姚 望，桂 皓，鄭建偉

（上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前 言

智能船舶技術需要將船和岸通過通信系統(tǒng)結合在一起，將船上的所有感知數(shù)據(jù)實時發(fā)送到岸基平臺，實現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)同步。 岸基應用大數(shù)據(jù)分析技術，在航線和航速優(yōu)化、輔助駕駛與避碰、保障支持和運營管理等方面發(fā)揮作用。 因此，船岸之間持續(xù)的數(shù)據(jù)通信是實現(xiàn)并充分發(fā)揮智能船舶完整功能的最基本保障條件，船岸之間數(shù)據(jù)通信的質量也得到越來越多的關注［1-2］。

當前，對于衛(wèi)星通信質量影響因素的研究多針對應用更為廣泛的陸上衛(wèi)星通信系統(tǒng)，研究的方向主要集中在降雨等惡劣天氣導致的雨衰損耗［3-4］。受海洋環(huán)境的影響，船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作環(huán)境相對惡劣，除雨雪等惡劣天氣的影響外，船載衛(wèi)星通信信道設備本身還會隨船舶姿態(tài)搖擺或轉動，因此海況及船舶運動狀態(tài)對于船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信質量的影響亟需研究。 鑒于真實海洋環(huán)境的復雜多變，很難在實際航行狀態(tài)中的船舶上采用控制變量的方法獨立分析各海況因素對船岸衛(wèi)星通信質量的影響，因此，有必要在陸上搭建一個可控的海況模擬裝置對該問題展開研究。

1 試驗方案

1.1 試驗對象選擇

在航船舶的船岸一體化通信主要依靠衛(wèi)星鏈路實現(xiàn)。 當前，船用衛(wèi)星信道設備主要包括海事寬帶（FleetBroadBand：FBB）、VSAT 及第五代海事衛(wèi)星業(yè)務（Global Xpress）三類。 FBB 使用L 波段，最高理論通信帶寬只有432 kbit/s，且以流量計費，通信費用較高［1］，在實船上多用于緊急衛(wèi)星電話和電子郵件等窄帶通信，不適用于持續(xù)的、較大規(guī)模的船岸數(shù)據(jù)傳輸。 VSAT 多采用Ku 波段，IP 傳輸數(shù)據(jù)能力理論上可達上行20 Mbit/s，下行6.5 Mbit/s，且可以采用包月計費的方式， 無論是從經濟性還是從實用性的角度來說，相對FBB 都有較大提升，已成為現(xiàn)階段在航船舶數(shù)據(jù)通信的主流信道設備。新一代Ka 波段的Global Xpress 雖然帶寬進一步增大，但目前信號覆蓋范圍小，無法為全球航行的船舶提供船岸通信保障，故市場普及度不高［5］。 因此，選取采用Ku 波段的VSAT（主要技術參數(shù)見表1）作為試驗對象，衛(wèi)星流量理論上行帶寬2 048 Kbit/s，下行帶寬2 048 Kbit/s。

1.2 海況模擬裝置

1.2.1 船舶運動狀態(tài)分析

船舶在真實海洋環(huán)境下航行時，受風、浪、流、涌等海洋環(huán)境因素及船舶自身行駛狀態(tài)的影響，船體會在空間不同方向上出現(xiàn)沉浮、擺動及橫移，表現(xiàn)為船體在物理空間中6 個自由度的運動，如圖1 所示。其運動方式可以分解為橫搖、縱搖及轉動。

1.2.2 海況模擬裝置簡介

空間中6 自由度運動通常采用六軸模擬裝置進行模擬，相比于常規(guī)的6 自由度運動，海洋中的船舶運動狀態(tài)具有一定的特殊性。 常見的6 軸模擬裝置雖然可以模擬船體的搖晃狀態(tài)， 但難以模擬船體的轉向運動。 為完整模擬船體運動，在普通6軸模擬裝置的基礎上增加了專門的方位轉動模擬軸， 因此該海況模擬裝置采用7 軸組成的方式實現(xiàn)。

