王振凱 九江市港口航運管理局

在遠(yuǎn)洋科考、漁業(yè)及運輸行業(yè)持續(xù)發(fā)展的背景下，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要性日益凸顯，管理人員可依托該系統(tǒng)對飛機飛行數(shù)據(jù)、船舶航行信息進(jìn)行獲取，根據(jù)所掌握資料制定相應(yīng)決策，幫助飛機、船舶規(guī)避潛在風(fēng)險?此外，該系統(tǒng)的誕生，還為在飛機、船舶上工作的人員提供了便利，使上網(wǎng)、收發(fā)微信和通話成為可能，其現(xiàn)實意義有目共睹?

1.寬帶海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示?

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.1.1 移動終端

該部分的作用主要是接收、處理以及發(fā)送信號，可聯(lián)合其他終端收發(fā)短信、撥打電話，另外，還具有傳輸視頻、訪問互聯(lián)網(wǎng)和收發(fā)電子郵件的功能?

1.1.2 空間衛(wèi)星

本系統(tǒng)共搭載三顆衛(wèi)星，衛(wèi)星均適配兩個有效載荷，分別是高容量載荷、全球載荷?其中，衛(wèi)星所部署高容量載荷的數(shù)量為六個，可通過動態(tài)覆蓋的方式，使重點區(qū)域所具有通信能力得到大幅度提升，全球載荷則能夠依托數(shù)十個固定點波數(shù)及信道，覆蓋全球的各個角落?此外，衛(wèi)星還配有網(wǎng)關(guān)波束、全球波束，可為地面接續(xù)效果提供保障?

1.1.3 關(guān)口站

任一衛(wèi)星均有兩個關(guān)口站對應(yīng)，二者互為備份，這樣設(shè)計的目的是保證即使遭遇極端天氣，站點仍然能夠通過快速且準(zhǔn)確的切換，為通信質(zhì)量提供保障?另外，衛(wèi)星還配有兩個地面站，一個為主地面站，另一個為備用地面站，二者共同構(gòu)成了熱備份機制?

1.2 特點及優(yōu)勢

1.2.1 特點

本系統(tǒng)具有以下特點：其一，Ka波段的加入，使系統(tǒng)性能得到明顯改善?與常規(guī)的K頻段和C頻段相比，Ka波段所能提供的頻率資源更加多樣，通常能夠達(dá)到3.5GHz左右，可確保不同服務(wù)功能所提出需求得到充分滿足?其二，系統(tǒng)所搭載點波束在頻率利用率得到大幅度提高，本系統(tǒng)與原有系統(tǒng)的頻率利用率的比值約為20:1?此外，通信容量也得到了明顯提升，運行成本隨之降低?其三，無論是對用戶進(jìn)行本地化接入，還是對饋電鏈路頻率進(jìn)行復(fù)用，均要求系統(tǒng)設(shè)置多個關(guān)口站，保證由各關(guān)口站所形成信息網(wǎng)絡(luò)能夠長時間穩(wěn)定運行?其四，Ka波段具有增益高的特點，這也給用戶終端產(chǎn)生了正面影響，研發(fā)人員可酌情縮小終端體積，使其更具便攜性?其五，Ka波段所擁有頻率資源極多，頻率復(fù)用和點波束的加入，將該波段容量增加到了100Gb/s左右，最高能夠達(dá)到約200Gb/s?其六，雖然Ka波段的雨衰較其他頻段更大，但可利用既有技術(shù)對其加以控制?其七，Ka波段與地面系統(tǒng)的距離較遠(yuǎn)，通常不會受到地面系統(tǒng)的干擾或是影響，在抗干擾性方面具有突出表現(xiàn)[1]?

1.2.2 優(yōu)勢

作為首個搭載Ka波段的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使全球無縫覆蓋成為可能，無論身在何處，用戶都能夠享受到上行5Mnps、下行50Mbps的寬帶速度，移動過程中，終端能夠在各個衛(wèi)星波束間進(jìn)行切換，為通信質(zhì)量提供保證?作為以第四、第五代系統(tǒng)為基礎(chǔ)所研發(fā)出的全新系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在不同系統(tǒng)間自動切換，這也決定了其既擁有四代系統(tǒng)的可靠性，同時又擁有五代系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)?如果由于遭遇惡劣天氣，導(dǎo)致Ka波段無法正常使用，系統(tǒng)將自動切換網(wǎng)絡(luò)路由至四代衛(wèi)星，待雨衰得到控制，再切換至五代衛(wèi)星?

