INMARSAT國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)在GMDSS中的原理

鄧昭廷

摘 要：INMARSAT廣泛應(yīng)用于GMDSS中。文章主要從其技術(shù)原理和應(yīng)用原理兩方面進(jìn)行分析。并且通過多種船站的比較，分析了為什么INMARSAT-C作為航運(yùn)中用戶量最多的船站的原因。

關(guān)鍵詞：INMARSAT;INMARSAT-C;多路復(fù)用;多址連接

中圖分類號(hào)：TN911.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 INMARSAT概述

INMARSAT（國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)）是GMDSS中衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，INMARSAT主要由海事通信衛(wèi)星、移動(dòng)終端（船舶地球站）、海岸地球站以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站和網(wǎng)絡(luò)控制中心組成。使用的設(shè)備有各類INMARSAT船站，以及用于MSI接收的增強(qiáng)群呼（EGC）接收設(shè)備。

其在現(xiàn)代國(guó)際航運(yùn)的船舶保駕護(hù)航中起著重要作用。INMARSAT國(guó)際海事衛(wèi)星組織1979年成立，1994年更改為IMSO國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織，1999年轉(zhuǎn)制為國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司：INMARSAT公司、INVSAT公司、RYDEX公司。

2 INMARSAT的衛(wèi)星通信技術(shù)原理

INMARSAT主要用到衛(wèi)星通信的一部分技術(shù)與原理。

INMARSAT衛(wèi)星為靜止軌道衛(wèi)星（地球同步衛(wèi)星），被應(yīng)用于除A1和A2海區(qū)以外的、INMARSAT靜止衛(wèi)星所覆蓋的南北緯70°以內(nèi)區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)可進(jìn)行連續(xù)的INMARSAT報(bào)警。但衛(wèi)星存在攝動(dòng)現(xiàn)象，必須采用軌道控制措施。還需要注意日凌和星蝕兩個(gè)都與太陽有關(guān)的現(xiàn)象，其中日凌中斷對(duì)通信質(zhì)量影響的大小和方向性天線的尺寸成正比[1]。如果天線是直立的無線電波，就很可能射到天線的底部而沒有射到天線的頂部接收端。所以，采用全向天線的地球站不會(huì)產(chǎn)生日凌中斷，和同步衛(wèi)星盲區(qū)的原理類似。應(yīng)用星蝕的原理可以推出INMARSAT衛(wèi)星上每天有且發(fā)生一次。

衛(wèi)星通信基本技術(shù)有：第一，多路復(fù)用：簡(jiǎn)單來說，就是地面站將多個(gè)用戶的數(shù)字基帶信號(hào)按時(shí)間先后順序排列，利用衛(wèi)星的一個(gè)信道傳輸給多個(gè)移動(dòng)地球站的技術(shù)。INMARSAT地面站常采用TDM技術(shù)（時(shí)分多路復(fù)用）。第二，多址連接：基本原理為，同一衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的多個(gè)MES，通過衛(wèi)星的同一信道，與同一個(gè)LES實(shí)現(xiàn)通信。又稱為多站通信技術(shù)。二者的差別在于，應(yīng)用場(chǎng)合不同：多路復(fù)用是在基帶內(nèi)復(fù)用，即在基帶上對(duì)信號(hào)混合和區(qū)分;而多址連接是在射頻信道上復(fù)用;信號(hào)來源不同：多路復(fù)用的信號(hào)直接來自話路，區(qū)分信號(hào)即區(qū)分話路，而多址連接的信號(hào)來自站址，區(qū)分信號(hào)即區(qū)分站址。多址接入技術(shù)在INMARSAT系統(tǒng)中的應(yīng)用：FDMA/TDMASDMA實(shí)現(xiàn)多站通信;采用SCPC/FDMA進(jìn)行船到岸、岸到船的INMARSAT話音、傳真、數(shù)據(jù)通信;TDM/TDMA實(shí)現(xiàn)INMARSAT的電傳通信;INMARSAT移動(dòng)地球站的TDMA幀由地面站的TDM發(fā)射進(jìn)行定時(shí)。

