高通量卫星通信网络海洋环境监测应用研究 - 海洋环境监测数据分析

海洋是国民经济社会发展的重要领域，从“数字海洋”到“透明海洋”，再到“智慧海洋”工程，我国海洋信息化不断深入发展，逐步完善的海洋通信网络对于我国海洋环境监测、海洋资源开发、海洋权益维护、海洋生态保护和海洋经济高质量发展具有重要意义。随着海洋环境监测技术进步以及无人机、无人船、智能浮标等智能终端的应用，我国海洋环境监测已经进入实时化、立体化时代，呈现出监测自动智能化、高频实时及数据海量化的发展趋势。

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当前，卫星通信是我国海洋通信网络的主要通信方式，常用的海事卫星通信手段能够满足小数据量窄带传输需求，但存在时空覆盖范围不足，稳定性差，数据传输与处理能力有限等短板，无法更好满足智能终端获取的高清图像、视频的高速回传及实时在线监测等更高的海洋通信需求。高通量卫星（HTS）具有大带宽、组网方式灵活、按需使用带宽的特性，可支撑海洋环境监测大数据实时、高速回传与应急通信需求。

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本文基于高通量卫星通信网络，构建了一种灵活数据回传、按需带宽使用、安全稳定的海洋监测通信保障体系，可满足大容量数据实时回传、船舰视频监控通信及应急指挥调度等海洋监测通信应用需求。

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一、海洋环境监测通信方式

及高通量卫星网络需求分析

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海洋环境监测数据类型及基本通信方式

目前海洋环境监测的多源感知平台主要包括遥感卫星组成的天基海洋环境监测平台，海洋巡航飞机、有人/无人航空遥感飞机组成的空基海洋环境监测平台，固定海洋环境监测站和高频地波雷达站组成的岸基海洋环境监测平台，浮标、潜标、漂流浮标、水下移动潜器、船舶组成的海基海洋环境监测平台，以及水下固定监测站、水下水声探测阵列等组成的海床基海洋环境监测平台等，可获取包括海洋环境生态要素数据、海洋遥感数据及水下环境监测数据等在内的海洋大数据，初步形成了基于多源感知平台与数据传输网络的海洋环境立体监测系统。

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海洋环境监测数据类型主要有以下几种：

1）环境传感器数据：装载相关的海洋环境监测传感器的浮标、科考船、志愿船等深入大洋或极地获取中远海数据，包括各海洋环境参数、语音、图像等。

2）视频图像：岸基监测站、近海监测站网、无人机、直升机等获取的图像，有实时动态和压缩图像两种。

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3）遥感卫星影像：数据容量大，有原始影像和处理后的遥感图像两种类型。

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根据感知平台位置及监测数据特征的差异性，海洋环境监测中所用通信方式主要有以下几种类型：

1）卫星通信网络：卫星通信网络是当前海洋相关活动主要的通信保障。数据中心经卫星向传感器或感知平台发送监测指令，并通过卫星链路向相关用户提供卫星通信数据传输服务。其中，海洋高通量卫星通信应用系统，可应用于在海洋信息采集监测、海洋环境监测等领域为生产数据提供传输通道，为海上船员生活提供高速互联网服务，满足日益增长的海洋经济需求。

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2）岸基移动通信网络：岸基移动通信依托地面4G/5G移动通信网络可有效覆盖近海30km内海域，支持话音和宽带数据传输。岸基或近海观测站因地理位置靠近海岸，可选用地面移动网络实现高速率、高可靠性点对点物理层移动通信。

3）海上无线通信网络：海上无线通信网络主要采用中/高频和甚高频通信实现近海、中远海域的覆盖，主要有GPRS/CDMA及我国主导的第四代TD-LTE-Advanced技术，都是以无线移动通信作为海洋监测数据的传输载体，均可实现海洋监测数据的无线远程传输。单一观测站升级为观测链时，可选用LORA/NB-IOT物联网或者MESH自组网实现区域性全覆盖，传输的数据容量较小。

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4）水下通信网络：水下通信网络主要包括水下电磁波通信、水声通信和水下光通信三种方式。利用超短波、激光通信、散射通信等技术，可支撑近距离水下通信及小数据量传输。

