內(nèi)容提要：國(guó)際海事衛(wèi)星C系統(tǒng)在海上遇險(xiǎn)與安全通信、目標(biāo)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制中應(yīng)用非常廣泛。此文介紹了國(guó)際海事衛(wèi)星C系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能、系統(tǒng)構(gòu)架、信道組成、通信流程和應(yīng)用情況，并對(duì)C系統(tǒng)的最新技術(shù)進(jìn)展，IP-FEP、EPADR功能 的技術(shù)特點(diǎn)做了介紹。
關(guān)鍵詞：國(guó)際海事衛(wèi)星C IP前端接入 增強(qiáng)性預(yù)分配數(shù)據(jù)報(bào)
0 引言
Inmarsat是國(guó)際海事衛(wèi)星系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，提供全球范圍移動(dòng)衛(wèi)星通信服務(wù)。創(chuàng)建于1979年，目前已經(jīng)成為全球海、陸、空用戶衛(wèi)星移動(dòng)公眾通信和遇險(xiǎn)安全通信服務(wù)的提供者。Inmarsat面對(duì)不同的用戶提供B、M、C、Mini-M、F、Began及航空等多種衛(wèi)星通信系統(tǒng)，提供全球話音、傳真、數(shù)據(jù)和視頻等通信服務(wù)，滿足常規(guī)和海上遇險(xiǎn)安全通信要求。Inmarsat-C系統(tǒng)是一種低速率、雙向全球衛(wèi)星移動(dòng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其通信速率為1200bit/s，其主要的業(yè)務(wù)包括存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文、遇險(xiǎn)呼叫、增強(qiáng)型組呼、數(shù)據(jù)報(bào)告和詢呼。
存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文(Store and Forward Messaging)業(yè)務(wù)是船岸間一種可靠的數(shù)據(jù)或報(bào)文通信手段，通信發(fā)起者在通信完成后會(huì)收到通信成功或失敗的確認(rèn)，一次通信的最大長(zhǎng)度可達(dá)32K字節(jié)。該業(yè)務(wù)也可以用作船與船之間通信。遇險(xiǎn)呼叫(Distress Calls)業(yè)務(wù)包括遇險(xiǎn)報(bào)警(Distress alerts)和遇險(xiǎn)級(jí)別報(bào)文(Distress priority messages)兩種。遇險(xiǎn)報(bào)警是船舶通過(guò)終端的一鍵報(bào)警按鈕發(fā)送出來(lái)，報(bào)警通過(guò)信令信道經(jīng)地面站直接投遞到搜救中心，地面站在收到報(bào)警后會(huì)立即給予確認(rèn)，遇險(xiǎn)信息的內(nèi)容通常還包含船舶經(jīng)緯度等位置信息。遇險(xiǎn)級(jí)別報(bào)文比其他報(bào)文有高級(jí)別的優(yōu)先級(jí)。增強(qiáng)型組呼(Enhanced Group Calls)業(yè)務(wù)是一種消息廣播服務(wù)，它可以對(duì)特定船舶或特定區(qū)域內(nèi)船舶實(shí)現(xiàn)消息廣播通信，從而更好的保證航行安全。數(shù)據(jù)報(bào)告(Data Reporting)業(yè)務(wù)是一種船舶向外發(fā)送短數(shù)據(jù)(如位置等)或短消息的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)工作在信令信道上，因而比存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文速度更快，但數(shù)據(jù)量較小，更適合實(shí)效性要求高、數(shù)據(jù)量不大的業(yè)務(wù)應(yīng)用。詢呼(Polling)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)岸對(duì)船發(fā)送輪詢指令或數(shù)據(jù)信息，該業(yè)務(wù)可以完成對(duì)船舶的位置或數(shù)據(jù)信息的詢呼，控制船舶的報(bào)位間隔或向船舶發(fā)送報(bào)文消息詢呼通常和數(shù)據(jù)報(bào)告配合使用，具有速度快的特點(diǎn)。
Inmarsat-C系統(tǒng)的業(yè)務(wù)比較多，應(yīng)用廣泛，用戶使用接入方式多樣。本文從其系統(tǒng)框架、信道組成和通信流程等方面進(jìn)行說(shuō)明以使用戶對(duì)Inmarsat-C系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程建立整體的概念。同時(shí)介紹其最新技術(shù)的發(fā)展。
1 Inmarsat-C系統(tǒng)的通信流程和應(yīng)用
1.1 系統(tǒng)框架
Inmarsat-C通信系統(tǒng)由四部分組成，即空間段、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站NCS(Network Co¬ordination Station)、衛(wèi)星地面站LES (Land Earth Station)和衛(wèi)星船站MES(Mobile Earth Station)，系統(tǒng)框架如圖1所示。
