新一代水利卫星通信应用系统建设

张建刚，高广利

（水利部水文局，北京 100053）

2011 年水利部水文局启动水利卫星应用系统建设项目[1]，在 7 个流域建设近 180 个卫星站。在此基础上，又组织各流域在水利卫星通信应用系统建设项目的基础上，进一步提出卫星小站建设需求，组织编制了 2013 年小基建项目“七大流域重点防洪地区水利卫星通信小站建设”，已报水利部待批。为帮助大家了解及应用水利卫星通信系统，现对新一代水利卫星通信系统（以下简称系统）建设情况作个介绍。

1 系统卫星参数

1.1 Ku 波段卫星

水利部 Ku 波段卫星使用的是亚洲 5 号通信卫星，属新一代通信卫星，重 3760 kg，于 2009 年 8月发射，工作寿命为 15 a，定位于东经 100.5°。亚洲5 号卫星装有 14 个 Ku 波段转发器，另配有 4 个备用转发器，转发器带宽为 54 MHz，采用 150 W 行波管放大器并配置线性器或自动电平控制装置。Ku 波段转发器主要技术参数如表1 所示。

目前水利部拥有亚洲5号卫星 Ku 波段 22.2 MHz 带宽转发器的 15 a 使用权。

1.2 C 波段段卫星

表1 亚洲5号卫星Ku波段转发器主要技术参数 [2]

亚太6号卫星是新一代的通信卫星，基于 SB 4000 C2 平台，共搭载 38 个 C 波段和 12 个 Ku 波段转发器。C 波段转发器使用线性化器及 64 W 的TWTA（行波管功率放大器），提供广阔的覆盖，包括亚洲，澳大利亚，新西兰，太平洋岛国和夏威夷。亚太 6 号卫星于 2005 年 4 月 12 日成功发射，定点于东经 134°。预计卫星在轨寿命超过 15 a。C波段转发器主要技术参数如表2 所示。

目前水利部拥有亚太 6 号卫星 C 波段 5 MHz 带宽全寿命使用权。

表2 亚太6号卫星C波段转发器主要技术参数 [3]

2 系统主站

水利部新一代的宽带卫星通信主站平台[4]，采用iDirect[5]产品。iDirect 系统为 TDM/TDMA 体制，实现了 IP 与卫星通信技术的融合。与传统的支持 IP协议的卫星系统相比，系统内部提供 TCP/IP 协议加速，协议优化和 QoS；系统支持的上行速率可以从64 kbps 扩展到 8 Mbps，下行速率可以从 64 kbps 扩展到 45 Mbps，支持多入向载波，也支持多个独立网络共用主站基带设备的应用方式，在抗雨衰方面采取了对应措施。系统组网示意图如图1 所示。

图1 系统组网示意图

目前水利部具有 22.2 MHz Ku 波段和 5 MHz C 波段资源，因此新平台采用 Ku＋C 共同组建 DVB-S2网络，在雨衰较大地区采用 C 波段卫星小站可减小雨衰影响，主站的出向基带信号分别通过 Ku 和 C 波段射频单元及卫星天线同时上星。C 和 Ku 波段的小站分别通过各自的主站天线回传信号，在主站基带部分统一处理。卫星主站结构示意图如图2 所示。

图2 卫星主站结构示意图

3 系统小站

目前水利卫星通信网从功能上主要划分为语音数据、应急通信、综合业务等 3 类小站。3 类小站由于功能定位不同，组网方式、解决方案与设备配置也有所差别。在语音数据小站中又分为语音数据通信方式、高速数据通信和数据采集组网方式 3 种情况。

3.1 语音数据通信方式

水利系统中，需要对水位、雨量、流量等各类信息实现自动化采集与数据传输，以及语音通信和高速数据通信（如 Internet 接入）等业务需求。为实现语音通信功能，中心站配置软交换（SoftSwitch）和相应的中继网关设备与水利 VOIP 网相连，实现远端站的语音通信。语音通信方案的卫星网络系统结构如图3 所示。

