水上无线电通信几种模式及应用

●在水上环境使用用的无线电电台
①海岸电台
海岸电台是连接船舶和陆地通信的“中继器”，它会向船舶播发气象、台风警告、航行警告等海上安全信息，也会提供船舶与船务公司间的航行、商业和个人消息的中转，更为重要的是它会 24 小时聆听海上发来的遇险信息，为船舶出行提供不间断的安全守护。
②船舶电台
船舶电台是安装在船上用于通信目的的无线电设备。根据船舶的大小、用途不同，船舶电台的功能和主要性能也不尽相同。在公海上航行的大型客船或货船配备的无线电台，适合于进行远距离通信，在沿海岸航行的小型客船上则只需要安装适合较短距离的通信电台，而对于那些用于娱乐目的的小型船只(例如水上运动、帆船、潜水等)，则很多时候使用可便携的无线电台或不安装无线电台。
③在海上漂浮的电台
海上有许多漂浮物体，它们随波逐流、载浮载沉，很有可能对船舶航行产生威胁。这些物体有的是人为安装的，例如标示航道范围、指示浅滩、碍航物的航标，或是采集海洋潮汐和海水温度数据、或是监测水质和污染情况的观测站，也有的是自然原因或其他人为原因产生的，例如在南北极海域常见的冰山或是倾覆的船舶残骸。为了标识这些水上物体，很多时候也会给它们安装一个无线电台，提醒过往船舶多加注意。这种装置也被称为自主水上无线电发射设备。
④电台“身份证”为了更加方便地识别船舶，如同人的姓名、手机的号码一样，每艘船舶都被指定了一个由 9 位数字组成的全球独一无二的水上移动通信业务标识（MMSI）。它与船舶名称、所属公司等有用的信息进行了绑定，当船舶在海上遇险时,船员就使用船舶上的电台将携带此标识的消息发出去，当各个国家的海上搜救中心收到含有标识的信息时，通过与数据库进行比对，就可以掌握船舶信息，才能更好地组织开展搜救行动。那么，这个标识是什么样子的呢？它的核心是水上标识数字（MID），千万不要小瞧了这个三位数，通过它就可以了解是哪个国家的船只，或者是代表哪种设备。例如， 
MIDXXXXXX  代表这是一艘船舶
00MID1XXX   代表这是一个海岸无线电台
111MIDXXX   代表这是一架炫酷的搜救飞机
如MID是412,413,414，代表这是中国的电台。
●全球海上遇险与安全系统
①背景
1912 年 4 月 14 日，豪华邮轮“泰坦尼克”号撞上了漂浮在大西洋北部纽芬兰岛东南方的冰块，仅仅2小时后即沉入大海，1500 人葬身海底。虽然该船遇险时，周边就停泊有其他船舶，且无线电报务员发出了海上遇险信号“SOS”(救救我们的船)，但仍因种种原因，未能及时获得救援。这一巨大的悲剧引起了全世界的震动。1914 年，国际上首次制定了《国际海上人命安全公约》(SOLAS),对船舶装载的无线电台、国际无线电报安全通信频率和报务员值班制度等进行了规定，这标志着海上遇险与安全通信的发展拉开了帷幕。
在国际海事组织（这是一个主管船舶航行安全的政府间国际组织）的大力推动下，1992 年全球海上遇险与安全系统（GMDSS）投入使用，目前已发展成为一套庞大的、综合的全球性通信搜救网络。GMDSS主要由卫星通信系统（INMARSAT）、卫星搜救系统(COS-PAS/SARSAT）、地面无线电通信系统以及海上安全信息播发系统等几部分组成。

GMDSS 系统概念示意图

GMDSS 系统具有以下七大功能，如下表所示：

②海区与GMDSS能力
根据 GMDSS 系统各种无线电通信系统的能力和特点，国际海事组织将全球海域按离岸距离远近分为四类海区 A1、A2、A3 和 A4。A1海区是可以使用VHF频段海岸电台覆盖的区域，一般指距岸25海里的海域范围；A2海区是A1海区以外，由中波频段（MF）海岸电台所覆盖的海域，一般指距岸 25-150海里的海域范围；A3海区指除A1和A2海区以外，由对地静止轨道卫星系统所覆盖的区域，在南北纬76°之间；A4 海区指A1、A2和A3海区以外的区域。目前，在国际海域或开放水域航行的排水量 300 吨以上的货船以及载客12人以上的客船都必须符合GMDSS系统要求。为防止紧急情况下某类无线电电台不能正常工作，通常要求航行在某类海区的船舶至少具备两种或以上通信方式。

船舶航行海区与船载无线电台对应关系
 

③海上遇险报警
●地面通信系统
数字选择性呼叫（DCS）系统是海上遇险报警和遇险值守的主要设备。船舶和海岸电台都要求在系统工作频率上保持24小时值守，当船舶发生遇险时，可以使用 DCS 系统发送遇险报警信号，收到报警信号的海岸电台以及船舶将立即予以响应，并提供救助。通过这个系统，可以实现船到船、船到岸、岸到船三个方向上的报警。
DCS 系统使用7个遇险和安全呼叫频率，分别为2187.5kHz（MF 频段），4207.5 kHz、6312 kHz、8414.5 kHz、12577kHz、16804.5 kHz（HF 频段）和 156.525MHz（VHF 频段第70号信道）。按照航行的海区可使用不同的频率，例如，在A1海区可使用VHF频段第70号信道，在A2海区可使用MF频道，在A3海区可在HF频段6个信道中选择一个频率进行发射。
除预警报警功能外，DCS 系统还可以自动建立无线通信链路，通常 DCS 终端设备可进行选择性呼叫，实现单台呼叫（一对一）、所有船呼叫（一对所有船）、群呼（一对一个组）、海区呼叫（一对海区内的所有船）等多种功能。
●卫星通信系统
卫星通信系统主要由通信卫星、移动终端（船舶地球站）、海岸地球站以及救援联络站构成。GMDSS系统中广泛使用的是海事卫星系统（INMARSAT），该系统1982年投入使用，历经5代发展，已具备向全球大部分区域提供语音和低速数据通信服务的能力。2018年，国际海事组织认可美国铱星系统作为新的 GMDSS 卫星服务提供商。目前，我国北斗系统也正在向国际海事组织申请成为GMDSS卫星服务提供商。