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卫星通信在海洋环境监测领域应用的发展

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卫星通信是指在通信站之间利用通信卫星（高轨、中轨、低轨）作为中继站进行通信的方式。从系统架构组成来看，卫星通信网络主要包括通信卫星、地面主站系统和通信终端（陆地端站、船载端站及机载端站等）部分，逐步呈现出卫星载荷高通量化、地面系统灵活化、通信终端融合化发展趋势。

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早期国际海洋环境监测主要使用国际海事卫星系统（Inmarsat）、铱星系统（Iridium）等窄带移动卫星通信系统，满足低速率海洋数据传输需求。虽然第五代海事卫星系统最高可支持100Mbit/s的下行速率和5Mbit/s的上行速率，第二代铱星系统（IridiumNext）最高可支持1.5Mbit/s的移动通信和30Mbit/s的宽带通信的通信服务，我国自主可控的天通一号、北斗三号等卫星通信系统也逐步投入使用，但仍无法完全满足海洋环境监测整体性高速传输需求。

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随着高通量卫星通信技术的发展，通信卫星单星容量可达百Gbit/s，分组技术、压缩调制等关键技术的成熟，用户数据下载速率达到12～50Mbit/s，通信卫星能够以较低的价格满足高清视频、多媒体等宽带互联网应用需求。与此同时，小型化、集成化、智能化终端的成熟发展使得卫星通信终端能够集成到无人机、无人船、浮标等海洋环境监测平台上，为高通量卫星通信在海洋环境监测领域的大规模广泛应用奠定了基础。目前我国已经使用中星16号卫星在海洋环境监测大数据回传方面开展了尝试探索。中星16号卫星容量20Gbit/s，能够覆盖我国近海300km以内海域，下载速率最高可达150Mbit/s。随着中星26号卫星的发射，我国将建成Ka频段高通量卫星互联网，可覆盖中国周边海域、澳洲航线及印度洋北部区域，数据下载速率将提升至450Mbit/s，进一步提升我国海洋环境监测通信服务能力。

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高通量卫星网络需求分析

《“十四五”海洋生态环境保护规划》提出，要综合应用遥感监测、定点连续监测、现场快速监测、视频监视监控等先进技术，以及互联网+、大数据、云计算、智能化等科技手段，实现对近岸海湾及湾区生态环境质量状况、各类人为开发活动状况等的精细化监视监测和智慧化监管，推进海湾生态环境监管和公共服务能力整体提升。

海洋环境大数据获取技术取得新的突破，智能化终端持续迭代，海洋环境数据获取呈现出海量级、实时、自动化等趋势，促使海洋环境大数据回传与海洋通信需求迅速增长。当前传统的大波束通信卫星C和Ku频段资源有限、传输速率不高，海事卫星、北斗卫星、天通卫星等窄带卫星传输速率低，亟需实时、高效、大带宽的海洋信息通信系统为此提供更多的支撑。海洋环境监测通信需求主要有以下几个方面：

（1）大容量数据实时回传需求

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大容量数据实时传输对于全球海洋环境监测的时效性和精准性具有重要意义。科考船或志愿船是全球海洋探测的最直观手段，目前船舶普遍采用大波束通信卫星传输在中远海、极地获取的实时观测数据或接收到的遥感图像，因频段资源紧张或将限制大容量数据实时回传。海洋浮标是实时或准实时获取多圈层、全海深、高时空分辨率的海洋综合环境与目标信息的重要途径之一，我国已累计布放了近550个国际Argo计划浮标，同时建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网，目前采用的双向窄带慢速卫星通信方式传输海洋环境监测数据，但是预计智能浮标未来可采集更复杂的环境参数及周边实况图像，需要高速通信网络回传浮标获取的图像或视频数据。海洋遥感卫星以大面积、全天候、全天时、高时效的观测优势，使其成为海洋立体观测体系中不可或缺的重要组成部分，但是受限于地面站分布和载荷通信技术，获取的实时遥感数据需在星上存储，当卫星过境地面接收站时延时下载。为了提升遥感影像应用的时效性，我国采用极地或境外落地部分遥感数据再经卫星通信网络或地面专线回传至数据应用中心。可见，高通量卫星网络在传输大容量、实时连续数据方面具备广阔的需求空间，见表1。