卫星小站用户可通过卫星链路经主站软交换与其它卫星小站用户互通，也可经软交换、VoIP 网关、SDH 专网与流域机构及省 VoIP 专网用户互通。

3.2 高速数据通信组网方式

卫星不受地理位置的限制，不论身处何地，DVB-S2 系统都能提供高速数据通信组网，也能为网内用户提供宽带接入服务。各流域机构或省、地（市）水情分中心可通过卫星进行高速宽带连接，为地区内的分中心提供 VPN，使分中心间进行联络和信息交换，还可以实现各地对中央数据中心的Web 浏览。

3.3 数据采集组网方式

图3 语音通信方案结构图

水利系统中，数据传输速率属于低速率，一般小于 9.6 kbps；业务具有突发性，传输数据包小，时间短，次数多；实时性要求不高。根据数据采集业务以上特点，结合卫星通信技术，采取 TDMA 多址方式组建星形网，结构如图5 所示。

图5 数据采集方案示意图

通过中心站的内容缓存技术，用户能够进行高速的网页浏览，网页加速功能压缩了传输数据，减少了 TCP 握手次数，将卫星链路延迟减小到最低点。支持 DNS 域名解析使互联网的访问更加方便。DVB-S2 主站平台上所有的 TCP/IP 业务都可以进行相应的加速、加密及传输带宽管理。高速数据通信组网网络拓扑结构为星型。远端小站通过卫星链路访问设置在主站的广播数据、水文数据 Web 和 ISP等服务器。高速数据通信组网解决方案结构图如图4所示。

由于当前大多水文传感器均采用低速异步串行接口设备，本方案采用串口服务器将异步数据转换为 IP 包，经卫星链路（2 跳）转发到相应接收小站。各相关单位也可以通过地面 SDH 专网访问水情数据采集服务器。

语音、高速数据通信和数据采集组网 3 种方式的主要设备基本一致，设备配置如表3 所示。

图4 高速数据通信解决方案结构图

表3 语音数据小站设备配置

4 应急通信小站

当发生自然灾害（如地震、火灾、洪水等）和突发事件对常规通信设施造成破坏时，会直接影响到正常的通信。因此，建立应急系统是提高应对突发事件和紧急情况处置能力的有力手段，是十分必要的。

应急通信具有通信时间、发生地点不确定，通信容量较大，实时性要求高，同时在线通信站点少，可靠性要求高等特点，为满足现场与本地决策机构之间话音、数据、视频通信的实时性要求，水利应急卫星通信采用网状网结构。主站根据需要可同步接收，并可存储于主站视频服务器，同时其他单位可通过 SDH 专网进行视频浏览。其网络结构示意图如图6 所示。

图6 卫星应急通信系统结构示意图

应急便携型卫星小站或移动通信车主要用于应急抢险机动通信，一旦出现险情，可以随时调用到受灾现场，建立现场与后方指挥中心的语音、数据和视频通实时通信，用于抢险救灾指挥调度。应急便携型卫星小站典型设备配置主要包含：天线及箱体、天线控制器、天线控制模块及软件包、信标接收机、天线驱动系统、自动对星模块、BUC、LNB、X3 EDGE、视频编码器、交换机、单兵系统、IAD，其中天线与功放部分的指标需根据业务需求及小站的地理位置确定。

5 综合业务小站

一些水利基层单位（包括部分重点中小型水库、水利局和水文站等）由于地处偏僻，经济落后，公网通信设施薄弱。DVB-S2 系统要满足多业务通信需求，只需在这些水利基层单位建设 1 个基于 DVB-S2（RCS）的卫星小站，配置相应的应用设备，即可解决电话、水情数据浏览、VPN 数据交换、Internet 接入、云图接收、图像传输、远程教育等多种业务的需要。水利基层单位与其上级主管部门的信息传输既可通过防汛通信卫星网实现，也可通过防汛通信卫星网传输到卫星主站，再接入现有的 SDH 专网实现。

