內容提要：國際海事衛星C系統在海上遇險與安全通信、目標監控和數據采集與監視控制中應用非常廣泛。此文介紹了國際海事衛星C系統的業(yè)務(wù)功能、系統構架、信道組成、通信流程和應用情況，并對C系統的最新技術(shù)進(jìn)展，IP-FEP、EPADR功能 的技術(shù)特點(diǎn)做了介紹。

關(guān)鍵詞：國際海事衛星C 　IP前端接入　增強性預分配數據報

0　引言

Inmarsat是國際海事衛星系統的簡(jiǎn)稱(chēng)，提供全球范圍移動(dòng)衛星通信服務(wù)。創(chuàng )建于1979年，目前已經(jīng)成為全球海、陸、空用戶(hù)衛星移動(dòng)公眾通信和遇險安全通信服務(wù)的提供者。Inmarsat面對不同的用戶(hù)提供B、M、C、Mini-M、F、Began及航空等多種衛星通信系統，提供全球話(huà)音、傳真、數據和視頻等通信服務(wù)，滿(mǎn)足常規和海上遇險安全通信要求。Inmarsat-C系統是一種低速率、雙向全球衛星移動(dòng)數據通信系統，其通信速率為1200bit/s，其主要的業(yè)務(wù)包括存儲轉發(fā)報文、遇險呼叫、增強型組呼、數據報告和詢(xún)呼。

存儲轉發(fā)報文(Store and Forward Messaging)業(yè)務(wù)是船岸間一種可靠的數據或報文通信手段，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，一次通信的最大長(cháng)度可達32K字節。該業(yè)務(wù)也可以用作船與船之間通信。遇險呼叫(Distress Calls)業(yè)務(wù)包括遇險報警(Distress alerts)和遇險級別報文(Distress priority messages)兩種。遇險報警是船舶通過(guò)終端的一鍵報警按鈕發(fā)送出來(lái)，報警通過(guò)信令信道經(jīng)地面站直接投遞到搜救中心，地面站在收到報警后會(huì )立即給予確認，遇險信息的內容通常還包含船舶經(jīng)緯度等位置信息。遇險級別報文比其他報文有高級別的優(yōu)先級。增強型組呼(Enhanced Group Calls)業(yè)務(wù)是一種消息廣播服務(wù)，它可以對特定船舶或特定區域內船舶實(shí)現消息廣播通信，從而更好的保證航行安全。數據報告(Data Reporting)業(yè)務(wù)是一種船舶向外發(fā)送短數據(如位置等)或短消息的數據業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)工作在信令信道上，因而比存儲轉發(fā)報文速度更快，但數據量較小，更適合實(shí)效性要求高、數據量不大的業(yè)務(wù)應用。詢(xún)呼(Polling)業(yè)務(wù)實(shí)現岸對船發(fā)送輪詢(xún)指令或數據信息，該業(yè)務(wù)可以完成對船舶的位置或數據信息的詢(xún)呼，控制船舶的報位間隔或向船舶發(fā)送報文消息詢(xún)呼通常和數據報告配合使用，具有速度快的特點(diǎn)。

Inmarsat-C系統的業(yè)務(wù)比較多，應用廣泛，用戶(hù)使用接入方式多樣。本文從其系統框架、信道組成和通信流程等方面進(jìn)行說(shuō)明以使用戶(hù)對Inmarsat-C系統的業(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系統的通信流程和應用

1.1　系統框架

Inmarsat-C通信系統由四部分組成，即空間段、網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站NCS(Network Co¬ordination Station)、衛星地面站LES (Land Earth Station)和衛星船站MES(Mobile Earth Station)，系統框架如圖1所示。

空間段包括通信衛星、網(wǎng)絡(luò )控制中心(Network Operation Centre)和其他相關(guān)的地面設施。Inmarsat-C目前使用的其第三代衛星，主用的衛星有四顆，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。每個(gè)洋區設置一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站(NCS)，負責本洋區的資源分配、信令建立和通信管理等工作。由于其在本洋區內通信的重要作用，每個(gè)洋區還會(huì )設有備份的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站。

衛星地面站是衛星和陸地網(wǎng)絡(luò )之間的連接樞紐，可以實(shí)現和陸地PSTN，PSDN電傳和互聯(lián)網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。陸地用戶(hù)通過(guò)衛星地面站提供的訪(fǎng)問(wèn)接口實(shí)現和衛星船站的雙向通信。