表1 典型海洋感知平台卫星通信与传输需求

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（2）视频监控实时传输需求

高清/标清视频监控实时在线是近海海洋环境日常监测与应急减灾的重要支撑。安装在船舶或岸基监测站等平台上的视频设备，不间断获取的视频图像数据量大，若实时传输则需要大带宽、高速率通信网络能力，大波束通信卫星网络或者短波通信均无法提供完善的传输条件，高通量卫星通信网络以频率复用、大带宽、随遇接入等技术优势可支撑海洋环境监控视频、图像在线查看及流畅回传。

（3）海洋环境抢险救灾应急通信需求

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海洋环境防灾减灾关系到海洋环境可持续发展、资源开发利用以及国际关系等复杂情况，一直是海洋事业发展的重点工作。多年来，中远海应急通信受限，陆地侧应急指挥中心一直通过电话、邮件等非可视化方式对发生海洋环境灾害的海域进行应急减灾指挥，陆海联动性滞后，海域单兵应急响应时效性不足。新一代的海洋环境应急指挥调度需要高速率、大带宽卫星通信网络保障，支撑视频会议、现场灾情数据快速回传、现场互联网接入、Wi-Fi覆盖等需求，以直接提升抢险救灾的机动指挥调度效率。

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二、基于高通量卫星的海洋

环境监测通信网络系统设计

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系统架构

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面向海洋环境监测的通信网络需求，本文提出建设一种海洋环境监测高通量卫星通信网络系统，依托高通量通信卫星为各海洋感知平台提供高速、大带宽、灵活接入、按需使用的卫星通信网络，进一步支撑海洋监测大数据实时回传、船舰视频监控实时在线及应急抢险救灾陆海高效联动等需求。本文设计的基于高通量卫星的海洋环境监测通信网络系统主要由三部分组成：空间段为不同轨道高度的高通量卫星，地面段包括卫星地球站、网络运行中心等，用户段包括依托各海洋感知平台的传感器、数据云、应急指挥中心等。图1为基于高通量卫星的海洋环境监测通信系统网络拓扑。

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图1 基于高通量卫星的海洋环境检测通信系统网络拓扑

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系统设计

依据基于高通量卫星的海洋环境监测通信网络系统架构（图1）与典型海洋感知平台卫星通信与传输需求（表1），本文分别设计了宽带实时数据传输系统、视频监控实时通信网络系统和海洋环境灾害应急通信系统共3个高通量卫星通信应用系统。

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（1）高通量卫星实时数据传输系统设计

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针对海洋环境监测大数据的实时传输要求，基于高通量卫星通信网络，建立海洋环境感知平台与数据中心的宽带实时数据传输系统。海洋环境监测大数据经HTS端站上行至高通量卫星，经下行卫星通信链路回传至HTS主站后，可选择卫星链路或地面专线传输至数据中心。同时，可按需支撑海洋环境要素数值预报产品及重点遥感影像产品高效传输至用户。高通量卫星实时数据传输系统设计如图2所示。

图2 高通量卫星实时数据传输系统设计

（2）视频监控实时通信网络系统设计

视频监控实时通信网络系统主要考虑节省卫星回传带宽和设备抗海上恶劣条件两大因素。监控系统正常状态下使用低编码速率、低帧率的辅码流进行多路视频回传，高通量卫星通信链路支持数据中心利用轮询功能用于各船舶之间、各监控传感器之间监控视频的无缝流畅切换。在重大情况下或实时在线查看时，可选择高清、正常帧速率主码流视频回传，高通量卫星通信链路支持实时在线浏览各感知平台的视频监控。依据海洋感知平台视频监控用途，可按需进行灵活卫星宽带资源配置，视频监控数据选择原视频实时完整回传，或者本地存储、压缩实时传输，差别在于端系统的配置，可选配不同速率功能的HTS端站。视频监控实时通信网络系统设计如图3所示。

图3 视频监控实时通信网络系统设计

（3）海洋环境灾害应急通信系统设计

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海洋环境灾害应急通信系统设计原则为实时通信、链路稳定、多方联动。通过高通量卫星建立应急指挥通信链路，选择双线天线，实现海洋环境灾害发生海域与应急指挥中心实时在线联动，高通量卫星通信网络提供稳定通信链路，支持前方监测到的海洋灾害信息、溢油信息实时传输到数据云进行在线智能分析，支持指挥中心快速将决策信息发送至相关海域船舶、人员及各级主管部门。海洋应急通信系统为应急指挥防灾减灾所用的视频会议通信和灾情大数据、海洋环境监测数据回传灵活配置带宽资源，保障流畅的多方联动与高清的灾情显示画面，进一步提升海洋环境灾害应急抢险救灾时效性和稳定性。系统设计如图4所示。

