基于天通的海上應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張寶珍，徐亞沖

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

1 研究背景

進(jìn)入21世紀(jì)，海洋再度成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，海洋在沿海國家的戰(zhàn)略地位空前提升。從我國重點(diǎn)海區(qū)來看，東海、南海面積遼闊、安全形勢復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣，隨著我國海路對外貿(mào)易規(guī)模的快速增長、海洋產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，各種海洋自然災(zāi)害和海上突發(fā)事件給海洋交通、海洋運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、海洋旅游等經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)活動產(chǎn)生的危害日益顯現(xiàn)，面向我國海上活動的應(yīng)急通信保障能力亟待加強(qiáng)[1]。

針對我國海洋安全、海洋資源開發(fā)利用、海上絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)等重大戰(zhàn)略需求，本文以海上應(yīng)急通信為目標(biāo)，以綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用示范為出發(fā)點(diǎn)，建立基于“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)海洋數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，從根本上解決中/遠(yuǎn)海區(qū)域信息傳送、應(yīng)用服務(wù)能力覆蓋不足的問題，為船基/岸基平臺數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定、可靠、低成本的傳輸通道。

2 “天通一號”系統(tǒng)現(xiàn)狀

20 08年汶川地震發(fā)生后，震區(qū)地面通信網(wǎng)絡(luò)全面癱瘓，主要依靠租用國際移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)（Inmarsat）來確保應(yīng)急通信。2008年7月，孫家棟、沈榮駿等院士聯(lián)名上書，呼吁加快我國自主衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)建設(shè)，填補(bǔ)國家在衛(wèi)星移動通信領(lǐng)域的空白。2012年，我國首個(gè)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)——“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)工程正式啟動[2]?！疤焱ㄒ惶枴毙l(wèi)星移動通信系統(tǒng)采用GEO衛(wèi)星，使用S頻段109個(gè)陸地波束和2個(gè)海洋波束，采用多波束覆蓋，覆蓋我國陸地、周邊海域、印度洋和西太平洋區(qū)域，可為車輛、飛機(jī)、船舶和個(gè)人等移動用戶提供語音、短信、數(shù)據(jù)、短報(bào)文廣播等通信服務(wù)，傳輸速率最高可達(dá)384 kbps，能夠與地面PSTN、PLMN、Internet等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

2016年，“天通一號”01星發(fā)射成功，經(jīng)過近兩年的測試（終端呼通率及業(yè)務(wù)通信、信關(guān)站功能及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器穩(wěn)定性、壓力測試等），衛(wèi)星指標(biāo)符合要求，通信效果良好，滿足提供電信級衛(wèi)星移動通信服務(wù)的要求，中國電信衛(wèi)星公司向商用市場放號，2018年7月，正式開始商業(yè)運(yùn)營，標(biāo)志著我國進(jìn)入衛(wèi)星移動通信時(shí)代。

3 應(yīng)用解決方案

3.1 總體架構(gòu)

針對海洋自然災(zāi)害和海上突發(fā)事件給海洋經(jīng)濟(jì)和海洋生產(chǎn)活動帶來的重要影響，設(shè)計(jì)一套海上應(yīng)急通信系統(tǒng)，系統(tǒng)依托“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，建立一套覆蓋整個(gè)海域的語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，為海上用戶提供短信、語音、數(shù)據(jù)回傳、用戶位置管理和跟蹤等業(yè)務(wù)[3]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

根據(jù)應(yīng)用需求分析，參照國內(nèi)外類似系統(tǒng)的建設(shè)模式[4]，海上應(yīng)急通信系統(tǒng)的構(gòu)成可從天（衛(wèi)星）、岸（海岸和島礁站點(diǎn)）、海（艦船）3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。①天基手段，利用“天通一號”自主衛(wèi)星移動通信能力，為各類終端提供基本通信和常態(tài)化覆蓋；②岸基手段，部署于國內(nèi)海岸、島礁、浮臺等既有固定站點(diǎn)，通過“天通一號”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)周圍附近海域的常態(tài)化應(yīng)急保障；③?；侄危渴鹪谕ㄓ没?qū)Ｓ门灤ù笮驮囼?yàn)船/漁船）等移動站點(diǎn)，通過在東海、南海的機(jī)動部署，持久保障應(yīng)急海區(qū)的通信能力。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

