淺議海上通信的需求及技術(shù)手段

張曉明

摘要：該文結(jié)合海運(yùn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，分析了海上通信業(yè)務(wù)的現(xiàn)實(shí)需求，探討了發(fā)展海上通信業(yè)務(wù)亟須解決的問題，介紹了現(xiàn)在和未來海上通信業(yè)務(wù)的研究發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：海上通信;北斗;海事衛(wèi)星;AIS;電臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）26-0046-02

我國(guó)海岸線長(zhǎng)1.8萬千米，內(nèi)海和領(lǐng)海的面積共約470多萬平方千米。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，海洋漁業(yè)、海上油氣勘探、海上運(yùn)輸、船舶制造等行業(yè)都進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展期。隨著海上業(yè)務(wù)的增加，走私、偷渡、盜采海砂等違法犯罪活動(dòng)日益猖獗，打擊海上違法犯罪活動(dòng)、維護(hù)海上治安和安全保衛(wèi)工作也日趨繁重，因此海上網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)也應(yīng)緊跟時(shí)代的步伐迅速發(fā)展，以滿足海洋經(jīng)濟(jì)和執(zhí)法工作不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需要。

1 海上通信業(yè)務(wù)的需求

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，從有線到無線，從3G到4G再到現(xiàn)在的5G，城市中的人們幾乎可以隨時(shí)隨地的享受到通信技術(shù)飛速發(fā)展所帶來的生活和工作的便利，特別是國(guó)家近幾年提速降費(fèi)政策的推廣，移動(dòng)互聯(lián)已經(jīng)與我們每一個(gè)人密切相關(guān)，截至2020年3月，中國(guó)網(wǎng)民數(shù)已達(dá)9億。然而，占地球表面面積70%的海洋，大部分區(qū)域卻幾乎無法接收到無線寬帶網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，所以說在海洋上工作和生活的人，由于信息的閉塞仿若隔世。

（1）船舶導(dǎo)航需求

隨著科技的進(jìn)步，GPS+海圖的導(dǎo)航方式將逐漸被時(shí)代所淘汰，導(dǎo)航服務(wù)將向智能化、多元化方向發(fā)展，未來智能化服務(wù)方式將徹底取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)模式，海上業(yè)務(wù)的使用者，也會(huì)希望各類通信方式能更加兼容、智能和簡(jiǎn)化，具有良好人機(jī)交互界面操作平臺(tái)的系統(tǒng)，將會(huì)占去極大的市場(chǎng)份額。

（2）信息化管理需求

智能化的發(fā)展使得船舶操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、航行定位等數(shù)據(jù)量激增，監(jiān)控、多媒體娛樂、視頻會(huì)議及調(diào)度控制等的常態(tài)化應(yīng)用，相對(duì)應(yīng)的帶來了岸船無線數(shù)據(jù)流量的增加，同時(shí)5G時(shí)代的到來，高速度低成本也成為海上通信服務(wù)的基本要求。

（3）海事監(jiān)管需求

目前，船舶安全檢測(cè)仍主要通過登船抽檢的方式來實(shí)現(xiàn)，用去了大量的時(shí)間和人力，不久的將來，智能一體化的充分應(yīng)用將能實(shí)時(shí)檢測(cè)船舶的油水補(bǔ)給、運(yùn)行狀態(tài)及排量等情況，通過無線寬帶網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)回傳到監(jiān)管部門，此舉將能極大提高監(jiān)管保障效率。

（4）船員基本需求

目前，各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)僅僅能覆蓋到近海區(qū)域，到了遠(yuǎn)海手機(jī)基本接受不到任何信號(hào)。若通信網(wǎng)絡(luò)能延伸覆蓋到近海以外，艦船不僅可以隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)與陸地保持聯(lián)絡(luò)，而且能滿足船員閑暇時(shí)上網(wǎng)娛樂休閑需要，這對(duì)緩解海上枯燥、單調(diào)、潮濕的生活，有很大的積極作用。

2實(shí)現(xiàn)海上無線通信的難題

（1）在海上部署無線網(wǎng)絡(luò)，首要問題是設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)，還是利用有線和無線相結(jié)合的方式進(jìn)行。在近海，利用現(xiàn)有的燈塔、島礁等固定位置部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是相對(duì)傳統(tǒng)的方式，成本相對(duì)較低;但在遠(yuǎn)海，固定位置網(wǎng)絡(luò)基站的維護(hù)和布設(shè)費(fèi)用將會(huì)是一個(gè)天文數(shù)字，若沒有技術(shù)層面的突破，這將會(huì)是未來很長(zhǎng)一段時(shí)間的難題。

（2）海上濕度大，氣候變幻莫測(cè)，高溫、高濕、多風(fēng)等復(fù)雜天氣因素的影響，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期工作在一個(gè)遠(yuǎn)比陸地惡劣的環(huán)境中，因此設(shè)備材料的研發(fā)、頻繁的維護(hù)檢修、多功能備件的準(zhǔn)備都將納入架設(shè)遠(yuǎn)海網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究設(shè)計(jì)中。

