消防单兵移动通信指挥系统初探

文｜西安市公安消防支队 庞建民

1 前言

纵观国内消防指挥调度通信系统的发展状况，无线通信系统的终端设备通常采用的是手持对讲机或头盔式电台，由于设备成本高、操作不方便等因素的限制，阻碍了三级组网的发展。消防通信三级网是面向现场战斗员的通信联络系统，通过大量的实战调研证明，每个战斗小组中，只有小组指挥员需要上传下达现场的一线信息，如果每个战斗员都参与传递信息就容易造成通信网混乱，加上紧张复杂的状况根本无暇顾及其他的操作，战斗员一般仅需要接收命令即可。所以单向接收方式即可满足需要，这样还大大降低了装备的成本、重量和体积，同时结合模拟语音保密、跳频自动跟踪、恶劣环境可靠性设计等技术，又提高了它在其他方面的性能，例如易使用、保密度高、待机时间长、易于佩带连接等。该项目的研发及推广使用，可推动消防通信三级组网的发展需要，保障火场通信的畅通，提高战斗力。特别可作为紧急状况下信息广播发布的可靠信道来使用，无疑加快了消防通信装备现代化的进程。

2 问题提出

目前现场的通信指挥调度主要依赖于移动通信技术，其形式包括无线常规通信系统和无线集群通信系统两种。常规通信系统技术在国外六七十年代就已经开始走向成熟，目前发达国家对指挥和调度功能要求较高的专业部门都已经开始使用无线集群通信系统。80年代末无线集群通信技术产品开始进入我国，如美国摩托罗拉公司、诺基亚公司产品。由于无线集群通信系统结构复杂，占用频点较多，建立专网和运营费用昂贵，目前采用的主要指挥调度通信方式依旧是无线常规通信系统。

例如，消防部队利用350M公安专用频段无线常规通信系统，组成城市消防管区覆盖网，也称消防一级网。它的功能是：保障消防指挥中心与所属消防大队、中队固定台、车载台之间的通信联络。各级指挥员的少量手持台在通信中心区域范围内也可加入该网。在使用车载电台的条件下，一级网的通信覆盖区通常不小于城市消防管区面积的80%。

采用这种方式实现指挥调度通信系统有如下特点和不足：

◆ 组网方便、技术成熟、工作稳定可靠；

◆ 可移动性强、网络覆盖范围较大，且可根据需要扩展；

◆ 通信实时性强；

◆ 容易受外界干扰，保密性较差；

◆ 对于大部分基层干警和战斗员只是接受指挥命令，使用有双向通信功能的对讲机会造成功能浪费；

◆ 专业的手持对讲机成本较高，目前难以向所有作战单兵配备；

◆ 执行任务时不便于携带，特别是特勤服装装备情况下无法佩带、操作；

◆ 手持对讲机功耗大，电池使用时间不能满足长时间执行任务需要。

为了克服现有无线通信指挥调度系统的缺点和不足，使得通信指挥系统更加先进有效，研究开发 “单兵移动通信指挥系统”具有非常重要的现实意义。

3 现状分析

目前我国公安系统、武警部队、消防部队、特警以及保安部门所采用的通信方式主要有普通有线电话、GSM手机、无线对讲系统和集群通信系统。其中适合于指挥系统的通信方式主要为无线对讲系统和无线集群通信系统，由于无线集群通信系统信令结构复杂，占用频点多，建立专网系统造价和运行费用都比较高，很久以来我国大多数上述部门的指挥系统通信方式采用无线对讲系统。该系统采用模拟FM调制方式传送语音或双音频数据信号，组网方式为大区制、共享单组频点，由中小功率中继台完成语音接续传送。这类产品绝大部分为进口或国内组装，拥有自主知识产权的国内产品很少。根据功能和发送功率不同可将该系统分为中继台、车载台和手持机三个部分。手持机的数量最多，由于具有双向传输功能，其造价较高，加之回传信道容量有限等一系列因素，始终不能普及到每个基层人员和战斗员手中。例如在很多情况下，消防战斗现场以及防暴队伍现场指挥靠人工喊话或扩音器喊话实现，效果很差，技术落后。

