張倩萍 楊禮文 蘇珍莉

摘? ? 要：傳統(tǒng)無(wú)線電設(shè)備（如VHF、MF/HF）僅能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言功能傳輸，而為了增強(qiáng)海上執(zhí)法部門(mén)海上可視化指揮能力，本文以新一代海洋指揮船為主體，系統(tǒng)論證無(wú)線通信一體化系統(tǒng)的總體構(gòu)架和設(shè)計(jì)方案，綜合利用衛(wèi)星通信船載終端、4G/5G無(wú)線通信、視頻會(huì)議、單兵背負(fù)圖傳終端等系統(tǒng)豐富指揮船的通信手段，實(shí)現(xiàn)指揮船與陸地指揮中心之間的高速音頻通信等業(yè)務(wù)功能。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信系統(tǒng)；信息化；指揮

中圖分類(lèi)號(hào)：U665.26 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of New Wireless Communication Integrated System

for a Marine Command Ship

ZHANG Qianping1，? YANG Liwen2，? SU Zhenli1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250;? 2. Unit 4805 Factory of PLA， Ningbo 315700 ）

Abstract： Traditional radio equipment （VHF， MF/HF） can only achieve language function transmission. In order to enhance the sea visual command capability of maritime law enforcement departments， this paper takes a new type of marine command ship as an example， systematically demonstrates the overall? framework， design scheme and installation of wireless communication integration system， and makes comprehensive use of VSAT satellite communication， 4G/5G wireless communication， audio and video conferencing， individual soldier image transmission and other systems to enrich the communication means of command ship， so as to achieve high speed audio and video communication between the command ship and the land command center and other business functions.

Key words： wireless communication systems;? informatization;? command

1? ? ?前言

隨著陸用資源的日益匱乏，各國(guó)開(kāi)始爭(zhēng)奪海上資源，海洋經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。然而海上安全和治安形勢(shì)也隨之日漸嚴(yán)峻。傳統(tǒng)指揮船的無(wú)線電通信設(shè)備通常按照法規(guī)配備，適用于航行安全和緊急遇險(xiǎn)求助，且僅為語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸[1]。面對(duì)日趨復(fù)雜的海洋環(huán)境，需研發(fā)出新一代海洋指揮船，承擔(dān)起海域范圍內(nèi)全方位管控、海上維權(quán)和執(zhí)法過(guò)程信息收集責(zé)任，并通過(guò)建立起“船-岸”一體化指揮系統(tǒng)和艇隊(duì)之間聯(lián)合通信的無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)提升指揮船的自動(dòng)化和信息化水平。

2? ? ?無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前全國(guó)海洋綜合執(zhí)法部門(mén)分為北京主控站和各省市支隊(duì)級(jí)以上單位的指揮中心。陸地職能部門(mén)通過(guò)專(zhuān)網(wǎng)、專(zhuān)線等局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備初級(jí)信息化指揮能力。而各級(jí)執(zhí)法單位之間信息化指揮中心通信指揮和協(xié)調(diào)調(diào)度溝通機(jī)制體系相差甚遠(yuǎn)。

對(duì)于執(zhí)行任務(wù)一線裝備，雖然具備基礎(chǔ)的通信手段，但通信能力較弱。例如，短波通信設(shè)備受環(huán)境影響較大，可用信道較少，頻段窄，抗干擾能力差，通聯(lián)效率低。而超短波通信設(shè)備覆蓋面較小，互相之間不能通聯(lián)。執(zhí)行任務(wù)時(shí)無(wú)可靠便捷設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程記錄，缺乏強(qiáng)有力的證據(jù)對(duì)非法行為進(jìn)行制裁。

對(duì)于任務(wù)頂層決策機(jī)構(gòu)的主控站，無(wú)法第一時(shí)間接受到前線的任務(wù)執(zhí)行狀況，缺乏一定的趨勢(shì)預(yù)判和可視化指揮能力，綜合資源利用率低，未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化溝通機(jī)制。

因此加強(qiáng)無(wú)線通信一體化系統(tǒng)建設(shè)，直接影響到海上執(zhí)法維權(quán)效率、反應(yīng)速度和綜合調(diào)配能力。本系統(tǒng)合理利用VSAT衛(wèi)星通信、4G/5G無(wú)線通信、視頻會(huì)議、單兵背負(fù)圖傳終端等豐富指揮通信手段，可實(shí)現(xiàn)指揮船與協(xié)同船、指揮船與陸地指揮中心、指揮船與主控站之間等多邊高速音視頻通信業(yè)務(wù)功能。