空間段包括通信衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)控制中心(Network Operation Centre)和其他相關(guān)的地面設(shè)施。Inmarsat-C目前使用的其第三代衛(wèi)星，主用的衛(wèi)星有四顆，將全球分為太平洋、印度洋、大西洋東和大西洋西四個(gè)洋區(qū)。每個(gè)洋區(qū)設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站(NCS)，負(fù)責(zé)本洋區(qū)的資源分配、信令建立和通信管理等工作。由于其在本洋區(qū)內(nèi)通信的重要作用，每個(gè)洋區(qū)還會(huì)設(shè)有備份的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站。
衛(wèi)星地面站是衛(wèi)星和陸地網(wǎng)絡(luò)之間的連接樞紐，可以實(shí)現(xiàn)和陸地PSTN，PSDN電傳和互聯(lián)網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。陸地用戶通過(guò)衛(wèi)星地面站提供的訪問(wèn)接口實(shí)現(xiàn)和衛(wèi)星船站的雙向通信。
衛(wèi)星船站是用戶使用的移動(dòng)衛(wèi)星終端設(shè)備，這些終端設(shè)備一般包括數(shù)字通信設(shè)備(DCE)和數(shù)字終端設(shè)備(DTE)兩部分。前者在DTE和傳輸線路之間提供信號(hào)變換和編碼功能并負(fù)責(zé)建立、保持和釋放鏈路的連接；DTE具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)收發(fā)能力，是用戶的交互界面。
1.2 信道組成
Inmarsat-C系統(tǒng)信道是指為了實(shí)現(xiàn)船岸和船船通信，整個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星鏈路構(gòu)成。可分為站間鏈路 (Interstation Signalling Link)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站與衛(wèi)星船站間鏈路和衛(wèi)星地面站與衛(wèi)星船站間鏈路三種。信道的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。洋區(qū)內(nèi)衛(wèi)星地面站和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站通過(guò)ISL信道傳輸廣播和信令信息，也用來(lái)傳輸EGC信息。 除此之外，各NCS到網(wǎng)絡(luò)控制中心還有ISL鏈路，以滿足網(wǎng)絡(luò)控制中心和NCS之間的信息交換。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站的TDM信道是時(shí)分多址工作方式，每幀長(zhǎng)為8.64s，持續(xù)向洋區(qū)內(nèi)衛(wèi)星船站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)、信令和EGC廣播等信息。正常情況下，處于空閑狀態(tài)的衛(wèi)星船站守昕在這個(gè)信道上。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站的信令信道也是終端用來(lái)進(jìn)行登陸和退出等操作使用的，信令信道工作在ALOHA模式即以搶占的方式向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站發(fā)送信息，這種方式?jīng)Q定了信令信道以較多的空間資源保證較少的數(shù)據(jù)碰撞以提高系統(tǒng)通信的成功率。
衛(wèi)星地面站的TDM信道和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站的TDM信道的結(jié)構(gòu)和特性相同，但其是某個(gè)衛(wèi)星地面站專用的，衛(wèi)星地面站通過(guò)這個(gè)TDM信道向正在和其進(jìn)行通信或守聽(tīng)該信道的衛(wèi)星船站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)和信令信息。衛(wèi)星地面站的信令信道和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站的信令信道的工作方式和特性也一樣，每個(gè)地面站根據(jù)其業(yè)務(wù)負(fù)載的大小，可以有一個(gè)或多個(gè)信令信道。衛(wèi)星地面站的消息信道工作在時(shí)分多址(TDMA)模式，消息信道也是地面站專用的，衛(wèi)星船站使用這個(gè)信道用來(lái)進(jìn)行消息通信。
1.3 通信流程
Inmarsat-C系統(tǒng)的業(yè)務(wù)種類較多，通信流程需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站、地面站和衛(wèi)星船站三方共同參與，配合完成。其中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文是一種有確認(rèn)機(jī)制的通信方式，也最為復(fù)雜。下面以其通信流程為例介紹通信業(yè)務(wù)流程，包括終端發(fā)起的通信和陸地用戶發(fā)起的通信流程兩種。