国外该项目领域的技术发展伴随着移动通信的发展，经历了从模拟方式到数字和网络化方式的过渡，由于国外集群通信技术发展较早，技术成熟，所以发达国家从70年代已经陆续采用无线集群通信系统作为对指挥和调度功能要求较高的企业、事业、公安、警察、军队等部门使用。80年代集群通信指挥调度系统在国外的公安、消防、军队等部门已经十分的普及。90年代初期国外数字集群通信技术开始出现，采用数字技术通信有很多的优点，例如：抗干扰能力强；可实现高质量、远距离通信；容易实现加密传输；数字电路的集成化使设备的可靠性大大提高；具有适应各种业务需要的高灵活性以及容易与计算机连网等。

随着无线集群系统的大量使用，频率资源严重不足，于是提出一种从集群专网向集群共网过渡的方案。从国内外整个指挥调度通信系统的发展趋势来看，现阶段及以后较长的一段时期，即使数字集群通信系统开始在我国公安系统、武警部队、消防部队、特警以及保安部门普及，指挥命令传输到每个人身上也需要采用该项目所涉及的产品。原因是作为命令的接收者不需要有回传信息，所以单向接收方式即可满足需要，而它正好节省了大部分的成本，更加适合于该项目的推广。从技术角度讲，该项目的发展方向应该是系列化、小型化、接收多协议化、数字化、标准化。

4 关键技术及要点

4.1 技术要点

本研究采用的技术具有相当的成熟性和可靠性，其中锁相接收技术采用成熟的锁相环路实现，频率稳定。带移倒相方式语音加密传统的频域语音加密技术，接收端自动跟踪前端频点变化，传输方式为技术成熟的双音频编解码方案，外型结构防水、抗震、防爆，模具设计采用整体成型新工艺，其他处理均为成熟的方式。

4.1.1 窄带高频调频FM信号接收解调

该系统分为指挥发送端和接收终端两个部分，信息接收终端窄带高频调频FM信号接收与解调是该项目的关键，其工作原理框图如图1所示。

图1

图1为一个典型的FM超外差式无线接收电路原理，由天线接收的信号首先通过带通滤波器（BPF）滤波送入低噪放电路（LNA），经过放大的带通信号送入混频器，与PLL锁相环路产生的本振差频出10.7MHz的中频，PLL锁相环路与控制电路形成一个频率合成器，产生稳定的本振信号。I2C总线控制输入的分频系数，后续电路为中频解调与音频放大输出电路。

4.1.2 高频接收回路与低噪放电路

高频接收回路由天线和带通滤波网络组成，带通滤波器带宽为20MHz。为了缩小整个电路的体积，天线采用50Ω微带天线，微带天线的增益较低。另外考虑到后续混频电路需要，在该级插入低噪放模块，由MAX2611完成，可实现最大30dB的增益，由AGC信号控制。

4.1.3 混频电路与中频放大电路

混频器采用三极管共基极混频电路，中频滤波采用陶瓷滤波器，中频放大电路实现20dB的增益。

4.1.4 本振及控制电路

本振信号的产生采用锁相环频率合成技术，CX23055可以产生UHF频段的本振信号，由I2C总线送入分频系数，最小频率间隔为5KHz，可以实现全频段的自动搜索。以下为电路工作原理框图，如图2所示。

图2 锁相环频率合成器原理图

它由参考振荡源、参考分频器、锁相环三部分组成。

本设计所采用的锁相环与普通锁相环不同的是，它在VCO的输出端和鉴频器的输入端之间的反馈回路中加入了一个可变分频器。高稳定度的参考振荡源信号经R次分频后，得到频率为fR的参考脉冲信号。同时压控振荡器的输出经N次分频后得到频率为fN的脉冲信号，两个脉冲信号在鉴相器进行相位比较。当环路处于锁定状态时，则有输出信号：f0＝N×fN＝N×fR 。

改变分频比N，即可实现输出不同频率f0的目的，从而实现了由fR合成f0的目的。在该电路中，输出频率点间隔Δf＝fR。

4.1.5 中频解调与音频放大输出电路

中频解调由鉴频器完成FM中频信号的解调，解调输出的音频信号经过音频耳机放大器放大输出，输出功率为0.2W。

4.1.6 模拟语音保密技术

从本质上讲，对语音信号加密就是破坏语音信号的特性，降低它的可懂度，同时，又要使合法收信人能重新恢复原始语音信号的特性。本设计中采用了模拟语音保密技术，它包括频域置乱和时域置乱等两种基本方式，其中时域置乱需要采用数字存储技术和语音的AD及DA转换，技术实现复杂且成本较高，所以本设计当中采用频域置乱的方式，它又包括倒频、带移倒频、频带分割三种方式。该项目中就采用了带移倒频的方式实现语音加密。