衛星船站是用戶(hù)使用的移動(dòng)衛星終端設備，這些終端設備一般包括數字通信設備(DCE)和數字終端設備(DTE)兩部分。前者在DTE和傳輸線(xiàn)路之間提供信號變換和編碼功能并負責建立、保持和釋放鏈路的連接；DTE具有一定的數據處理能力和數據收發(fā)能力，是用戶(hù)的交互界面。

1.2　信道組成

Inmarsat-C系統信道是指為了實(shí)現船岸和船船通信，整個(gè)系統的衛星鏈路構成?？煞譃檎鹃g鏈路 (Interstation Signalling Link)、網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站與衛星船站間鏈路和衛星地面站與衛星船站間鏈路三種。信道的組成結構如圖2所示。洋區內衛星地面站和網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站通過(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(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )控制中心和NCS之間的信息交換。

網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站的TDM信道是時(shí)分多址工作方式，每幀長(cháng)為8.64s，持續向洋區內衛星船站發(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)的衛星船站守昕在這個(gè)信道上。同時(shí)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調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據碰撞以提高系統通信的成功率。

衛星地面站的TDM信道和網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站的TDM信道的結構和特性相同，但其是某個(gè)衛星地面站專(zhuān)用的，衛星地面站通過(guò)這個(gè)TDM信道向正在和其進(jìn)行通信或守聽(tīng)該信道的衛星船站發(fā)送網(wǎng)絡(luò )和信令信息。衛星地面站的信令信道和網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站的信令信道的工作方式和特性也一樣，每個(gè)地面站根據其業(yè)務(wù)負載的大小，可以有一個(gè)或多個(gè)信令信道。衛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(zhuān)用的，衛星船站使用這個(gè)信道用來(lái)進(jìn)行消息通信。

1.3　通信流程

Inmarsat-C系統的業(yè)務(wù)種類(lèi)較多，通信流程需要網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站、地面站和衛星船站三方共同參與，配合完成。其中存儲轉發(fā)報文是一種有確認機制的通信方式，也最為復雜。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(hù)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，當終端準備通信并準備好數據時(shí)它會(huì )調諧到地面站的TDM信道，并在地面站信令信道上發(fā)送通信請求包。地面站在收到請求包后會(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，進(jìn)行拆線(xiàn)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網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站的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。

當陸地用戶(hù)準備發(fā)起一個(gè)對終端的通信時(shí)，通過(guò)陸地通信網(wǎng)絡(luò )將通信請求發(fā)送到衛星地面站，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)調站的TDM信道上廣播通信請求終端在收到對自己通信請求的廣播時(shí)，向衛星地面站發(fā)出響應，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)送確認請求，終端返回確認包，表示收到信息。最后地面站進(jìn)行拆線(xiàn)，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　應用情況

國際海事衛星C系統在海上遇險與安全通信、目標監控和數據采集與監視控制(SCADA)等領(lǐng)域都有廣泛的應用。海事衛星C系統是全球海上遇險與安全通信系統(GMDSS)的重要組成部分，全球洋區航行的船舶基本都配備了C衛星船站同時(shí)船舶保安報警系統(SSAS)也基本上都是利用C衛星船站實(shí)現的。海事衛星C系統的遇險報警和遇險級別報文通信業(yè)務(wù)為船舶和各國政府的搜救協(xié)調中心提供直接通信，是海上搜救的重要手段。

目標監控是C衛星船站的另一重要應用領(lǐng)域。由于C衛星船站通常內置了GPS定位設備，是較早出現的集定位導航和衛星通信功能于一體的應用系統。詢(xún)呼和數據報告業(yè)務(wù)中集成了單次呼叫船舶位置、控制船舶定時(shí)報位等功能，使得系統易于集成、易于使用，很受用戶(hù)歡迎。目前C系統在遠洋船舶和漁船監控等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。

數據采集與監視控制是利用C衛星船站的通信傳輸能力，將傳感器采集的數據自動(dòng)傳送到監視控制中心。由于C衛星船站具有功耗小、可靠性高等特點(diǎn)，同時(shí)具有睡眠模式點(diǎn)對點(diǎn)傳輸等功能，所以其在數據采集與監視控制領(lǐng)域(如水情測報)也有較多的應用。

