高通量卫星通信在海巡船艇应用的探索与思考

钟子洋（深圳海事局，广东 深圳，518032）

一、引言

随着海洋运输产业的快速发展，海洋权益以及海上交通安全越来越受到关注，船舶在海上特别是远洋的通信困境已经成为国家海洋与水上交通相关战略落地的制约因素之一。尤其在交通运输部海事局提出建设“陆海空天”一体化水上交通运输保障体系后，船岸通信尤其是宽带通信的重要性愈发显著。如何利用现有及未来可预见的移动宽带通信手段实现海巡船艇与海事岸基中心的数据高速互联，成为海事管理部门亟需解决的问题。

二、海巡船艇信息化通信现状及存在的问题

据不完全统计，截至“十三五”末，海事系统拥有各类型海巡船艇逾800艘，形成以覆盖港区及沿海为主、兼顾专属经济区的海巡船艇队伍，并在日常巡航、动态监管、应急搜救等工作中发挥了重要作用。但是因历史等多方面原因，除了新建造的部分大型船艇外，大部分海巡船艇的综合信息化尤其是船岸宽带通信能力较为薄弱：

一是部分船艇除常用通导设备（如NAVTEX、VHF）外几乎不配置综合信息化宽带通信系统，船艇与岸基不具备宽带数据互联的通信基础，日常监管及应急只能依靠移动电话及甚高频等音频通信手段，无法与岸基及其他船端进行视频和其他宽带通信，导致船上态势感知以及智能应用受限。

二是部分船艇拥有基础的信息化系统（如指挥会议系统、监控系统、通信系统），但由于对信息化系统进行改造升级缺乏运维机制与资源，相关信息化系统不能与时俱进，导致系统的可用性不足，越来越不具备与岸基的宽带通信能力。

三是部分船艇则拥有较为完善的综合信息化系统，同时具备与岸基宽带通信的能力（3G/4G通信），但受制于船岸通信手段不足（如离岸10公里以上区域），无法发挥移动监管指挥中心的基本功能。

四是部分船艇除拥有较好综合信息化系统外，也具备广域船岸宽带通信能力（卫星通信），但是受制于卫星通信昂贵的资费及卫星通信范围限制（即一方面全天候卫星通信的费用十分高昂，另一方面高通量卫星因点波束的缘故无法覆盖所有的海域），这类海巡船艇无法发挥海巡船艇移动监管指挥中心的全部功能。

海巡船艇的综合信息化水平整体较低，船岸宽带通信能力较弱，严重限制了海巡船艇综合监管指挥功能的发挥。例如在2018年1月“桑吉”轮事件的处置中，海巡船艇虽然及时抵达现场，但因通信手段单一且稳定性不足，岸基指挥中心无法获取现场实时（画面）数据，一定程度上影响了现场应急处置工作。为了满足“陆海空天”背景下海上安全监管、巡航与应急搜救等新需求，让海巡船艇真正成为海上移动监管指挥中心的要求越来越迫切。因此，本文提出运用高通量卫星通信系统来解决海巡船艇船岸宽带通信的相关问题。

三、卫星通信概述及现状

卫星通信是指在通信站（陆端、船端及机端）和用卫星（LEO、MEO、GEO①GEO：静止轨道卫星系统；MEO：中轨道卫星系统；LEO：低轨道卫星系统。）[1]作中继站进行通信的方式。卫星通信系统主要由卫星、地球站、监测管理以及卫星测控系统等组成。卫星通信系统从地球站向卫星发送并接收信号，并通过网络接口以互联网或者专网方式向相关用户提供卫星通信数据服务。

图1 典型卫星通信系统架构

关口站向卫星发送信号称为上行链路，从卫星接收信号称为下行链路。卫星是通过站线( line-of-site)到达接收机的，总体而言卫星通信具有通信容量大、距离远、覆盖范围广、组网灵活等优点。经过多年发展与应用，目前卫星通信系统已全面进入宽带通信时代，宽带通信系统主要包括第五代海事卫星通信系统FX以及VSAT②VSAT：Very Small Aperture Terminal（甚小口径卫星终端站）。系统[2][3]，其中通信容量大于10 Gbit/s[4]的通信卫星就被称为高通量通信卫星③高通量通信卫星采用频率复用和多点波束技术，在同样频谱下，通信容量是传统支持固定通信卫星数倍。（High Throughput Satellite）。高通量通信卫星系统一般分为空间段（Ku及Ka频段GEO卫星）、地面段（主控站、网控中心及关口站）以及用户段（VSAT终端及固定地球站）。

