現(xiàn)代通信技術在海上搜救中的應用

呂振肅, 劉忠學, 王連勝, 王良成

(①海南大學三亞學院,海南三亞 572022;②三亞海事局,海南 三亞 572022)

0 引言

遼闊的海洋占地球總面積的四分之三,每天都有成千上萬只不同類型、不同大小、不同任務的船泊航行在不同的海域中。由于海洋氣候條件的無常變化和突發(fā)事故等原因,在海上經(jīng)常有船泊發(fā)生遇難。遇難者面對茫茫大海盼望得到救助,而及時發(fā)出和準確獲得遇難信息,也就是通信,是救援工作的關鍵。

海上通信可分常規(guī)通信和遇險與安全通信,搜救使用的主要是后者。海上搜救通信的基本功能是遇險報警、搜救協(xié)調(diào)和幫助定位[1-2]。由于海上環(huán)境的特殊性,海洋通信與陸地通信有很大不同：①海洋地域遼闊,注定了海上搜救通信必然是跨地區(qū)和跨國家的全球國際通信;②海上航行的船舶是一個運動載體,海上又沒有條件建立永久性通訊基站,因此,海上搜救通信只能采用無線的、移動的通訊方式;③海上通信條件惡劣,為了保證通信的可靠性,必須使用多種通訊方式和配備多種通信系統(tǒng);④船舶遇險報警和搜救通常是一種緊急呼叫和一些簡單語言命令傳遞,因此,要求通信方式必須簡單、快捷、可靠和明了。

在各種海上救援系統(tǒng)中,GMDSS無疑是技術最全面、應用最廣泛、作用最顯著的系統(tǒng)。GMDSS是國際海事組織(IMO)利用現(xiàn)代化的通信技術改善海上遇險與安全通信,建立新的海上搜救通信程序,并用來進一步完善現(xiàn)行常規(guī)海上通信的一套龐大、綜合與全球性的通信搜救網(wǎng)絡。作為一種全新的搜救通信系統(tǒng),由于引入了許多高新的技術和全新的內(nèi)容,特別是引入了衛(wèi)星通信,使得該系統(tǒng)能基本滿足船舶搜救和通信的需求。可以說 GMDSS在某種程度上代表了當今通信技術的發(fā)展水平[3-5]。

1 甚高頻(VHF)通信技術

VHF是海上救援最重要的通信方式,通常用來進行水上近距離無線電通信[6-8]。

甚高頻又稱超短波(米波),指波長為 10～1米,頻率在30～300 MHz之間的無線電波。正常情況下,這個頻段內(nèi)的無線電信號基本上都是沿直線方式傳播,傳播的距離一般在100海里以內(nèi),實際正常范圍 30～50海里左右。VHF在四個海區(qū)中都采用。在 A 1海區(qū)進行船 -岸無線電通信、船-船駕駛臺之間通信和現(xiàn)場搜救作業(yè)通信。在A 2-A 4海區(qū)進行船 -船之間通信和現(xiàn)場搜救作業(yè)通信。VHF70頻道(VHF CH70)遇險安全數(shù)字選擇性呼叫(DSC)功能則在四個海區(qū)中都使用。

按照國際電信聯(lián)盟(ITU-R)規(guī)定,GMDSS占用 156～174MHz之間的 VHF頻段,其主要功能是水上常規(guī)通信和遇險安全報警通訊。前者包括海岸電臺和陸上電話網(wǎng)用戶之間的常規(guī)公眾通信;港口引航業(yè)務和船舶動態(tài)業(yè)務通信;船舶之間駕駛臺對駕駛臺的通信以及海上近距離搜救協(xié)調(diào)通信和搜救現(xiàn)場通信等。后者包括 VHF 60頻道(VHFCH16)遇險、安全值守功能和VHFCH 70遇險、緊急、安全 DSC呼叫功能。另外,近年投入使用的船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)也工作在 VHF波段,AIS采用數(shù)字通信技術實現(xiàn)船位的自動播發(fā)和收集以及對附近船舶的監(jiān)測。

