基于天通的海上应急通信系统设计与验证

张宝珍，徐亚冲

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

1 研究背景

进入21世纪，海洋再度成为世界关注的焦点，海洋在沿海国家的战略地位空前提升。从我国重点海区来看，东海、南海面积辽阔、安全形势复杂、自然环境恶劣，随着我国海路对外贸易规模的快速增长、海洋产业的蓬勃发展，各种海洋自然灾害和海上突发事件给海洋交通、海洋运输、海洋渔业、海洋旅游等经济、生产活动产生的危害日益显现，面向我国海上活动的应急通信保障能力亟待加强[1]。

针对我国海洋安全、海洋资源开发利用、海上丝绸之路经济带建设等重大战略需求，本文以海上应急通信为目标，以综合业务应用示范为出发点，建立基于“天通一号”卫星移动通信系统海洋数据业务传输网络，从根本上解决中/远海区域信息传送、应用服务能力覆盖不足的问题，为船基/岸基平台数据传输提供稳定、可靠、低成本的传输通道。

2 “天通一号”系统现状

20 08年汶川地震发生后，震区地面通信网络全面瘫痪，主要依靠租用国际移动通信卫星系统（Inmarsat）来确保应急通信。2008年7月，孙家栋、沈荣骏等院士联名上书，呼吁加快我国自主卫星移动通信系统建设，填补国家在卫星移动通信领域的空白。2012年，我国首个卫星移动通信系统——“天通一号”卫星移动通信系统工程正式启动[2]。“天通一号”卫星移动通信系统采用GEO卫星，使用S频段109个陆地波束和2个海洋波束，采用多波束覆盖，覆盖我国陆地、周边海域、印度洋和西太平洋区域，可为车辆、飞机、船舶和个人等移动用户提供语音、短信、数据、短报文广播等通信服务，传输速率最高可达384 kbps，能够与地面PSTN、PLMN、Internet等网络实现互联互通。

2016年，“天通一号”01星发射成功，经过近两年的测试（终端呼通率及业务通信、信关站功能及卫星转发器稳定性、压力测试等），卫星指标符合要求，通信效果良好，满足提供电信级卫星移动通信服务的要求，中国电信卫星公司向商用市场放号，2018年7月，正式开始商业运营，标志着我国进入卫星移动通信时代。

3 应用解决方案

3.1 总体架构

针对海洋自然灾害和海上突发事件给海洋经济和海洋生产活动带来的重要影响，设计一套海上应急通信系统，系统依托“天通一号”卫星移动通信系统，建立一套覆盖整个海域的语音、数据业务传输网络，为海上用户提供短信、语音、数据回传、用户位置管理和跟踪等业务[3]。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

根据应用需求分析，参照国内外类似系统的建设模式[4]，海上应急通信系统的构成可从天（卫星）、岸（海岸和岛礁站点）、海（舰船）3个方面进行设计。①天基手段，利用“天通一号”自主卫星移动通信能力，为各类终端提供基本通信和常态化覆盖；②岸基手段，部署于国内海岸、岛礁、浮台等既有固定站点，通过“天通一号”卫星实现站点周围附近海域的常态化应急保障；③海基手段，部署在通用或专用舰船（大型试验船/渔船）等移动站点，通过在东海、南海的机动部署，持久保障应急海区的通信能力。

3.2 系统特点

资源自主可控。保障突发紧急状态下的大规模应急通信需求，可集中全部系统资源的20%针对特定区域进行重点保障。

安全可靠。从芯片、协议到核心系统和卫星完全自主，可以实现全方位的通信安全服务保障，满足涉及国家安全的敏感信息传输要求。

高抗毁性。天通卫星移动通信系统使用同步卫星作为无线信号转发器，可避免人为和自然因素破坏导致通信中断。

互联互通。既可以与PSTN、PLMN以及互联网互联互通，也可以定制专网服务与内部网络互联互通。

成本资费低。用户无须建设和管理复杂的系统，只需购买终端和缴纳较低的通信使用费用。

终端小型化。核心部件实现芯片化，终端功耗和体积大福减小，可实现手持、便携等小型化终端类型。

3.3 终端设计

3.3.1 手持终端

手持终端机动部署在试验船或渔船上，可提供天通、公网4G、北斗三种通信，支持语音、短信、低速数据等业务。根据应用场景及使用距离，终端可选择通信模式，近海公网覆盖良好区域可选择公网4G模式；远离海岸和海岛的海区可选择天通模式；通过北斗可实现各类船只的位置信息和轨迹跟踪。

