海事卫星第五代全球卫星通信系统及应用

● 文|中国交通通信信息中心 邵珍珍 万千 余风平

海事卫星第五代全球卫星通信系统及应用

● 文|中国交通通信信息中心 邵珍珍 万千 余风平

1979年，在联合国国际海事组织倡导下，由美国、英国、中国等三十多个国家共同发起创立了国际海事卫星组织（Inmarsat）（现已更名为国际移动卫星公司，英文缩写不变）。该组织成立的宗旨是以先进的卫星通信技术实现船舶海上遇险、救助和调度指挥现代化。根据这一宗旨，各国政府支持海事卫星组织建设了第一个具有全球通信覆盖能力的国际移动卫星通信系统，以其高可靠性、全天候、全球覆盖能力，成为海上航行安全最主要的保障手段，是满足国际海事组织（IMO）《全球海上人命安全公约》要求，唯一一个写入全球海上遇险安全通信标准（GMDSS）的移动卫星通信系统。海事卫星组织发展到今天，成员国已达93个，其通信服务在全球160多个国家和地区的海上船舶、航空飞行器得到广泛应用。

30年来，Inmarsat不断引入最新技术成果，2013年年底发射的第一颗第五代卫星，采用了Ka频段，继续服务海上、陆地和航空三大领域，通过Ka卫星网络为用户提供全球覆盖、数据传输性能高达50Mbit/s的移动卫星信息通信和安全服务，满足政府和社会公众对更高带宽、更高可靠性、更加安全的需求，海事卫星即将完成全球覆盖并形成全球范围内首个超高速移动宽带卫星通信系统。

一、海事卫星第五代全球卫星通信系统组成

全球信息化以及互联网、数字多媒体通信和信息个性化需求不断增长，推动了卫星通信向宽带化、个性化、移动化、无缝化方向发展。国际航运和航空市场对宽带卫星移动通信需求日趋强烈，除高清视频安全通信需要外，空中旅客、海上船员对日常网络通信和休闲娱乐的呼声已经越来越高。为此，Inmarsat开始部署海事卫星第五代全球卫星通信系统（以下简称“五代星”）的研发和商业应用。目前世界上很多卫星公司提出了通过Ka频段传输数据的模式，但是很多都是支持固定点之间的通信，部分中继卫星通过Ka频段传输，但是一般同一时间支持用户数量很少，难以满足大众用户需求。Inmarsat在两年前开始进行Ka宽带移动通信卫星的技术标准、协议、用户终端等研制，目前已经在天基、陆地系统和终端型谱系列化方面实现突破，2013年年底成功发射第一颗Ka宽带移动通信卫星后，将在2015年年底提供全球商业服务，单个用户的下行带宽可达50Mbit/s、上行5Mbit/s。

海事卫星第五代全球卫星通信系统由空间卫星、关口站和移动终端三大部分组成。

1.空间卫星

五代星系统共投资12亿美元，由波音公司提供3颗工作在Ka频段的卫星，每颗卫星包括两个有效载荷，即全球载荷和可旋转高容量载荷。全球载荷提供89个固定点波束、72个信道，实现全球覆盖。每颗卫星下部署6个可移动高容量载荷，提供多地区动态覆盖，有效提升热点区域的通信能力。卫星还提供一个全球波束、两个可旋转网关波束，用于地面接续。每颗卫星的总带宽可达5GHz，支持144个40MHz的频带。卫星采用灵活的弯管转发器，极化方式支持左旋和右旋的圆极化。

2.关口站

现阶段Inmarsat计划在每颗卫星下设置两个关口站，互为备份，以实现极端天气下站点间的快速切换，保障全网通信质量。五代星的地面关口站要求建在卫星下方30°内气候干燥的地方。每个卫星下将有一主一备两个地面站，形成热备份机制。印度洋卫星的地面站建在希腊和意大利，大西洋卫星的地面站建在美国和加拿大，太平洋的地面站建在新西兰。地面站天线尺寸为13.2m，信令和用户数据加密采用AES 256标准，业务基于公开的标准，支持IPv4/6和多播业务。地面站关口站系统制造商是iDirect公司。

3.移动终端

海事卫星移动终端负责用户射频信号的收发和处理，与其他海陆空终端、国内外固定、移动电话间拨打电话或收发短信，还可以将数据终端设备（如电脑、视频设备等）通过以太网口与卫星终端连接，使用基于标准IP协议的宽带业务，实现访问互联网、电子邮件、视频传输等一系列网络功能。

海事卫星第五代海用终端支持60cm到1m的天线，航空终端支持民用飞机机身安装50cm天线，商用飞机机尾安装30cm天线，陆用终端天线范围则是60cm到2.4m。五代星终端采用标准的iDirect公司提供的核心模块，使得终端设计可以相应简化，尺寸变小、接口一致、业务综合，而终端数据传输速率大幅提高。

