某新型海洋指挥船无线通信一体化系统设计

张倩萍 杨礼文 苏珍莉

摘    要：传统无线电设备（如VHF、MF/HF）仅能实现语言功能传输，而为了增强海上执法部门海上可视化指挥能力，本文以新一代海洋指挥船为主体，系统论证无线通信一体化系统的总体构架和设计方案，综合利用卫星通信船载终端、4G/5G无线通信、视频会议、单兵背负图传终端等系统丰富指挥船的通信手段，实现指挥船与陆地指挥中心之间的高速音频通信等业务功能。

关键词：无线通信系统；信息化；指挥

中图分类号：U665.26                              文献标识码：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

随着陆用资源的日益匮乏，各国开始争夺海上资源，海洋经济蓬勃发展。然而海上安全和治安形势也随之日渐严峻。传统指挥船的无线电通信设备通常按照法规配备，适用于航行安全和紧急遇险求助，且仅为语音数据传输[1]。面对日趋复杂的海洋环境，需研发出新一代海洋指挥船，承担起海域范围内全方位管控、海上维权和执法过程信息收集责任，并通过建立起“船-岸”一体化指挥系统和艇队之间联合通信的无线通信系统来提升指挥船的自动化和信息化水平。

2     无线通信系统发展现状

目前全国海洋综合执法部门分为北京主控站和各省市支队级以上单位的指挥中心。陆地职能部门通过专网、专线等局域网拓扑结构，具备初级信息化指挥能力。而各级执法单位之间信息化指挥中心通信指挥和协调调度沟通机制体系相差甚远。

对于执行任务一线装备，虽然具备基础的通信手段，但通信能力较弱。例如，短波通信设备受环境影响较大，可用信道较少，频段窄，抗干扰能力差，通联效率低。而超短波通信设备覆盖面较小，互相之间不能通联。执行任务时无可靠便捷设备进行现场过程记录，缺乏强有力的证据对非法行为进行制裁。

对于任务顶层决策机构的主控站，无法第一時间接受到前线的任务执行状况，缺乏一定的趋势预判和可视化指挥能力，综合资源利用率低，未形成统一标准化沟通机制。

因此加强无线通信一体化系统建设，直接影响到海上执法维权效率、反应速度和综合调配能力。本系统合理利用VSAT卫星通信、4G/5G无线通信、视频会议、单兵背负图传终端等丰富指挥通信手段，可实现指挥船与协同船、指挥船与陆地指挥中心、指挥船与主控站之间等多边高速音视频通信业务功能。

3     系统总体架构

本船无线通信系统设计针对海洋指挥船的任务需求，利用已有资源确定系统规模。采用可靠性高的设备，充分考虑数据信息安全，基础硬件建设与高效便捷软件相结合，实现船艇航行任务状态监视、综合数据收集及处理、基础业务办理等信息服务功能，实现顶层决策机构与一线装备之间低偏差、低延时的“指挥——执行”双向通信模式。

基于以上设计理念，本系统主要由VSAT卫星通信指挥系统、4G/5G无线通信系统、Wi-Fi系统、单兵背负图传终端和监管指挥系统等组成，系统总体架构如图1所示。

船载部分包括五个部分：

1）安装船载VSAT卫星通信系统。在没有4G/5G网络信号覆盖的海域，指挥船可以利用卫星通信链路实现与主控站、指挥中心之间的数据通信；

2）安装船载4G/5G无线通信系统。在有4G/5G网络信号覆盖的海域，执法船上所有通信数据业务系统可以利用4G/5G链路传输数据，与协同船、指挥中心通信；

3）安装Wi-Fi系统。利用船载4G/5G路由器及信号放大器实现执法船内的Wi-Fi覆盖；

4）安装单兵背负图传终端。在指挥船无法抵达的海域，可利用单兵乘坐小艇的方式进行现场视频采集，并通过单兵背负图传终端传输视频图像，且可利用硬盘录像机实现对视频的处理和存储；

