鐘子洋（深圳海事局，廣東 深圳，518032）

一、引言

隨著海洋運輸產業(yè)的快速發(fā)展，海洋權益以及海上交通安全越來越受到關注，船舶在海上特別是遠洋的通信困境已經(jīng)成為國家海洋與水上交通相關戰(zhàn)略落地的制約因素之一。尤其在交通運輸部海事局提出建設“陸?？仗臁币惑w化水上交通運輸保障體系后，船岸通信尤其是寬帶通信的重要性愈發(fā)顯著。如何利用現(xiàn)有及未來可預見的移動寬帶通信手段實現(xiàn)海巡船艇與海事岸基中心的數(shù)據(jù)高速互聯(lián)，成為海事管理部門亟需解決的問題。

二、海巡船艇信息化通信現(xiàn)狀及存在的問題

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至“十三五”末，海事系統(tǒng)擁有各類型海巡船艇逾800艘，形成以覆蓋港區(qū)及沿海為主、兼顧專屬經(jīng)濟區(qū)的海巡船艇隊伍，并在日常巡航、動態(tài)監(jiān)管、應急搜救等工作中發(fā)揮了重要作用。但是因歷史等多方面原因，除了新建造的部分大型船艇外，大部分海巡船艇的綜合信息化尤其是船岸寬帶通信能力較為薄弱：

一是部分船艇除常用通導設備（如NAVTEX、VHF）外幾乎不配置綜合信息化寬帶通信系統(tǒng)，船艇與岸基不具備寬帶數(shù)據(jù)互聯(lián)的通信基礎，日常監(jiān)管及應急只能依靠移動電話及甚高頻等音頻通信手段，無法與岸基及其他船端進行視頻和其他寬帶通信，導致船上態(tài)勢感知以及智能應用受限。

二是部分船艇擁有基礎的信息化系統(tǒng)（如指揮會議系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)），但由于對信息化系統(tǒng)進行改造升級缺乏運維機制與資源，相關信息化系統(tǒng)不能與時俱進，導致系統(tǒng)的可用性不足，越來越不具備與岸基的寬帶通信能力。

三是部分船艇則擁有較為完善的綜合信息化系統(tǒng)，同時具備與岸基寬帶通信的能力（3G/4G通信），但受制于船岸通信手段不足（如離岸10公里以上區(qū)域），無法發(fā)揮移動監(jiān)管指揮中心的基本功能。

四是部分船艇除擁有較好綜合信息化系統(tǒng)外，也具備廣域船岸寬帶通信能力（衛(wèi)星通信），但是受制于衛(wèi)星通信昂貴的資費及衛(wèi)星通信范圍限制（即一方面全天候衛(wèi)星通信的費用十分高昂，另一方面高通量衛(wèi)星因點波束的緣故無法覆蓋所有的海域），這類海巡船艇無法發(fā)揮海巡船艇移動監(jiān)管指揮中心的全部功能。

海巡船艇的綜合信息化水平整體較低，船岸寬帶通信能力較弱，嚴重限制了海巡船艇綜合監(jiān)管指揮功能的發(fā)揮。例如在2018年1月“桑吉”輪事件的處置中，海巡船艇雖然及時抵達現(xiàn)場，但因通信手段單一且穩(wěn)定性不足，岸基指揮中心無法獲取現(xiàn)場實時（畫面）數(shù)據(jù)，一定程度上影響了現(xiàn)場應急處置工作。為了滿足“陸海空天”背景下海上安全監(jiān)管、巡航與應急搜救等新需求，讓海巡船艇真正成為海上移動監(jiān)管指揮中心的要求越來越迫切。因此，本文提出運用高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)來解決海巡船艇船岸寬帶通信的相關問題。

三、衛(wèi)星通信概述及現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信是指在通信站（陸端、船端及機端）和用衛(wèi)星（LEO、MEO、GEO①GEO：靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)；MEO：中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)；LEO：低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。）[1]作中繼站進行通信的方式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由衛(wèi)星、地球站、監(jiān)測管理以及衛(wèi)星測控系統(tǒng)等組成。衛(wèi)星通信系統(tǒng)從地球站向衛(wèi)星發(fā)送并接收信號，并通過網(wǎng)絡接口以互聯(lián)網(wǎng)或者專網(wǎng)方式向相關用戶提供衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)服務。