2.寬帶海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用策略

2.1 船員無線上網(wǎng)

船員長期生活在海上，空間范圍有限且生活工作內(nèi)容較為枯燥，使得其對通信網(wǎng)絡(luò)的需求較高，因此，在船舶上構(gòu)建無線WiFi系統(tǒng)，支持船員利用智能手機等終端上網(wǎng)具有十分必要的作用?船舶網(wǎng)絡(luò)在不斷發(fā)展中經(jīng)歷了電傳、電話傳真以及音質(zhì)電報、無線電話等過程，逐漸發(fā)展為現(xiàn)代化的無線電傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代船舶對通信的要求也在不斷提升?如船員在海上作業(yè)過程中，通過手機通信的方式，代替以往的郵件通信，并且能夠利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)上沖浪、使用微信QQ等軟件交流等?基于該要求，需要在船舶中設(shè)置微站，構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，從而滿足船員要求[2]?

借助衛(wèi)星通信系統(tǒng)，構(gòu)建寬帶海事網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)的重點內(nèi)容?在實際的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和連接過程中，應(yīng)選擇海事衛(wèi)星，并在船舶中搭載相應(yīng)的重點設(shè)備，同時在陸地地面設(shè)置控制站，與衛(wèi)星進(jìn)行連接，通過地面站來實現(xiàn)對船舶網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的有效控制，完成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，如圖2?在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)前，需要對信號傳輸方式和船舶的航行特點進(jìn)行分析，避免WiFi網(wǎng)絡(luò)對船舶航行信號產(chǎn)生影響，從而影響船舶的正常運行?

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建原理

在無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用過程中，除WiFi之外，藍(lán)牙和Zig Bee通信技術(shù)的應(yīng)用同樣較為廣泛，且具有較為良好的使用效果?相比WiFi通信技術(shù)，藍(lán)牙和ZigBee以及LoRa 通信技術(shù)使用過程中的功耗更低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍覆蓋與應(yīng)用，且該技術(shù)在應(yīng)用過程中，能夠根據(jù)鏈路預(yù)算情況調(diào)節(jié)敏感度，從而保障整體網(wǎng)絡(luò)ode覆蓋效果，提高通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H效率?以LoRa技術(shù)為例，該技術(shù)屬于低功耗、長距離無線電網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在船舶中的應(yīng)用技術(shù)較為成熟，且在使用過程中不需要繳費，具有良好的數(shù)據(jù)傳輸效率?LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，整體結(jié)構(gòu)較為簡單，通過設(shè)置星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)終端盒基站，實現(xiàn)不同節(jié)點之間的信號傳輸，在多個基站信息傳輸過程中，增加整體傳輸?shù)膹?fù)雜性，但能夠有效保障傳輸靈活性，使網(wǎng)絡(luò)使用質(zhì)量得到提升?由于該技術(shù)依托設(shè)備較小，且覆蓋率較大，因此在大型船舶中的應(yīng)用較為良好，能夠構(gòu)建公共網(wǎng)絡(luò)，便于船員上網(wǎng)工作或娛樂?

2.2 機載衛(wèi)星接入

在機艙內(nèi)加裝無線通信系統(tǒng)可實現(xiàn)與衛(wèi)星的有效連接，可以使得該系統(tǒng)以機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為主要媒介，通過Ku轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)飛機與地面的實時連接與通訊，而地面基站可作為中轉(zhuǎn)站，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面塔臺的數(shù)據(jù)交換的便捷操作提供條件?相關(guān)技術(shù)人員可以利用切換波束的方式實現(xiàn)飛行活動的全過程通信?此系統(tǒng)的使用與導(dǎo)航系統(tǒng)、空管系統(tǒng)相互獨立，同時在使用機載無線通信系統(tǒng)時，可以不受到其他兩系統(tǒng)的影響，同時也不會干擾其他兩系統(tǒng)的運行?

為了保證全程通信系統(tǒng)以及機載衛(wèi)星的有效接入，相關(guān)人員需要深入了解寬帶海事衛(wèi)星通信對于機艙工作的重要性?通過引入寬帶海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)可在一定程度上區(qū)別國際與國內(nèi)航班的不同需要?機載衛(wèi)星的接入符合當(dāng)下多媒體通信趨勢，同時也為應(yīng)急通信、飛機導(dǎo)航、交通管制等工作提供重要的數(shù)據(jù)參考，利用安全性能及運轉(zhuǎn)能力良好的寬帶，可以使得機艙各類信息數(shù)據(jù)的收集、整合、處理工作更加高效，不僅可以實時備份并傳輸飛機導(dǎo)航系統(tǒng)、空管系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時也接入了客艙乘客身體狀態(tài)信息、飛行管理、駕駛艙等信息，無論是飛行機組人員還是乘客，均可利用寬帶海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)飛機信息的全面采集、管理，提升衛(wèi)星服務(wù)能力，集成飛行數(shù)據(jù)、天氣播報、語音服務(wù)等性能，極大提升了短信傳遞、飛行申報、位置報告等方面的便捷性?此外，無線網(wǎng)絡(luò)的使用也極大節(jié)約了上網(wǎng)費用，為長期進(jìn)行飛行的機組人員帶來了豐富的娛樂生活?