中国的卫星通信事业起步较晚，但发展步伐较快。近几年来成功发射了天通一号、中星16号以及亚太6D等一系列高通量卫星，特别是2020年成功发射的亚太6D高通量卫星，通信容量为50 Gbit/s，远大于现有的在轨通信卫星容量。除了能够提供高带宽数据服务，卫星通信服务的租赁成本也大幅降低，应用于海上交通行业具有一定经济性，能够满足海事通信各种信息化宽带通信需求。

四、高通量卫星通信系统在海巡船艇的应用

一直以来，海事卫星作为GMDSS体系的重要组成部分，除了公约的相关规范要求外，具备安装条件的海巡船艇大部分都安装了卫星宽带通信系统，远离海岸线航行的海巡船艇可以通过卫星将现场的实时动态数据回传岸基单位，并可以通过双向通信及时获取岸基的各类动静态数据，这为拓展海事动态管理覆盖范围、提高水上交通安全监管与应急指挥搜救的效率发挥了重要作用。

但是过去海巡船艇大部分的卫星通信系统在不同程度上都存在通信租赁费高、带宽小、设备大、盲区多以及稳定性差等问题，造成海巡船艇出港区或沿海水域即“失明”，无法与岸基单位建立实时有效的宽带通信链路，制约了海事管理部门进一步履行对远海海域水上安全管理以及应急搜救的职责。因此新一代国产高通量卫星的商用为海巡船艇管理部门提供了一个可行的解决方案。

以深圳海事局为例，该局的旗舰海巡船“深海01”轮于2020年8月正式投入使用，其综合信息化采用“一中心四系统”（即移动数据中心，智能感知系统、综合指挥系统、船舶管理系统和支持保障系统）的建设模式，尤其是移动数据中心对船岸宽带通信数据互联提出了极高的要求。为了满足“深海01”轮信息化宽带通信需求，深圳海事局选择了当时最成熟的高通量“中星16”卫星通信系统作为船岸数据互联的重要通信手段，通过在“深海01”轮上安装卫星船站，在船艇移动数据中心配置安全网关、虚拟安全隧道以及配套设置网络安全策略（图2），即可确保“深海01”轮的综合信息化系统在应急处置及搜救巡航工作中能通过卫星链路与海事信息专网下的岸基数据中心及相关信息化系统进行互联互通。比如在应急工作中可以通过卫星通信链路与岸基的多个指挥中心同步实时视频连线，让指挥人员能够实时感知现场的态势，以便作出科学合理的应急处置决策；在巡航执法工作中执法人员也可以通过卫星链路连接岸基数据中心及相关的信息化系统，获取目标船的基本信息或者关联水域的水文气象信息，从而提升监管执法工作的效率；在非紧急与非工作时间也可以通过卫星链路以及无线网络设备访问互联网，方便指挥人员以及船员加强与外部单位的访问连接，便利后续执法以及船舶运维相关工作。

图2 “深海01”轮卫星通信系统架构图

在1年多的时间里，“深海01”轮的船岸宽带通信系统在日常安全监管、重点能源（例如LNG）运输安全护航、重大危险品应急演练以及系列跨辖区长航训练中发挥了重要的作用，为圆满完成各项工作任务提供了便捷稳定的移动宽带通信服务。

五、高通量卫星船岸宽带通信方案的优点

“深海01”轮卫星通信的应用方案在确保海事部门网络安全的前提下，有效解决了长久以来困扰海巡船艇的信息化宽带通信难题，为海事部门积累了可推广使用的经验：

（一）船岸通信带宽有效扩充。“深海01”轮的卫星通信采用的是上行6 Mbps、下行10 Mbps的宽带通信服务方案，在满足组织船岸视频联动会议（720 P）的同时，可以同步稳定地回传至少2路高清视频监控信号（1080 P）至岸基终端，有效解决过去现场动态监管以及应急搜救指挥工作中船岸实时动静态宽带数据互联互通的难题，也为各类信息化系统在船上的应用提供了良好的通信服务基础。

（二）船岸通信范围不断扩大。随着高通量卫星资源的不断增多，卫星通信覆盖范围将不断变大，对于“深海01”轮来说现有的卫星覆盖充足且盲区较少，但是卫星的点波束增多可以为船岸通信的稳定性提供更可靠的保障。

（三）船岸通信组网快速便捷。相较过去体积庞大的卫星天线及附属设备，新一代高通量卫星通信系统终端（天线）直径短至45cm，对船艇的安装基础要求不高，同时部署及使用简便，通过一键开关模式，将开机-搜星-登录-使用等传统卫星通信系统繁琐的程序便捷化，大大降低船员的使用门槛，提高卫星通信系统使用的便捷性。