这里首先介绍倒频原理，再进一步介绍带移倒频。

倒频的基本原理是交换信号的高频与低频。将信号的高频部分搬到低频段，而将低频部分搬到高频段。倒频后的信号和原始信号具有相同的频带宽度。如图3所示。

图3

由于原始信号的频率成分被置乱，从而降低了可懂度，起到了保密作用。在接收端用同样的倒相器将信号恢复。

倒频信号的形成是采用一个高于语音通带的载频信号调制语音信号，然后滤除上边带，保留下边带。获得倒频后的信号，接收时处理过程正好相反。

倒频器没有密钥，因此很容易被破解。为了提高保密度，带移倒相器以倒频器为基础引入密钥，通话双方可以根据事先约好的密钥进行通信。

在倒频时，为了使倒频信号落入原始信号通带内，要求载频fc=fh+fl。例如对于频带限制在300～3000频带内的语音信号，取fc=3300Hz。

如果把载频改为4000Hz，得到的信号不再和原始信号处在同一个频带内，但是把高于3000Hz的信号放在低频段，这样得到的信号和原始信号处于同一个频带内，这就是带移倒频的原理。本次设计的带移倒频器有8个可设置的不同的载频，对应于8个不同的频移，可获得8个载频的密钥。

4.1.7 跳频自动跟踪

本项目的设计目的是向基层人员和战斗员传送指挥命令，希望使用信息终端的接收者尽量减少操作，由于现场情况复杂性和任务不确定性，可能需要前端经常改变使用频点，而这时每一个终端都必须调整到与前端发送频点一致，这就给使用带来不便。我们设计开发了终端自动跟踪前端频点变化的功能，该设计思路的原理是由前端发送设备通过双音频编码的方式，发送一个数字导频信号，该导频信号所发送的数据信息就是下一个时刻命令语音信号使用的频点。信息接收终端在开机瞬间会接收解码倒频信息，捕获发送频点，并将其接收频率调整到位。

4.2 恶劣环境可靠性设计

公安系统、武警部队、消防部队、特警以及保安部门执行任务时所处的环境复杂，各种情况都可能发生，所以该系统的工作必须稳定可靠，能够适应各种恶劣环境。满足防水、防爆、抗震、耐高低温、防磁等是抗恶劣环境的基本要求，在系统设计过程中充分考虑这些因素，采用整体铸模工艺设计外壳，并利用环氧树脂灌封装。采用隔热保温材料，元器件全部采用军品级别，该系统能在-55℃～70℃的范围内正常工作。抗10G加速度的震动，终端接收产品在恶劣环境当中的接收灵敏度保持在0.5μV。

根据前端发送设备和终端接收设备的功能和功率不同，前端发送设备包括车载型、手持型、转发型三种，发送功率从5W～15W可选择。终端接收设备包括头盔式、便携式、固定式、语音广播式。

4.3 主要特点

该项目的实施，可以使目前公安系统、武警部队、消防部队、特警以及保安部门的调度指挥命令利用无线方式，实时可靠的下达到每一位执行任务的人员，有效保证了任务的执行。该项目产品的接收终端具有携带方便（可内置于头盔）、操作简单、实现保密通信、与现有通信系统完全兼容，包括与模拟集群系统的联接、一次充电待机时间可达两周，且成本低廉等特点。该项目的实施填补了国内该领域的空白，充分体现了“科技强警”和“向科技要警力”的新思路，同时也将产生良好的社会、经济效益。本系统适合指挥、调度功能要求高的行业使用，成本低廉，便于推广，产品系列功能齐全，适合不同场合使用功能的需要，可与现有对讲系统或集群系统兼容联网，直接接收其指挥信号。其特点是：