二、海事卫星五代星的应用

Inmarsat从四代星系统发展到五代星系统是移动卫星通信领域的重大技术革新。Inmarsat四代星系统支持的带宽与目前传统电信运营商的3G网络带宽处于同一水平，满足行业用户对话音及数据传输的基本需求。Inmarsat五代星系统支持的带宽将与电信运营商正在建设的4G网络带宽相当，一方面可以应对海上突发事件，为遇险船舶提供实时、有效、高质量的视频图像，保证海上航行安全以及搜救工作的顺利进行提供更完善的通信保障；另一方面，还可以满足由多媒体应用引发的大量视频业务的需求，完全支持各行业用户的视频监控、视频会议等应用，为行业用户卫星通信的应用广度及深度拓展更大的空间。

1.海上遇险安全通信及搜救指挥调度

现有Inmarsat卫星通信系统的带宽尚不能满足实时高清视频传输，因此在数据获取的实效性方面不能完全满足需求，而五代星系统将为海上执法和搜救提供更加先进的传输技术，视频图像将更加清晰流畅，为维护航道秩序，保证海上航行安全以及搜救工作的顺利进行提供更完善的通信保障，图1为海事卫星船载通信系统。五代星具有4G通信服务能力，可实现海上全信息通信保障服务，在海上遇险安全通信和搜救等领域可有效快捷实现岸基远程、全过程视频指挥和救助。由于Inmarsat四代星系统基于L频段，通信质量不受恶劣气候的影响，因此基于Ka频段的Inmarsat五代星系统业务，在受到雨雪天气影响的情况下，业务将切换至四代星系统承载，待五代星系统信号恢复后，业务将自动再切换至五代星系统承载。

图1　海事卫星船载卫星通信系统

2.机载卫星宽带接入服务

机舱内无线通信系统通过五代星系统，可实现长程国内航班和国际航班的全程通信接入服务。在为公众乘客提供多媒体通信服务的同时，也可为空中交通管制和飞机导航系统及应急通信提供备份使用，为飞行管理驾驶舱数据、客舱乘客状态信息传输提供宽带接入服务。

航空公司飞行管理应用。从驾驶舱到客舱，从飞行员到旅客，五代星系统可以提供一套完整的卫星通信应用解决方案，即将话音、数据、飞行数据、航空天气预报以及更多的所有的管理都集成在一个包。这其中包括：起飞前的申报和许可；机场各航站楼的数字信息服务；为飞行员提供航站楼气象信息；指定起飞和降落时间；位置报告；飞行计划；通过电子邮件、无线设备和互联网的短信服务；为每个飞机设定特有的邮件地址收发信息等。

GSM客舱应用。通过五代星宽带网络的接入，可实现在飞机上GSM的手机通信，可由下述方案实现：机载卫星通信系统控制面板由乘务人员监控；航空宽带终端包括天线、低噪放和机舱卫星数据单元；配置单元模块负责系统控制、与其他系统交联接口、数据库储存；机载GSM基站用于收发信号、控制手机发射功率；机上控制模块产生白噪声隔离手机与地面GSM基站的通信，确保手机接入机载GSM基站；天线耦合单元将机载基站和航空宽带终端的射频单元信号进行合路；用于互联的漏波天线贯穿客舱天花板上方，发射射频信号；无线接入点可为具有WiFi功能的终端或智能手机提供无线通讯连接。图2为机载GSM卫星通信系统解决方案示意图。

图2　机载GSM卫星通信系统解决方案

3.海外应急通信体系

随着全球经济一体化的发展以及我国国力的增强，海外利益等问题日益凸显，国家外交、商务、能源、新闻等部门，石油、石化、海油、矿业、水利水电、建筑等大型企业，均有必要建立海外应急通信保障机制。而五代星将在企业在海外部署应急通信领域发挥巨大作用。一是为临时、常设驻外组织和机构配置海事卫星便携、车载终端及配套装备。在发生紧急事件时及时提供移动应急通信保障。二是在常设驻外组织和机构部署专线。形成与海事卫星网络互联，保障稳定、可靠、高质量的传输通道，将应急通信网络延伸至海外。三是建设基于海事卫星宽带网络的应急与工作生产兼用的信息化系统。五代星宽带系统可将音视频、位置、移动轨迹、短信、群发等功能集成在一起，形成强大安全的应急信息系统，提供远程和本地使用一体化解决方案。中国石油集团建设的基于海事卫星覆盖全球作业点的应急通信网络，如图3所示。

图3　中国石油集团海外应急通信体系

三、结束语

海事卫星经历了连续三十多年的良性发展，通信系统具有全球覆盖广、可靠性高、高带宽、移动性强、使用灵活方便等特点。海事卫星第五代全球卫星通信系统继承了前四代的特点，将成为全球第一个超高速卫星宽带网络继续为全球海上、陆地和航空各行业提供无缝隙、安全、稳定、可靠的通信服务。五代星作为现有业务的补充，通过L频段和Ka频段两个网络为用户提供独特的混合应用解决方案，使得用户在偏远和恶劣环境下的通信能力达到前所未有的适应性、灵活性和可靠性。