张剑

摘 要：随着技术水平的进步和海洋意识的增强，我国在海洋开发方面的投入越来越多，各项经济活动积极开展。与此同时，海洋活动也属于一项高风险行业，由于生产过程远离内陆，自然环境变化无常，海域范围极大等等，这些都使得一旦遭遇突发灾害，营救工作困难极大。如何在远离内陆、传统通信手段受限的情况下，准确找到被困人员成为了一项十分重要的工作。本文提出了一种基于窄带无线技术的海洋应急通信系统，采用扩频手段增加抗干扰性能，通过中继扩大通信范围，可应对海上无线信号复杂，通信距离远等不利条件，为常规海上应急通信提供一种补充手段。

关键词：应急通信，海洋，无人机，窄带通信，Sub-G频段。

目前，现有技术中关于应急通信的大部分解决方案是通过卫星通信，或是通过无人机搭载便携基站，这些应急通信方式需要实现申请频段，这种方法对于只传输位置信息等小数量的呼救信号是一种资源的浪费。在上述背景下，本文提出了一种基于窄带无线技术的海洋应急通信系统，并对系统架构及功能单元组成进行了阐述，具有一定的实际应用价值及理论研究意义。

一、系统简介

本套应急通信系统，包括应急中心、应急呼救接收机、应急呼救中继和多台应急呼救终端。应急呼救终端配备于出海作业船只或人员身上，采用锂电池供电，内置GPS模块;应急呼救接收机安装于无人机或气球上，负责收集某一海域内所有应急呼救终端发出的求救信号，在收到求救信号后，将数据打包通过应急呼救中继链路传回应急中心;应急呼救中继为多种无线通信手段统称，可为微波、卫星、短波等，主要用于中继无线呼救信息。

应急呼救终端配备于出海作业船只或人员身上，在作业人员被困后，打开电源并按下呼救按钮，整个终端开始上电工作，GPS模块进行定位，在获取到正确的经纬度信息后，将经纬度信息发给基带模块;基带模块将终端自身预设ID加入到位置信息后进行扩频处理，并在预设的Sub-G频段上进行发送。装有应急呼救接收机的无人机在作业海域进行长时间巡逻飞行。应急呼救接收机预先设有多个频点，并可在所有预设频点进行呼救信息的接收。接收机在收到应急呼救终端发出的呼救信息后，将内含的终端ID号、受困人员经纬度信息等通过地空链路发回地面应急中心。应急中心在收到被困信息后，向应急呼救接收机发送确认指令，再由接收机返回应答信息至应急呼救终端。

二、系统工作流程

为了解决多个终端同时进行呼救所可能遇到的呼救冲突的情况，本呼救系统借助GPS模块上引出的1PPS信号进行时隙划分，通过TDD方式实现系统的多路信号传输。具体实施方法方式为：

应急呼救终端和应急呼救接收机均带有GPS模块，每台呼救终端和呼救接收机在初次开机后，通过自身GPS模块的1PPS信号进行同步。假设地面存在N台应急呼救终端，则将1s均分为2N份。在第一个1/2N时段内，第一台呼救终端在发送1次呼救信号后立即切换到接收模式，并在这一秒其余时间内均保持接收模式;在下个1/2N内，第二台呼救终端发送呼救信号后立即切换到接收模式，依次进行直到第N台呼救终端。这样N台终端全部完成发送共需0.5s，应急呼救接收机统计在前0.5s内收到的所有终端ID，并将收到终端的ID号统一组包作为应答信号，在后0.5s以广播的方式发给各台终端，各台终端通过查询应答信号中是否有自身ID来判断呼救信号是否已被成功接收。

应急呼救终端和应急呼救接收机具体工作流程如下：

l第i台应急呼救终端被触发后执行如下程序，1≤i≤N：

（1）通过自身GNSS模块的1pps信号与应急呼救接收机以及其他应急呼救终端进行同步;

（2）同步成功后进行定位，在获取到正确的经纬度信息后，将经纬度信息发给基带模块;

（3）基带模块将终端自身预设的ID和当前经纬度信息组包;

（4）基带模块根据预设的扩频参数对基带信号进行扩频处理;

（5）在1秒中的第i/2N个时隙内，基带模块在预设的Sub-G频点上发送呼救信息，然后切换到接收模式，并保持接收状态;

（6）等待应急呼救接收机的应答信号，查询应答信号中是否含有自身ID，若超过预设时间阈值仍未收到包含自身ID的应答信号，则在预设的一系列频点中选取下个频点进行呼救信号重传;

（7）收到包含自身ID的应答信号后，通过提示模块发出提示;

l应急呼救接收机开机后执行如下程序：

（1）通过自身GNSS模块的1pps信号与N台应急呼救终端进行同步;

（2）进入接收状态，在预设的频点上监听应急呼救终端的呼救信号;

（3）记录一秒中前0.5s内收到的所有终端ID，并将ID号统一组包作为应答信号，然后在后0.5s以广播的形式发送应答信号;

（4）将收到的应急呼救终端的ID号以及它们上报的位置信息通过地空链路传回后台应急中心。

由于海域附近无线电环境复杂，各频段信号都可能存在，为了尽可能避免噪声干扰，需要采用一定手段进行抗干扰。本系统中采用扩频技术极大程度上提升系统的抗干扰能力。为了进一步提升呼救信号的传输成功率，呼救接收机和终端事先设定好多个通信频点，应急呼救终端从默认频点开始进行呼救信号的传输，呼救接收机在收到呼救信号后返回应答信号，若应急呼救终端在一定时间内没有收到应答信号，则在选好的频点序列中挑选下一频点再次发送呼救信号，直至收到应答信号或是从头继续。

三、总结

本套系统为点对多点的星型应急呼救系统，受困人员通过应急呼救终端来采集当前经纬度信息，在Sub-G频段对呼救信息进行扩频和选频处理，增强信号的抗干扰能力，由于呼救内容所需数据量较小，故可以将传输速率降低来改善接收门限，降低应急呼救终端上的发射功率，从而提高终端待机时间。应急呼救终端不直接和应急中心通信，而是借助安装在升空的无人机或气球上应急呼救接收机作为中继，从而减小终端无线信号的发射功率，延长待机以及呼救时间;应急呼救终端通过扩频、认知无线电等手段，提高了呼救信号抗干扰能力;应急呼救终端和应急呼救接收机均采用模块化设计，使用方便、更换简单;本系统既可在ISM频段也可在其他管控频段使用，采用中继的形式扩大通信距离，使用方式灵活，是对传统应急通信方式的一種很好的补充。

参考文献

[1] 关于构建VHF海事数字集群通讯系统的研究[J]. 李茹琨，张在嘉. 珠江水运. 2019（11）

[2] 海上平台无线通信联网设计[J]. 潘海鑫，李小川，李春婷. 通讯世界. 2020（06）