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卫星通信在北极东北航道的应用

所属栏目:通信论文 发布日期:2020-09-30 10:31 热度:

   北极东北航道是指穿越欧亚大陆的北冰洋近海,连接大西洋和太平洋的海上通道,具体是从白令海峡出发,向西经过楚科奇海、新西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、巴伦支海直到北欧。随着“冰上丝绸之路”倡议的提出以及北极航线的不断开发探索,北极东北航道通航量逐年递增,北极航行船舶对于通信服务的需求也与日俱增。2019年北海航海保障中心组织开展了北极东北航道卫星通信实船测试,分析不同模式的卫星通信在北极东北航道应用效果,并提出加强北极东北航道通信保障能力的建议。

卫星通信在北极东北航道的应用

  1卫星通信服务现状简述

  1.1海事卫星系统

  海事卫星系统目前最新的第五代星采用全IP体制,空间段采用3颗主用加1颗备用静止轨道卫星的组网方式,使用Ka频段,实现除两极高纬度地区之外的覆盖。海事卫星的船载通信终端目前主流应用有第四代星的FB(Fleet Broadband)和第五代星的GX(Global Xpress)。海上宽带通信系统FX(Fleet Xpress)综合了FB高可靠性和GX高带宽的优势,是全球第一个Ka波段卫星通信服务网络,除两极高纬度地区之外卫星信号全球无缝覆盖,终端在移动时可以在不同卫星波束之间无缝切换,并且拥有稳定可靠的L波段作为通信保障,提供商业航运市场领先的卫星通信服务[1]。

  1.2铱星系统

  铱星系统拥有一个几何结构独一无二的低轨地球(LEO)卫星网,系统包含66颗工作卫星,组成六个轨道平面,确保地球上任何时间任何位置都至少被一颗卫星覆盖。铱星系统在L频段上传送卫星语音和数据信号,而星际链路、地面上行和下行链路则使用Ka频段的频率。铱星系统提供全球通信,覆盖范围包括最边远极地地区,是唯一可以实现在两极通话的卫星通信系统[2]。

  1.3VSAT系统

  VSAT是Very Small Aperture Terminal的缩写,直译为“甚小口径终端”,是由天线直径小于2.4m、天线增益/天线噪声温度(G/T)低于19.7dB/K的卫星用户小站和一个枢纽站组成星状或网状的通信网,能够支持2Mb/s以下低速数据的单向或双向通信,可以提供高品质的数据、语音、图像与其它增值服务,VSAT便于与岸台连接,组网灵活,用户站天线较小等优势,可以实现点对点,点对面的广播和双工通信等特点也使其目前在海上使用较为普遍[3]。

  2应用测试情况及分析

  2.1测试方案及前期准备

  本次随船测试具体测试内容包括:海事卫星电话、铱星卫星电话、船载VSAT、铱星网络等卫星通信服务保障情况[4]。①测试方式。在航行中不同航段,根据具体航行情况,每天进行多次卫星电话通话,同时使用观察船载的VSAT及铱星网络的情况。②测试设备。海事卫星电话IsatPhone2、铱星卫星电话:Iridium 9555、船载VSAT Intellian GX60、船载铱星网络Iridium Pilot。

  2.2海事卫星电话测试情况

  在航程中共尝试进行海事卫星通话39次,其中接通27次,在9月13日,船位70°39.19N 164°47.69E点位之前的航段,海事卫星信号的通信质量较好,通话语音质量MOS评分一般在5级左右,该点位之后的通信质量开始变差,主要是延时明显、对星难度增大、拨通成功率变低。9月16日,船位77°54.15N 89°25.54E点位开始无法进行通话;9月18日,船位74°64N 46°07E点位开始恢复通话[5]。海事卫星电话理论覆盖范围内也存在未能接通或者通话质量差的情况,主要原因为天气原因,在海面风浪大的时候,会出现海事卫星电话对星困难,信号变弱的情况。阴雨天气下,海事卫星信号雨衰比较严重。海事卫星电话在临近极地高纬度地区通话表现来看,实际无法进行通话的盲区主要在北纬75°以上的区域,航程大概为2-3天,距离大约为750海里,位置在北地群岛经喀拉海过新地岛北侧进入巴伦支海的区域。海事卫星官方提供的覆盖范围为通信可靠性99.5%时可靠覆盖至75°,部分区域可以达到78°,实船测试效果与官方公布的覆盖范围相吻合。

