張劍

摘 要：隨著技術(shù)水平的進(jìn)步和海洋意識(shí)的增強(qiáng)，我國在海洋開發(fā)方面的投入越來越多，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)積極開展。與此同時(shí)，海洋活動(dòng)也屬于一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，由于生產(chǎn)過程遠(yuǎn)離內(nèi)陸，自然環(huán)境變化無常，海域范圍極大等等，這些都使得一旦遭遇突發(fā)災(zāi)害，營救工作困難極大。如何在遠(yuǎn)離內(nèi)陸、傳統(tǒng)通信手段受限的情況下，準(zhǔn)確找到被困人員成為了一項(xiàng)十分重要的工作。本文提出了一種基于窄帶無線技術(shù)的海洋應(yīng)急通信系統(tǒng)，采用擴(kuò)頻手段增加抗干擾性能，通過中繼擴(kuò)大通信范圍，可應(yīng)對(duì)海上無線信號(hào)復(fù)雜，通信距離遠(yuǎn)等不利條件，為常規(guī)海上應(yīng)急通信提供一種補(bǔ)充手段。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急通信，海洋，無人機(jī)，窄帶通信，Sub-G頻段。

目前，現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于應(yīng)急通信的大部分解決方案是通過衛(wèi)星通信，或是通過無人機(jī)搭載便攜基站，這些應(yīng)急通信方式需要實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)頻段，這種方法對(duì)于只傳輸位置信息等小數(shù)量的呼救信號(hào)是一種資源的浪費(fèi)。在上述背景下，本文提出了一種基于窄帶無線技術(shù)的海洋應(yīng)急通信系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)及功能單元組成進(jìn)行了闡述，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值及理論研究意義。

一、系統(tǒng)簡介

本套應(yīng)急通信系統(tǒng)，包括應(yīng)急中心、應(yīng)急呼救接收機(jī)、應(yīng)急呼救中繼和多臺(tái)應(yīng)急呼救終端。應(yīng)急呼救終端配備于出海作業(yè)船只或人員身上，采用鋰電池供電，內(nèi)置GPS模塊;應(yīng)急呼救接收機(jī)安裝于無人機(jī)或氣球上，負(fù)責(zé)收集某一海域內(nèi)所有應(yīng)急呼救終端發(fā)出的求救信號(hào)，在收到求救信號(hào)后，將數(shù)據(jù)打包通過應(yīng)急呼救中繼鏈路傳回應(yīng)急中心;應(yīng)急呼救中繼為多種無線通信手段統(tǒng)稱，可為微波、衛(wèi)星、短波等，主要用于中繼無線呼救信息。

應(yīng)急呼救終端配備于出海作業(yè)船只或人員身上，在作業(yè)人員被困后，打開電源并按下呼救按鈕，整個(gè)終端開始上電工作，GPS模塊進(jìn)行定位，在獲取到正確的經(jīng)緯度信息后，將經(jīng)緯度信息發(fā)給基帶模塊;基帶模塊將終端自身預(yù)設(shè)ID加入到位置信息后進(jìn)行擴(kuò)頻處理，并在預(yù)設(shè)的Sub-G頻段上進(jìn)行發(fā)送。裝有應(yīng)急呼救接收機(jī)的無人機(jī)在作業(yè)海域進(jìn)行長時(shí)間巡邏飛行。應(yīng)急呼救接收機(jī)預(yù)先設(shè)有多個(gè)頻點(diǎn)，并可在所有預(yù)設(shè)頻點(diǎn)進(jìn)行呼救信息的接收。接收機(jī)在收到應(yīng)急呼救終端發(fā)出的呼救信息后，將內(nèi)含的終端ID號(hào)、受困人員經(jīng)緯度信息等通過地空鏈路發(fā)回地面應(yīng)急中心。應(yīng)急中心在收到被困信息后，向應(yīng)急呼救接收機(jī)發(fā)送確認(rèn)指令，再由接收機(jī)返回應(yīng)答信息至應(yīng)急呼救終端。

二、系統(tǒng)工作流程

為了解決多個(gè)終端同時(shí)進(jìn)行呼救所可能遇到的呼救沖突的情況，本呼救系統(tǒng)借助GPS模塊上引出的1PPS信號(hào)進(jìn)行時(shí)隙劃分，通過TDD方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多路信號(hào)傳輸。具體實(shí)施方法方式為：

應(yīng)急呼救終端和應(yīng)急呼救接收機(jī)均帶有GPS模塊，每臺(tái)呼救終端和呼救接收機(jī)在初次開機(jī)后，通過自身GPS模塊的1PPS信號(hào)進(jìn)行同步。假設(shè)地面存在N臺(tái)應(yīng)急呼救終端，則將1s均分為2N份。在第一個(gè)1/2N時(shí)段內(nèi)，第一臺(tái)呼救終端在發(fā)送1次呼救信號(hào)后立即切換到接收模式，并在這一秒其余時(shí)間內(nèi)均保持接收模式;在下個(gè)1/2N內(nèi)，第二臺(tái)呼救終端發(fā)送呼救信號(hào)后立即切換到接收模式，依次進(jìn)行直到第N臺(tái)呼救終端。這樣N臺(tái)終端全部完成發(fā)送共需0.5s，應(yīng)急呼救接收機(jī)統(tǒng)計(jì)在前0.5s內(nèi)收到的所有終端ID，并將收到終端的ID號(hào)統(tǒng)一組包作為應(yīng)答信號(hào)，在后0.5s以廣播的方式發(fā)給各臺(tái)終端，各臺(tái)終端通過查詢應(yīng)答信號(hào)中是否有自身ID來判斷呼救信號(hào)是否已被成功接收。

