监测功能，以减少海上油船溢油事故导致的经济损失和环境危害[25]。

4.3  Mesh/Ad-Hoc网络及其在海上应急通信中的应用

Mesh/Ad-Hoc网络的每个节点都具备数据传输和路由中继功能，能快速搭建高质量的网络，在船舶、无人艇、无人机组网中都有广泛的应用。在近岸情况下，船舶可采用Mesh网络通信，它是由Mesh routers构成骨干网络，通过有线Internet网为Mesh clients提供多跳的网络连接。船舶在无线电接入站（RAS）的覆盖范围内可以直接与RAS通信，若超出RAS的覆盖范围，Mesh网络可以与其他船舶/浮標共建网络[26]。Ad-Hoc网络与Mesh网络最大的区别在于Ad-Hoc网络中不存在基站[27]。在远离海岸无法安装基站的情况下，Ad-Hoc网络相较于Mesh网络的弱移动性结构更适用于随意移动的通信终端。基于Ad-Hoc网络的海上移动通信系统通常选用AODV（Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing）协议[28]，该协议通过广播形式发送路由数据包（RREQ），中间节点在接收到RREQ包时，会更新自己的路由缓存信息，当判断从未见过RREQ包时，则继续转发该包，并向数据源船舶发送一个路由应答（RREP）包。AODV协议复杂度低，可避免大量路由信息拥堵，因此，能够较好地适应拓扑不断变化的海上移动组网。

5   展望

海上应急通信设备面临着众多技术挑战，支持多频多模、地面网络与低轨卫星有效结合、减小终端尺寸及提高便携性等，因此，加快推动“空天地海”一体化，是现阶段海上应急通信领域研究面临的首要问题。未来的“空天地海”一体化网络将通过相互融合实现高效协作，如：通过对卫星的统一规划，实现空间组网，发挥网络优势。随着未来6G技术[29]的不断发展，融合6G关键技术的“空天地海”一体化网络体系将借助非地面网络实现全球覆盖、持续保障，达到低时延、高速率的效果，为海上船舶和人员提供可靠稳定的宽带通信网络接入，同时向搜救部门准确传达信息并制定高效的搜救方案、进而保障海上人员生命和财产安全。

6   结束语

本文分析了当前海上应急通信技术的发展现状及挑战，介绍了基于“空天地海”一体化的海事应急通信网络，分别从空基、天基、陆基、海基通信关键技术进行综述。基于“空天地海”一体化的网络架构，将融合卫星、高空平台、岸基以及无人艇等新技术，构建可靠、高效、安全的海上应急通信体系，有效应对海上自然灾害和各种突发事件，旨在为建设海洋强国提供有力保障。

参考文献：

[1]    蒋冰，郑艺，华彦宁，等. 海上应急通信技术研究进展[J]. 科技导报， 2018，36（6）： 28-39.

[2]    中国联通网络技术研究院. 中国联通空天地一体化通信网络白皮书[R]. 2020.

[3]    YOU X H， WANG C X， HUANG J， et al. Towards 6G wireless communication networks： enabling technologies， and new paradigm shifts[J]. Sci China Inf Sci， for review.

[4]    胡旭，林彬，王珍. 基于VDES的空天地海通信网络架构与关键技术[J]. 移动通信， 2019，43（5）： 2-8.

[5]    肖娜，骆盼. 自主卫星移动通信系统在海上通信中的应用[J]. 电信网技术， 2017（10）： 6-11.

[6]     王权，刘清波，王悦，等. 天基通信系统在智慧海洋中的应用研究[J]. 航天器工程， 2019，28（2）： 126-133.

[7]    刘法龙. GMDSS卫星通信发展及形势分析[J]. 卫星应用， 2020（5）： 44-49.

[8]    X Xing， J Wang， X Meng， et al. Design of The Stratospheric Airship Ground Safety Control Test and Analysis System Based on Adaptive Safety Control Decision Technology[C]//2019 IEEE 2nd International Conference on Automation， Electronics and Electrical Engineering （AUTEEE）. IEEE， 2019： 40-44.

[9]     谭百贺. 平流层飞艇通信系统关键技术探讨[J]. 中国新通信. 2010，12（11）： 69-71.

[10]    I Vandermeulen， M Guay， P J McLellan. Distributed Control of High-Altitude Balloon Formation by Extremum-Seeking Control[C]//IEEE Transactions on Control Systems Technology. IEEE， 2018，26（3）： 857-873.

[11]    黄宛宁，张晓军，祝榕辰，等. 浮空器在应急通信中的应用[J]. 科技导报， 2018，36（6）： 55-64.

[12]  H Nawaz， H Mansoor Ali， A Ali Laghari. UAV Communication Networks Issues： A Review[J]. Archives of Computational Methods in Engineering， 2020： 1-21.

[13]   李超. 直升机海上救援技术的思考[J]. 科技风， 2019（24）： 239.

[14]   戚善才. 用于GMDSS培训的海上中短波通信模拟器研究[D]. 大连： 大连海事大学， 2011.

[15]   陈放，张国强. GMDSS通信设备与业务[M]. 大连： 大连海事大学出版社， 2015.

[16]   陈超，王毅，毛强，等. 多种通信手段在遇险救生体系中的应用研究[J]. 计算机测量与控制， 2017，25（12）： 184-186.

[17]   夏啟兵，马亚平，李胜全，等. AIS岸基网络系统的应用模式[C]//海洋测绘综合性学术研讨会. 2008.

[18]   郝英川，甘启光，贾梦媛. 散射通信在岛屿中的应用及传播特性分析[J]. 无线电通信技术， 2014，40（2）： 20-22.

[19]   张卫东，刘笑成，韩鹏. 水上无人系统研究进展及其面临的挑战[J]. 自动化学报， 2020，46（5）： 847?857.

[20]   罗炀. 水面无人艇自主巡航研究与实现[D]. 镇江： 江苏科技大学， 2018.

[21]   王宗维. 无人艇体系结构及运动控制系统的研究[D]. 镇江： 江苏科技大学， 2013.

[22]   钱帆. 水面小型无人艇通信导航系统的设计与开发[D]. 海口： 海南大学， 2020.

[23]   D Yang， Z Shengmao， Z Heng， et al. The Application of IsatData Pro Service in Data Communication of Oceanic Buoys[C]//2019 IEEE 4th Advanced Information Technology， Electronic and Automation Control Conference （IAEAC）. IEEE， 2020.

[24]    孙卫华，费礼，叶发新. 潜艇应急救生通信现状及发展趋势[J]. 舰船科学技术， 2016，38（23）： 16-19.

[25]    杨瑞，顾群，王玉林，等. 水上溢油应急装备跟踪定位浮标关键技术研究[J]. 中国海事， 2014（4）： 51-53.

[26]    Y Kim， J Kim， Y Wang， et al. Application scenarios of Nautical Ad-Hoc Network for maritime communications[C]//OCEANS 2009. IEEE， 2009.

[27]    F Xhafa， C Sanchez， L Barolli. Ad Hoc and Neighborhood Search Methods for Placement of Mesh Routers in Wireless Mesh Networks[C]//2009 29th IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops. IEEE， 2009： 400-405.

[28]    Z Xu， X Xiaoyang， S Liwei， et al. Performance Analysis of Sea Unmanned Ship Routing Protocol Based on Ad Hoc Network[C]//2019 International Conference on Information Technology and Computer Application （ITCA）. 2019： 221-224.

[29]    裴郁杉，张忠皓，王婷婷. 空天地一体化通信网络发展愿景与挑战[J]. 邮电设计技术， 2020（4）： 15-20.