3? ? ?系統(tǒng)總體架構(gòu)

本船無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)海洋指揮船的任務(wù)需求，利用已有資源確定系統(tǒng)規(guī)模。采用可靠性高的設(shè)備，充分考慮數(shù)據(jù)信息安全，基礎(chǔ)硬件建設(shè)與高效便捷軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船艇航行任務(wù)狀態(tài)監(jiān)視、綜合數(shù)據(jù)收集及處理、基礎(chǔ)業(yè)務(wù)辦理等信息服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)頂層決策機(jī)構(gòu)與一線裝備之間低偏差、低延時(shí)的“指揮——執(zhí)行”雙向通信模式。

基于以上設(shè)計(jì)理念，本系統(tǒng)主要由VSAT衛(wèi)星通信指揮系統(tǒng)、4G/5G無(wú)線通信系統(tǒng)、Wi-Fi系統(tǒng)、單兵背負(fù)圖傳終端和監(jiān)管指揮系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

船載部分包括五個(gè)部分：

1）安裝船載VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在沒(méi)有4G/5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的海域，指揮船可以利用衛(wèi)星通信鏈路實(shí)現(xiàn)與主控站、指揮中心之間的數(shù)據(jù)通信；

2）安裝船載4G/5G無(wú)線通信系統(tǒng)。在有4G/5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的海域，執(zhí)法船上所有通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以利用4G/5G鏈路傳輸數(shù)據(jù)，與協(xié)同船、指揮中心通信；

3）安裝Wi-Fi系統(tǒng)。利用船載4G/5G路由器及信號(hào)放大器實(shí)現(xiàn)執(zhí)法船內(nèi)的Wi-Fi覆蓋；

4）安裝單兵背負(fù)圖傳終端。在指揮船無(wú)法抵達(dá)的海域，可利用單兵乘坐小艇的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)視頻采集，并通過(guò)單兵背負(fù)圖傳終端傳輸視頻圖像，且可利用硬盤(pán)錄像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的處理和存儲(chǔ)；

5）安裝監(jiān)管指揮系統(tǒng)。其中包含巡航綜合執(zhí)法系統(tǒng)、海上救助指揮系統(tǒng)和視頻會(huì)議系統(tǒng)。指揮船可與指揮中心、直屬支隊(duì)以及其它執(zhí)法船之間召開(kāi)雙方或者多方高清音視頻會(huì)議。

陸地指揮中心和主控站部分包括需配套安裝以上設(shè)備的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船——岸高速音視頻通信、指揮通信等業(yè)務(wù)。

4? ? 設(shè)計(jì)方案

4.1? 無(wú)線通信鏈路設(shè)計(jì)

1）VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)

目前衛(wèi)星頻段分為Ka、Ku和C波段。在全球3大無(wú)線電區(qū)域內(nèi)，為了合理使用頻帶，國(guó)家電信聯(lián)盟將其安裝各種衛(wèi)星業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分，但相同業(yè)務(wù)在不同的區(qū)域也存在使用不同的頻段衛(wèi)星業(yè)務(wù)[2]。各頻段實(shí)現(xiàn)主要業(yè)務(wù)如下表1所示。

根據(jù)本船任務(wù)作用海域，VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用可覆蓋我國(guó)全境、周邊海域以及南海全海域的中星12號(hào)衛(wèi)星Ku頻段實(shí)現(xiàn)。船載VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)可接入指揮中心現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通。船載動(dòng)中通用于接收和發(fā)射Ku頻段衛(wèi)星信號(hào)，其天線伺服系統(tǒng)基于激光陀螺慣性導(dǎo)航技術(shù)，能夠保證船舶在航行中準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，極大降低惡劣氣候和海浪條件下對(duì)通信業(yè)務(wù)的影響。

衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器負(fù)責(zé)衛(wèi)星通信基帶信號(hào)的處理，能夠解調(diào)前向鏈路的DVB-S2信號(hào)，并解析、過(guò)濾出帶有自身標(biāo)識(shí)的信令和業(yè)務(wù)信息。信令信息用于主控站的同步追蹤，資源分配的獲取等；業(yè)務(wù)信息發(fā)送至相應(yīng)終端處理操作。對(duì)待發(fā)送的業(yè)務(wù)信息，衛(wèi)星路由負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制，并以突發(fā)的方式在分配的信道和時(shí)隙資源上發(fā)送回傳信號(hào)。