應(yīng)急呼救終端和應(yīng)急呼救接收機(jī)具體工作流程如下：

l第i臺(tái)應(yīng)急呼救終端被觸發(fā)后執(zhí)行如下程序，1≤i≤N：

（1）通過自身GNSS模塊的1pps信號(hào)與應(yīng)急呼救接收機(jī)以及其他應(yīng)急呼救終端進(jìn)行同步;

（2）同步成功后進(jìn)行定位，在獲取到正確的經(jīng)緯度信息后，將經(jīng)緯度信息發(fā)給基帶模塊;

（3）基帶模塊將終端自身預(yù)設(shè)的ID和當(dāng)前經(jīng)緯度信息組包;

（4）基帶模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的擴(kuò)頻參數(shù)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理;

（5）在1秒中的第i/2N個(gè)時(shí)隙內(nèi)，基帶模塊在預(yù)設(shè)的Sub-G頻點(diǎn)上發(fā)送呼救信息，然后切換到接收模式，并保持接收狀態(tài);

（6）等待應(yīng)急呼救接收機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，查詢應(yīng)答信號(hào)中是否含有自身ID，若超過預(yù)設(shè)時(shí)間閾值仍未收到包含自身ID的應(yīng)答信號(hào)，則在預(yù)設(shè)的一系列頻點(diǎn)中選取下個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行呼救信號(hào)重傳;

（7）收到包含自身ID的應(yīng)答信號(hào)后，通過提示模塊發(fā)出提示;

l應(yīng)急呼救接收機(jī)開機(jī)后執(zhí)行如下程序：

（1）通過自身GNSS模塊的1pps信號(hào)與N臺(tái)應(yīng)急呼救終端進(jìn)行同步;

（2）進(jìn)入接收狀態(tài)，在預(yù)設(shè)的頻點(diǎn)上監(jiān)聽?wèi)?yīng)急呼救終端的呼救信號(hào);

（3）記錄一秒中前0.5s內(nèi)收到的所有終端ID，并將ID號(hào)統(tǒng)一組包作為應(yīng)答信號(hào)，然后在后0.5s以廣播的形式發(fā)送應(yīng)答信號(hào);

（4）將收到的應(yīng)急呼救終端的ID號(hào)以及它們上報(bào)的位置信息通過地空鏈路傳回后臺(tái)應(yīng)急中心。

由于海域附近無線電環(huán)境復(fù)雜，各頻段信號(hào)都可能存在，為了盡可能避免噪聲干擾，需要采用一定手段進(jìn)行抗干擾。本系統(tǒng)中采用擴(kuò)頻技術(shù)極大程度上提升系統(tǒng)的抗干擾能力。為了進(jìn)一步提升呼救信號(hào)的傳輸成功率，呼救接收機(jī)和終端事先設(shè)定好多個(gè)通信頻點(diǎn)，應(yīng)急呼救終端從默認(rèn)頻點(diǎn)開始進(jìn)行呼救信號(hào)的傳輸，呼救接收機(jī)在收到呼救信號(hào)后返回應(yīng)答信號(hào)，若應(yīng)急呼救終端在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到應(yīng)答信號(hào)，則在選好的頻點(diǎn)序列中挑選下一頻點(diǎn)再次發(fā)送呼救信號(hào)，直至收到應(yīng)答信號(hào)或是從頭繼續(xù)。

三、總結(jié)

本套系統(tǒng)為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的星型應(yīng)急呼救系統(tǒng)，受困人員通過應(yīng)急呼救終端來采集當(dāng)前經(jīng)緯度信息，在Sub-G頻段對(duì)呼救信息進(jìn)行擴(kuò)頻和選頻處理，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，由于呼救內(nèi)容所需數(shù)據(jù)量較小，故可以將傳輸速率降低來改善接收門限，降低應(yīng)急呼救終端上的發(fā)射功率，從而提高終端待機(jī)時(shí)間。應(yīng)急呼救終端不直接和應(yīng)急中心通信，而是借助安裝在升空的無人機(jī)或氣球上應(yīng)急呼救接收機(jī)作為中繼，從而減小終端無線信號(hào)的發(fā)射功率，延長待機(jī)以及呼救時(shí)間;應(yīng)急呼救終端通過擴(kuò)頻、認(rèn)知無線電等手段，提高了呼救信號(hào)抗干擾能力;應(yīng)急呼救終端和應(yīng)急呼救接收機(jī)均采用模塊化設(shè)計(jì)，使用方便、更換簡單;本系統(tǒng)既可在ISM頻段也可在其他管控頻段使用，采用中繼的形式擴(kuò)大通信距離，使用方式靈活，是對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)急通信方式的一種很好的補(bǔ)充。

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