手持终端架构采用分层、模块化设计，系统体系架构由高到低分为界面层、应用业务层、系统服务层及硬件适配层和硬件层[5]。终端体系架构如图2所示。

图2 手持终端系统体系架构

3.3.2 便携终端

便携终端部署在国内海岸、岛礁、浮台等既有固定站点，可提供天通、公网4G、北斗三种通信，支持语音、高/低速数据、视频回传等业务。根据应用场景及使用距离，终端可选择通信模式，海岸公网覆盖良好区域可选择公网4G模式；岛礁、浮台可选择天通模式。

便携终端以应用处理单元为核心，配置天通通信处理模块、LTE通信处理模块、导航定位模块、Wi-Fi芯片组、天线、传感器、用户接口、结构及附件等，在应用处理器中运行智能操作系统，通信业务、应用软件等终端功能基于软件集成框架设计，终端架构可以支持通信软件、应用软件和各硬件平台独立升级演进。终端体系架构如图3所示。

图3 便携终端系统体系架构

3.3.3 船载终端

船载终端基于“天通一号”卫星移动系统，具备语音、短信、数据通信能力，同时集成北斗短报文通信，支持天通和北斗短报文通信双模通信。船载终端配备动中通天线，可部署在试验船等大型海上机动环境中。

船载终端由终端主机和动中通天线组成，终端通过数据线与用户设备相连。船载终端主机由业务接入单元、通信及定位单元、外围电路组成，业务接入单元由通用I/O、语音编解码及信令模块、以太网接入模块组成；通信及定位单元由卫星移动通信模块、北斗/GPS定位模块组成；外围电路由括主控及业务处理、电源管理、天线控制与接口组成。船载天线整体采用密封方案，可满足室外环境应用，由天线单元、伺服控制单元、跟踪接收机单元、功放单元、北斗单元、电源单元和惯导单元8个单元组成[6]。终端主机组成图如4图所示，动中通天线如图5所示。

图4 终端主机组成图

图5 动中通天线组成图

4 示范应用及验证测试

4.1 示范系统搭建

海上应急通信示范系统由天通终端（手持、便携、船载）、信关站（中国电信负责运营）组成，根据使用地点选择不同类型终端，依托某海上示范应用项目，选取海南三亚海域对本课题海上应急通信系统进行测试验证。

在三亚海域附近选取岛礁、浮台、试验船、渔船进行测试工作，在岛礁/浮台上安装天通便携终端、在试验船上安装天通船载终端、在渔船上安装天通手持终端，通过“天通一号”卫星将语音、数据、用户位置管理和跟踪等信息传输至信关站，再通过地面专网传输至海洋信息服务中心。

4.2 测试条件及要求

系统测试条件及要求见表1。

表1 海上应急通信示范验证测试记录表

4.3 测试结果

通过在南海示范海域开展的海上应急通信示范验证试验，天通卫星移动通信系统在本试验中尤其在地面公共4G移动网络信号无覆盖区域，可靠地提供了天通终端和地面公共电话网、天通终端和地面公共移动网之间的语音、短信、数据（最高384 kbps）通信能力，出色完成了测试验证和通信保障。详细测试项目和数据见表2。

5 结束语

天通卫星移动通信系统用户频段为S频段，不受降雨雨衰影响，适合海上复杂环境应用。目前，“天通一号”卫星已发射01星、02星、03星三颗卫星，形成覆盖亚太、印度洋和非洲的区域移动通信卫星网络，满足海上应急通信的覆盖需求。天通卫星移动通信系统支持语音通信、双向数据通信、双向天通短信和北斗短报文通信、支持基于北斗的定位功能，满足海上多业务应用、高质量传输的要求；同时天通手持终端、便携终端和船载终端采用防水、抗盐雾、高温高湿环境适应性设计，具备海洋环境适应性，满足海上应用环境要求。

综上所述，天通卫星移动通信系统在使用频段、卫星覆盖范围、传输业务种类以及环境条件等方面具备海上应用适应性。本课题可以解决中/远海区域信息传送、应用服务能力覆盖不足的问题，为船基/岸基监控平台的数据传输提供稳定、可靠、低成本的传输通道。■