（四）船岸通信资费大幅下降。随着高通量卫星商用的不断推广，相关通信资费也将持续下降，结合卫星通信资费特点以及实际使用需求，“深海01”轮灵活地采用流量数据包的方式购买卫星宽带通信服务，保障了日常以及应急情况下船岸宽带通信的需求，较以往大幅降低了卫星通信的租赁费用，目前高通量卫星的通信资费（20至40万元）仅为船舶运维费用（千万元级）的零头。

（五）船岸通信使用灵活冗余。卫星通信与4G网络的有机结合，进一步提升船岸宽带通信能力与可靠性，通过智能路由实现网络无感切换（即4G信号不足时切换到卫星通信），同时通过信号放大器以及网络中继器等设备与手段，实现全船所有有人舱室的网络覆盖。

（六）船岸通信网络安全可控。由于目前所使用的卫星通信系统是商用卫星，信号落地后经互联网连接海事终端，存在网络安全风险。为将风险控制在低水平，“深海01”轮采用一体化网关、防火墙和访问白名单等措施组合，为常态化使用卫星通信提供网络安全支撑。

“深海01”轮通过应用高通量卫星通信系统，有效提升了船岸宽带通信能力，实现船岸宽带数据的互联互通，打造了一个可靠实用的移动监管指挥中心，在安全监管、应急搜救以及调查取证等海事管理工作中发挥了积极作用。

六、高通量卫星船岸通信方案存在的不足

尽管目前通过应用高通量卫星有效解决了海巡船艇船岸宽带通信的部分难题，但是相比成熟的岸基移动通信手段（4G/5G/WIMAX等），高通量卫星依然存在不足：一是通信带宽依然受限，尽管较过往有较大的提升，但依然不能全面满足当下及未来的高带宽通信需求；二是微波通信的雨致衰减①雨致衰减是指电波进入雨层中引起的衰减。它包括雨粒吸收引起的衰减和雨粒散射引起的衰减。使得卫星通信稳定性受气象影响大，导致卫星通信在部分场景、时间及区域下失效，尤其是Ka频段的卫星通信系统；三是通信资费相较岸基移动通信手段而言依然较高，无法实现7×24小时不间断的卫星宽带通信；四是现有卫星通信系统主要依靠商用卫星，缺乏海事专用的链路，网络安全上依然存在风险。

七、相关建议

为了推广高通量卫星在海巡船艇上的应用，进一步提升船岸宽带通信能力，提升海事履职能力，结合实际应用案例，本文提出相关建议如下：

一是在“陆海空天”一体化水上交通运输保障体系建设的背景下，完善海巡船艇信息化建设及运维机制，针对现有海巡船艇队伍实际以及未来船艇建设情况，成立工作组或专班编制船艇信息化建设规划，有序开展对海巡船艇的升级与改造。二是由专业管理部门承担高通量卫星通信系统的管理职责，负责对接海事卫星通信系统的建设、运维及管理，配套相应资源支持高通量卫星通信在海巡船艇的应用落地，同时推进卫星通信在海事领域的推广与使用。三是应用高通量卫星的过程中可选用多频段复用的卫星通信系统，如采用Ku/Ka频段复用的卫星及船载通信终端，尽可能降低卫星通信雨衰的影响。四是加强与卫星通信服务商及科研机构的交流合作，密切关注新一代前沿通信技术及手段的发展，比如极高通量卫星以及低轨星座（如虹云、鸿雁等）的技术与应用发展，确保海事部门能够及时共享上述技术的发展成果。五是加快海事船岸通信专业人才队伍的建设步伐，这支队伍既要具备专业项目管理能力，又要具备过硬的海事业务以及通信专业能力。六是加强海巡船艇船岸通信网络安全规划与研究，针对各船的特点与实际，在船艇信息化升级改造或建设的同时开展网络安全评估与建设，降低相关的网络安全风险。

八、结语

由于各种原因，多年来海事部门未能有效地解决海巡船艇的船岸宽带通信问题，加上海巡船艇信息化基础薄弱等现状，一定程度上影响了海事部门在部分领海、毗邻区以及专属经济区的海上监管、搜救应急等工作的效能。随着我国高通量卫星技术的发展，在海巡船艇上推广应用高通量卫星可为解决远海船岸宽带通信等难题提供一个可行的解决方案，也使得海巡船艇能够在“陆海空天”一体化水上交通运输保障体系建设中发挥应有的作用。