具體功能要求及技術(shù)指標(biāo)及功能如下：

（1）衛(wèi)星信號(hào)需直接落地到衛(wèi)星地面站，并能利用衛(wèi)星專(zhuān)網(wǎng)等方式進(jìn)入岸端內(nèi)網(wǎng)，以滿足船舶通信業(yè)務(wù)的需求；

（2）支持全方位、全天候的保障應(yīng)急網(wǎng)及公共信息網(wǎng)和專(zhuān)網(wǎng)寬帶衛(wèi)星通信接入；

（3）支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸話音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)；

（4）支持 Qos 管理，緊急優(yōu)先；

（5）可自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率保證雙向鏈路穩(wěn)定工作；

（6）帶寬不少于 2 Mbps，滿足本船航區(qū)要求。

2）4G/5G無(wú)線通信系統(tǒng)

4G的頻譜根據(jù)規(guī)范TS38.104（V15.0.0版）定義，三大運(yùn)營(yíng)商有略微的區(qū)別，但常用頻譜范圍集中在2300-2390 Hz之間[3]。

5G的頻譜根據(jù)3GPP R15版本定義為FR1和FR2范圍，其中FR1范圍（450 MH-6G Hz）為目前的主營(yíng)頻譜，具有低頻率、覆蓋范圍廣、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。

本船4G/5G無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)合4G/5G多卡聚合通信手段，無(wú)需有線網(wǎng)絡(luò)連接，僅需一張4G/5G流量卡在公網(wǎng)4G/5G信號(hào)覆蓋的地方即可提供WIFI和網(wǎng)口上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)船與指揮中心視頻會(huì)議。只需在船舶上部署室外4G/5G天線、5G路由器，便可實(shí)現(xiàn)整船視頻會(huì)議、Wi-Fi上網(wǎng)及移動(dòng)電話通信。

具體技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）頻率范圍：698 MHz-269 MHz；

（2）增益：12 dBi；

（3）電壓駐波比≤1.5。

3）Wi-Fi系統(tǒng)

本方案配置了路由器，在有4G/5G信號(hào)覆蓋區(qū)域，可直接利用4G/5G信號(hào)向指揮船提供Wi-Fi信號(hào)覆蓋。當(dāng)在沒(méi)有4G/5G信號(hào)覆蓋的海域上，可利用衛(wèi)星通信鏈路提供Wi-Fi信號(hào)覆蓋。 室內(nèi)設(shè)置無(wú)線AP模塊，由AC控制器監(jiān)控和管理接入用戶。

具體技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）支持網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型：LTE，TD-SCDMA，UMTS；

（2）接口包括電源接口、標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口、千兆自適應(yīng)網(wǎng)口以及4 G天線接口。

4）單兵背負(fù)圖傳終端系統(tǒng)

在執(zhí)法船無(wú)法抵達(dá)某些海域的情況下，需要利用小型執(zhí)法艇等進(jìn)行輔助執(zhí)法。為了提高指揮船的移動(dòng)態(tài)勢(shì)獲取能力和任務(wù)處理風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷，單兵無(wú)線圖傳系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的采集和實(shí)時(shí)回傳。

單兵背負(fù)圖傳終端子系統(tǒng)由船載接收機(jī)、單兵背負(fù)發(fā)射機(jī)、便攜式DV攝錄機(jī)、耳機(jī)、麥克風(fēng)等通信附件組成。

無(wú)線接收單元安置于衛(wèi)星寬帶機(jī)柜內(nèi)，天線安裝于羅經(jīng)甲板上，便攜式無(wú)線發(fā)射單元與便攜式DV可隨行沖鋒舟，便于采集數(shù)據(jù)、圖像。

單兵背負(fù)圖傳終端是在一定范圍內(nèi)可以通過(guò)自組網(wǎng)模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像傳輸，其工作頻段按照傳輸內(nèi)容劃分，如表2所示。

具體功能考慮如下：

（1）高清模式下視距半徑范圍；

（2）高速移動(dòng)時(shí)的傳輸延時(shí)要求。

4.2? ?配套監(jiān)管指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提升管理的高效性與便捷性，實(shí)現(xiàn)對(duì)船艇態(tài)勢(shì)和狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)和管控，結(jié)合任務(wù)需求和硬件建設(shè)，配套設(shè)計(jì)一套監(jiān)管指揮系統(tǒng)軟件。具體功能要求如下：