表1 試驗用VSAT 主要技術參數(shù)

圖1 船舶運動狀態(tài)分析

1.2.3 主要技術指標

海況模擬裝置的負載為Ku 波段VSAT 天線，其質量不超過200 kg， 因此設計的海況模擬裝置技術指標如下：

負載質量：≤500 kg；

方位角度：順、逆時針轉動無限位，轉速0～10°/s，可調；

橫搖角度：≤±25°周期4～20 s，可調；

縱搖角度：≤±25°周期4～20 s，可調。

1.2.4 海況模擬裝置構成

海況模擬裝置由機械部分和控制部分組成，具體構成如圖2 所示。

圖2 海況模擬裝置構成圖

1）機械部分

海況模擬裝置機械部分由常規(guī)6 軸裝置和1 個方位軸裝置組成。

6軸裝置有6 根可電控伸縮長短的軸，通過十字連接器與底平板連接，底平板與地面固定，6 根軸的另一端通過十字連接器與上平板固定，上平板作為模擬裝置的安裝平面，在其上固定被測對象。

被測對象的空間位置是由與其連接的6 根軸的長度決定的。 當6 根軸的長度完全一樣時，上平板與底平板處于平行狀態(tài)；當6 根軸的長度不同時，6根軸的空間角度位置也出現(xiàn)變化，6 根軸角度變化就帶來了上平板的角度變化，使上平板與底平板出現(xiàn)傾斜角度，以此模擬空間中6 自由度的運動。

船體的橫搖及縱搖由6 軸裝置進行模擬，而船體的轉動則由裝置頂部的方位軸裝置進行模擬。 6根軸的伸縮量及方位軸的轉動速度由專門的控制程序嚴格控制。

2）控制部分

海況模擬裝置的控制部分包括控制計算機、模擬裝置控制器、方位轉動軸及可伸縮軸電控模塊組成。 控制計算機與模擬裝置控制器之間通過以太網(wǎng)線連接，模擬裝置控制器與海況模擬裝置方位轉動軸及可伸縮軸電控模塊之間通過串口線連接。

1.2.5 海況模擬裝置的控制

安裝于船舶羅經甲板上的船載VSAT 衛(wèi)通信道設備隨船體發(fā)生運動，其運動可分解為橫搖、縱搖和轉動3 種模式， 由于VSAT 衛(wèi)通信道設備底座為圓形，且具備自動對星能力，橫搖及縱搖對其的影響基本一致，可綜合歸納為搖擺運動。

搖擺運動可由擺動幅度和擺動周期兩個參數(shù)進行描述，轉動運動則可由轉動角速度進行描述。 因此， 試驗將船載VSAT 衛(wèi)通信道設備在實船航行中受復雜海洋環(huán)境與船舶航行狀態(tài)的影響具象為擺動幅度、擺動周期和轉動角速度3 個具體影響因素的作用。

考慮到船舶在海洋中實際的運動情況，為建立船舶運動的數(shù)學模型以編制程序實現(xiàn)對海況模擬裝置的控制，將橫搖、縱搖都簡化為正弦運動，控制程序允許對海況模擬裝置的擺動周期、擺動幅度以及轉動的角速度進行設置，實現(xiàn)預期的運動狀態(tài)模擬。

1.3 試驗方法

1.3.1 測試方法

試驗使用計算機作為測試設備， 計算機通過VSAT 信道設備連入互聯(lián)網(wǎng)。 被測的VSAT 信道設備安裝于海況模擬裝置上。 測試過程中，在控制計算機的控制軟件中對海況模擬裝置的運動狀態(tài)進行設定，控制計算機通過以太網(wǎng)線將控制指令下發(fā)至模擬裝置控制器，并最終通過串口控制線實現(xiàn)對海況模擬裝置運動狀態(tài)的控制。

