“空天地海”一体化的海上应急通信网络技术综述
摘 老
摘 老
【关键词】 海上应急通信；“空天地海”一体化；GMDSS；海上救援
0 引言
随着“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的提出，坚持海陆统筹，进一步加快海洋科技创新步伐，开拓海上经济带成为我国经济增长新的着力点。目前，我国海上运输船舶数量及从事水上工作的人员迅速增长，而海难事故也经常发生，海上搜救任务日益繁重。海上应急通信是指在海上突发紧急情况或海洋自然灾害时，综合利用各种通信资源，提供紧急救助和必要信息数据传输的通信方法与手段。不同于陆地应急通信保障，海上应急通信保障通常需要面对海上基础通信设施缺乏、海上工况环境恶劣等不利条件，通常具有事发突然、应急响应窗口短、后果严重等特点，因此海上应急通信保障要求相对较高。这也增加了建立全球覆盖、重点部署、持续保障的海上应急通信体系的紧迫性[1]。
为了确保海上航行的安全性, IMO（国际海事组织）制定了GMDSS（全球海上遇险及安全系统）。该系统旨在提供海上遇险报警、救援协调通信等基础服务,由国际移动卫星通信系统、低轨道搜救救助卫星系统以及VHF频段的地面频率通信系统与MF/HF频段的地面频率通信系统共同构成。该系统的功能包括遇险报警与救援协调通信等功能,并能确保实现海上航行的安全信息传播与现场救援操作的有效衔接。
海上应急通信网络的建设构成了海上搜救系统的不可或缺的关键部分，并为其快速、准确执行提供了必要的基础保障。同时构建"空天地海"一体化体系则是构建海上应急通信网络的重要基础。将天基、空基、陆基、海基等不同类型的网络进行整合，则形成了具备互联互通特征的海上应急通信网络（如图1所示）。这一系统通过数据基准与协同感知探测技术的应用以及广域动态多源信息智能化处理等一系列关键技术手段，在信息传输过程中的及时性和有效性方面具有显著优势。
随着关键技术的发展，“空天地海”一体化应急通信网络建设可划分为若干关键领域：首先，在地空融合发展方面，在保障安全的前提下实现了各子系统的深度融合。其次，在卫星组网规划上，在遵循现有技术规范的基础上完成了空间平台间的协同配置工作；最后，在资源共用方面，在保证功能完整性的同时推动了通信设备与计算资源在空海天域间的共用共享
随着21世纪的到来后段,无线性状.宽带.泛在性.融合性.立体化等网络技术迅速演进,为信息共享.互联互通.统一指挥.协调配合下的海上应急通信平台建设提供了有力的技术支撑与战略保障。通过整合运用大数据.云计算.AI（Artificial Intelligence, 人工智能）.卫星通信.多媒体通信以及移动通信等多种先进技术,实现了天地基海岸多种平台的有效融合,构建形成了"空天地海"一体化的应急通信网络体系架构。该体系本质上呈现出层次化的非统一系统结构特征,通过各类组网技术的有效互联互补机制,实现了服务功能的确立与优化[3]。基于卫星与岸基基站构建的网络框架基础,结合多样化的海上及空中应用场景资源,实现了多网元间的多元接入功能。“空天地海”四维度一体化通信体系则致力于实现多平台应急资源的整体规划与协同服务功能
1 天基通信手段
无线通信系统作为现代通信体系的重要组成部分，在海洋建设应用中扮演着关键角色；相比之下，天基通信系统作为海洋通信的主要手段逐渐引起广泛关注。该技术充分依托于卫星传输距离长、网络组网灵活高效等优势特点[4]；通过灵活配置移动卫星节点与地面及空中节点之间的动态组网与互联机制，则实现了覆盖全球范围内的高效、可靠的实时信息传输。
地球海域面积广袤，在不考虑气象条件的情况下 satellite communication 不受其制约，并被视为最有效的海 上通讯手段[5]。各国纷纷致力于开发可实现全球无缝覆盖的卫星 通 信系统 以增强船舶与人员在海上的通讯能力 如遇 海上险情 可为 海基 空基应用平台及救援人员提供即时应急 通 信连接 将遇险信息迅速传达到相关部门以便及时实施搜救保障人身财产安全
1.1 现代卫星通信系统在海上应急通信中的应用