隨機(jī)（爭(zhēng)用）多址方式：第一種為純ALOHA（P-ALOHA）方式，這種完全隨機(jī)的多址方式是在公用信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組以便競(jìng)爭(zhēng)信道。只要地球站需要信息傳輸，任何站都可以在0.54s的時(shí)間內(nèi)收到該信息數(shù)據(jù)。而由于這種方式導(dǎo)致所有地球站發(fā)出的信號(hào)都在一個(gè)信道上，便很容易發(fā)生碰撞。業(yè)務(wù)量增大，碰撞機(jī)率也增大。雖然該方式有延時(shí)再分別重發(fā)的安排，但實(shí)際上這種信道的最大利用率只有18.4%，顯然不盡人意。第二種為時(shí)隙ALOHA（S-ALOHA）方式：此方式是純ALOHA（P-ALOHA）方式的升級(jí)版，考慮到純ALOHA（P-ALOHA）方式中同一信道的任意位置都有可能被占據(jù)，可控性不強(qiáng)，所以做出時(shí)隙ALOHA（S-ALOHA）方式的改進(jìn)，使得信道利用率翻倍。其原理是將信道分成多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)站只取其中的一個(gè)時(shí)隙，且發(fā)送時(shí)保證時(shí)鐘同步。這樣即便發(fā)生碰撞也是完全碰撞，而不會(huì)有部分碰撞，便于各站的重發(fā)處理。當(dāng)然，這種方式會(huì)存在信息優(yōu)先級(jí)的問題。第三種為預(yù)約ALOHA（R-ALOHA）方式。該方式要解決的是時(shí)隙ALOHA（S-ALOHA）方式的遺留問題，即信息優(yōu)先級(jí)選擇。顯然R-ALOHA就是用預(yù)約的方式來確定優(yōu)先級(jí)避免信道擁擠，提高了信道利用率。

信道分配方式：一是預(yù)分配（PA）方式：這種方式和預(yù)約ALOHA（R-ALOHA）方式有異曲同工之妙，都是先確定信道時(shí)隙來增強(qiáng)信息的可控性。PA的載頻是專用的，這樣在有業(yè)務(wù)時(shí)便可大大提升信道利用率，顯然在沒有業(yè)務(wù)時(shí)這部分時(shí)隙便沒有利用，所以PA方式只適合于業(yè)務(wù)量大的線路。二是按需分配（D AMA）方式，PA方式適合業(yè)務(wù)量大的線路，而DAMA方式是為滿足業(yè)務(wù)量小的需求的線路，是PA的補(bǔ)充方式。三是隨機(jī)分配方式，這種方式又是PA和DAMA的進(jìn)一步補(bǔ)充，即專門應(yīng)對(duì)突發(fā)的信息傳輸。這三種方式是處理信息量逐漸變小的過程，是集中到分散的過程。

3 INMARSAT的應(yīng)用原理

INMARSAT系統(tǒng)在船舶航行中起到重要應(yīng)用，主要有船對(duì)岸遇險(xiǎn)報(bào)警、岸至船遇險(xiǎn)報(bào)警接受、搜救協(xié)調(diào)通信、船舶日常無線電通信接收和發(fā)射、海上安全信息（MSI）接收和發(fā)射的應(yīng)用。其主要應(yīng)用原理如下。

INMARSAT系統(tǒng)由空間段、地面段和移動(dòng)站三大部分組成，可以實(shí)現(xiàn)以上的應(yīng)用。第一部分為空間段，其最具標(biāo)志性的是INMARSAT-3，用四顆靜止衛(wèi)星無縫隙覆蓋整個(gè)地球（除南北兩極）。從物理學(xué)角度來說，三顆地球同步衛(wèi)星POR、IOR、AOR-W足以實(shí)現(xiàn)地球南北緯70°以下緯度區(qū)域全覆蓋，INMARSAT-4便是采用3顆同步衛(wèi)星覆蓋的方式。INMARSAT-3增加的AOR-E，主要目的是服務(wù)二十世紀(jì)末繁忙的歐洲航線及十幾個(gè)大港，如鹿特丹港、費(fèi)利克斯托港、漢堡港等。目前，最先進(jìn)的衛(wèi)星系統(tǒng)是INMARSAT-5（GX），正如INMARSAT-3增加的衛(wèi)星是服務(wù)二十世紀(jì)末十幾個(gè)大港一樣，INMARSAT-5（GX）增加的一顆衛(wèi)星也是服務(wù)世界最大幾個(gè)港口地區(qū)及中國(guó)地區(qū)。GX的衛(wèi)星終端寬帶能力相當(dāng)于4G水平，實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)無處不在”的愿景。管理空間站的跟蹤遙測(cè)與控制站（TT&C）與衛(wèi)星控制中心（SCC），保證衛(wèi)星的性能安全與工作正常。