  2.3铱星卫星电话测试

  在航程中共进行铱星通话27次,其中接通25次,基本上全程都可以通话,但是通信语言质量一般,随手持电话的轻微移动,信号变化明显。铱星卫星电话覆盖范围理论上能够全部覆盖北极航线,未能接通的两次原因主要是,波浪大无法对星以及雨衰[6]。

  2.4船载VSAT/铱星网络测试

  测试船舶使用的船载VSAT设备使用Inmarsat 提供的海上宽带通信系统FX服务。船载VSAT采用FX+FB捆绑的通信模式,当FX信号正常时可以上网、VSAT电话,当VSAT天线出现遮挡、受天气影响雨衰或船摇晃比较厉害时,FX信号减弱到一定值,系统会自动切换到FB工作,此时网速较慢。为合理有效利用好船舶资源,既能保障通信畅通,又能控制通信费用,船方规定日常邮件必需通过FX通信,而铱星网络仅作为备用,是在FX和FB均无法正常通信,而邮件又比较紧急的情况下偶尔为之。航程中船载VSAT主要用来上网使用,观察到峰值下载速率约为210KB/s,一般低于200KB/s。船载VSAT信号的使用情况如图1,在9月14日(船位74°34N 141°15E)到15日(船位77°18N 110°07E)之间,FX信号为0,完全不可用。9月15日(船位76°26.47N 119°21.96E)FB也开始没有信号;9月18日(船位75°26.96N 51°33.77E)FB开始有信号,FX同日也恢复[7]。

  3建议和对策

  根据测试和分析,对于卫星通信在北极东北航道应用有如下建议。

  3.1优化海事卫星电话使用

  在北极东北航道使用海事卫星电话,特别需要注意电话天线的仰角。天线指向仰角低于6°时,地面或海面噪声将陡然提升,多径衰落效应显著,无法保证全天候的通信质量。可以采用4.5m的天线及100W的信号放大的特制设备连接船载海事卫星设备,用以获得约30%的性能提升,实现在高纬度约80°的海事卫星通信。

  3.2提升海事卫星通信盲区通信保障

  北极东北航道上海事卫星通信盲区客观存在,除了采用铱星通信的手段弥补外,必须注重加强岸基短波通信系统建设,响应国家“冰上丝绸之路”倡议,贯彻落实《交通强国建设纲要》,保障卫星通信盲区内的航行安全,并且实现通信系统自主可控。

  3.3加强对卫星通信新技术的应用和研究

  相对于岸基通信系统,卫星通信近年来以VSAT为代表的新技术发展较快,并出现业务平台化,网络宽带化、标准全球化、终端易用化等特点,需要我们及时跟进研究加强应用[8]。

  4结语

  语音通信方面,铱星卫星电话与海事卫星电话使用比较,天气良好的情况下铱星卫星电话全程可以使用,但是声音处理比海事卫星电话差,音色失真明显,声音有延迟,影响交流,通话体验不佳。另外,铱星卫星电话的电池续航远远小于海事卫星电话,在北极航道低温环境中使用必须频繁充电。资费上铱星卫星电话日常使用成本较高。因此,建议海事卫星电话可以作为航程中的日常使用的卫星通信手段,铱星卫星电话可以作为海事卫星电话在北极航线盲区时的应急联系手段。数据宽带通信方面,虽然高纬度地区覆盖不佳,在目前船上的应用中,VSAT已经成为上网的主要手段。在VSAT网络不可用或信号不稳定时,可以考虑使用铱星网络收发邮件进行数据通信,但是成本较高。

  参考文献

  [1]尹晓丹.无线局域网在船舶网络通信中的应用研究[J].电子元器件与信息技术,2020,4(02):59-60.

  [2]以高输出与低失真特性,助力卫星通信地面站的小型化[J].电子元器件与信息技术,2017,1(05):49-50.

  [3]丁广,张建飞,赵乾宏,等.海事卫星通信及其在高纬度地区应用[C]//第十四届卫星通信学术年会论文集,2018:451-458.

  [4]卫星通信服务万里行[J].数字通信世界,2016(05):42.

  [5]海事卫星全新全球覆盖卫星手机完成首次通话[J].电信科学,2010,26(03):73.

  [6]文阁.国际海事卫星组织推出便携办公通信系统[J].邮电设计技术,1997(02):12.

  [7]糜江.浅谈海事卫星系统在公路应急处置信息化中的应用[J].公路交通科技(应用技术版),2011,7(06):279-282.

  [8]李宏飚,何光智,王世全,等.GPRS-DTU海事卫星电话远程监控系统[J].油气田地面工程,2009(09):53-54.

  作者:邢功

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