正常狀態(tài)下終端守昕在NCS的TDM信道上，當(dāng)終端準(zhǔn)備通信并準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)它會(huì)調(diào)諧到地面站的TDM信道，并在地面站信令信道上發(fā)送通信請(qǐng)求包。地面站在收到請(qǐng)求包后會(huì)通過(guò)信令信道發(fā)送信道分配信息，要求終端切換到消息信道的某個(gè)頻率上發(fā)送報(bào)文，同時(shí)發(fā)送信息到NCS將終端狀態(tài)置為忙碌。終端收到信道分配指令，在指定信道上發(fā)送信息完畢后，地面站發(fā)送收到信息確認(rèn)，進(jìn)行拆線操作，并將 端狀態(tài)置為空閑。終端完成通信重新切換到洋區(qū)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站的TDM信道上，等待下一次通信的到來(lái)。終端發(fā)起的通信流程如圖3所示。
當(dāng)陸地用戶準(zhǔn)備發(fā)起一個(gè)對(duì)終端的通信時(shí)，通過(guò)陸地通信網(wǎng)絡(luò)將通信請(qǐng)求發(fā)送到衛(wèi)星地面站，地面站檢查終端的狀態(tài)是否可用(地面站通過(guò)ISL鏈路和NCS同步終端狀態(tài))，若終端可用，則在網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)站的TDM信道上廣播通信請(qǐng)求終端在收到對(duì)自己通信請(qǐng)求的廣播時(shí)，向衛(wèi)星地面站發(fā)出響應(yīng)，地面站向終端發(fā)送信息包，并將終端置為忙碌。地面站完成向終端發(fā)送信息后，向終端發(fā)送確認(rèn)請(qǐng)求，終端返回確認(rèn)包，表示收到信息。最后地面站進(jìn)行拆線，并將終端狀態(tài)置為空閑。陸地發(fā)起的通信流程如圖4所示。
1.4 應(yīng)用情況
國(guó)際海事衛(wèi)星C系統(tǒng)在海上遇險(xiǎn)與安全通信、目標(biāo)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。海事衛(wèi)星C系統(tǒng)是全球海上遇險(xiǎn)與安全通信系統(tǒng)(GMDSS)的重要組成部分，全球洋區(qū)航行的船舶基本都配備了C衛(wèi)星船站同時(shí)船舶保安報(bào)警系統(tǒng)(SSAS)也基本上都是利用C衛(wèi)星船站實(shí)現(xiàn)的。海事衛(wèi)星C系統(tǒng)的遇險(xiǎn)報(bào)警和遇險(xiǎn)級(jí)別報(bào)文通信業(yè)務(wù)為船舶和各國(guó)政府的搜救協(xié)調(diào)中心提供直接通信，是海上搜救的重要手段。
目標(biāo)監(jiān)控是C衛(wèi)星船站的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域。由于C衛(wèi)星船站通常內(nèi)置了GPS定位設(shè)備，是較早出現(xiàn)的集定位導(dǎo)航和衛(wèi)星通信功能于一體的應(yīng)用系統(tǒng)。詢呼和數(shù)據(jù)報(bào)告業(yè)務(wù)中集成了單次呼叫船舶位置、控制船舶定時(shí)報(bào)位等功能，使得系統(tǒng)易于集成、易于使用，很受用戶歡迎。目前C系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋船舶和漁船監(jiān)控等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制是利用C衛(wèi)星船站的通信傳輸能力，將傳感器采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到監(jiān)視控制中心。由于C衛(wèi)星船站具有功耗小、可靠性高等特點(diǎn)，同時(shí)具有睡眠模式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)裙δ埽云湓跀?shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制領(lǐng)域(如水情測(cè)報(bào))也有較多的應(yīng)用。
2 最新技術(shù)發(fā)展
海事衛(wèi)星C系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展不斷推動(dòng)其技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。在其最近的技術(shù)進(jìn)步中較為突出的是提升用戶接入性能的IP前端接入(IP-FEP)和提高空間資源利用率的增強(qiáng)型預(yù)分配數(shù)據(jù)報(bào)告(EPADR)技術(shù)。
2.1 IP前端接入(IP-FEP)