2.2.1 GSM客艙

以往在乘坐飛機時，機組乘務(wù)人員通常會要求各位乘客關(guān)閉自己的手機，同時在整個飛行過程中也禁止使用，防止無線電信號對飛機飛行造成影響?在接入寬帶海事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)后，利用GSM方式即可在不影響飛機運行的前提下正常使用手機，同時乘客也可以使用智能手機或其他可以連接無線局域網(wǎng)的終端設(shè)備使用網(wǎng)絡(luò)[3]?

2.2.2 航空公司

現(xiàn)階段從實際的飛行過程來看，寬帶海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋?從客艙到駕駛機艙，每位飛機乘員均可享受到體驗感良好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以將語音、飛機相關(guān)運行數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報等整合為一個資源包，方便信息的傳輸與接收?另外地面基站及機場的相關(guān)數(shù)字信息如起降時間、飛行線路等也可由網(wǎng)絡(luò)電子短信、電子信箱等方式傳遞至飛機指定郵箱中，方便相關(guān)人員進(jìn)行查看?

2.3 視頻監(jiān)控與會議

船舶在海洋中行駛過程中可能面臨不同類型的安全風(fēng)險，為保障船舶行駛安全，應(yīng)加強風(fēng)險識別力度，強化安全保護(hù)管理工作?在風(fēng)險識別時，應(yīng)合理利用視頻監(jiān)控與會議的方式，監(jiān)管識別船舶面臨的風(fēng)險因素，并與船員進(jìn)行交流，了解現(xiàn)場情況，并作出合理的指揮工作?

利用海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，構(gòu)建衛(wèi)星鏈路，完成實時傳輸通信?設(shè)置云臺攝像機，確保其能夠長時間錄像，采集船舶云頂視頻后在地面站顯示，便于陸地管理人員監(jiān)管和分析?在視頻監(jiān)控過程中，為保障視頻監(jiān)控質(zhì)量，一方面應(yīng)提高視頻監(jiān)控穩(wěn)像技術(shù)，另一方面應(yīng)提高船舶目標(biāo)檢測準(zhǔn)確率?

視頻監(jiān)控是一種較為重要的船舶安全管理途徑，但在船舶運行過程中，受到海浪、氣候等因素影響，發(fā)生抖動和偏移在所難免，為提高視頻穩(wěn)定性，應(yīng)提高視頻穩(wěn)像技術(shù)?在海事視頻數(shù)據(jù)傳輸過程中，構(gòu)建穩(wěn)像系統(tǒng)，首先獲取原始視頻圖像數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行灰度化處理，同時提取其中的角點，與圖像序列進(jìn)行匹配?利用Video Stabilization算法，計算視頻幀間運動參數(shù)，并消除運動參數(shù)濾波，構(gòu)建運動補償，最終得到穩(wěn)定后的圖像序列，使視頻監(jiān)控與會議圖像的清晰度和穩(wěn)定性得到保障?

海上船舶事業(yè)發(fā)展速度不斷加快，為避免船舶運行過程中受到風(fēng)險影響，受到嚴(yán)重的事故威脅，應(yīng)加大對海事監(jiān)控視頻的重視?通過在船舶上安裝攝像機，收集船舶運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，借助衛(wèi)星通信技術(shù)實施船舶目標(biāo)檢測，以便地面站管理人員能夠?qū)崟r監(jiān)控管理?在船舶目標(biāo)檢測過程中，由于船舶運行過程中水波紋晃動，使監(jiān)控背景具有動態(tài)性，同時海面的雜波較多，對監(jiān)控畫面存在一定影響，從而使船舶目標(biāo)檢測的難度相對較大?在船舶視頻與會議過程中，構(gòu)建目標(biāo)檢測算法時，應(yīng)通過畫面分割的方式降低計算量?具體檢測時，首先將天空、海面和岸邊進(jìn)行分割，并通過算法生成海面背景，檢測船舶目標(biāo)得到檢測結(jié)果?在無法生成海面背景時，通過自適應(yīng)高斯混合模型，重新生成海面背景后再次進(jìn)行分割和檢測，最終得出檢測結(jié)果[4]?

3.結(jié)論

綜上，本系統(tǒng)由關(guān)口站、移動終端還有空間衛(wèi)星組成，具有保障海事工作安全、規(guī)避潛在風(fēng)險的作用，點波束、高頻段的應(yīng)用，使系統(tǒng)性能得到大幅度提升，確保用戶需求得到充分滿足?可以預(yù)見的是，未來本系統(tǒng)將在諸多領(lǐng)域得到運用，有關(guān)人員應(yīng)加大研發(fā)力度，確保其所具有價值得到最大化實現(xiàn)?