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衛星通信在北極東北航道的應用

所屬欄目:通信論文 發布日期:2020-09-30 10:31 熱度:

   北極東北航道是指穿越歐亞大陸的北冰洋近海,連接大西洋和太平洋的海上通道,具體是從白令海峽出發,向西經過楚科奇海、新西伯利亞海、拉普捷夫海、喀拉海、巴倫支海直到北歐。隨著“冰上絲綢之路”倡議的提出以及北極航線的不斷開發探索,北極東北航道通航量逐年遞增,北極航行船舶對于通信服務的需求也與日俱增。2019年北海航海保障中心組織開展了北極東北航道衛星通信實船測試,分析不同模式的衛星通信在北極東北航道應用效果,并提出加強北極東北航道通信保障能力的建議。

衛星通信在北極東北航道的應用

  1衛星通信服務現狀簡述

  1.1海事衛星系統

  海事衛星系統目前最新的第五代星采用全IP體制,空間段采用3顆主用加1顆備用靜止軌道衛星的組網方式,使用Ka頻段,實現除兩極高緯度地區之外的覆蓋。海事衛星的船載通信終端目前主流應用有第四代星的FB(Fleet Broadband)和第五代星的GX(Global Xpress)。海上寬帶通信系統FX(Fleet Xpress)綜合了FB高可靠性和GX高帶寬的優勢,是全球第一個Ka波段衛星通信服務網絡,除兩極高緯度地區之外衛星信號全球無縫覆蓋,終端在移動時可以在不同衛星波束之間無縫切換,并且擁有穩定可靠的L波段作為通信保障,提供商業航運市場領先的衛星通信服務[1]。

  1.2銥星系統

  銥星系統擁有一個幾何結構獨一無二的低軌地球(LEO)衛星網,系統包含66顆工作衛星,組成六個軌道平面,確保地球上任何時間任何位置都至少被一顆衛星覆蓋。銥星系統在L頻段上傳送衛星語音和數據信號,而星際鏈路、地面上行和下行鏈路則使用Ka頻段的頻率。銥星系統提供全球通信,覆蓋范圍包括最邊遠極地地區,是唯一可以實現在兩極通話的衛星通信系統[2]。

  1.3VSAT系統

  VSAT是Very Small Aperture Terminal的縮寫,直譯為“甚小口徑終端”,是由天線直徑小于2.4m、天線增益/天線噪聲溫度(G/T)低于19.7dB/K的衛星用戶小站和一個樞紐站組成星狀或網狀的通信網,能夠支持2Mb/s以下低速數據的單向或雙向通信,可以提供高品質的數據、語音、圖像與其它增值服務,VSAT便于與岸臺連接,組網靈活,用戶站天線較小等優勢,可以實現點對點,點對面的廣播和雙工通信等特點也使其目前在海上使用較為普遍[3]。

  2應用測試情況及分析

  2.1測試方案及前期準備

  本次隨船測試具體測試內容包括:海事衛星電話、銥星衛星電話、船載VSAT、銥星網絡等衛星通信服務保障情況[4]。①測試方式。在航行中不同航段,根據具體航行情況,每天進行多次衛星電話通話,同時使用觀察船載的VSAT及銥星網絡的情況。②測試設備。海事衛星電話IsatPhone2、銥星衛星電話:Iridium 9555、船載VSAT Intellian GX60、船載銥星網絡Iridium Pilot。

  2.2海事衛星電話測試情況

  在航程中共嘗試進行海事衛星通話39次,其中接通27次,在9月13日,船位70°39.19N 164°47.69E點位之前的航段,海事衛星信號的通信質量較好,通話語音質量MOS評分一般在5級左右,該點位之后的通信質量開始變差,主要是延時明顯、對星難度增大、撥通成功率變低。9月16日,船位77°54.15N 89°25.54E點位開始無法進行通話;9月18日,船位74°64N 46°07E點位開始恢復通話[5]。海事衛星電話理論覆蓋范圍內也存在未能接通或者通話質量差的情況,主要原因為天氣原因,在海面風浪大的時候,會出現海事衛星電話對星困難,信號變弱的情況。陰雨天氣下,海事衛星信號雨衰比較嚴重。海事衛星電話在臨近極地高緯度地區通話表現來看,實際無法進行通話的盲區主要在北緯75°以上的區域,航程大概為2-3天,距離大約為750海里,位置在北地群島經喀拉海過新地島北側進入巴倫支海的區域。海事衛星官方提供的覆蓋范圍為通信可靠性99.5%時可靠覆蓋至75°,部分區域可以達到78°,實船測試效果與官方公布的覆蓋范圍相吻合。