資源自主可控。保障突發(fā)緊急狀態(tài)下的大規(guī)模應(yīng)急通信需求，可集中全部系統(tǒng)資源的20%針對特定區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)保障。

安全可靠。從芯片、協(xié)議到核心系統(tǒng)和衛(wèi)星完全自主，可以實(shí)現(xiàn)全方位的通信安全服務(wù)保障，滿足涉及國家安全的敏感信息傳輸要求。

高抗毀性。天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)使用同步衛(wèi)星作為無線信號轉(zhuǎn)發(fā)器，可避免人為和自然因素破壞導(dǎo)致通信中斷。

互聯(lián)互通。既可以與PSTN、PLMN以及互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通，也可以定制專網(wǎng)服務(wù)與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。

成本資費(fèi)低。用戶無須建設(shè)和管理復(fù)雜的系統(tǒng)，只需購買終端和繳納較低的通信使用費(fèi)用。

終端小型化。核心部件實(shí)現(xiàn)芯片化，終端功耗和體積大福減小，可實(shí)現(xiàn)手持、便攜等小型化終端類型。

3.3 終端設(shè)計(jì)

3.3.1 手持終端

手持終端機(jī)動部署在試驗(yàn)船或漁船上，可提供天通、公網(wǎng)4G、北斗三種通信，支持語音、短信、低速數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。根據(jù)應(yīng)用場景及使用距離，終端可選擇通信模式，近海公網(wǎng)覆蓋良好區(qū)域可選擇公網(wǎng)4G模式；遠(yuǎn)離海岸和海島的海區(qū)可選擇天通模式；通過北斗可實(shí)現(xiàn)各類船只的位置信息和軌跡跟蹤。

手持終端架構(gòu)采用分層、模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)體系架構(gòu)由高到低分為界面層、應(yīng)用業(yè)務(wù)層、系統(tǒng)服務(wù)層及硬件適配層和硬件層[5]。終端體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 手持終端系統(tǒng)體系架構(gòu)

3.3.2 便攜終端

便攜終端部署在國內(nèi)海岸、島礁、浮臺等既有固定站點(diǎn)，可提供天通、公網(wǎng)4G、北斗三種通信，支持語音、高/低速數(shù)據(jù)、視頻回傳等業(yè)務(wù)。根據(jù)應(yīng)用場景及使用距離，終端可選擇通信模式，海岸公網(wǎng)覆蓋良好區(qū)域可選擇公網(wǎng)4G模式；島礁、浮臺可選擇天通模式。

便攜終端以應(yīng)用處理單元為核心，配置天通通信處理模塊、LTE通信處理模塊、導(dǎo)航定位模塊、Wi-Fi芯片組、天線、傳感器、用戶接口、結(jié)構(gòu)及附件等，在應(yīng)用處理器中運(yùn)行智能操作系統(tǒng)，通信業(yè)務(wù)、應(yīng)用軟件等終端功能基于軟件集成框架設(shè)計(jì)，終端架構(gòu)可以支持通信軟件、應(yīng)用軟件和各硬件平臺獨(dú)立升級演進(jìn)。終端體系架構(gòu)如圖3所示。

圖3 便攜終端系統(tǒng)體系架構(gòu)

3.3.3 船載終端

船載終端基于“天通一號”衛(wèi)星移動系統(tǒng)，具備語音、短信、數(shù)據(jù)通信能力，同時(shí)集成北斗短報(bào)文通信，支持天通和北斗短報(bào)文通信雙模通信。船載終端配備動中通天線，可部署在試驗(yàn)船等大型海上機(jī)動環(huán)境中。