5）安装监管指挥系统。其中包含巡航综合执法系统、海上救助指挥系统和视频会议系统。指挥船可与指挥中心、直属支队以及其它执法船之间召开双方或者多方高清音视频会议。

陆地指挥中心和主控站部分包括需配套安装以上设备的管理系统，實现船——岸高速音视频通信、指挥通信等业务。

4    设计方案

4.1  无线通信链路设计

1）VSAT卫星通信系统

目前卫星频段分为Ka、Ku和C波段。在全球3大无线电区域内，为了合理使用频带，国家电信联盟将其安装各种卫星业务进行划分，但相同业务在不同的区域也存在使用不同的频段卫星业务[2]。各频段实现主要业务如下表1所示。

根据本船任务作用海域，VSAT卫星通信系统采用可覆盖我国全境、周边海域以及南海全海域的中星12号卫星Ku频段实现。船载VSAT卫星通信系统可接入指挥中心现有卫星网，实现与网内各节点的互联互通。船载动中通用于接收和发射Ku频段卫星信号，其天线伺服系统基于激光陀螺惯性导航技术，能够保证船舶在航行中准确对准卫星，极大降低恶劣气候和海浪条件下对通信业务的影响。

卫星调制解调器负责卫星通信基带信号的处理，能够解调前向链路的DVB-S2信号，并解析、过滤出带有自身标识的信令和业务信息。信令信息用于主控站的同步追踪，资源分配的获取等；业务信息发送至相应终端处理操作。对待发送的业务信息，卫星路由负责信号的调制，并以突发的方式在分配的信道和时隙资源上发送回传信号。

具体功能要求及技术指标及功能如下：

（1）卫星信号需直接落地到卫星地面站，并能利用卫星专网等方式进入岸端内网，以满足船舶通信业务的需求；

（2）支持全方位、全天候的保障应急网及公共信息网和专网宽带卫星通信接入；

（3）支持点对点传输话音、数据和视频业务；

（4）支持 Qos 管理，紧急优先；

（5）可自动调节发射功率保证双向链路稳定工作；

（6）带宽不少于 2 Mbps，满足本船航区要求。

2）4G/5G无线通信系统

4G的频谱根据规范TS38.104（V15.0.0版）定义，三大运营商有略微的区别，但常用频谱范围集中在2300-2390 Hz之间[3]。

5G的频谱根据3GPP R15版本定义为FR1和FR2范围，其中FR1范围（450 MH-6G Hz）为目前的主营频谱，具有低频率、覆盖范围广、传输速度快等优点。

本船4G/5G无线通信系统结合4G/5G多卡聚合通信手段，无需有线网络连接，仅需一张4G/5G流量卡在公网4G/5G信号覆盖的地方即可提供WIFI和网口上网，实现船与指挥中心视频会议。只需在船舶上部署室外4G/5G天线、5G路由器，便可实现整船视频会议、Wi-Fi上网及移动电话通信。

具体技术指标如下：

（1）频率范围：698 MHz-269 MHz；

（2）增益：12 dBi；

（3）电压驻波比≤1.5。

3）Wi-Fi系统

本方案配置了路由器，在有4G/5G信号覆盖区域，可直接利用4G/5G信号向指挥船提供Wi-Fi信号覆盖。当在没有4G/5G信号覆盖的海域上，可利用卫星通信链路提供Wi-Fi信号覆盖。 室内设置无线AP模块，由AC控制器监控和管理接入用户。

具体技术指标如下：

（1）支持网络类型：LTE，TD-SCDMA，UMTS；

（2）接口包括电源接口、标准SIM卡接口、千兆自适应网口以及4 G天线接口。

4）单兵背负图传终端系统

在执法船无法抵达某些海域的情况下，需要利用小型执法艇等进行辅助执法。为了提高指挥船的移动态势获取能力和任务处理风险等级判断，单兵无线图传系统可实现现场态势的采集和实时回传。