目前，全球大多数通信卫星主要以地球同步轨道卫星为主，覆盖范围广、位置相对稳定、可以确保提供连续服务，但随着轨道空间日渐拥挤、卫星传输时延大等问题的不断暴露以及蜂窝通信、多址、点波束等小卫星技术的发展，低轨卫星逐渐加入到天基通信系统的应用行列，其轨道高度低、传输时延短、路径损耗小、频率复用更有效。多个国家相继推出规模庞大的低轨卫星系统方案，如摩托罗拉公司的铱星系统和美国SpaceX公司的星链计划；我国正在建设的鸿雁、虹云星座和2020年7月开通的北斗三号卫星导航系统（由低轨卫星和地球同步轨道卫星共同组成）等，如表1和表2所示 。完全部署的低轨卫星星座系统将实现全球全覆盖，为海上用户提供应急移动通信、宽带接入、导航增强等服务[6]。
国外主要卫星通信系统如表1所示 。
国内主要卫星通信系统如表2所示 。
1.2 面向海上应急的GMDSS卫星通信系统现代化
自1992年起始GMDSS采用Inmarsat系统投入使用至今,Inmarsat卫星经历了四代更新,在传统电路交换技术基础上增添数据分组交换技术,并实现了宽带通信业务,在海上救援协调中心以及船与岸之间提供稳定的信息传输。同时为更好地保障海上人身及财产安全IMO在各国政府认可下发布《SOLAS公约》规定国际航行船舶及300总吨以上的货船必须配备授权的GMDSS卫星通信系统终端设备确保船舶遇险时能及时发送遇险及求救信息目前全球化趋势不可阻挡IMO也在持续推进GMDSS现代化引入信息化与数字化通信技术提高通信速度及通信系统有效性和准确性GMDSS现代化是海上通信转型"海上互相网时代"的关键战略也是我们面临的重大机遇与挑战我国也要抓住这一战略机遇持续跟进国际海事组织GMDSS现代化进程建立以需求为导向的服务机制拓宽业务范畴实现多元化通信服务进一步增强海上应急安全保障[7]
2 空基通信手段
空基通信手段采用平流层飞艇、高空气球等飞行器以及直升机作为载体，在海上得到了广泛应用**（如表3所示）**。得益于无障碍物的开放环境，在水面之上实现了良好的通信质量保障。通过空基通信手段可极大提升通信距离并扩大地面网络覆盖范围，在空中完成了信息的中转与交互过程。
2.1 平流层飞艇及其在海上应急通信中的应用
一种轻于空气、可控操作的飞行器能够在预定空域内长时间悬停并多次使用，并展现出良好的飞行性能。该系统不仅具备微波中继技术和卫星通讯能力，并且可以在相关海域持续部署使用以提供稳定通讯服务。其中具体包含：紧急报警信号发送与接收功能实现；用于搜索与救援任务的信息传递与协调机制实现；用于现场救援信息传递与协调功能实现；具备精确定位能力；能够实现海上安全监控与信息发布功能；满足常规用户通讯需求以及操作人员之间实时通讯需求
2.2 平流层高空气球及其在海上应急通信中的应用
平流层高空气球是一种能够在平流层高度自主飞行的无动力装置，在航空技术领域具有显著的应用价值[10]。新型高空超压气球作为一种创新设计的高空作业设备，在不依赖地面设施的同时能够适应多种极端环境条件，并具备应急通信功能[11]。系留式气象探测装置通过固定绳索与飞机或其他移动平台连接并由其供电的最大承载能力可达30至50公斤，并可部署于交通繁忙海域的岛屿或用于海上巡逻舰艇进行通信保障。为经常访问该区域的船舶提供持续稳定的网络通信服务。
2.3 无人机及其在海上应急通信中的应用
无人机是一种新型信息收集载体系统[12]。其特点包括低成本运营特征、灵活适应各种场景需求以及易于操控性等基本属性，并具备低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具有低成本运营特征等优点；该系统具备执行高危作业的能力，并能在复杂环境下稳定运行[12]。固定翼无人机在 terms of performance表现上表现出色，在 terms of operational efficiency方面表现突出，在 terms of mission adaptability方面同样表现出色，在 terms of situational awareness方面也展现出色，在 terms of situational awareness方面也展现出色，在 terms of situational awareness方面也展现出色，在 terms of situational awareness方面也展现出色，在 terms of situational awareness方面也展现出色，在 terms of situational awareness方面也展现出色，在 terms of situational awareness方面也展现出色；此外它还能作为关键通信中继节点平台，并能为海上搜救行动提供实时监控服务与日常通信网络服务保障[12]。