1）巡航綜合執(zhí)法：日常巡航執(zhí)法包括海上巡視、海上安全監(jiān)督管理、船舶秩序維護(hù)、航行安全信息發(fā)布、海上事故調(diào)查、海上維權(quán)等。當(dāng)岸基數(shù)據(jù)中心接收到 值守人員巡航突發(fā)狀況報(bào)告時(shí)，可以立即調(diào)用船岸一體化管理系統(tǒng)對(duì)巡航現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行同步查看，并聯(lián)動(dòng)統(tǒng)一通信。在內(nèi)網(wǎng)安全環(huán)境下，通過(guò)平臺(tái)嵌入的AIS、 岸基數(shù)據(jù)及電子海圖，結(jié)合船載系統(tǒng)獲得的預(yù)警信息、區(qū)域態(tài)勢(shì)、船舶動(dòng)態(tài)、取證信息等功能，直接進(jìn)行相關(guān)船只的調(diào)配，人員支援調(diào)動(dòng)的下令，還原巡航現(xiàn)場(chǎng)的情形狀況，快速配合指揮中心進(jìn)行指令下達(dá)，實(shí)現(xiàn)巡航現(xiàn)場(chǎng)的可觀、可估、可判、可追溯；

2）海上救助指揮：為提高船舶碰撞、人員落水等各種應(yīng)急搜救等指揮能力，系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和歷史應(yīng)急指揮知識(shí)庫(kù)，自動(dòng)提供應(yīng)急預(yù)案，為指揮人員提供輔助決策。系統(tǒng)以電子海圖及各種圖形化工具為基礎(chǔ)，接入 AIS 信息，顯示相關(guān)船舶，提供高度便捷的、可操作的人機(jī)交互系統(tǒng)。同時(shí)，提供船—岸、船—船之間高度融合的通信系統(tǒng)，提高遠(yuǎn)程指揮能力。在應(yīng)急指揮任務(wù)結(jié)束之后，可以對(duì)指揮過(guò)程中的重要信息進(jìn)行歷史回放；

3）視頻會(huì)議：基于衛(wèi)星通信網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行構(gòu)建，在無(wú)線網(wǎng)可覆蓋的地方，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)通信鏈路開(kāi)展視頻會(huì)議；在無(wú)線網(wǎng)無(wú)法覆蓋的地方，通過(guò)衛(wèi)星通信鏈路接入現(xiàn)指揮中心衛(wèi)星網(wǎng)，對(duì)采集到的音視頻信號(hào)壓縮編碼，用語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)提供8路FXS口的VOIP通道，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)打成IP包發(fā)送出去。接收IP包并解碼后還原為模擬視頻信號(hào)，通過(guò)顯示器輸出顯示，將決策部署可視化，實(shí)現(xiàn)與指揮中心及系統(tǒng)內(nèi)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的視頻會(huì)議開(kāi)展。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

該型船無(wú)線通信一體化系統(tǒng)，通過(guò)地面專(zhuān)線將主控站與指揮中心相連接，由“單兵背負(fù)圖傳終端—船載衛(wèi)星通信—主控站”和“單兵背負(fù)圖傳終端—船載4G/5G無(wú)線通信系統(tǒng)—指揮中心—主控站”這兩條無(wú)線通信通道，實(shí)現(xiàn)海洋指揮船“船—岸”通信，提高了岸基指揮中心對(duì)艇隊(duì)的監(jiān)管指揮能力。后續(xù)船加入編隊(duì)也只需增加相應(yīng)衛(wèi)星通信設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)“船—船”間協(xié)同通信和資源共享，而各級(jí)單位的指揮中心僅需更新相應(yīng)管理系統(tǒng)軟件即可實(shí)現(xiàn)“主控站—指揮中心—船艇”等多邊互聯(lián)互通。

參考文獻(xiàn)

[1] 王棟.科考船船岸一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)[J].船舶， 2017 （S1）.

[2] 張忠強(qiáng). INMARSAT-5代星Ka頻段 Global Xpress [J]. 信息通信，?2013 （04）.

[3] 孫星，嚴(yán)新平，初秀民等.基于船標(biāo)岸一體化技術(shù)的內(nèi)河信息服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].交通信息與安全， 2012 （04）.

基金項(xiàng)目：中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司綜合導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）研制項(xiàng)目（202130ZZ）

作者簡(jiǎn)介：張倩萍（1992- ），女，工程師。主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。

楊禮文（1987- ），男，工程師。主要從事船舶電氣維修工作。

收稿日期：2022-12-02