VHF通信系統(tǒng)包括海上船舶裝載設備和陸上系統(tǒng)。根據(jù) 1988年 SOLAS公約修正案要求：海上船舶必須配備具有無線電話和 DSC功能的 VHF無線電通信設備(包括雙向VHF收發(fā)信機、DSC終端和 VHF CH 70信道 DSC值守機),船舶還應配備 2～3臺救生艇筏上使用的雙向VHF無線電話通信設備。對僅航行在 A 1海區(qū)的船舶還可以配備VHF CH70信道應急無線電示位標(EPIRB),用以代替衛(wèi)星EPIRB實現(xiàn)遇險搜救。陸上系統(tǒng)通常由 VHF通信信息中心(RCC)、VHF通信控制分中心(RSC)和VHF岸臺組成。各VHF岸臺分別配置遙控型 VHF收發(fā)信機、天饋線系統(tǒng)、遙控設備和網(wǎng)絡設備(PCM)等;各通信控制分中心由轉(zhuǎn)接控制設備、DSC處理設備和網(wǎng)絡設備等組成。VHF岸臺與通信控制分中心通過網(wǎng)絡設備與數(shù)字傳輸線路連接,可采用同步數(shù)字體系(SDH)、電纜、微波等;RCC與各地區(qū)通信控制分中心的連接通過公用電信網(wǎng)聯(lián)接。

船用VHF有單工和雙工兩種通信方式：船舶間通信工作在同頻單工方式;船臺和岸臺間通信,或者是船臺經(jīng)岸臺轉(zhuǎn)接到公眾通信網(wǎng)上用戶的通信使用雙工方式;船與岸之間為港口工作或船舶動態(tài)業(yè)務而進行的通信,可使用同頻單工方式,也可使用半雙工方式。VHF無線電話采用調(diào)相方式(G3E);VHF DSC呼叫采用利用副載波調(diào)制的單路調(diào)相自動報方式(G2B),DSC終端的調(diào)制解調(diào)器采用移頻鍵控(FSK)調(diào)制方式。

2 中/高頻(MF/HF)通信技術

MF/HF是海洋通訊和海上救援中使用歷史較長的一種傳統(tǒng)通信方式,目前在 A1以外海區(qū)的救援通信中仍占有重要地位。

中頻(MF)指波長為 1 000～100米,頻率在 300～3 000 kHz之間的無線電波。這個頻段內(nèi)的無線電信號主要靠地波傳播,也伴有部分天波。白天靠地波,可傳播 200海里;夜間靠地波和天波,可傳播 400海里,主要用于海上中距離通訊業(yè)務。高頻(HF)又稱短波,指波長為 100～10米,頻率在 3～30 MHz之間的無線電波。這個頻段內(nèi)的無線電信號主要靠電離層波(天波)傳播,傳輸距離可達數(shù)千公里,主要用于海上遠距離通信。

按照ITU-R規(guī)定,水上通信占用 435～526.5 k Hz,1.606 5～3.8MHz之間的 MF頻段和 3.155～27.5 MHz之間的HF頻段。MF/HF的主要功能是實現(xiàn)船到岸、岸到船、船到船的中距離和遠距離遇險報警和通信,緊急呼叫和通信,安全呼叫和通信,日常呼叫和通信,以及 MF/HF DSC遇險與安全的自動值守。要求MF設備能夠發(fā)送和接收 DSC、無線電話和窄帶直接印字電報(NBDP)。其中MF 2 187.5k Hz頻率專用在DSC值班接收機上進行遇險報警和安全呼叫;在2 182 kHz上使用無線電話進行遇險和安全通信,包括搜救協(xié)調(diào)通信和現(xiàn)場通信;2 174.5 kHz將用于NBDP的遇險和安全通信。HF主要用在船到岸和岸到船的遠距離通信中。特別是在A 4海區(qū),高頻是唯一的遠距離通信手段。其中單邊帶抑制載波電話(SSB)最早服務于海上遠距離通訊,至今仍是海岸和船舶配備的主要短波電臺,用于遠距離的船舶遇險、緊急、安全通信的值守、呼叫及各類船岸無線電話業(yè)務聯(lián)系。

SOLAS公約規(guī)定航行在 A2海區(qū)的船舶必須配備帶有DSC的中頻無線電話設備和專用在 2 187.5 kHz頻率上的MF值班接收機。航行在 A 3、A 4海區(qū)的船舶除配備以上兩項外,還應配備 MF/HF DSC值守機,并要求在 DSC遇險安全呼叫頻率 2 187.5 kHz和 8 414.5 kHz上 24小時值守,另外還要在 DSC遇險安全呼叫頻率 4 207.5 kHz、6 312 k Hz、12 577k Hz和 16 804.5 kHz中的一個頻率上保持不間斷收聽,也可在這些頻率上全部掃描值守。A4海區(qū)船舶必須配備MF/HF帶有 DSC和 NBDP組合的無線電話與電傳設備,配備中頻/高頻 DSC掃描值班接收機。中、高頻海岸地面通信設備主要是MF/HF組合電臺,由MF/HF收發(fā)信機和其終端設備,包括無線電電傳終端、DSC終端以及無線電話等部分組成。MF/HF的傳輸、連網(wǎng)以及管理通常與 VHF岸臺放在一起。