综合业务与语音数据小站的区别是增加了视频监控功能，其他功能基本一致。主要是在视频监控站采用硬盘录像机或带视频存储功能的视频服务器，中心站需要调用该监控站的图像时，小站将实时图像传送至中心站；当中心站不浏览数据时，卫星小站不发送数据，监控站的硬盘录像机或视频服务器将图像保存在本地供中心站调用。同时在水利部网管中心增加 1 套视频监控管理系统，可实时监控各个视频监控站的硬盘录像机或视频服务器的状态，并能对其进行控制。综合业务小站可同时支持遥测与高速数据业务，结构如图7 所示。

图7 综合业务小站结构图

综合业务小站典型设备设备配置主要包含：卫星天线、BUC、LNB、室内单元（X3）、IAD、交换机、串口服务器、硬盘录像机、摄像头，其中卫星天线与 BUC 部分的指标需根据业务需求及小站的地理位置确定。

6 系统小站电话号码与IP地址分配

6.1 电话号码分配方案

为确保卫星小站电话加入水利通信网并正常使用，水利卫星小站电话号码编号按照 SL417-2007《全国水利通信网自动电话编号》[6]的标准执行。卫星小站的基本编号规则如下：接入字冠＋长途区号＋N＋分机号，其中，水利通信网接入字冠为“9”，长途区号采用所在地的公网长途区号。“N”的取值范围为“0～9”，取值原则应符合以下要求：水利部、流域机构取“0”；省（自治区、直辖市）水行政主管部门取“1”； “2～9”由省（自治区、直辖市）水行政主管部门、流域机构、水利部按照分级负责的原则确定，逐级上报至上级通信主管部门核备，并组织实施。当“N”无法满足局向分配需求时，采用“N＋分机首位号码”作为局向号。

6.2 IP 地址分配方案

水利卫星小站 IP 地址的分配按照 SL307-2004《水利信息网命名及 IP 地址分配规定》[7]的标准执行。根据《水利信息网命名及 IP 地址分配规定》，采用防汛卫星信道互联的 IP 地址统一采用10.253.0.0/16 网段。

7 结语

新一代水利卫星通信系统在水文测报、应急通信、“两小”治理、数据广播、异地会商和视频监控等方面具有广阔的应用领域。同时为支持与鼓励行业使用水利卫星通信，水利部水文局还采取免收卫星转发器资源频率占用费、入网费、通信费等方式，降低卫星通信小站的建设和运行成本。希望通过大家共同努力，力争在新一代水利卫星通信系统建成 5 a 内，水利卫星小站能达到上千的规模，为水利工作的跨越发展提供可靠支撑。

[1]丁军，祝明，张建刚，等. 水利卫星通信应用系统建设初步设计报告[M]. 北京：水利部水文局，2011: 25-67.

[2]亚洲卫星有限公司. 亚洲卫星资料下载[EB/OL]. [2011-10-05]. http://www.asiasat.com/asiasat/index.php.

[3]亚太卫星公司. 亚太卫星资料下载 [EB/OL]. [2011-10-05].http://www.apstar.com/chinese/apt_company/index.asp.

[4]水利部水文局. 水利卫星通信网技术资料下载 [EB/OL].[2011-10-05].http://www.hydroinfo.gov.cn/sltx/gzdt/201011/t20101129_246188. html.

[5]iDirect 公司. iDirect 卫星通信系统说明书[M]. 北京：iDirect 公司，2008: 20-100.

[6]水利部水利信息中心. SL417-2007 全国水利通信网自动电话编号[S]. 北京：中国水利水电出版社，2008: 1-18.

[7]水利部水利信息中心. SL307-2004 水利信息网命名及 IP地址分配规定[S]. 北京：中国水利水电出版社，2004: 1-20.