試驗采用控制變量的方法，通過控制程序，分別改變海況模擬裝置的擺動周期、擺動幅度、轉動角速度3 個運動參數(shù)， 考察VSAT 信道設備隨海況模擬裝置處于不同運動狀態(tài)時聯(lián)網(wǎng)計算機的網(wǎng)絡質量。

1.3.2 網(wǎng)絡質量評價參數(shù)選取

目前，船岸通信的主要業(yè)務需求包括業(yè)務（航行、能效、設備運行狀態(tài)、貨物狀態(tài)等）數(shù)據(jù)傳輸、文件（郵件、船公司管理文件、日志、報表等）傳輸、語音傳輸、視頻傳輸?shù)?，未來隨著智能船舶的發(fā)展，可能還會涉及船岸之間的控制指令與執(zhí)行反饋信息的傳輸。 對于普通的業(yè)務數(shù)據(jù)及文件傳輸?shù)葘鬏敎蚀_性要求較高的業(yè)務場景，網(wǎng)絡通信速度及網(wǎng)絡連接的穩(wěn)定性較為重要；對于語音傳輸及視頻傳輸?shù)葘W(wǎng)絡丟包不太敏感的信息傳輸業(yè)務，時延及時延抖動是影響用戶體驗關鍵因素；而當面向未來涉及船舶控制安全的船岸控制指令及反饋信息的傳輸需求時，網(wǎng)絡通信速度、網(wǎng)絡連接穩(wěn)定性、網(wǎng)絡時延及時延抖動等網(wǎng)絡指標都不可忽視。 基于以上考慮，試驗選取網(wǎng)絡帶寬、丟包率、時延、時延抖動等4 個參數(shù)描述VSAT 衛(wèi)星信道設備的網(wǎng)絡通信質量。 4 種網(wǎng)絡參數(shù)的說明如下：

1） 網(wǎng)絡帶寬（上傳/下載）：網(wǎng)絡在單位時間內能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，反映網(wǎng)絡通信速度。 選取的單位時間為1 s。

2） 丟包率：測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)組的比率，反映網(wǎng)絡通信連接穩(wěn)定性。

3） 時延：數(shù)據(jù)包穿越一個或多個網(wǎng)段所經歷的時間，反映網(wǎng)絡延遲程度。 選取計算機從發(fā)出ICMP回應請求報文 （ICMP Echo-Request） 到接收ICMP回應回復報文（ICMP Echo-Reply）所經歷的時間作為時延。

4） 時延抖動：時延的變化程度，該參數(shù)對于如VOIP（Voice Over Internet Protocol，基于IP 的語音傳輸）、視頻傳輸?shù)葘崟r性要求較高的網(wǎng)絡服務的質量具有較大參考意義。 選取單次測試中最大時延與最小時延之差作為時延抖動。

其中，網(wǎng)絡帶寬使用帶寬測試工具進行測試，而丟包率、時延、時延抖動3 個參數(shù)利用計算機使用因特網(wǎng)包探索器命令 （Ping：Packet Internet Groper）連續(xù)向常用網(wǎng)站（選取網(wǎng)站為百度， 域名www.baidu.com，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址：182.61.200.6）發(fā)送100 個因特網(wǎng)信報控制協(xié)議（ICMP：Internet Control Messages Protocol）數(shù)據(jù)包，通過觀察接收到網(wǎng)站返回的回復數(shù)據(jù)包的情況測得。 每種工況下，每個網(wǎng)絡通信質量測試3 次，并求取平均值，以減小偶然因素造成的誤差。

2 試驗環(huán)境搭建

按試驗系統(tǒng)原理圖（見圖3）對試驗環(huán)境進行搭建， 選取樓頂無遮擋處對受試VSAT 信道設備及海況模擬裝置進行安裝固定，VSAT 衛(wèi)星天線安裝于海況模擬裝置上并隨裝置運動， 受試VSAT 衛(wèi)通信道設備及海況模擬裝置實物安裝如圖4 所示。 使用2臺計算機，1 臺作為聯(lián)網(wǎng)測試設備連接并測試VSAT 信道設備的通信質量，1 臺作為海況模擬裝置的控制設備。 通過安裝相應的控制軟件，實現(xiàn)對海況模擬裝置運動狀態(tài)的控制。