多旋翼无人机在 terms of operational robustness方面表现出极强的适应性，并能在各种恶劣气象条件下稳定运行，并能在复杂环境条件下实现对危险目标的有效处理与监测[12]。水陆两栖飞机则兼具空中飞行能力和水下作业能力，并能在水上事故发生时快速响应机制到达现场并提供通信保障功能
2.4 直升机及其在海上应急通信中的应用
直升机采用俯视角度作业，在海面上执行救援任务时展现出较快的速度优势；其覆盖视野与作业区域均广泛无限制，并且能够实现24小时不间断的工作模式[13]。此外，在海上搜救工作中还可能采取自动搜索、绞车救援以及机降等多套方案协同配合的方式以提升整体效率；通过这种独特的人机结合模式能够在最大限度上减少海上事故造成的人员伤亡与财产损失等负面后果，在当前国际救捞领域已逐渐成为主流技术手段之一
3 陆基通信手段
陆基通信手段[1]专为近岸环境中的突发状况而设计，在海岸线或岛屿之间形成的区域布置了固定站点作为基础设施。
当近岸海域出现特殊事件并伴随紧急救援需求时，
凭借现有站点布局稳定可靠以及平台支撑功能突出的特点，
能够确保海岸线或岛屿周边实现应急通信联结。
3.1 AIS岸基网络系统及其在海上应急通信中的应用
船舶自动识别系统（AIS）是一种结合通信技术与信息技术的独特海上安全辅助导航系统[17]。它由陆基设施与舰载设备协同构成，在甚高频频道实现对舰载设备的无线数据传输，并向相关船舶及陆基站点发送相应的交通信息等基础数据。其中包含船舶名称标识符（MMSI）、航线信息记录、航行速度值、吃水深度记录以及船只长度参数等关键参数。当前我国已建成全球规模最大的 AIS 陆基通信网体系，在近岸海域发挥着重要的航行安全管理和应急保障功能。
该系统在海上应急响应中能够高效可靠地建立船岸信息联网通道，在覆盖水域出现突发事件时能够依据既定方案对遇险船只进行精准识别和动态跟踪，在确保安全的前提下对其他船舶实施有序引导，并通过实时监控船舶运行轨迹并进行科学航线规划以显著提升应急救援效率
3.2 GMDSS现代化中地面通信系统在海上应急通信中的应用
GMDSS采用高精尖的通信技术[14]来确保海上信息传输的顺畅性。无论船舶处于何处海域，在发生紧急情况时，在线或离线均可实现与岸上或邻近船舶之间的有效联系。这一系统的主要目标是最大限度地保障海上人员和财产的安全。其中，GMDSS地面通信系统[15]主要涉及MF/HF/VHF系统网络，并通过数字选择性呼叫（DSC）技术和窄带直接印字电报（NBDP）技术取代传统的摩尔斯电报技术，在实现电传通信的同时具备应急报警功能和无人值守特性。随着GMDSS现代化进程的推进，如NAVDAT、VDES等关键技术的研发完善，则不断优化和完善地面通信系统架构设计，在满足E-Navigation战略 ship-to-shore communication needs方面取得了显著进展（见表4）。
近年来我国不断推进海上应急 rescue 系统建设工作
3.3 岛屿通信及其在海上应急通信中的应用
在陆域之外的海域区域中，在岛礁上布置通信基站是可行选择。这种布置方式主要采用对流层散射通信技术[18]。通过将天线面向大海设计，在海上可以获得显著提升其性能的优势：一方面传输容量显著提升、覆盖距离远达数百公里且效果稳定；另一方面信号质量高保真；此外该技术还具有超视距传输能力。由于这种布置方式利用了对流层散射特性，在提高海上救援的保障范围的同时也显著提升了海上应急通信系统的可靠性和稳定性。
4 海基通信手段
海基通信手段基于船舶、浮标等作为海上平台，在海上突发事件或自然灾害发生时迅速建立通信网络并启动应急响应机制。
4.1 无人艇及其在海上应急通信中的应用