圖1 典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構

關口站向衛(wèi)星發(fā)送信號稱為上行鏈路，從衛(wèi)星接收信號稱為下行鏈路。衛(wèi)星是通過站線( line-of-site)到達接收機的，總體而言衛(wèi)星通信具有通信容量大、距離遠、覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點。經(jīng)過多年發(fā)展與應用，目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)已全面進入寬帶通信時代，寬帶通信系統(tǒng)主要包括第五代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)FX以及VSAT②VSAT：Very Small Aperture Terminal（甚小口徑衛(wèi)星終端站）。系統(tǒng)[2][3]，其中通信容量大于10 Gbit/s[4]的通信衛(wèi)星就被稱為高通量通信衛(wèi)星③高通量通信衛(wèi)星采用頻率復用和多點波束技術，在同樣頻譜下，通信容量是傳統(tǒng)支持固定通信衛(wèi)星數(shù)倍。（High Throughput Satellite）。高通量通信衛(wèi)星系統(tǒng)一般分為空間段（Ku及Ka頻段GEO衛(wèi)星）、地面段（主控站、網(wǎng)控中心及關口站）以及用戶段（VSAT終端及固定地球站）。

中國的衛(wèi)星通信事業(yè)起步較晚，但發(fā)展步伐較快。近幾年來成功發(fā)射了天通一號、中星16號以及亞太6D等一系列高通量衛(wèi)星，特別是2020年成功發(fā)射的亞太6D高通量衛(wèi)星，通信容量為50 Gbit/s，遠大于現(xiàn)有的在軌通信衛(wèi)星容量。除了能夠提供高帶寬數(shù)據(jù)服務，衛(wèi)星通信服務的租賃成本也大幅降低，應用于海上交通行業(yè)具有一定經(jīng)濟性，能夠滿足海事通信各種信息化寬帶通信需求。

四、高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)在海巡船艇的應用

一直以來，海事衛(wèi)星作為GMDSS體系的重要組成部分，除了公約的相關規(guī)范要求外，具備安裝條件的海巡船艇大部分都安裝了衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)，遠離海岸線航行的海巡船艇可以通過衛(wèi)星將現(xiàn)場的實時動態(tài)數(shù)據(jù)回傳岸基單位，并可以通過雙向通信及時獲取岸基的各類動靜態(tài)數(shù)據(jù)，這為拓展海事動態(tài)管理覆蓋范圍、提高水上交通安全監(jiān)管與應急指揮搜救的效率發(fā)揮了重要作用。

但是過去海巡船艇大部分的衛(wèi)星通信系統(tǒng)在不同程度上都存在通信租賃費高、帶寬小、設備大、盲區(qū)多以及穩(wěn)定性差等問題，造成海巡船艇出港區(qū)或沿海水域即“失明”，無法與岸基單位建立實時有效的寬帶通信鏈路，制約了海事管理部門進一步履行對遠海海域水上安全管理以及應急搜救的職責。因此新一代國產高通量衛(wèi)星的商用為海巡船艇管理部門提供了一個可行的解決方案。

以深圳海事局為例，該局的旗艦海巡船“深海01”輪于2020年8月正式投入使用，其綜合信息化采用“一中心四系統(tǒng)”（即移動數(shù)據(jù)中心，智能感知系統(tǒng)、綜合指揮系統(tǒng)、船舶管理系統(tǒng)和支持保障系統(tǒng)）的建設模式，尤其是移動數(shù)據(jù)中心對船岸寬帶通信數(shù)據(jù)互聯(lián)提出了極高的要求。為了滿足“深海01”輪信息化寬帶通信需求，深圳海事局選擇了當時最成熟的高通量“中星16”衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為船岸數(shù)據(jù)互聯(lián)的重要通信手段，通過在“深海01”輪上安裝衛(wèi)星船站，在船艇移動數(shù)據(jù)中心配置安全網(wǎng)關、虛擬安全隧道以及配套設置網(wǎng)絡安全策略（圖2），即可確?！吧詈?1”輪的綜合信息化系統(tǒng)在應急處置及搜救巡航工作中能通過衛(wèi)星鏈路與海事信息專網(wǎng)下的岸基數(shù)據(jù)中心及相關信息化系統(tǒng)進行互聯(lián)互通。比如在應急工作中可以通過衛(wèi)星通信鏈路與岸基的多個指揮中心同步實時視頻連線，讓指揮人員能夠實時感知現(xiàn)場的態(tài)勢，以便作出科學合理的應急處置決策；在巡航執(zhí)法工作中執(zhí)法人員也可以通過衛(wèi)星鏈路連接岸基數(shù)據(jù)中心及相關的信息化系統(tǒng)，獲取目標船的基本信息或者關聯(lián)水域的水文氣象信息，從而提升監(jiān)管執(zhí)法工作的效率；在非緊急與非工作時間也可以通過衛(wèi)星鏈路以及無線網(wǎng)絡設備訪問互聯(lián)網(wǎng)，方便指揮人員以及船員加強與外部單位的訪問連接，便利后續(xù)執(zhí)法以及船舶運維相關工作。