第二部分為地面段，其包括：地面站（LES/CES），地面站起到再傳遞和連接的效用，船舶信息發(fā)送的流程為——移動(dòng)站發(fā)信息給INMARSAT衛(wèi)星，INMARSAT衛(wèi)星再發(fā)送給地面站，最終由地面站將信息發(fā)送給陸地用戶。地面站和電話總機(jī)是一個(gè)道理，地面站是總機(jī)，移動(dòng)站就是分機(jī)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)中心（NCS）：每個(gè)洋區(qū)都有一個(gè)，分管本洋區(qū)的所有固定地球站和移動(dòng)地球站;發(fā)布公共時(shí)分多路復(fù)用（TDM）信息，確保信道得到合理有效使用，主要用于船舶跟蹤本洋區(qū)衛(wèi)星;接收遇險(xiǎn)信號(hào)并協(xié)調(diào)多方力量進(jìn)行海難救助。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心（NOC）：NOC是INMARSAT系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的總負(fù)責(zé)中心，管理四個(gè)洋區(qū)的NCS。對(duì)于海難救助來說，如果NCS可以處理，可以NCS直接處理而NOC為監(jiān)視作用。

第三部分為移動(dòng)站，移動(dòng)站是指，利用INMARSAT系統(tǒng)進(jìn)行通信的衛(wèi)星終端設(shè)備。其直接面向用戶，由移動(dòng)用戶負(fù)責(zé)購買或租用（每個(gè)移動(dòng)站都被分配有自己專用的識(shí)別碼）。對(duì)于國(guó)際航運(yùn)的船舶來說，移動(dòng)站就是指海用移動(dòng)站（SES），簡(jiǎn)稱船站。目前，船舶使用的完全滿足GMDSS要求的船站是INMARSAT-C/F77。

4 INMARSAT的應(yīng)用現(xiàn)狀

INMARSAT系統(tǒng)有A、B、C、D/D+、M、Mini-M、M4、E和F等幾種，但目前廣泛使用的主要是INMARSAT-C、INMARSAT-F這兩種系統(tǒng)。其中，INMARSAT-C占主導(dǎo)地位。雖然INMARSAT-B也是INMARSAT系統(tǒng)中重要的一環(huán)，卻有其一定的優(yōu)勢(shì)，如其具有數(shù)字電話、數(shù)字傳真、傳輸數(shù)據(jù)、電傳、視頻和E-mail的功能，比INMARSAT-A更能充分利用頻率資源，使得空間段費(fèi)用大大降低，因而是INMARSAT-A系統(tǒng)的替代品;還有在遇險(xiǎn)報(bào)警中優(yōu)于INMARSAT-C系統(tǒng)的地方是，其可以提供電話報(bào)警，但由于有些業(yè)務(wù)在實(shí)際航行中并沒有經(jīng)常應(yīng)用且費(fèi)用較高，盡管性能優(yōu)于INMARSAT-C系統(tǒng)，卻被INMARSAT-C更低廉的價(jià)格和更貼切的需求所打敗。INMARSAT-B已于2016年12月31日關(guān)閉。對(duì)于INMARSAT-F，其具有數(shù)字電話通信、數(shù)字傳真、高速數(shù)據(jù)傳輸、電傳、視頻、ISDN、總是在線接入互聯(lián)網(wǎng)、MPDS、E-mail等功能，是目前功能較多的INMARSAT系統(tǒng)之一。盡管功能強(qiáng)大，但也由于費(fèi)用高昂等原因計(jì)劃將于2020年12月關(guān)閉。

而INMARSAT-C與INMARSAT-B一樣，也是INMARSAT-A的升級(jí)版，雖然只有數(shù)據(jù)傳輸、電傳和E-mail這三個(gè)功能，但卻是現(xiàn)存的唯一沒有計(jì)劃關(guān)閉的INMARSAT系統(tǒng)。為什么呢？是由于其體積小、重量輕，適用于各種噸位的船舶。并且INMARSAT-C系統(tǒng)按字節(jié)收費(fèi)價(jià)格低廉，關(guān)鍵還在于在遇險(xiǎn)報(bào)警中，INMARSAT-C在極端條件下仍有很好的報(bào)警效果，可經(jīng)NSC發(fā)射（經(jīng)NSC發(fā)射的原因可能是船舶沒有選擇LES，或者選擇了LES但岸站卻沒有收到，或者船站沒有入網(wǎng)）。因此，其是目前INMARSAT公司擁有用戶量最多的系統(tǒng)。盡管INMARSAT-C沒有語音通信的功能，但因其實(shí)用的功能和低廉的價(jià)格，使得其成為INMARSAT系統(tǒng)中的常青樹。而且INMARSAT-C是海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)中唯一的全向性天線，其不會(huì)受到日凌現(xiàn)象的影響，方便船員使用與管理。

總之，INMARSAT是在GMDSS中應(yīng)用廣泛的的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，現(xiàn)代國(guó)際航運(yùn)已然離不開它。相信隨著現(xiàn)代無線電通訊的發(fā)展及5G的應(yīng)用，INMARSAT技術(shù)將會(huì)有更大的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉偉潮.GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.