VDES系统在海上搜救通信中的应用探索

秦瑞

（海军装备部某局，北京 100094）

0 引言

海上搜救要解决的基本问题包括海上事故中对平台及人员的救援、重要目标的搜寻和打捞等。海上搜救与陆上搜救相比，在时间上具有突然性、紧迫性，在规模、环境、气候等方面具有极强的不确定性，因此海上搜救能力边界确定了海上活动能力的边界，海上搜救能力直接关乎海上活动人员生命安全。

海上救援通信是海上救援活动的神经系统，全时全域的通信保障是确保海上救援信息高效流转的关键。目前海上救援通信系统主要依托全球海上遇险与安全系统，普遍采用短波、超短波以及海事卫星等传统无线电通信手段，数据传输能力有限。因此，远距离、高带宽的数据传输手段在海上搜救通信中的应用探索，是现阶段需要研究的重要课题。

1 海上搜救通信分类及需求

海上搜救通信按照救援实施的阶段，主要分为遇险报警通信、搜救协同通信和搜索定位通信。

（1）遇险报警通信：遇险对象在险情发生的第一时间向岸上救援机构或周边船只上报险情信息，一般包括遇险对象身份、遇险坐标、遇险时间等信息。由于海上遇险范围广，因此遇险报警通信需要全球范围内的通信能力覆盖。遇险报警的手段主要通过短波、超短波等无线电数字报文（中远距离、视距）以及卫星短报文（远距离）手段。

（2）搜救协同通信：指在救援现场救援力量之间的协同指挥通信，以及救援力量与遇险对象之间的协同通信。为保证救援中信息的高效流转，协同通信需要能够传输语音、报文、文件、图片等多种类型业务数据，甚至需要具备多方视频会议的通信业务保障能力。目前海上协同通信手段主要通过超短波手段进行无线电话音通信，其通信保障能力远远无法满足宽带数据业务传输需求。

（3）搜索定位通信：主要用于在救援现场精准搜索和抵近遇险对象以实施救援。主要通过超短波频段的无线电测距测向和9 GHz 雷达手段实现，其中无线电测距测向精度需要尽可能小，尤其对测向精度的要求更高。

2 海上搜救通信现状分析

2.1 全球海上遇险与安全系统

国际海事组织（IMO）为保障船只在海上的安全航行，提出并构建了全球海上遇险与安全系统（GMSDD,Global Martime Distress and Safety System），并于1992年开始全面应用。GMSDD 系统目前是国际通用的海上遇险救生通信系统，可为海上船只提供遇险报警服务，支持搜寻、协调通信，并提供紧急安全通信、播发航行警告、气象预警等安全信息。GMDSS 系统主要通过海事卫星通信系统（INMARSART）和极地轨道卫星搜救系统（COS_PAS SARSAT）、地面无线电通信系统（即海岸电台）以及海上安全信息播发系统，构建提供全球性遇险报知和搜救的通信系统。该系统主要工作在VHF、HF 以及卫星频段，分别实现近距、中远距离及远距离的报警和通信[1]。表1 所示为GMDSS 系统中规定的海区范围及通信能力对照表[2]：

表1 GMDSS海区定义及通信手段

2.2 自动识别系统

船舶自动识别系统（AIS,Automatic Identification System）与卫星定位系统配合，将船只位置、身份等信息通过VHF频段广播至岸上及周边船只，主要工作于161.975 MHz和162.025 MHz，用于海上安全航行和遇险报知。相比于GMDSS 系统，AIS 系统更侧重于局部海域的信息播发，通过时分多址技术能同时容纳200～300 艘船舶同时通信[3]。在海上遇险救生中，通常会综合运用AIS 系统和GMDSS，二者联合有助于协助救援力量实时掌握遇险对象位置和救援态势。

2.3 主要通信装备构成

基于GMDSS 系统和AIS 系统提供的无线电及卫星的通信手段，目前海上救援中主要应用的通信装备包括数字选呼（DSC）电台、无线电/ 卫星信标机、人员便携应急示位标等报警示位装备；应用于搜救飞机或无人机的机载搜救装备、雷达示位应答器等搜寻定位装备；以及应用于协同通信的超短波话音电台及卫星电话等。