海事衛(wèi)星地面站是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和陸地網(wǎng)路的關(guān)口，用戶通過(guò)地面站接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)陸地用戶接口如圖5所示。陸地用戶可以接入網(wǎng)絡(luò)的方式包括電傳、PSTN、PSDN和電子郵件等。IP-FEP接入是為了滿足用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議訪問(wèn)而設(shè)計(jì)的，提供一種基 于TCP/IP的用戶訪問(wèn)接口。用戶可以選擇特定的安全驗(yàn)證機(jī)制，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議登錄系統(tǒng)，可以輕松使用Inmarsat-C的所有服務(wù)還可以選擇信息的投遞機(jī)制，如推還是拉(push or pull)。和以往的各種接口相比較，可以輕松解決大宗用戶系統(tǒng)接入問(wèn)題，不管是從用戶響應(yīng)速度，還是系統(tǒng)吞吐量等各個(gè)因素，都有了大的提高。
2.2 增強(qiáng)型預(yù)分配數(shù)據(jù)報(bào)告(EPADR)
海事衛(wèi)星C系統(tǒng)的信令和數(shù)據(jù)報(bào)告都是利用信令信道實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)路協(xié)調(diào)站和地面站的信令信道工作在ALOHA模式，這種模式?jīng)Q定了系統(tǒng)必須有足夠多的信道資源，以保證較小的通信碰撞率從而提高系統(tǒng)的通信成功率。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)告業(yè)務(wù)量較大時(shí)，信道利用率增高，系統(tǒng)的通信碰撞就會(huì)非常嚴(yán)重，通常信令信道的信道利用率只有15%左右。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了增 強(qiáng)型預(yù)分配數(shù)據(jù)報(bào)告(EPADR)技術(shù)。
EPADR技術(shù)通過(guò)為每個(gè)終端預(yù)先分配好固定的通信時(shí)隙，避免系統(tǒng)產(chǎn)生通信碰撞，從而提高系統(tǒng)的通信成功率和資源利用率。這種工作方式理論上可以將信令信道的利用率提高到100%。根據(jù)時(shí)隙資源、申請(qǐng)的方式不同，EPADR有兩種使用方式，一種是終端申請(qǐng)時(shí)隙方式，另一種是網(wǎng)絡(luò)分配方式。終端申請(qǐng)方式中，終端發(fā)出分配或更改時(shí)隙資源的申請(qǐng)，地面站接收到該終端申請(qǐng)包后，響應(yīng)該申請(qǐng)，或拒絕該申請(qǐng)并注明拒絕原因。分配申請(qǐng)的響應(yīng)中包含時(shí)隙號(hào)、起始幀號(hào)和信令信道的詳細(xì)信息。終端接收到這個(gè)分配申請(qǐng)的響應(yīng)時(shí)，會(huì)給地面站確認(rèn)，同時(shí)完成自己的設(shè)置操作。網(wǎng)絡(luò)分配的方式是由陸地用戶發(fā)起的。用戶通過(guò)地面站接口將請(qǐng)求發(fā)送到終端，終端對(duì)接收到的該分配進(jìn)行檢查、存儲(chǔ)、激活，并將結(jié)果以邏輯信道時(shí)隙分配確認(rèn)的形式進(jìn)行響應(yīng)，該確認(rèn)包含了拒絕該編程的原因或接受該編程的處理情況，當(dāng)?shù)孛嬲臼盏皆擁憫?yīng)確認(rèn)后，通信完成。EPADR功能的使用需要衛(wèi)星地面站和衛(wèi)星船站的支持，對(duì)于現(xiàn)有的設(shè)備需要進(jìn)行軟件升級(jí)、參數(shù)配置才能實(shí)現(xiàn)。
海事衛(wèi)星C系統(tǒng)的其他新技術(shù)還包括多洋區(qū)詢呼、洋區(qū)變更通知等。多洋區(qū)詢呼可以實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的多個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)號(hào)(DNID)進(jìn)行操作。洋區(qū)變更通知可以在終端進(jìn)行洋區(qū)變更時(shí)將變更結(jié)果發(fā)送給用戶。這些新功能都將大大提高系統(tǒng)的可靠性和易用性。
3 結(jié)語(yǔ)
國(guó)際海事衛(wèi)星C系統(tǒng)從上世紀(jì)90年代初逐漸在全球各個(gè)地面站建成投入使用，至今已將近20年。據(jù)相關(guān)組織估計(jì)，該系統(tǒng)至少還有10年的使用壽命。海事衛(wèi)星C系統(tǒng)在全球海上遇險(xiǎn)和安全通信、海上反恐、移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)等領(lǐng)域都有大范圍的應(yīng)用。從最近的情況來(lái)看，船舶保安報(bào)警系統(tǒng)(SSAS)于2004年7月實(shí)施，全球船舶遠(yuǎn)程識(shí)別和跟蹤(LRIT)系統(tǒng)于2009年7月實(shí)施。在衛(wèi)星通信行業(yè)產(chǎn)品服務(wù)頻繁更新?lián)Q代的背景下，該系統(tǒng)永藻青春的能力確實(shí)讓人感到驚奇。
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作者：杜忠平，王永明，孫玲玲，楊祝青