圖3 試驗系統(tǒng)原理圖

圖4 VSAT 及海況模擬裝置實物安裝圖

3 基礎參考值測試

測試海況模擬裝置在無搖擺和轉動時，VSAT信道設備相對地面靜止條件下衛(wèi)星通信的通信質量，作為后續(xù)測試的參考值。 該項測試中，在海況模擬裝置控制計算機中設置搖擺幅度、擺動周期及轉動速度均為零， 使用測試計算機對VSAT 衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡帶寬（上傳/下載）、丟包率、時延、時延抖動等參數(shù)進行測試和記錄，結果如表2。

表2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡質量基礎參考值

4 不同搖擺幅度下的衛(wèi)星通信質量測試

保持海況模擬裝置擺動周期和轉動速度不變，測試不同搖擺幅度下的VSAT 衛(wèi)星通信質量。 該項測試中，在控制計算機中設置海況模擬裝置擺動周期為8 s、轉動速度為零不變，分別設置搖擺幅度為5°、10°、15°、22.5°（根據(jù)中國船級社《鋼質海船入級規(guī)范》要求，船用電氣設備應在22.5°橫搖傾斜角的環(huán)境條件下正常工作）， 測試在這些搖擺幅度下VSAT 衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡帶寬（上傳/下載）、丟包率、時延、時延抖動等參數(shù)，并進行記錄。

4.1 試驗結果記錄

試驗結果見表3～表6。

表3 搖擺幅度為5°時的VSAT信道設備通信質量

表4 搖擺幅度為10°時的VSAT信道設備通信質量

4.2 試驗結果分析

由不同搖擺幅度下的VSAT 信道設備通信質量測試結果（見表7）可知：在海況模擬裝置搖擺周期和轉動速度保持不變，搖擺幅度分別為5°、10°、15°、22.5°時，VSAT 衛(wèi)通信道設備網(wǎng)絡通信的上傳/下載帶寬、丟包率、時延3 項參數(shù)與基礎參考值相比變化很??；時延抖動在搖擺幅度為5°、10°、15°時，數(shù)值與基礎參考值基本一致， 當搖擺幅度達到22.5°時，時延抖動明顯上升。

表5 搖擺幅度為15°時的VSAT信道設備通信質量

表6 搖擺幅度為22.5°時的VSAT 信道設備通信質量

表7 不同搖擺幅度下的VSAT 信道設備通信質量測試結果

5 不同搖擺周期下的衛(wèi)星通信質量測試

保持海況模擬裝置搖擺幅度和轉動速度不變，測試不同搖擺周期下的VSAT 衛(wèi)星通信質量。 該項測試中，在控制計算機中設置海況模擬裝置搖擺幅度為10°、轉動速度為零不變，分別設置搖擺周期為10 s、8 s、6 s、4 s，測試在這些搖擺周期下VSAT 衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡帶寬（上傳/下載）、丟包率、時延、時延抖動等參數(shù)，并進行記錄。

5.1 試驗結果記錄

試驗結果見表8～表11。

表8 搖擺周期為10 s時的VSAT信道設備通信質量

5.2 試驗結果分析

由不同搖擺周期下的VSAT 信道設備通信質量測試結果（見表12）可知：在海況模擬裝置搖擺幅度和轉動速度保持不變，搖擺周期分別為10 s、8 s、6 s、4 s 時，VSAT 衛(wèi)通信道設備網(wǎng)絡通信的上傳/下載帶寬、丟包率、時延抖動3 項參數(shù)與基礎參考值基本一致； 搖擺周期為10 s、8 s、6 s 時，VSAT 通信的丟包率也與基礎參考值保持一致，但當搖擺周期變?yōu)? s時，VSAT 通信出現(xiàn)了1%的丟包。