DSC 电台在VHF 70 频道上以数字选呼方式向制定接受对象发送报警消息，接收到报警的船载或岸基电台以同样的频道将报警收妥信息发送回报警方。

搜索与救援无线电信标机例如美国的AN/PRC-149，具备国际海事组织规定的121.5 MHz、243 MHz 和406 MHz三个频段的无线电信标，可自动上报GPS 定位数据，同时支持话音通信[4]。

人员便携应急示位标一般于船载接收装备配合使用，在人员落水后，发射器自动报警，船载接收机收到报警后能够识别落水人员的方向、位置和身份。

无人机机载搜救装备例如AN/PRC-112B 救生电台能够实现超视距搜索救援功能，与无人机机载问询应答设备配套使用，可在搜救任务中快速实现身份识别和定位[4]。

现场协同通信主要在CH16 与CH13 频段通过无线电话音电台组织开展，如图1 所示：

图1 海上救援协同通信

2.4 主要问题与不足

由目前海上搜救通信现状可以分析出，基于卫星和无线电的海上遇险报警和搜寻定位通信相对手段较为充分，能够做到多手段备份，且能够覆盖不同海域范围，基本可以满足救援应用需求。但是救援现场的协同通信手段较为薄弱，只能基本实现话音业务的交互，海上救援指挥和救援信息流转效率低，文件、图片、视频等数据业务均无法协同交互，对救援的高效开展影响较大。

3 VDES系统在海上救援中的应用

3.1 甚高频数字交换系统

甚高频数据交换系统（VDES,VHF Data Exchange System）在2012年由国际电信联盟（IMO）提出，是针对水上移动业务领域中的船舶自动识别系统（AIS）加强和升级版系统，设计之初主要是为了缓解AIS数据通信压力，并有效传递防避碰信息。VDES系统具备船舶身份识别、位置报告和跟踪、船舶航行数据、搜寻和救援支持的功能[5]，系统在集成了AIS功能的基础上，增加了特殊应用报文（ASM）和宽带甚高频数据交换（VDE）功能，全面提升了海上数据通信的能力。

VDES 系统主要包括AIS、VDE、ASM 三个部分，分别通过AIS 信道、VDE 信道、ASM 信道实现通信。AIS 信道与传统AIS 系统保持一致，主要传输船舶安全航行所需的身份、位置等相关信息；ASM 信道主要传输特殊应用报文；VDE 信道主要在甚高频频段进行宽带数据交互。其中VDE 信道包括地面部分和卫星部分，通过地面部分可实现局部区域内的宽带数据交互，通过卫星部分可实现全球范围内的宽带数据交互，如图2 所示：

图2 VDE信道数据交互示意图[7]

按照国际电信联盟（IMO）的发展规划，如图3 所示，目前该技术已在2021-2022 年间全面推广，并计划于2023 年形成应用能力，可为未来智能化、无人化的e-航海模式奠定技术基础。同时，作为AIS 系统的升级，VDES 系统已纳入GMDSS 系统的发展规划，以提供船-船、船-岸间的宽带数据交互能力，为海上遇险与安全通信提供手段和能力[8]。

图3 VDES系统发展规划[9]

3.2 应用可行性分析

VDES 在海上救援通信中的应用主要体现在遇险报知通信和搜救协同通信两个方面。其中在遇险报知方面基于AIS 系统进行险情报知，目前已有船载、人员便携、机载等多种类型的AIS 收发设备，可用于收发报警信息，与DSC 报警互为备份，确保险情的可靠报知。由于VDES系统中增加了ASM 信道，可以接收海洋环境、天气等更多类型的有助于救援实施的信息，报警内容更丰富。