組合電臺一般采用單邊帶的上邊帶通信,而不采用調(diào)幅制通信。無線電傳通信和 DSC呼叫在終端采用 FSK調(diào)制,在收發(fā)通道采用調(diào)頻(F1B)方式。在地面通信系統(tǒng)中,當發(fā)射MF/HF NBDP終端或 MF/HF DSC終端的信息時,發(fā)信機中采用的是 F1B或G2B工作種類。對 MF/HF電話終端,發(fā)信機的工作種類為G3E或單邊帶減載波電話(R3E)。GMDSS船舶的組合電臺在船與岸之間通信時一般采用半雙工工作方式,即船舶采用單工方式,海岸電臺采用雙工工作方式。而船臺與船臺之間通信通常采用的是單工工作方式。不論船岸間通信,還是船船間通信,船舶電臺一般采用單工工作方式。

另外,在MF頻段還負責播發(fā)海上航行安全信息(NAVTEX系統(tǒng)),NAVTEX是一種近距離廣播通信系統(tǒng),工作頻率為 518 kHz,用英語以窄帶前向糾錯工作方式及時有效地向400海里范圍以內(nèi)沿岸船舶播發(fā)有關航行警告,氣象警告、搜救信息、氣象預報及其它緊急的海上安全信息(MSI),以保證船舶航行的安全。航行在四個海區(qū)的船上都裝有 NAVTEX接收機,可自動接收和處理NAVTEX播發(fā)臺發(fā)射的本航行區(qū)域內(nèi)的海上安全信息[9]。

3 衛(wèi)星通信技術

衛(wèi)星通信是 GMDSS的重要組成部分。GMDSS目前使用的海洋衛(wèi)星通信有兩大系統(tǒng)：國際移動衛(wèi)星組織(INMARSAT)系統(tǒng)和全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(COSPAS/SARSAT系統(tǒng))。

INMARSAT成立于 1979年,建立初期宗旨是為海上用戶提供遇險安全通信和常規(guī)衛(wèi)星通信服務,現(xiàn)已發(fā)展成為世界上唯一能為空中、陸地、水上各固定和移動終端提供全球、全天侯話音、傳真、圖像、數(shù)據(jù)通信業(yè)務和遇險安全通信業(yè)務的系統(tǒng)[10]。

INMARSAT系統(tǒng)主要由海事通信衛(wèi)星、衛(wèi)星控制中心(SOC)和測控站(TT＆C),網(wǎng)絡協(xié)調(diào)站(NCS)、網(wǎng)絡控制中心(NCC)以及海岸地球站(地面站LES)和船舶地球站 (移動站MES)組成。INMARSAT衛(wèi)星控制中心設在倫敦 INMARSAT總部,它通過測控站負責對 INMARSAT衛(wèi)星進行監(jiān)測、協(xié)調(diào)和控制。INMARSAT在全球四個洋區(qū)都指定一個岸站兼作網(wǎng)絡協(xié)調(diào)站,負責對本洋區(qū)通信網(wǎng)的營運和管理。地面站是陸地網(wǎng)絡和移動終端的網(wǎng)關(接口),通過衛(wèi)星和移動站進行通信,并為移動站提供國內(nèi)或國際網(wǎng)絡通信的一個接口。

海事通信衛(wèi)星采用的是定點于赤道上空 36000公里處的靜止軌道衛(wèi)星,用四顆衛(wèi)星將地球南北緯 76度之間的表面全部覆蓋。目前,INMARSAT共經(jīng)營著11顆衛(wèi)星,其中,海事第 2代星有 3顆,第 3代星有 5顆,第 4代星有 3顆。目前使用的是第三代衛(wèi)星,設有一個全球波束轉(zhuǎn)發(fā)器和五個點波束轉(zhuǎn)發(fā)器,由于點波束和雙極化技術的引入,使得在第三代衛(wèi)星上可以動態(tài)地進行功率和頻帶分配,從而大大提高了衛(wèi)星信道資源的利用率。INMARSAT第 4代第 3顆衛(wèi)星于2008年 8月 18日成功發(fā)射,并于 2009年 2月 24日完成全球覆蓋調(diào)整。INMARSAT正不停地更新改進其現(xiàn)有的通信衛(wèi)星,以便為用戶提供更多、更好的服務。