船載終端由終端主機(jī)和動中通天線組成，終端通過數(shù)據(jù)線與用戶設(shè)備相連。船載終端主機(jī)由業(yè)務(wù)接入單元、通信及定位單元、外圍電路組成，業(yè)務(wù)接入單元由通用I/O、語音編解碼及信令模塊、以太網(wǎng)接入模塊組成；通信及定位單元由衛(wèi)星移動通信模塊、北斗/GPS定位模塊組成；外圍電路由括主控及業(yè)務(wù)處理、電源管理、天線控制與接口組成。船載天線整體采用密封方案，可滿足室外環(huán)境應(yīng)用，由天線單元、伺服控制單元、跟蹤接收機(jī)單元、功放單元、北斗單元、電源單元和慣導(dǎo)單元8個(gè)單元組成[6]。終端主機(jī)組成圖如4圖所示，動中通天線如圖5所示。

圖4 終端主機(jī)組成圖

圖5 動中通天線組成圖

4 示范應(yīng)用及驗(yàn)證測試

4.1 示范系統(tǒng)搭建

海上應(yīng)急通信示范系統(tǒng)由天通終端（手持、便攜、船載）、信關(guān)站（中國電信負(fù)責(zé)運(yùn)營）組成，根據(jù)使用地點(diǎn)選擇不同類型終端，依托某海上示范應(yīng)用項(xiàng)目，選取海南三亞海域?qū)Ρ菊n題海上應(yīng)急通信系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證。

在三亞海域附近選取島礁、浮臺、試驗(yàn)船、漁船進(jìn)行測試工作，在島礁/浮臺上安裝天通便攜終端、在試驗(yàn)船上安裝天通船載終端、在漁船上安裝天通手持終端，通過“天通一號”衛(wèi)星將語音、數(shù)據(jù)、用戶位置管理和跟蹤等信息傳輸至信關(guān)站，再通過地面專網(wǎng)傳輸至海洋信息服務(wù)中心。

4.2 測試條件及要求

系統(tǒng)測試條件及要求見表1。

表1 海上應(yīng)急通信示范驗(yàn)證測試記錄表

4.3 測試結(jié)果

通過在南海示范海域開展的海上應(yīng)急通信示范驗(yàn)證試驗(yàn)，天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在本試驗(yàn)中尤其在地面公共4G移動網(wǎng)絡(luò)信號無覆蓋區(qū)域，可靠地提供了天通終端和地面公共電話網(wǎng)、天通終端和地面公共移動網(wǎng)之間的語音、短信、數(shù)據(jù)（最高384 kbps）通信能力，出色完成了測試驗(yàn)證和通信保障。詳細(xì)測試項(xiàng)目和數(shù)據(jù)見表2。

5 結(jié)束語

天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用戶頻段為S頻段，不受降雨雨衰影響，適合海上復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用。目前，“天通一號”衛(wèi)星已發(fā)射01星、02星、03星三顆衛(wèi)星，形成覆蓋亞太、印度洋和非洲的區(qū)域移動通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，滿足海上應(yīng)急通信的覆蓋需求。天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)支持語音通信、雙向數(shù)據(jù)通信、雙向天通短信和北斗短報(bào)文通信、支持基于北斗的定位功能，滿足海上多業(yè)務(wù)應(yīng)用、高質(zhì)量傳輸?shù)囊?；同時(shí)天通手持終端、便攜終端和船載終端采用防水、抗鹽霧、高溫高濕環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，具備海洋環(huán)境適應(yīng)性，滿足海上應(yīng)用環(huán)境要求。

綜上所述，天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在使用頻段、衛(wèi)星覆蓋范圍、傳輸業(yè)務(wù)種類以及環(huán)境條件等方面具備海上應(yīng)用適應(yīng)性。本課題可以解決中/遠(yuǎn)海區(qū)域信息傳送、應(yīng)用服務(wù)能力覆蓋不足的問題，為船基/岸基監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定、可靠、低成本的傳輸通道?！?/p>