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“空天地海”一体化的海上应急通信网络技术综述* 林彬1.2，张治强3，韩晓玲1，刘琳1，刘振秋1，车雨笛1 （1.大连海事大学信息科学技术学院，辽宁 大连 116026； 2.鹏城实验室网络通信研究中心，广东 深圳 518052； 3.中国航天科技集团有限公司中国卫通集团股份有限公司鑫诺卫星通信有限公司，北京 100094）
*基金项目：国家自然科学基金“海洋航行器自主航行关键技术研究-海上智能通信组网技术”（51939001）；国家自然科学基金“面向E-航海的无人船近海边缘计算网络关键理论与技术”（61971083）
【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
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.09.004 中图分类号：TN929 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2020)09-0019-08 引用格式：林彬,张治强,韩晓玲,等. “空天地海”一体化的海上应急通信网络技术综述[J]. 移动通信, 2020,44(9): 19-26.
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灾害时，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]。
2 空基通信手段
空基通信手段以平流层飞艇、平流层高空气球、无人机、直升机等高空平台为载体，广泛应用于海事方面，如表3所示。由于海平面上没有遮挡物，通信质量能够得到很好的保障。空基通信手段可显著扩展通信距离，延伸地面网覆盖范围，在空中完成信息的转发和交换。
2.1 平流层飞艇及其在海上应急通信中的应用 平流层飞艇是一种轻于空气的可控飞行器，可长期定点驻空、重复使用，具有良好的飞行特性，成本较低，覆盖面积广，能够提供多样化的应用和服务[8]。平流层飞艇通信系统具有微波中继和卫星通信的优点，不仅可以作为日常通信平台长期部署在服务海域，而且可以为海上灾情提供稳定的网络通信服务，包括：（1）遇险报警；（2）搜救协调通信；（3）救助现场通信；（4）寻位；（5）海上安全信息的播发；（6）常规的公众业务通信；（7）驾驶台对驾驶台的通信[9]。
2.2 平流层高空气球及其在海上应急通信中的应用 平流层高空气球是一种飞行在平流层高度的无动力飞行器，具有飞行高度高、成本低、准备周期短、易于灵活实施等特点[10]。高空超压气球是一种新型的高空气球，完全不受地面设施及地形环境的制约，可以很好地适应海洋复杂多变的环境和恶劣气候，也可在海啸时充当应急通信手段[11]。系留气球依靠系缆供电，载重能力可轻松做到30～50 kg，可将系留气球部署在交通频繁海域的岛屿和海上的巡逻舰艇上，用来给过往船只提供稳定的网络信息服务，当发生紧急事故时，也能提供即时通信服务。
2.3 无人机及其在海上应急通信中的应用 无人机是一种新型信息获取的载体，具有成本低、使用灵活、对起降场地要求低、操作性强，可执行危险任务等特点[12]。固定翼无人机载荷能力较强、飞行距离远、滞空工作时间长，不仅可完成应急通信服务，还能作为构建通信中继系统的平台，完成对指定海域的实时监控和提供日常的通信网络服务。多旋翼无人机结构简单，能够适应各种恶劣的情况，可对事故船舶和危险物船舶进行环绕航拍取证，处理紧急通信事故。水陆两栖飞机，兼有空中飞行器和水上船舶特性，当发生水上事故时，可以快速抵达失事船只现场，为失事现场提供通信保障。
2.4 直升机及其在海上应急通信中的应用 直升机以俯视的角度在海上工作，救援速度快，视野范围和救援范围广。同时，直升机上可配备完善的救护设备和专业的救护人员，以实现一体化的应急救援工作[13]。海上救援直升机基本不受时间、空间和自然条件的限制，可随时展开海上搜救工作，其救援方法主要包括：自动搜索救援、绞车救援和机降方式。同时，海上救援直升机凭借着其独特的优势，能够最大限度地降低海上事故的损失严重性，是当前海上救援工作发展的重要手段。
3 陆基通信手段
陆基通信手段[1]主要用于近岸突发情况的应急通信保障，其主要设备部署在海岸或岛礁的固定站点上。当近岸海域发生特殊情况且需要紧急救援时，可利用既有站点位置固定、平台支持能力强的特点来保证海岸或岛礁周边的应急通信接入。
3.1 AIS岸基网络系统及其在海上应急通信中的应用 AIS（Automatic Identification System，船舶自动识别系统），是集通信、网络与信息技术于一体的新型海上安全信息与助航系统[17]。它主要由岸基设施和船载设备共同组成，在甚高频频段进行船载无线电数据的传输，将船舶交通信息传输到其他船舶和岸上站，如：船舶名称、MMSI、航线、速度、吃水、长度、位置、宽度和货物状况等。目前，中国已经建立了一个世界上规模最大的AIS岸基通信网络，用于中国近岸海域的船舶航行安全和应急保障。
该系统在海上应急中，能够及时有效地在船与岸之间实现船岸信息联网，在覆盖水域发生突发事件时，根据事先制定的方案，识别和跟踪遇险船只，可以将应急场景中其它船舶按照指定的次序、路线和限定的航速航行，基于船舶实时轨迹跟踪及航线规划以提高海上应急救援效率。
3.2 GMDSS现代化中地面通信系统在海上应急通信中的应用 GMDSS使用先进的通信技术[14]来保证海上通信的畅通。一旦船舶发生紧急情况，无论它航行在哪个海域，都能够借助GMDSS设备完成与岸上或周围船舶的通信，目的在于最大限度地保证海上生命与财产安全。其中，GMDSS地面通信系统[15]主要指MF/HF/VHF系统，采用数字选择性呼叫（DSC）技术和窄带直接印字电报（NBDP）技术取代摩尔斯电报技术，实现电传通信、应急报警和无人值守，使海上遇险、紧急、安全通信进入新的时代。随着GMDSS现代化项目的发展，如：NAVDAT、VDES等技术的研究推进，地面通信系统也在不断推陈出新，以满足E-Navigation战略船岸通信的最新要求。其具体系统如表4所示。
近年来，我国一直致力于建立更加完善的海上应急救援体系。在民用应急救援领域，在国际GMDSS的具体建设要求下，分别在五个城市建立了大、中型NAVTEX海岸电台，并在大连、福州等多个城市建立了DSC海岸电台。在军用应急救援领域，很多国家的海上应急救援工作都由专门的军队负责，比如日本的海上保安厅[16]等。另外，各国也都根据自己国家的通信体制的不同，按照GMDSS的标准，设置了符合自身国情的救生频段，为海上紧急信息的及时传输创造了条件。
3.3 岛屿通信及其在海上应急通信中的应用 除了海岸之外，通信基站可以布局在岛屿上。岛屿通信主要采用对流层散射通信方式[18]，通信站的天线面向大海，可以使得散射通信系统在海上的通信性能大大优于在陆地上的性能，如：传输容量大、超视距、高质量等。由于散射通信站建立在岛屿上，且散射通信技术通信距离远、效果好，因此，岛屿通信能够在很大程度上提高海上救援的保障范围，提高海上应急通信的可靠性。
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/浮标共建网络[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。
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发表于 2020-10-19 15:21:29
