宽带海事卫星通信系统的技术研究

2022-12-16王振凯九江市港口航运管理局

珠江水运 2022年22期

王振凯九江市港口航运管理局

在远洋科考、渔业及运输行业持续发展的背景下，海事卫星通信系统的重要性日益凸显，管理人员可依托该系统对飞机飞行数据、船舶航行信息进行获取，根据所掌握资料制定相应决策，帮助飞机、船舶规避潜在风险｡此外，该系统的诞生，还为在飞机、船舶上工作的人员提供了便利，使上网、收发微信和通话成为可能，其现实意义有目共睹｡

1.宽带海事卫星通信系统介绍

1.1 系统构成

系统构成如图1所示｡

图1 系统构成示意图

1.1.1 移动终端

该部分的作用主要是接收、处理以及发送信号，可联合其他终端收发短信、拨打电话，另外，还具有传输视频、访问互联网和收发电子邮件的功能｡

1.1.2 空间卫星

本系统共搭载三颗卫星，卫星均适配两个有效载荷，分别是高容量载荷、全球载荷｡其中，卫星所部署高容量载荷的数量为六个，可通过动态覆盖的方式，使重点区域所具有通信能力得到大幅度提升，全球载荷则能够依托数十个固定点波数及信道，覆盖全球的各个角落｡此外，卫星还配有网关波束、全球波束，可为地面接续效果提供保障｡

1.1.3 关口站

任一卫星均有两个关口站对应，二者互为备份，这样设计的目的是保证即使遭遇极端天气，站点仍然能够通过快速且准确的切换，为通信质量提供保障｡另外，卫星还配有两个地面站，一个为主地面站，另一个为备用地面站，二者共同构成了热备份机制｡

1.2 特点及优势

1.2.1 特点

本系统具有以下特点：其一，Ka波段的加入，使系统性能得到明显改善｡与常规的K频段和C频段相比，Ka波段所能提供的频率资源更加多样，通常能够达到3.5GHz左右，可确保不同服务功能所提出需求得到充分满足｡其二，系统所搭载点波束在频率利用率得到大幅度提高，本系统与原有系统的频率利用率的比值约为20:1｡此外，通信容量也得到了明显提升，运行成本随之降低｡其三，无论是对用户进行本地化接入，还是对馈电链路频率进行复用，均要求系统设置多个关口站，保证由各关口站所形成信息网络能够长时间稳定运行｡其四，Ka波段具有增益高的特点，这也给用户终端产生了正面影响，研发人员可酌情缩小终端体积，使其更具便携性｡其五，Ka波段所拥有频率资源极多，频率复用和点波束的加入，将该波段容量增加到了100Gb/s左右，最高能够达到约200Gb/s｡其六，虽然Ka波段的雨衰较其他频段更大，但可利用既有技术对其加以控制｡其七，Ka波段与地面系统的距离较远，通常不会受到地面系统的干扰或是影响，在抗干扰性方面具有突出表现[1]｡

1.2.2 优势

作为首个搭载Ka波段的通信系统，该系统使全球无缝覆盖成为可能，无论身在何处，用户都能够享受到上行5Mnps、下行50Mbps的宽带速度，移动过程中，终端能够在各个卫星波束间进行切换，为通信质量提供保证｡作为以第四、第五代系统为基础所研发出的全新系统，该系统能够在不同系统间自动切换，这也决定了其既拥有四代系统的可靠性，同时又拥有五代系统的高速数据｡如果由于遭遇恶劣天气，导致Ka波段无法正常使用，系统将自动切换网络路由至四代卫星，待雨衰得到控制，再切换至五代卫星｡

2.宽带海事卫星通信系统应用策略

2.1 船员无线上网

船员长期生活在海上，空间范围有限且生活工作内容较为枯燥，使得其对通信网络的需求较高，因此，在船舶上构建无线WiFi系统，支持船员利用智能手机等终端上网具有十分必要的作用｡船舶网络在不断发展中经历了电传、电话传真以及音质电报、无线电话等过程，逐渐发展为现代化的无线电传输和数据传输｡随着技术的不断发展，现代船舶对通信的要求也在不断提升｡如船员在海上作业过程中，通过手机通信的方式，代替以往的邮件通信，并且能够利用网络实现网上冲浪、使用微信QQ等软件交流等｡基于该要求，需要在船舶中设置微站，构建无线网络，从而满足船员要求[2]｡

借助卫星通信系统，构建宽带海事网络，是当前无线网络构建技术的重点内容｡在实际的网络构建和连接过程中，应选择海事卫星，并在船舶中搭载相应的重点设备，同时在陆地地面设置控制站，与卫星进行连接，通过地面站来实现对船舶网络通信系统的有效控制，完成网络的设置，如图2｡在构建网络前，需要对信号传输方式和船舶的航行特点进行分析，避免WiFi网络对船舶航行信号产生影响，从而影响船舶的正常运行｡