（3）供電問題。為了有更好的通信質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往具備很大的功率，而海上很難實(shí)現(xiàn)有線電源供電，高效率太陽能電源的研發(fā)也將是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)向遠(yuǎn)海布置的一個(gè)重要阻礙。

（4）由于地域特性，海上沒有高建筑遮擋，因此海上的無線網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射頻率將不同于陸地，設(shè)計(jì)適用于海上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將會(huì)大大降低硬件成本。

3 海上可用的通信手段

（1）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將逐步取代GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，為全世界提供更高質(zhì)量的定位服務(wù)。該系統(tǒng)通過空間軌道衛(wèi)星、地面各類管理檢測(cè)設(shè)施及終端應(yīng)用系統(tǒng)三部分協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，提供定位、報(bào)文、搜救等功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交通、漁業(yè)、氣象、測(cè)繪、防火、搜救等領(lǐng)域。2020年 6月23日9時(shí)43分，我國(guó)比原計(jì)劃提前半年，完成了北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射升空任務(wù)。2020年7月31日上午，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。2020年年底前，北斗二號(hào)系統(tǒng)還將發(fā)射1顆衛(wèi)星，北斗三號(hào)系統(tǒng)還將發(fā)射11顆衛(wèi)星，屆時(shí)北斗系統(tǒng)的全球?qū)Ш胶蛥^(qū)域短報(bào)文通信服務(wù)能力將得到進(jìn)一步提升。在為“21世紀(jì)海上絲綢之路”提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)的同時(shí)，作為全球性公共資源，系統(tǒng)的多兼容性將會(huì)使全世界人民利用北斗在太空進(jìn)行“群聊”成為可能。

（2）衛(wèi)星通信。用于海上和陸地間通信的衛(wèi)星也叫海事衛(wèi)星，是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛、最實(shí)用的一種海上、航空領(lǐng)域的通信方式。海事衛(wèi)星系統(tǒng)由衛(wèi)星、地面站、協(xié)調(diào)站和船站組成，根據(jù)發(fā)射功率、抗干擾及雨衰等因素，又可以分為Ku、C和Ka等頻段，分別擔(dān)負(fù)了氣象、電視、廣播等業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)在提供高速率數(shù)據(jù)服務(wù)的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)中通（運(yùn)動(dòng)中通信），最新產(chǎn)品在高鐵上都可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星觀看視頻、下載資料。系統(tǒng)還可以與公共電話網(wǎng)相聯(lián)通，與開通了國(guó)際長(zhǎng)途的手機(jī)進(jìn)行通話，不過因?yàn)檎加昧诵l(wèi)星的帶寬，語音通信業(yè)務(wù)的費(fèi)用非常昂貴。海事衛(wèi)星經(jīng)過幾十年的開發(fā)、運(yùn)營(yíng)和發(fā)展，作為成熟的全球商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)，早已成為海上通信的主流手段，同時(shí)補(bǔ)足了陸地常規(guī)通信的短板。在國(guó)家歷次重大自然災(zāi)害和緊急突發(fā)事件的處置現(xiàn)場(chǎng)，隨時(shí)都作為應(yīng)急通信手段發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。在史無前例的汶川地震災(zāi)害中，海事衛(wèi)星成為受災(zāi)地區(qū)的主要通信手段，在抗震救災(zāi)的指揮聯(lián)絡(luò)、新聞報(bào)道等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

（3）無線電臺(tái)是一種通過發(fā)送和接收無線電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)通信的設(shè)備。無線電也可以稱之為在空氣和真空中傳遞的電磁波，德國(guó)人赫茲1887年發(fā)現(xiàn)電磁波后，意大利人馬可尼在1895年就利用無線電成功完成了傳遞信號(hào)的實(shí)驗(yàn)。其實(shí)，衛(wèi)星、手機(jī)通信、北斗定位、藍(lán)牙等都是利用了空氣和真空（也稱自由空間）中的電磁波，通過各自不同的原理，實(shí)現(xiàn)了各種各樣的功能，滿足了人們生活工作的各種需要，但無線電臺(tái)是使用時(shí)間最久、范圍最廣、受眾群體最多、進(jìn)入門檻最低和傳輸方式最有效的一種通信手段。理論上講，任何一個(gè)無線電業(yè)余愛好者，只要有一臺(tái)收發(fā)信機(jī)，就可以與其他具有收發(fā)信機(jī)的無線電業(yè)務(wù)愛好者取得聯(lián)系。無線電臺(tái)有很多種分類方式，通過頻段分，可以分為長(zhǎng)波、中波、短波（也稱高頻）、超短波、微波等幾種電臺(tái);通過業(yè)務(wù)范圍分，可以分為定位、航空、營(yíng)救、廣播、業(yè)務(wù)、氣象等類型電臺(tái);通過外觀形態(tài)分，還可以分為手持臺(tái)、車載臺(tái)等類型。用于海上通信的無線電臺(tái)，通過頻率分主要有兩種，短波（高頻）電臺(tái)和超短波（甚高頻）電臺(tái)。超短波電臺(tái)就是利用波長(zhǎng)短、頻率高的無線電來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)的，因?yàn)槠涫芗竟?jié)天氣變化的影響小、通信質(zhì)量?jī)?yōu)于其他無線電臺(tái)、具有較高的信噪比和傳播方式穩(wěn)定等特性，在海上通信中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)和頻率的特性，發(fā)向天空的超短電波不能反射回地面和不能越過障礙物的特點(diǎn)及電波直射的原理，決定了超短波電臺(tái)只能應(yīng)用于短距離通信，但毫無遮擋的大海反而成了超短波電臺(tái)充分發(fā)揮作用的舞臺(tái)，視距范圍內(nèi)都是超短波電臺(tái)聯(lián)通的范圍，因此即使在遠(yuǎn)海作業(yè)，使用超短波電臺(tái)，船隊(duì)之間的通信幾乎不受任何影響。相對(duì)于超短波電臺(tái)，短波電臺(tái)波長(zhǎng)長(zhǎng)、頻率低，他的信號(hào)發(fā)向天空時(shí)，被電離層吸收的少，可以進(jìn)行反射，因此具有較長(zhǎng)的傳播距離。在海上通信時(shí)，短波電臺(tái)一般應(yīng)用于長(zhǎng)距離視距外的通信需求。但因?yàn)殡婋x層反射加吸收，及電離層的不穩(wěn)定，短波電臺(tái)發(fā)射和接收信號(hào)會(huì)出現(xiàn)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的現(xiàn)象，因此船舶上的短波電臺(tái)，一般都需要配備鞭狀天線或者高架天線，以獲取滿意的信息傳輸效果。

