張志江 程萬(wàn)慶 徐 明

（交通運(yùn)輸部東海航海保障中心寧波航標(biāo)處，浙江寧波 315470）

0 引 言

航標(biāo)是船舶在近海航行過(guò)程中較為重要的助航設(shè)備,對(duì)過(guò)往船舶起著良好的導(dǎo)向作用。近年來(lái),由于中國(guó)港航業(yè)的迅速發(fā)展,中國(guó)沿海海域航標(biāo)配布量也日益增加,截至2021年底,寧波舟山港海域共有1 500 余座航標(biāo)，部分海域已經(jīng)配備了多功能航標(biāo)。該類航標(biāo)除具有傳統(tǒng)導(dǎo)航功能外，還具備了水文、氣象、CCTV 監(jiān)控等信息采集功能，發(fā)揮著良好的效能，但是在數(shù)據(jù)傳輸中,存在傳輸速度慢、網(wǎng)絡(luò)延遲等問(wèn)題。目前，我國(guó)的5G 工程正在如火如荼建設(shè)中,因?yàn)?00 M 波段具備了覆蓋面寬、衍射能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、信號(hào)更穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)，所以700M 5G 技術(shù)也在全國(guó)范圍內(nèi)各行各業(yè)已經(jīng)在廣泛的應(yīng)用中。依托該技術(shù)的良好性能，如果在部分重點(diǎn)海域部署使用,應(yīng)用到多功能航標(biāo)中，可以解決多功能航標(biāo)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)問(wèn)題。本文將著重對(duì)700M 5G 技術(shù)在多功能航標(biāo)上的運(yùn)用進(jìn)行研究,以增強(qiáng)航標(biāo)助導(dǎo)航的多樣化,提高在大航海時(shí)代的航海保障能力。

1 700M 5G 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

700M 5G 頻率也被稱之為中國(guó)發(fā)展移動(dòng)通信領(lǐng)域的黃金頻率,由于其具有空間傳輸損失較少、穿透能力強(qiáng)、覆蓋距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)和能力，它作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

1.1 覆蓋效果好

電磁波在空氣中是以正弦曲線的形態(tài)進(jìn)行傳輸,根據(jù)公式:C=λf,C 是遙感技術(shù),λ 是波段,f 是頻譜,因?yàn)檫b感技術(shù)速度恒定,所以波段與頻譜是成反比的,即波段越長(zhǎng),頻譜越低，反之亦然，即波段越短越趨向于以垂直傳遞,在不同環(huán)境中的傳輸損耗就越大,折射與繞射力量也差,波段愈短則透過(guò)力量越差。在同樣的范圍內(nèi),700M 5G 的信號(hào)強(qiáng)度都要比其他頻段的信號(hào)強(qiáng)度高;在不同區(qū)域內(nèi),700M 覆蓋高度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他5G 頻段,所以在比較遼闊繁忙的航道,優(yōu)越性也是相當(dāng)突出的。

1.2 頻率低

在移動(dòng)通信中,假如在不同的時(shí)間發(fā)出了同樣的訊號(hào),從接收端得到的信息卻不一樣,這個(gè)時(shí)間變性在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的最具體反映一點(diǎn),便是多普勒頻移。△f=(v/λ)cosθ,這里的θ 為相應(yīng)于運(yùn)動(dòng)頻率方位與信號(hào)到達(dá)方位的夾角。由上式中可發(fā)現(xiàn),△f(多普勒頻偏)與v(相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻率)成正比;△f(多普勒頻偏)與λ(長(zhǎng)度)也成反相關(guān),所以,假如運(yùn)動(dòng)速率一樣,則長(zhǎng)度較小,頻偏大。而由于700M 的波段相對(duì)時(shí)間更長(zhǎng)如果移動(dòng)速率也一樣,且入射角度相等則多普勒頻偏更小,因此高速移動(dòng)的時(shí)候穩(wěn)定性更佳,而700M 5G 頻率的多普勒頻偏會(huì)大大低于其他運(yùn)營(yíng)商的5G 頻率,因此有利于高速、繁忙地點(diǎn)的基站部署,像寧波舟山港蝦峙門航道。

1.3 繞射能力強(qiáng)

障礙物對(duì)電磁波的干擾是從波段作為時(shí)間單元判斷的,相同物理距離的障礙物,若訊號(hào)頻段越低,其波段較長(zhǎng)則易于繞射過(guò)去,而波段越短的高頻則會(huì)輕易被反彈回去。700M 5G 頻率波段,由于它具有較長(zhǎng)的波段所以具備強(qiáng)大的繞射力。