单兵背负图传终端子系统由船载接收机、单兵背负发射机、便携式DV摄录机、耳机、麦克风等通信附件组成。

无线接收单元安置于卫星宽带机柜内，天线安装于罗经甲板上，便携式无线发射单元与便携式DV可随行冲锋舟，便于采集数据、图像。

单兵背负图传终端是在一定范围内可以通过自组网模式实现数据、图像传输，其工作频段按照传输内容划分，如表2所示。

具体功能考虑如下：

（1）高清模式下视距半径范围；

（2）高速移动时的传输延时要求。

4.2   配套监管指挥系统设计

为了提升管理的高效性与便捷性，实现对船艇态势和状态信息的监测和管控，结合任务需求和硬件建设，配套设计一套监管指挥系统软件。具体功能要求如下：

1）巡航综合执法：日常巡航执法包括海上巡视、海上安全监督管理、船舶秩序维护、航行安全信息发布、海上事故调查、海上维权等。当岸基数据中心接收到 值守人员巡航突发状况报告时，可以立即调用船岸一体化管理系统对巡航现场情况进行同步查看，并联动统一通信。在内网安全环境下，通过平台嵌入的AIS、 岸基数据及电子海图，结合船载系统获得的预警信息、区域态势、船舶动态、取证信息等功能，直接进行相关船只的调配，人员支援调动的下令，还原巡航现场的情形状况，快速配合指挥中心进行指令下达，实现巡航现场的可观、可估、可判、可追溯；

2）海上救助指挥：为提高船舶碰撞、人员落水等各种应急搜救等指挥能力，系统可根据现场数据和历史应急指挥知识库，自动提供应急预案，为指挥人员提供辅助决策。系统以电子海图及各种图形化工具为基础，接入 AIS 信息，显示相关船舶，提供高度便捷的、可操作的人机交互系统。同时，提供船—岸、船—船之间高度融合的通信系统，提高远程指挥能力。在应急指挥任務结束之后，可以对指挥过程中的重要信息进行历史回放；

3）视频会议：基于卫星通信网和无线网进行构建，在无线网可覆盖的地方，通过无线网通信链路开展视频会议；在无线网无法覆盖的地方，通过卫星通信链路接入现指挥中心卫星网，对采集到的音视频信号压缩编码，用语音网关提供8路FXS口的VOIP通道，将转换的数字信号打成IP包发送出去。接收IP包并解码后还原为模拟视频信号，通过显示器输出显示，将决策部署可视化，实现与指挥中心及系统内其他网络节点之间的视频会议开展。

5    结语

该型船无线通信一体化系统，通过地面专线将主控站与指挥中心相连接，由“单兵背负图传终端—船载卫星通信—主控站”和“单兵背负图传终端—船载4G/5G无线通信系统—指挥中心—主控站”这两条无线通信通道，实现海洋指挥船“船—岸”通信，提高了岸基指挥中心对艇队的监管指挥能力。后续船加入编队也只需增加相应卫星通信设备即可实现“船—船”间协同通信和资源共享，而各级单位的指挥中心仅需更新相应管理系统软件即可实现“主控站—指挥中心—船艇”等多边互联互通。

参考文献

[1] 王栋.科考船船岸一体化网络设计及发展趋势[J].船舶， 2017 （S1）.

[2] 张忠强. INMARSAT-5代星Ka频段 Global Xpress [J]. 信息通信， 2013 （04）.

[3] 孙星，严新平，初秀民等.基于船标岸一体化技术的内河信息服务关键技术研究[J].交通信息与安全， 2012 （04）.

基金项目：中国船舶集团有限公司综合导航系统（INS）研制项目（202130ZZ）

作者简介：张倩萍（1992- ），女，工程师。主要从事船舶电气设计工作。

杨礼文（1987- ），男，工程师。主要从事船舶电气维修工作。

收稿日期：2022-12-02