（4）船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AIS系統(tǒng)）也叫船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，從敵我識(shí)別器發(fā)展而來，是一種開放式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，由VHF通信機(jī)、定位儀和通信控制器組成，采用甚高頻（VHF）向周圍水域發(fā)送船舶信息和接收VHF覆蓋范圍內(nèi)其他船舶的信息（船位、航速、航向、船名、呼號(hào)、吃水及危險(xiǎn)貨物等靜態(tài)信息）的方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)答，智能化獲取海上交通信息，及時(shí)掌握附近海面所有船舶的動(dòng)靜態(tài)資訊，采取必要避讓行動(dòng)，可以有效減少船舶碰撞事故保障航行安全。AIS系統(tǒng)通過在電子海圖上直觀地顯示周邊船舶的航向、航線和船名等信息，建立了一種高效、簡(jiǎn)化的信息交流方式，唯一的安全隱患就是，裝備了AIS系統(tǒng)的船舶，只能和裝備了AIS系統(tǒng)的船舶及岸指進(jìn)行交流。因此，在北斗導(dǎo)航、海事衛(wèi)星系統(tǒng)、雷達(dá)及短波電臺(tái)都出現(xiàn)故障的情況下，只要AIS系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，船舶仍可以勉強(qiáng)在海上航行，但若AIS系統(tǒng)故障，船舶將不可以出航，在航的船舶必須采取一切方式立即呼叫救援。

（5）其他傳統(tǒng)通信方式。電報(bào)是最早用電來遠(yuǎn)距離傳送信息的通信方式，在19世紀(jì)30年代由英國(guó)人發(fā)明，通過專用的交換線路使用摩爾斯編碼代替文字和數(shù)字發(fā)送消息，具有很高的保密和安全性，曾一度在通信領(lǐng)域占有極為重要的地位，在海上通信業(yè)務(wù)里也發(fā)揮了重要貢獻(xiàn)，但慢慢地被電話、傳真等更方便的通信工具所替代。燈光通信，使用信號(hào)燈、手電筒等發(fā)光器材，通過長(zhǎng)短閃光的方式來表示字母、數(shù)字和摩爾斯編碼，以此實(shí)現(xiàn)視覺信號(hào)通信的目的。除了長(zhǎng)短閃光的方式，還可以采用不同的燈光顏色、燈泡晃動(dòng)等來增加通信內(nèi)容，但因?yàn)楣獾奶匦裕罴淹ㄐ艖?yīng)用環(huán)境只能是夜間，解決中短距離的船舶指揮、位置標(biāo)識(shí)、識(shí)別船只等的需求，具有很大的局限性，隨著其他通信手段的發(fā)展，燈光作為后備通信方式，現(xiàn)在已經(jīng)很少有船只使用。旗語，借助于旗幟來傳遞信號(hào)的方式可以說是海上通信的鼻祖，也叫手旗信號(hào)或手旗通信。通過單手或雙手持不同顏色的旗幟，指向不同方向和角度，來表示不同的字母和數(shù)字，甚至可以通過約定好的編碼轉(zhuǎn)譯，來表示更加復(fù)雜的信息。相對(duì)于燈光通信，旗語的應(yīng)用環(huán)境受限更多，條件更苛刻。首先海上天氣不能太差，要有良好的能見度，其次船舶之間的距離不能太遠(yuǎn)，為了獲得旗語的信息，望遠(yuǎn)鏡曾一度是信號(hào)轉(zhuǎn)譯人員的必備裝備。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，電報(bào)、燈光和旗語等這些曾經(jīng)一度十分活躍、海上唯一的通信手段，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸退出了歷史舞臺(tái)。

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