圖2 “深海01”輪衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構圖

在1年多的時間里，“深海01”輪的船岸寬帶通信系統(tǒng)在日常安全監(jiān)管、重點能源（例如LNG）運輸安全護航、重大危險品應急演練以及系列跨轄區(qū)長航訓練中發(fā)揮了重要的作用，為圓滿完成各項工作任務提供了便捷穩(wěn)定的移動寬帶通信服務。

五、高通量衛(wèi)星船岸寬帶通信方案的優(yōu)點

“深海01”輪衛(wèi)星通信的應用方案在確保海事部門網(wǎng)絡安全的前提下，有效解決了長久以來困擾海巡船艇的信息化寬帶通信難題，為海事部門積累了可推廣使用的經(jīng)驗：

（一）船岸通信帶寬有效擴充。“深海01”輪的衛(wèi)星通信采用的是上行6 Mbps、下行10 Mbps的寬帶通信服務方案，在滿足組織船岸視頻聯(lián)動會議（720 P）的同時，可以同步穩(wěn)定地回傳至少2路高清視頻監(jiān)控信號（1080 P）至岸基終端，有效解決過去現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)管以及應急搜救指揮工作中船岸實時動靜態(tài)寬帶數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的難題，也為各類信息化系統(tǒng)在船上的應用提供了良好的通信服務基礎。

（二）船岸通信范圍不斷擴大。隨著高通量衛(wèi)星資源的不斷增多，衛(wèi)星通信覆蓋范圍將不斷變大，對于“深海01”輪來說現(xiàn)有的衛(wèi)星覆蓋充足且盲區(qū)較少，但是衛(wèi)星的點波束增多可以為船岸通信的穩(wěn)定性提供更可靠的保障。

（三）船岸通信組網(wǎng)快速便捷。相較過去體積龐大的衛(wèi)星天線及附屬設備，新一代高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端（天線）直徑短至45cm，對船艇的安裝基礎要求不高，同時部署及使用簡便，通過一鍵開關模式，將開機-搜星-登錄-使用等傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)繁瑣的程序便捷化，大大降低船員的使用門檻，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用的便捷性。

（四）船岸通信資費大幅下降。隨著高通量衛(wèi)星商用的不斷推廣，相關通信資費也將持續(xù)下降，結合衛(wèi)星通信資費特點以及實際使用需求，“深海01”輪靈活地采用流量數(shù)據(jù)包的方式購買衛(wèi)星寬帶通信服務，保障了日常以及應急情況下船岸寬帶通信的需求，較以往大幅降低了衛(wèi)星通信的租賃費用，目前高通量衛(wèi)星的通信資費（20至40萬元）僅為船舶運維費用（千萬元級）的零頭。

（五）船岸通信使用靈活冗余。衛(wèi)星通信與4G網(wǎng)絡的有機結合，進一步提升船岸寬帶通信能力與可靠性，通過智能路由實現(xiàn)網(wǎng)絡無感切換（即4G信號不足時切換到衛(wèi)星通信），同時通過信號放大器以及網(wǎng)絡中繼器等設備與手段，實現(xiàn)全船所有有人艙室的網(wǎng)絡覆蓋。