（1）性能优：计算机置频，多信道选择，音量自动控制。可实现语音加密，适合对保密条件要求高的行业。

（2）成本低：采用一体化模块设计，成本低于无线对讲机。

（3）适应范围广：体积小，携带方便，防水防震，具有多种接口，可方便地与消防头盔、防化服、作战服、避火服等配接。

（4）易操作：采用中心集中控制调度，开机基本上不需要操作调整，完全解放了战斗员的双手。

（5）功能扩展方便：战斗命令可以是语音、文字、约定警示音等，另可增设自救报警，以及扩展发射模块或与手持对讲机配接使用等功能。

（6）维护方便：采用锂离子电池，充电方便，待机时间长，对讲机是无法比拟的。

5 系统构成

消防单兵移动通信系统的整个系统从结构上由一套中心控制系统和若干部单兵移动通信终端机组成。中心控制系统可控制各级指挥员与单兵的通信联络，单兵移动通信终端机扫描于控制信道和工作信道，该信道可设置开机默认并能受中心控制系统控制改变。

整个系统采用FM调制广播方式传输指挥调度命令到每个接收终端，并采用带移倒频技术对语音进行加密传输，接收终端接收到的信号恢复出语音，通过耳机或扩音器传送给接收者。接收终端也可以与目前我国现有的各种无线通信指挥网络兼容联网运行，直接接收来自中继台、手持机或集群网的指挥调度命令信息。信息接收终端可以自动跟踪指挥前端的频点变化，即前端由于通信需要改变频点时，信息终端无须人工调整，信息接收终端可存储和预制多达200个频点，并实现自动轮寻搜索。信息接收终端采用低功耗设计，充电一次待机时间可达两周，前端发送和终端接收频点可在现有对讲机频点内任意设置，接收终端防水、抗冲击、耐高压、防爆等抗恶劣环境影响，接收终端体积小、重量轻，可内藏于头盔当中，可方便的与特勤专用服佩接。

6 系统扩展

消防单兵移动通信系统应随着消防通信发展，考虑到消防单兵对火场侦查、搜寻救人的工作需求，需要对“单兵消防通信定位系统”——单兵姿态监控、单兵位置监控、单兵呼救报警、单兵远程可编组通信等系统功能进行深入研究。要求系统能实时实现单兵常态监测和非常态报警，并能提供单兵的位置信息，而且可以满足单兵在非常状态下报警和通信。 整个系统采用的技术可分为可编组扩频通信、基站位置定位、姿态监测、声光报警等。可编组扩频通信具有其他通信方式所不具备的优点，特别适用于消防通信，它可以对执行消防任务的所有单兵进行空中分组、广播以及无线数据通信。基站位置定位主要依靠临时布设的定位基站，实现室内精确定位，可以辅助使用全球定位卫星（GPS）技术和3G基站定位技术。姿态监测包括水平行走、上下楼梯、直立平卧，甚至包括单兵的心率和体温。声光报警主要用于单兵自救，单兵在失去意识的瞬间启动该功能。

中心监控平台须以GIS为基础平台，最佳选用实景GIS平台技术，预置重点单位的通信指挥预案，具备楼层空间数据快速采集形成三维图形的功能。

7 结束语

面对未来火灾扑救以及抢险救援的挑战，消防单兵移动通信系统的开发也应从消防的实际情况出发，吸收国外先进经验，开发具备研制得起、又装备得起的消防单兵移动通信系统。因此应在高技术微型化和低成本化的基础上，结合消防单兵的主要任务，把握重点，从最基本、最主要的装备入手，形成由简到繁、逐步完善与提高的发展思路。单兵装备的数字化已不是幻想，并逐步应用，这是高技术发展的必然结果，是不以人们意志为转移的。

在单兵系统的开发中首先应突出系统性，把消防员执行灭火救援任务时的所有装备作为一个整体对待，从一开始就对整个系统中的各个系统和部件进行全面考虑；其次应借鉴商用流行技术，提高研究的费效比。系统结构应是开放的，而不是封闭的，只要可能，就采用商用标准。

随着对消防单兵移动通信系统的深入研究，相信未来采用该方式的消防单兵移动通信系统的功能将更加完善，加上消防通信新技术的不断应用，该项目的发展方向应该是系列化、小型化、多协议化、数字化和标准化的，消防单兵移动通信系统的发展将会有着非常广阔的前景。

1 曹达仲.移动通信原理、系统及技术[M ].北京∶清华大学出版社,2004.

2 李仲令，李少谦，唐友喜，武刚.现代无线与移动通信技术.科学出版社.

3 胡可刚，王树勋，刘立宏.移动通信中的无线定位技术[J].吉林大学学报，2005，23（4）.

4 公安部信息通信局.信息通信业务基础训练手册. 群众出版社.