国际海事卫星系统全球覆盖图

 ④卫星搜救系统
正在运行的COSPAS-SARSAT系统是一个全球性卫星搜救系统，它是GMDSS的重要组成部分。系统由紧急无线示位标、卫星系统和地面系统等三部分组成。
紧急无线示位标分为陆地使用（PLB）、航空使用（ELT）和船舶使用（EPIRB）等三种形式。示位标在船舶上使用时，可使用人工或自动两种方式启动，通过在 406MHz 频率上发射无线电信号，可以显示被救援人员的位置信息。人工启动时将示位标从容器中取出，打开发射开关，30 秒后将自动发射遇险信息。当船舶下沉时，示位标将可感受水深压力，自动释放，浮于水面后自动发射。
卫星系统由低高度极轨搜救卫星（LEOSAR）和静止轨道同步搜救卫星（GEOSAR）组成，可接收报警信号并处理后转发至搜救中心。如紧急无线示位标装备有GPS接收机模块，那么发射的信息中就包括了示位标的位置信息，搜救中心可直接得到示位标的精确位置。如果示位标没有GPS接收机模块，极轨搜救卫星可以通过测量卫星接收信号的多普勒频移，估算示位标的大致位置，精度大约为2-3海里。
地面站接收遇险信号后，发送给任务控制中心进行身份识别，并将位置信息发给救助协调中心以开展搜救工作。

COSPAS-SARSAT 工作原理图
 

⑤搜救定位装置
船舶遇险并报警后，虽然报警信息包含遇险船舶的位置信息，但考虑到一些客观原因，遇险船舶或幸存者报告的位置与实际的位置可能存在一定的误差和变化，同时还有可能遇上恶劣海况、浓雾或黑夜，现场搜救幸存者的工作难度很大。为尽快发现幸存者，我们还需要搜救定位装置来帮忙。这个装置解决了现场搜救不易发现失事地点或幸存者的问题，使得遇险船舶、救生艇或幸存者能够被迅速发现。
搜救雷达应答器是一种较为传统的搜救定位装置。它本质上是一个被动触发式的雷达信号产生器，当设备开启后，在没有被雷达信号触发前，设备处于接收状态，当被9GHz频段船舶或救援飞机的雷达波触发以后，应答器将发射一个雷达信号，在导航雷达上显示一连串的点，使搜救船舶和飞机确定射源的方向和距离。
近年来，使用船舶自动识别（AIS）技术的搜救定位装置逐渐成为主流。通过在船舶自动识别系统专用的国际频率上广播发布遇险位置和安全信息，可以更为方便、准确告知搜救船舶、飞机自身位置和相关信息。与传统的搜救雷达应答器相比，采用AIS技术的搜救定位装置信号安装更为简单便捷，有效作用距离更远，不受海况环境对雷达信号的影响，且不会对导航雷达未来发展做出更多限值，但同时它的耗电量更大，对电池要求更高，且如果内置卫星导航不能正常工作则无法提供位置信息。
⑥安全信息播报
大家可能对前几年一部电影《完美风暴》还有印象，电影讲述了一艘捕鱼船在北太平洋上遭遇百年罕见的风暴，船员们在船长带领下，顽强地与风暴搏斗的故事。正如电影中展示的那样，海上气象条件变化万千，如果没有提前了解相关信息，可能对航行产生巨大影响。
为了保证航行安全，国际海事组织和国际航道组织将全球划分为 16 个航行警告区，协调相关国家通过海岸电台或者卫星，向航行的船舶提供包括航行警告、气象警告、气象预报、搜救信息等在内的海上安全信息，而船舶上的接收设备能自动接收并打印航行警告信息，为船员及时掌握航行安全信息提供了保障。目前我国在上海等地建设了海岸播发台，链状覆盖了沿海400 海里以内的海域，在486kHz、518kHz和4209.5 kHz 频率上分别以中英文播发航行警告和安全信息。在海岸电台无法覆盖的海区，也可通过前面提到的卫星系统提供安全信息播发。
●其他系统：船舶自动识别系统
随着航海技术的不断发展，船舶数量不断增长，船舶尺寸不断加大，航行速度不断提升。航道上、港口中，船舶密度不断增加，船舶发生碰撞事故的风险不断增大。据统计，船舶碰撞事故中，90%都是由于人为因素产生。很多时候邻近船舶因为设备操作和语言交流上存在问题而不能及时沟通和了解相互信息和操作意图，从而导致碰撞产生。20世纪90年代，船舶自动识别系统（AIS）应运而生。该系统在水上甚高频（VHF）频段自动向岸台和周围船舶发送本船的位置和航行状态信息，同时它接收其他船舶发来的信息，在船舶驾驶室的电子海图上进行显示，从而提醒船员避免碰撞。
通过 AIS 信息，指挥船舶通行的海事局管制员可以实时了解管制区域船舶动态，更好指挥船舶通行。可以说，AIS使船舶导航系统应用及安全通信迈上了新台阶。通常地面 AIS 信号的传播距离不超过几十海里，近年来，随着卫星 AIS 技术的发展，远距离接收船舶 AIS 信息成为可能，可以真正做到足不出户，遍历全球航行信息。

全球水上AIS信息实时监控