2 多功能航標(biāo)簡(jiǎn)介

一般導(dǎo)助航標(biāo)志具有傳統(tǒng)的助航作用,如標(biāo)示航道方向、界限、礙航物等的作用,而隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和航海用戶需求的提高，航海保障服務(wù)趨向具象化、全面的要求，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)功能多樣化,已成為現(xiàn)代航海事業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，在寧波舟山港區(qū)海域,部分傳統(tǒng)航標(biāo)在原來(lái)導(dǎo)助航的基礎(chǔ)上,增設(shè)能見(jiàn)度檢測(cè)、風(fēng)速方向檢測(cè)、表面流檢測(cè)和CCTV視頻監(jiān)控等多個(gè)功能系統(tǒng),可以獲取轄區(qū)海域航運(yùn)、氣象、水文等數(shù)據(jù),并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至岸基數(shù)據(jù)管理中心,經(jīng)處理計(jì)算后轉(zhuǎn)送給港口航道等有關(guān)管理部門和企業(yè),成為監(jiān)管部門和企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的工作依據(jù)。讓航行者等用戶獲取更安全、有效助航服務(wù),成為航標(biāo)管理部門的一項(xiàng)工作重點(diǎn)。

3 部分多功能航標(biāo)工作原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，多功能航標(biāo)就是在原來(lái)傳統(tǒng)航標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加一些數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備，在保證原有導(dǎo)助航效能的基礎(chǔ)上，對(duì)其他數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。水文等要素采集的功能,主要是由流速儀、測(cè)深儀等設(shè)備,通過(guò)串口和終端通訊來(lái)完成。利用這種串口,終端就能夠接收到由流速儀和測(cè)深儀等設(shè)備量測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)值,數(shù)據(jù)包含:采集日期、溫度、流量和水深等。然后終端再利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù),按規(guī)定的協(xié)議打包后發(fā)優(yōu)勢(shì)返回監(jiān)測(cè)平臺(tái),由監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分解并智能管理,可以把某點(diǎn)或多點(diǎn)的流量和水深,按公式或某測(cè)定的資料模型轉(zhuǎn)化成某截面流速和某點(diǎn)水位,在平臺(tái)終端上真實(shí)、動(dòng)態(tài)、直觀地表現(xiàn)出來(lái),并按統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中方便日后檢索。

4 700M 5G 技術(shù)多功能航標(biāo)上的應(yīng)用實(shí)例

2021 年12 月，寧波航標(biāo)處在位于寧波舟山港蝦峙門航道的“蝦峙門燈船”上成功安裝了一組具備700 MHz 頻率的5G 通信終端、視頻監(jiān)控、氣象等六要素等設(shè)備，實(shí)時(shí)通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)將燈船周邊海域通航以及氣象、能見(jiàn)度等情況傳輸?shù)綄幉ê綐?biāo)處的接收設(shè)備上。此項(xiàng)應(yīng)用案例，利用700M 5G 的超遠(yuǎn)傳輸、超大范圍覆蓋、超低時(shí)延性能等獨(dú)有資源，實(shí)現(xiàn)了基站覆蓋范圍60 km 的高清視頻傳輸。寧波舟山港海域現(xiàn)代海上通信技術(shù)與航標(biāo)非傳統(tǒng)領(lǐng)域的結(jié)合，解決轄區(qū)偏遠(yuǎn)海域因處在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空白區(qū)而存在的航道、船舶、島礁、海洋環(huán)境等狀況實(shí)時(shí)感知、監(jiān)控難問(wèn)題的5G+多功能航標(biāo)建設(shè)上取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

5 應(yīng)用結(jié)論

700M 5G 技術(shù)在傳統(tǒng)多用途航行標(biāo)志上的運(yùn)用是一個(gè)有益的嘗試和創(chuàng)新的突破,針對(duì)不同海域的不同狀況和不同要求專門設(shè)計(jì),進(jìn)一步掌握目標(biāo)海域水文氣象狀況等數(shù)據(jù)確保通航安全。雖然目前700M 5G 技術(shù)在多功能航標(biāo)上的應(yīng)用還處在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段,但700M 5G 技術(shù)在多功能航標(biāo)上應(yīng)用效果明顯，解決了傳輸速度慢、網(wǎng)絡(luò)延遲等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)問(wèn)題。

隨著“陸海空天”一體化水上交通運(yùn)輸安全保障體系和全要素水上“大交管”建設(shè)目標(biāo)任務(wù)的逐步實(shí)現(xiàn)，我們相信運(yùn)用700M 5G 技術(shù)等新一代信息技術(shù)，在航標(biāo)上逐步增加感知設(shè)備以及信息發(fā)送設(shè)備，拓廣智能航海保障應(yīng)用，探索建立集采集與分析航標(biāo)基礎(chǔ)信息、水位氣象、交通流量等要素于一體的智慧航標(biāo)（航道）管理平臺(tái)，可以促進(jìn)海上民生領(lǐng)域數(shù)字化和智能化。