INMARSAT先后開發(fā)了十多個系列的通信終端,包括Inmarsat-A、B、C(Mini-C)、D、E、M(Mini-M)、M4、F(F77、F55、F33)等。但能夠滿足海上遇險、安全和常規(guī)通信業(yè)務的主要是 A、B、C和F77系統(tǒng)。Inmarsat-A系統(tǒng)服務于 1982年,20多年來一直是遠洋運輸船舶、大型油輪及客輪移動通信的主要手段,曾經(jīng)為海上移動通信作出很大的貢獻,但隨著通信技術的發(fā)展,A標準于 2007年 12月 31日退出歷史舞臺。Inmarsat-B于 1993年提供服務,它是 Inmarsat-A的數(shù)字接替產(chǎn)品之一,提供所有與A系統(tǒng)相同但有所增強的服務。Inmarsat-C系統(tǒng)是純數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),是GMDSS要求船舶必備的設備之一。C系統(tǒng)除提供普通的電傳、數(shù)據(jù)、文字傳真外,還有許多諸如增強群呼安全網(wǎng),車、船管理網(wǎng),遙測、遙控和數(shù)據(jù)采集,以及遇險報警等。有多種型號 C終端可與全球定位系統(tǒng)(GPS)綜合在一起作為船舶定時位置報告手段。Inmarsat-F77設備使用了目前世界上最先進的技術,其業(yè)務不但可提供滿足 GMDSS要求的海上遇險、緊急、安全和常規(guī)電話通信業(yè)務,還可以提供高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。同時,F77提供的移動綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(IDSN)和移動包交換數(shù)據(jù)(MPDS)業(yè)務可以使F77船站方便地接人到國際互聯(lián)網(wǎng),并與寬帶網(wǎng)業(yè)務兼容。

另外,增強群呼(EGC)也是INMARSAT的一項海上安全服務業(yè)務,具有和NAVTEX系統(tǒng)相同的功能。EGC系統(tǒng)通過海事衛(wèi)星向固定海域、臨時劃定區(qū)域的船舶群或所有船舶提供全球統(tǒng)一的自動海上安全信息衛(wèi)星廣播業(yè)務,它彌補了NAVTEX的空白,保證 NAVTEX岸臺覆蓋不到的遠海域、沒有能力建立 NAVTEX業(yè)務或由于船舶密度太低而不開放NAVTEX業(yè)務的沿海水域也能接收到海上安全信息。

COSPAS/SARSAT系統(tǒng)是一個國際性衛(wèi)星輔助搜救系統(tǒng)。為世界上所有負責海上、空中和陸地搜救行動的組織提供服務,主要功能是無線電定位。該系統(tǒng)由衛(wèi)星、EPIRB、區(qū)域用戶終端(LUT)和任務控制中心(MCC)組成,其工作頻率為 121.5MHz、243MHz、406MHZ。系統(tǒng)目前使用四顆低高度極軌道衛(wèi)星,提供全球包括兩極區(qū)域在內(nèi)的船對岸遇險報警服務。GMDSS系統(tǒng)要求航行于四個海區(qū)的船舶必須配備406MHz自浮式衛(wèi)星應急無線電示位標。EPIRB在遇險時可人工或自動啟動,發(fā)出包括本船識別碼在內(nèi)的遇險報警信息,當極軌道衛(wèi)星通過時,由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收處理和中繼后轉(zhuǎn)發(fā)到地面上的區(qū)域用戶終端,然后通過陸上公眾交換網(wǎng)或?qū)Ｓ镁€路通知任務控制中心和有關的搜救協(xié)調(diào)中心,完成船對岸的遇險報警。

4 雷達尋位技術

在 GMDSS中,搜救雷達應答器(SART)屬于尋位設備,其工作頻率為 9GHz,是對遇險船舶或其救生艇筏進行尋位的主要手段。GMDSS要求航行于四個海區(qū)的船舶必須配備兩臺搜救雷達應答器。當發(fā)生海難事故時,搜救雷達應答器人工開啟,進入待命狀態(tài),當應答器接收到搜索與營救船舶或飛機上的9GHz波段雷達發(fā)來的掃描信號后,通過天線發(fā)出信號,該信號被雷達接收,在其顯示器的熒光屏上顯示出由一系列光點組成的信號。根據(jù)這獨特的信號,搜救者可判斷出遇險船舶或救生艇,或遇險幸存者所在的位置,進行營救。

5 結語

GMDSS實施已經(jīng)快 20年了,通過 SOLAS公約的不斷修正,其要求越來越高,功能越來越完善,技術也越來越先進。作為一種全球性的海上無線電通信系統(tǒng),GMDSS的實施和運行無疑對海上船舶安全航行和遇險救助產(chǎn)生了巨大影響,因而受到世界各國的普遍響應和遵守。但是從現(xiàn)代通信與信息技術的發(fā)展水平看,GMDSS在新技術應用方面還存在一定的滯后,有許多陸地上已經(jīng)應用成熟的信息技術需要進一步向海上推廣,更有許多適合海上應用的現(xiàn)代通信技術需要研究與開發(fā)。

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