2　最新技術(shù)發(fā)展

海事衛星C系統應用的發(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(hù)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型預分配數據報告(EPADR)技術(shù)。

2.1　IP前端接入(IP-FEP)

海事衛星地面站是衛星網(wǎng)絡(luò )和陸地網(wǎng)路的關(guān)口，用戶(hù)通過(guò)地面站接入衛星網(wǎng)絡(luò )陸地用戶(hù)接口如圖5所示。陸地用戶(hù)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(mǎn)足用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)而設計的，提供一種基 于TCP/IP的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)接口。用戶(hù)可以選擇特定的安全驗證機制，通過(guò)標準TCP/IP協(xié)議登錄系統，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(hù)系統接入問(wèn)題，不管是從用戶(hù)響應速度，還是系統吞吐量等各個(gè)因素，都有了大的提高。

2.2　增強型預分配數據報告(EPADR)

海事衛星C系統的信令和數據報告都是利用信令信道實(shí)現的，網(wǎng)路協(xié)調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的通信成功率。當數據報告業(yè)務(wù)量較大時(shí)，信道利用率增高，系統的通信碰撞就會(huì )非常嚴重，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 強型預分配數據報告(EPADR)技術(shù)。

EPADR技術(shù)通過(guò)為每個(gè)終端預先分配好固定的通信時(shí)隙，避免系統產(chǎn)生通信碰撞，從而提高系統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%。根據時(shí)隙資源、申請的方式不同，EPADR有兩種使用方式，一種是終端申請時(shí)隙方式，另一種是網(wǎng)絡(luò )分配方式。終端申請方式中，終端發(fā)出分配或更改時(shí)隙資源的申請，地面站接收到該終端申請包后，響應該申請，或拒絕該申請并注明拒絕原因。分配申請的響應中包含時(shí)隙號、起始幀號和信令信道的詳細信息。終端接收到這個(gè)分配申請的響應時(shí)，會(huì )給地面站確認，同時(shí)完成自己的設置操作。網(wǎng)絡(luò )分配的方式是由陸地用戶(hù)發(fā)起的。用戶(hù)通過(guò)地面站接口將請求發(fā)送到終端，終端對接收到的該分配進(jìn)行檢查、存儲、激活，并將結果以邏輯信道時(shí)隙分配確認的形式進(jìn)行響應，該確認包含了拒絕該編程的原因或接受該編程的處理情況，當地面站收到該響應確認后，通信完成。EPADR功能的使用需要衛星地面站和衛星船站的支持，對于現有的設備需要進(jìn)行軟件升級、參數配置才能實(shí)現。

海事衛星C系統的其他新技術(shù)還包括多洋區詢(xún)呼、洋區變更通知等。多洋區詢(xún)呼可以實(shí)現對終端的多個(gè)數據網(wǎng)號(DNID)進(jìn)行操作。洋區變更通知可以在終端進(jìn)行洋區變更時(shí)將變更結果發(fā)送給用戶(hù)。這些新功能都將大大提高系統的可靠性和易用性。

3　結語(yǔ)

國際海事衛星C系統從上世紀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。據相關(guān)組織估計，該系統至少還有10年的使用壽命。海事衛星C系統在全球海上遇險和安全通信、海上反恐、移動(dòng)目標監控和數據采集與監視控制(SCADA)等領(lǐng)域都有大范圍的應用。從最近的情況來(lái)看，船舶保安報警系統(SSAS)于2004年7月實(shí)施，全球船舶遠程識別和跟蹤(LRIT)系統于2009年7月實(shí)施。在衛星通信行業(yè)產(chǎn)品服務(wù)頻繁更新?lián)Q代的背景下，該系統永藻青春的能力確實(shí)讓人感到驚奇。

參考文獻

1 International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS). 1974.

2 Inmarsat C System Definition [S]. 2004.

3 Inmarsat C SDM，Change Notice，CN 147bis: Clarification to CN143bis EPADR[S]. 25th Janu缸y，2oo8.

4 趙麗寧，趙學(xué)俊，董曉勇.基于Inmarsat-C通信的船舶動(dòng)態(tài)監控系統的設計與實(shí)現[J].世界海運，2003年06期.

作者：杜忠平，王永明，孫玲玲，楊祝青