表9 搖擺周期為8 s時的VSAT信道設備通信質量

表10 搖擺周期為6 s時的VSAT信道設備通信質量

表11 搖擺周期為4 s時的VSAT信道設備通信質量

表12 不同搖擺周期下的VSAT 信道設備通信質量測試結果

6 不同轉動速度下的衛(wèi)星通信質量測試

保持海況模擬裝置搖擺幅度和搖擺周期不變，測試不同轉動速度下的VSAT 衛(wèi)星通信質量。 該項測試中，在控制計算機中設置海況模擬裝置搖擺幅度為10°、搖擺周期為8 s 不變，分別設置轉動速度為2°/s、4°/s 和6°/s， 測試在這些轉動速度下VSAT衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡帶寬（上傳/下載）、丟包率、時延、時延抖動等參數(shù)，并進行記錄。

6.1 試驗結果記錄

試驗結果見表13～表16。

表13 轉動速度為0°/s的VSAT信道設備通信質量

表14 轉動速度為2°/s的VSAT信道設備通信質量

表15 轉動速度為4°/s的VSAT信道設備通信質量

表16 轉動速度為6°/s的VSAT信道設備通信質量

6.2 試驗結果分析

由不同轉動速度下的VSAT 信道設備通信質量測試結果（見表17）可知，在海況模擬裝置搖擺幅度和搖擺周期保持不變的情況下，轉動速度的增加對VSAT 信道設備的網(wǎng)絡通信質量影響較大。 當海況模擬裝置轉動速度為2°/s 時，VSAT 信道設備網(wǎng)絡通信的上傳/下載帶寬、丟包率、時延與基礎參考值相比基本不變，但時延抖動明顯上升；當海況模擬裝置的轉動速度提升至4°/s 和6°/s 時，3 次測試中，VSAT 信道設備通信網(wǎng)絡分別出現(xiàn)了1 次和2 次中斷。

表17 不同搖擺周期下的VSAT 信道設備通信質量測試結果

7 結 語

測試結果表明了不同海況因素對船載信道設備衛(wèi)星通信質量的影響，為船載衛(wèi)通信道設備研發(fā)升級、進一步改善船岸通信質量提供支撐，同時也為當前技術條件下船岸一體化通信系統(tǒng)的實船應用提供參考。

1） 在搖擺周期和轉動速度固定時，船舶搖擺幅度對船載VSAT 衛(wèi)星網(wǎng)絡通信的上傳/下載帶寬、丟包率及時延基本無影響；在船舶小幅擺動（小于15°）時，搖擺幅度對VSAT 網(wǎng)絡通信的時延抖動影響不大；當船舶劇烈擺動（接近或大于22.5°）時，VSAT網(wǎng)絡通信的通信時延明顯上升，對VOIP、視頻傳輸?shù)染哂休^高實時性要求的網(wǎng)絡服務造成影響。

2） 在船舶搖擺幅度和轉動速度不變時，船舶搖擺周期的變化對船載VSAT 衛(wèi)星網(wǎng)絡通信的上傳/下載帶寬、丟包率及時延抖動基本無影響；當搖擺頻率較高，搖擺周期較短時，VSAT 衛(wèi)星網(wǎng)絡通信的穩(wěn)定性會受到影響，可能出現(xiàn)一定程度的丟包。 但在實際船舶航行環(huán)境下，船舶搖擺周期一般不會低于6 s。 因此，在實際應用場景下，船舶的搖擺周期對船載VSAT 衛(wèi)星網(wǎng)絡通信的基本無影響。

3） 在船舶搖擺幅度和搖擺周期不變時，船舶轉動速度的變化對船載VSAT 信道設備有顯著影響，當轉動速度到達或超過4°/s 時， 網(wǎng)絡可能出現(xiàn)中斷，極大影響船岸數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量。