VDES 系统在海上救援应用中的核心突破是基于VDE信道宽带数据交互的协同通信功能。传统的基于VHF 无线电台的话音通信为模拟信号传输，在引入AIS 系统后，可以进行数据交互，但是速率低，仅能达到9.6 kbps，数据业务类型有限，仍然大大限制了搜救协同效率。VDES 系统的传输速率大幅度提升，结合VDE 卫星全球覆盖的能力，基本能够实现全球范围内的业务数据交互。因此，除话音业务外，搜救力量间可以共享态势数据、搜救方案文件、遇险现场图片、救援进展情况报告多类型业务，大大提升了救援效率。

VDE 信道的另一个关键技术特点是能够支持自适应编码与调制，可根据信道环境已经信噪比，自动调制编码方式与调制方式。在信号衰减较大的环境中，为了保证信息传输的可靠性，降低丢包率，系统会以牺牲传输速率为代价，采用速率较低的调制方式，如π∕4 QPSK；若通信对象间距离近，传输损耗低，使用可靠性较低的调制方式以获取更高的传输速率。基于上述技术体制，在VDES 系统下的协同通信可根据通信场景、业务类型、通信对象等，结合相应的业务服务优先级机制，获得最优的QoS 保障。

3.3 VDE信道下的组网应用分析

在海上联合搜救现场协同的场景下，网络节点主要包括指挥节点（指挥船）、救援节点（救援船）和待救援节点（遇险对象）等，各节点通过VDE 信道构建自组织网络开展协同通信。一般情况下，有指挥节点存在时，网络为以指挥节点为中心的组网模式，无指挥节点存在时，为节点地位均等的自组网模式。其典型场景如图4 所示：

图4 基于VDE信道的海上搜救协同组网通信示意图

VDE 信道支持基于时分多址的MAC 接入协议，可进行有中心的组网以及分布式自组网等组网机制。在有中心组网模式下，由中心节点向成员节点分配时隙，避免冲突，即固定接入模式TDMA（FATDMA,Fixed Access TDMA）；在自组网模式下，首先接入的节点随机占用一个时隙，并将所占用的时隙广播给其他成员，以避免冲突，即随机接入模式TDMA（RATDMA,Random Access TDMA）。

基于上述两种应用场景中的组网模式，对FATDMA、RATDMA两种协议下多个组网成员的传输速率进行仿真分析。

VDES 最高符号速率76.8 ksps，在turbo 码3/4 码率条件下，有效载荷7 508 bit，也即100 kHz 带宽信道的理论总传输速率：Throughput_Total=7 508 bit/26.667 ms=287.5 kbps。

将1 分钟分为2 250 个时隙，每个时隙26.667 ms（60 000/2 250≈26.667 ms）。

假设网络中存在N个终端，两种协议下均考虑每个终端均匀分配整个传输时隙，则每个终端传输速率为：Throughput_PER_Mobile=Throughput_Total/N。

基于上述假设，仿真得到速率对比如图5 所示：

图5 VDE-100 kHz信道平均传输速率对比

由图5 可见，在网络成员数量在不超过10 个的情况下，每个节点的平均传输速率均在10 kbps 以上，FATDMA 情况下可达30 kbps 以上，基本满足群组聊天、短消息、即时话音、文件传输等海上救援的通信业务需求。

VDES 系统的组网功能将传统救援协同中点对点的通信机制升级为点对多点或多点对多点的通信机制，救援力量间可以进行群组聊天、文件传输、数据共享等，进一步提升了沟通效率。

4 结束语

VDES 技术是就有变革意义的海上数字通信技术，一定程度上解决了海上宽带数据传输瓶颈问题，是我国e-航海战略的核心技术，在海上救援通信中的应用也具有重要意义。本文创新性地提出了基于VDES 系统中VDE 宽带信道下进行搜救力量协同组网的应用模式，针对海上救援指挥和救援信息流转效率低，文件、图片、视频等数据业务均无法协同交互的问题提供了解决思路。此外，目前VDES技术中的相关标准协议尚不完善，尤其在搜救中的应用也尚无标准规范，仍需结合具体应用场景，研究并制定技术协议，为海上搜救提供更智能、更高效的信息传输模式。