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图4 海洋环境灾害应急通信系统设计

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关键技术指标

基于高通量卫星的海洋环境监测通信网络系统中网络、终端、安全性等关键指标如表2所示。

表2 系统关键技术指标

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三、应用场景探讨

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基于高通量卫星的海洋遥感卫星

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图像回传场景应用

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针对全球重点海域的海洋遥感卫星图像近实时应用需求，基于高通量卫星实时数据传输系统，用户指控中心发送海洋遥感卫星成像需求，经由卫星地球站（或地面专线）传递至遥感卫星服务商，通过控制海洋遥感卫星成像获取所需遥感大数据，经处理后由高通量卫星推送L2级遥感数据至数据中心，数据中心快速进行数据实时处理、对象识别与信息整合，生成最新的目标信息，该信息可经高通量卫星链路迅速分发至各级用户。经证明：基于高通量卫星实时数据传输系统的遥感卫星图像快速获取、回传与分发，可覆盖国内、四海周边观测范围内，实现小时级和分钟级的近实时响应。

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基于高通量卫星的船舰视频

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监控实时在线场景应用

船岸之间宽带通信能力较弱，严重限制了科考船、船艇综合海洋环境监测能力的发挥，按照国际公约及国内相关要求，大部分海上船舶安装了海事卫星通信系统用于海上交通安全，但是无法将现场的实时视频数据回传到岸基数据中心。基于视频监控实时通信网络系统，船舶与岸基建立实时有效的高通量卫星宽带通信链路，各船舶可以通过双向卫星通信链路及时获取指挥中心的各类指令。船舶可选择0.45m船载动中通卫星终端，一键开关机，自动对星，操作方便。在船艇移动数据中心配置安全网关、虚拟安全隧道以及配套设置网络安全策略，可选配宽带资源上行6Mbit/s，下行10Mbit/s，满足480P～1080P视频在线稳定回传，在视频在线回传中可稳定同步回传至少2路高清视频监控信号（1080P）至岸基数据中心终端。同时，船舰在航行过程中无缝切换高通量卫星覆盖波束。

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海洋环境灾害应急通信场景应用

海洋环境灾害应急通信保障中，特别是在中远海海域，海洋环境灾害应急通信系统使得海陆应急联动指挥成为可能。基于高通量卫星网络接入陆地侧应急指挥中心，融合大波束卫星网络、北斗卫星短报文通信网络、船载对讲系统、视频会议系统、广播通信系统等，部署完整的海洋环境灾害应急通信体系，内部网络可以通过宽带网络接入陆地应急指挥中心，实现海陆高清视频会议，快速高效保障应急策略、方案商讨和实施等海洋环境防灾减灾行动。在应急指挥中心，通过配置相关显示设备实现灾情通信感知一体化展示。

四、结语

随着我国“智慧海洋”和“透明海洋”等系列工程持续推进，海洋环境监测日益重要并产生了海量大数据，实时海洋环境监测大数据回传与实时通信对卫星通信网络提出了大带宽、高速率、灵活资源配置的切实需求。基于高通量卫星的海洋环境监测通信网络系统可保障海洋环境监测大容量数据的实时传输速率及视频会议实时在线，以大带宽、高速率、灵活与安全稳定的通信性能为海洋遥感卫星图像快速回传与分发、船舶视频在线监控、海洋环境灾害应急通信等提供了坚实的通信保障。当然，在高通量卫星通信终端及带宽的资费问题上，还有待进一步提升性价比，对于小速率、低时效性的数据传输与通信需求，仍需选择资费较低的短波通信或窄带卫星通信。未来海洋通信网络需要进一步探索与拓展，基于高通量卫星海洋环境监测通信网络体系为当前海洋环境监测遇到的通信挑战提供了一种新的解决途径，为国家重大海洋战略工程实施中的海洋通信网络发展提供了一些参考。

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来源：《卫星应用》2023年第12期

作者：赵菲、马芳、杨宁、张艺齐等

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编辑：刘维德

责编：张曼倩

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本刊聚焦国内外卫星应用产业的政策、技术进展、应用成果和市场动态等；

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