  2.3銥星衛星電話測試

  在航程中共進行銥星通話27次,其中接通25次,基本上全程都可以通話,但是通信語言質量一般,隨手持電話的輕微移動,信號變化明顯。銥星衛星電話覆蓋范圍理論上能夠全部覆蓋北極航線,未能接通的兩次原因主要是,波浪大無法對星以及雨衰[6]。

  2.4船載VSAT/銥星網絡測試

  測試船舶使用的船載VSAT設備使用Inmarsat 提供的海上寬帶通信系統FX服務。船載VSAT采用FX+FB捆綁的通信模式,當FX信號正常時可以上網、VSAT電話,當VSAT天線出現遮擋、受天氣影響雨衰或船搖晃比較厲害時,FX信號減弱到一定值,系統會自動切換到FB工作,此時網速較慢。為合理有效利用好船舶資源,既能保障通信暢通,又能控制通信費用,船方規定日常郵件必需通過FX通信,而銥星網絡僅作為備用,是在FX和FB均無法正常通信,而郵件又比較緊急的情況下偶爾為之。航程中船載VSAT主要用來上網使用,觀察到峰值下載速率約為210KB/s,一般低于200KB/s。船載VSAT信號的使用情況如圖1,在9月14日(船位74°34N 141°15E)到15日(船位77°18N 110°07E)之間,FX信號為0,完全不可用。9月15日(船位76°26.47N 119°21.96E)FB也開始沒有信號;9月18日(船位75°26.96N 51°33.77E)FB開始有信號,FX同日也恢復[7]。

  3建議和對策

  根據測試和分析,對于衛星通信在北極東北航道應用有如下建議。

  3.1優化海事衛星電話使用

  在北極東北航道使用海事衛星電話,特別需要注意電話天線的仰角。天線指向仰角低于6°時,地面或海面噪聲將陡然提升,多徑衰落效應顯著,無法保證全天候的通信質量。可以采用4.5m的天線及100W的信號放大的特制設備連接船載海事衛星設備,用以獲得約30%的性能提升,實現在高緯度約80°的海事衛星通信。

  3.2提升海事衛星通信盲區通信保障

  北極東北航道上海事衛星通信盲區客觀存在,除了采用銥星通信的手段彌補外,必須注重加強岸基短波通信系統建設,響應國家“冰上絲綢之路”倡議,貫徹落實《交通強國建設綱要》,保障衛星通信盲區內的航行安全,并且實現通信系統自主可控。

  3.3加強對衛星通信新技術的應用和研究

  相對于岸基通信系統,衛星通信近年來以VSAT為代表的新技術發展較快,并出現業務平臺化,網絡寬帶化、標準全球化、終端易用化等特點,需要我們及時跟進研究加強應用[8]。

  4結語

  語音通信方面,銥星衛星電話與海事衛星電話使用比較,天氣良好的情況下銥星衛星電話全程可以使用,但是聲音處理比海事衛星電話差,音色失真明顯,聲音有延遲,影響交流,通話體驗不佳。另外,銥星衛星電話的電池續航遠遠小于海事衛星電話,在北極航道低溫環境中使用必須頻繁充電。資費上銥星衛星電話日常使用成本較高。因此,建議海事衛星電話可以作為航程中的日常使用的衛星通信手段,銥星衛星電話可以作為海事衛星電話在北極航線盲區時的應急聯系手段。數據寬帶通信方面,雖然高緯度地區覆蓋不佳,在目前船上的應用中,VSAT已經成為上網的主要手段。在VSAT網絡不可用或信號不穩定時,可以考慮使用銥星網絡收發郵件進行數據通信,但是成本較高。

  參考文獻

  [1]尹曉丹.無線局域網在船舶網絡通信中的應用研究[J].電子元器件與信息技術,2020,4(02):59-60.

  [2]以高輸出與低失真特性,助力衛星通信地面站的小型化[J].電子元器件與信息技術,2017,1(05):49-50.

  [3]丁廣,張建飛,趙乾宏,等.海事衛星通信及其在高緯度地區應用[C]//第十四屆衛星通信學術年會論文集,2018:451-458.

  [4]衛星通信服務萬里行[J].數字通信世界,2016(05):42.

  [5]海事衛星全新全球覆蓋衛星手機完成首次通話[J].電信科學,2010,26(03):73.

  [6]文閣.國際海事衛星組織推出便攜辦公通信系統[J].郵電設計技術,1997(02):12.

  [7]糜江.淺談海事衛星系統在公路應急處置信息化中的應用[J].公路交通科技(應用技術版),2011,7(06):279-282.

  [8]李宏飚,何光智,王世全,等.GPRS-DTU海事衛星電話遠程監控系統[J].油氣田地面工程,2009(09):53-54.

  作者:邢功

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文章標題:衛星通信在北極東北航道的應用

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