图2 无线网络构建原理

在无线网络通信技术应用过程中，除WiFi之外，蓝牙和Zig Bee通信技术的应用同样较为广泛，且具有较为良好的使用效果｡相比WiFi通信技术，蓝牙和ZigBee以及LoRa 通信技术使用过程中的功耗更低，并且能够实现大范围覆盖与应用，且该技术在应用过程中，能够根据链路预算情况调节敏感度，从而保障整体网络ode覆盖效果，提高通信网络中数据传输的实际效率｡以LoRa技术为例，该技术属于低功耗、长距离无线电网络通信技术，在船舶中的应用技术较为成熟，且在使用过程中不需要缴费，具有良好的数据传输效率｡LoRa网络构建过程中，整体结构较为简单，通过设置星状拓扑结构以及网络结构终端盒基站，实现不同节点之间的信号传输，在多个基站信息传输过程中，增加整体传输的复杂性，但能够有效保障传输灵活性，使网络使用质量得到提升｡由于该技术依托设备较小，且覆盖率较大，因此在大型船舶中的应用较为良好，能够构建公共网络，便于船员上网工作或娱乐｡

2.2 机载卫星接入

在机舱内加装无线通信系统可实现与卫星的有效连接，可以使得该系统以机载卫星通信系统作为主要媒介，通过Ku转发器实现飞机与地面的实时连接与通讯，而地面基站可作为中转站，为卫星网络与地面塔台的数据交换的便捷操作提供条件｡相关技术人员可以利用切换波束的方式实现飞行活动的全过程通信｡此系统的使用与导航系统、空管系统相互独立，同时在使用机载无线通信系统时，可以不受到其他两系统的影响，同时也不会干扰其他两系统的运行｡

为了保证全程通信系统以及机载卫星的有效接入，相关人员需要深入了解宽带海事卫星通信对于机舱工作的重要性｡通过引入宽带海事卫星通信系统可在一定程度上区别国际与国内航班的不同需要｡机载卫星的接入符合当下多媒体通信趋势，同时也为应急通信、飞机导航、交通管制等工作提供重要的数据参考，利用安全性能及运转能力良好的宽带，可以使得机舱各类信息数据的收集、整合、处理工作更加高效，不仅可以实时备份并传输飞机导航系统、空管系统的相关数据，同时也接入了客舱乘客身体状态信息、飞行管理、驾驶舱等信息，无论是飞行机组人员还是乘客，均可利用宽带海事卫星通信系统实现飞机信息的全面采集、管理，提升卫星服务能力，集成飞行数据、天气播报、语音服务等性能，极大提升了短信传递、飞行申报、位置报告等方面的便捷性｡此外，无线网络的使用也极大节约了上网费用，为长期进行飞行的机组人员带来了丰富的娱乐生活｡

2.2.1 GSM客舱

以往在乘坐飞机时，机组乘务人员通常会要求各位乘客关闭自己的手机，同时在整个飞行过程中也禁止使用，防止无线电信号对飞机飞行造成影响｡在接入宽带海事卫星网络后，利用GSM方式即可在不影响飞机运行的前提下正常使用手机，同时乘客也可以使用智能手机或其他可以连接无线局域网的终端设备使用网络[3]｡

2.2.2 航空公司

现阶段从实际的飞行过程来看，宽带海事卫星通信系统的应用实现了无线网络的全覆盖｡从客舱到驾驶机舱，每位飞机乘员均可享受到体验感良好的网络服务，可以将语音、飞机相关运行数据、天气预报等整合为一个资源包，方便信息的传输与接收｡另外地面基站及机场的相关数字信息如起降时间、飞行线路等也可由网络电子短信、电子信箱等方式传递至飞机指定邮箱中，方便相关人员进行查看｡

2.3 视频监控与会议

船舶在海洋中行驶过程中可能面临不同类型的安全风险，为保障船舶行驶安全，应加强风险识别力度，强化安全保护管理工作｡在风险识别时，应合理利用视频监控与会议的方式，监管识别船舶面临的风险因素，并与船员进行交流，了解现场情况，并作出合理的指挥工作｡

利用海事卫星通信系统，构建卫星链路，完成实时传输通信｡设置云台摄像机，确保其能够长时间录像，采集船舶云顶视频后在地面站显示，便于陆地管理人员监管和分析｡在视频监控过程中，为保障视频监控质量，一方面应提高视频监控稳像技术，另一方面应提高船舶目标检测准确率｡

视频监控是一种较为重要的船舶安全管理途径，但在船舶运行过程中，受到海浪、气候等因素影响，发生抖动和偏移在所难免，为提高视频稳定性，应提高视频稳像技术｡在海事视频数据传输过程中，构建稳像系统，首先获取原始视频图像数据，对其进行灰度化处理，同时提取其中的角点，与图像序列进行匹配｡利用Video Stabilization算法，计算视频帧间运动参数，并消除运动参数滤波，构建运动补偿，最终得到稳定后的图像序列，使视频监控与会议图像的清晰度和稳定性得到保障｡

海上船舶事业发展速度不断加快，为避免船舶运行过程中受到风险影响，受到严重的事故威胁，应加大对海事监控视频的重视｡通过在船舶上安装摄像机，收集船舶运行过程中的相关数据，借助卫星通信技术实施船舶目标检测，以便地面站管理人员能够实时监控管理｡在船舶目标检测过程中，由于船舶运行过程中水波纹晃动，使监控背景具有动态性，同时海面的杂波较多，对监控画面存在一定影响，从而使船舶目标检测的难度相对较大｡在船舶视频与会议过程中，构建目标检测算法时，应通过画面分割的方式降低计算量｡具体检测时，首先将天空、海面和岸边进行分割，并通过算法生成海面背景，检测船舶目标得到检测结果｡在无法生成海面背景时，通过自适应高斯混合模型，重新生成海面背景后再次进行分割和检测，最终得出检测结果[4]｡