无人艇一类具备自主航行能力的水面运动平台。针对不同应用场景不断推出具有专业优势的"天行1号""Seafly01""蓝鲸号"等型号[19]。岸基监控子系统可安装于其他水面舰艇之上以实现母舰对多艘无人艇实施集中控制的巡航模式。其通信手段包括UHF/VHF频段无线电台4G无线网络Ad-Hoc自组网及卫星通信[20]。视距范围内采用数传电台进行通信若超出视距可在距离岸基控制中心约50公里处布设4G无线网络[21]其中4G网络传输速率高且建设成本低因此成为近岸区域的理想选择。此外在远海搜救任务中由于无人艇离岸较远可选用Inmarsat北斗天通一号等卫星通信设备[22]以完成远海范围内的信息传递同时该系统组网灵活便于快速搭建覆盖高移动性场景下的通信网络。尽管其搜救能力受限但通过与无人机协同作业可有效扩展搜救区域范围[18]
4.2 浮标及其在海上应急通信中的应用
应急浮标是一种漂浮式的通信平台[23]。其主要的通信方式是卫星通信，并结合CDMA（码分 Multiple Access）、GPRS（全球通移动电话）以及4G移动通信网络等多种技术手段[24]。此外还配备了数传电台（Numerically Transmitted Radio）以及Wi-Fi（无线宽带接入）等设备[25]。
该系统主要包括三种类型：用于紧急救生场景的应急救生浮标（Emergency Survival Float）、用于潜艇水下通讯中继的功能型 float 以及用于实时监测海上溢油情况的溢油跟踪监测 float[6]。
其中：
- 应急救生 float：无缆型设计可与导航雷达系统协同工作，在收到雷达扫描信号后迅速定位遇险潜艇的位置；
- 有缆型则配备超短波救生电台（Ultra-Short Wave Rescue Radio）及固定电话设备[7]；
- 作为潜艇水下通讯中转站的功能型 float 则负责将潜艇的信息传递至岸舰设备；
- 最新开发的溢油跟踪监测 float 利用北斗卫星定位技术实现对不同海况及油膜状态下的实时监控功能；
4.3 Mesh/Ad-Hoc网络及其在海上应急通信中的应用
该系统中的每个节点均具备数据传输与路由中继功能，在船舶、无人艇及无人机等移动平台组网中均具有广泛应用。当船舶位于无线电接入站（RAS）覆盖范围内时可直接与其通信；若超出RAS覆盖范围，则需与其他船舶或浮标设备共同构建网络[26]。Ad-Hoc网络与Mesh网络的主要区别在于其不存在固定基站[27]；在无法安装基站的近岸区域里，在相对固定位置部署基站可能带来较高的通信成本[28]。基于Ad-Hoc网络设计的海上移动通信系统通常采用AODV（Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing）协议[29]；该协议通过广播方式发送路由数据包（RREQ），各中间节点接收到该数据包后会更新本地缓存信息；当判断未接触过该数据包时则会将其转发给目标船舶并返回一个路由应答（RREP）包以确认接收结果[30]。AODV协议因其算法复杂度较低而得以有效避免大量路由信息堆积现象，在动态变化的海上移动组网场景下表现出良好的适应能力
5 展望
海上应急通信设备面临着诸多技术难题，在实现跨频段组网能力的同时也需构建天地一体化通信网络架构，并在此基础上进一步提升终端设备的尺寸缩减与便携性水平等基础性能。从长远角度来看，在加速推进"空天地海"一体化系统建设的基础上解决这一技术难题将是当前海上应急通信领域的主要研究方向。未来"空天地海"一体化系统将通过协同运行实现资源优化配置，在这一过程中通过对卫星进行统一规划从而完成空间组网任务能够充分发挥现有通信网络的优势资源。随着6G关键技术[29]的不断突破基于非地面中继节点构建的"空天地海"后续化发展体系将在覆盖全球通信区域的基础上显著提升传输效率并为海上船舶及人员提供稳定可靠的宽带接入服务同时为海上搜救行动提供全面信息支撑和决策参考框架
6 结束语
本文系统探讨了当前海上应急通信技术的发展现状及其面临的挑战，并重点介绍了基于"空天地海"一体化架构的海上应急通信网络体系。从空天地海四个维度综述了相关通信关键技术。通过整合卫星平台、高空观测设备、陆地基站以及无人无人艇等前沿技术构建了一个具有可靠性能的安全高效海上应急通信体系，并有效应对海上自然灾害与各类突发事件。该体系旨在为实现海洋强国建设提供坚实的支撑。