（六）船岸通信網(wǎng)絡安全可控。由于目前所使用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是商用衛(wèi)星，信號落地后經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)連接海事終端，存在網(wǎng)絡安全風險。為將風險控制在低水平，“深海01”輪采用一體化網(wǎng)關、防火墻和訪問白名單等措施組合，為常態(tài)化使用衛(wèi)星通信提供網(wǎng)絡安全支撐。

“深海01”輪通過應用高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，有效提升了船岸寬帶通信能力，實現(xiàn)船岸寬帶數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，打造了一個可靠實用的移動監(jiān)管指揮中心，在安全監(jiān)管、應急搜救以及調查取證等海事管理工作中發(fā)揮了積極作用。

六、高通量衛(wèi)星船岸通信方案存在的不足

盡管目前通過應用高通量衛(wèi)星有效解決了海巡船艇船岸寬帶通信的部分難題，但是相比成熟的岸基移動通信手段（4G/5G/WIMAX等），高通量衛(wèi)星依然存在不足：一是通信帶寬依然受限，盡管較過往有較大的提升，但依然不能全面滿足當下及未來的高帶寬通信需求；二是微波通信的雨致衰減①雨致衰減是指電波進入雨層中引起的衰減。它包括雨粒吸收引起的衰減和雨粒散射引起的衰減。使得衛(wèi)星通信穩(wěn)定性受氣象影響大，導致衛(wèi)星通信在部分場景、時間及區(qū)域下失效，尤其是Ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)；三是通信資費相較岸基移動通信手段而言依然較高，無法實現(xiàn)7×24小時不間斷的衛(wèi)星寬帶通信；四是現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要依靠商用衛(wèi)星，缺乏海事專用的鏈路，網(wǎng)絡安全上依然存在風險。

七、相關建議

為了推廣高通量衛(wèi)星在海巡船艇上的應用，進一步提升船岸寬帶通信能力，提升海事履職能力，結合實際應用案例，本文提出相關建議如下：

一是在“陸?？仗臁币惑w化水上交通運輸保障體系建設的背景下，完善海巡船艇信息化建設及運維機制，針對現(xiàn)有海巡船艇隊伍實際以及未來船艇建設情況，成立工作組或專班編制船艇信息化建設規(guī)劃，有序開展對海巡船艇的升級與改造。二是由專業(yè)管理部門承擔高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的管理職責，負責對接海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設、運維及管理，配套相應資源支持高通量衛(wèi)星通信在海巡船艇的應用落地，同時推進衛(wèi)星通信在海事領域的推廣與使用。三是應用高通量衛(wèi)星的過程中可選用多頻段復用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如采用Ku/Ka頻段復用的衛(wèi)星及船載通信終端，盡可能降低衛(wèi)星通信雨衰的影響。四是加強與衛(wèi)星通信服務商及科研機構的交流合作，密切關注新一代前沿通信技術及手段的發(fā)展，比如極高通量衛(wèi)星以及低軌星座（如虹云、鴻雁等）的技術與應用發(fā)展，確保海事部門能夠及時共享上述技術的發(fā)展成果。五是加快海事船岸通信專業(yè)人才隊伍的建設步伐，這支隊伍既要具備專業(yè)項目管理能力，又要具備過硬的海事業(yè)務以及通信專業(yè)能力。六是加強海巡船艇船岸通信網(wǎng)絡安全規(guī)劃與研究，針對各船的特點與實際，在船艇信息化升級改造或建設的同時開展網(wǎng)絡安全評估與建設，降低相關的網(wǎng)絡安全風險。

八、結語

由于各種原因，多年來海事部門未能有效地解決海巡船艇的船岸寬帶通信問題，加上海巡船艇信息化基礎薄弱等現(xiàn)狀，一定程度上影響了海事部門在部分領海、毗鄰區(qū)以及專屬經(jīng)濟區(qū)的海上監(jiān)管、搜救應急等工作的效能。隨著我國高通量衛(wèi)星技術的發(fā)展，在海巡船艇上推廣應用高通量衛(wèi)星可為解決遠海船岸寬帶通信等難題提供一個可行的解決方案，也使得海巡船艇能夠在“陸?？仗臁币惑w化水上交通運輸保障體系建設中發(fā)揮應有的作用。