便携卫星站在水利系统中的应用

崔瑞玲，高广利，耿丁蕤，刘庆涛

（水利部水文局通信运行维护中心，北京 100053）

0 引言

近年来的一系列洪水灾害、水污染事件及特大旱灾等重大的涉水公共事件给我国造成了重大的人员和财产损失，突显了我国防汛通信指挥系统应急能力欠缺。由于目前现场通信手段、传输信息单一，机动能力差，难以满足恶劣自然灾害环境下的一线信息采集和传输的需要。

为进一步提高防汛应急抢险指挥调度的能力，从水利系统的实际需求出发，结合目前主流技术体制和应急通信的特点，对便携式卫星站在在水利系统的应用提出相应的技术建议。

1 水利系统便携卫星站需求分析

1.1 防汛应急通信的特点

防汛应急通信主要有以下几个特点：

1）通信时间不确定。应急通信不是经常发生，因此系统应能合理调配转发器资源，尽量减少未通信时转发器的使用，以降低运行成本。

2）发生地点不确定。需要应急通信的地点多数没有可用网络，且多数情况下地形复杂多变，因此应急通信系统应在移动和便携上有良好的适应性。

3）通信容量较大。应急通信虽不常发生，但发生时往往容量需求较大，以话音、高清图像等实时性业务为主，因此选用系统通信能力应该较强。

4）实时性要求高。应急通信时间紧任务急，需要在较短时间内建设起灵活易用的通信网络。

5）同时在线通信站点少。这是由于各大流域同时发生灾情概率比较小。

6）可靠性高。应急通信有很高的可靠性要求，因此应急通信设备必须稳定、可靠、耐用，有高等级 QoS（服务质量）保证。

1.2 防汛便携卫星站系统应满足的基本要求

基于以上特点，在重大涉水突发事件应急通信中需要的是一种可快速灵活部署、传输能力强、可靠性高、可实现音视频实时传输的便携式卫星通信系统设备，要求在任何天气、路况条件下都可方便地携往灾情现场，迅速建立卫星链路。因此，防汛便携卫星站在设计选型上应考虑以下几点：

1）便携性。能够通过通用交通工具或人力将设备迅速运往灾情现场。

2）易操作性。操作简便，经简单培训，1 人即可操作全套设备。

3）标准性。所有设备选择应符合相关标准规范，便于多套系统互联互通，防止成为信息孤岛。

4）适应性。设备能满足在恶劣环境下使用的要求。

5）扩展性。系统应预留扩展接口，满足设备升级或容量扩展的要求。

6）延展性。应配置单兵系统，满足延展 3～5 km 的移动视频传输要求。

7）集成性。天线采用分片式设计，重量轻、刚度与强度高、拆装简单方便；系统设备应高度集成，全套系统可收纳于 2 个航空箱内。

8） 坚固性。包装运输材料强度要高，能有效保护设备，适合车载、机载、携行等运输方式。

1.3 防汛便携卫星站系统应具备的基本功能

1）支持 IP 协议的语音、数据、视频综合业务的传输；

2）支持高效的音视频编解码；

3）图像质量可支持到 D 1 或 720 p；

4）天线跟踪具有全自动和手动工作模式；5）中心站可以远程控制小站设备。

2 便携式防汛卫星系统组成

便携式防汛卫星站通常由卫星通信、音视频基带及便携站支撑等子系统组成。

2.1 卫星通信子系统

卫星通信子系统主要由天馈、发射功放（BUC）、LNB、卫星信道设备、GPS 定位、伺服驱动、自动保护、信标接收机、天线控制单元（ACU）、位置检测、极化自动调整、天线智能控制终端、智能控制管理软件、综合电源及天线手动控制等组成。卫星小站设备组成如下：天线及箱体，天线控制器、控制模块及软件包，信标接收机，天线驱动系统，一键自动对星模块，BUC，LNB，IDU，视频编码器，交换机，LAD，数量均为 1 个。

在卫星通信子系统中，天线设备起着至关重要的作用，其便携性能和操作使用要求将直接决定着整个系统的便携性和可操作性。便携式卫星通信天线的全套设备包括：反射面组合、喇叭组合、波导、旋转极化关节与极化调整组合、天线座与传动组合、电机、传感器、驱动电路、电源、BUC、LNB、天线控制器、载波及信标跟踪接收机等。所有设备及组合均集成在天线基座内，通过精准对星算法程序及连接控制器，能实现全自动模式工作，即自动展开、对星、收藏等。在必要时也可采用手动和半自动模式工作，控制天线快速指向卫星，建立通信链路。连接控制器可以是笔记本电脑或PDA，安装有专用软件实现对天线姿态的完全监控及操作，人机界面友好，简洁易操作，非专业人员经过简单培训就能熟练地操作设备，实现“一键式对星”。便携式卫星天线结构如图1 所示。

图1 便携式卫星天线结构图

便携卫星站在设计时为了保证便携性，一般牺牲部分传输性能，比如天线的口径较小，BUC 配置较轻，射频连接多采用较细柔性射频电缆，导致便携站一般适合于 2 Mbps 数据速率以内的通信业务。

当用户有传输高清画面（约 4～6 Mbps 数据速率）的需求时，建议在便携站建设时提高相应的技术要求。还要考虑预留足够的系统余量，满足恶劣环境下正常使用。具体措施可参考如下：

1）加大天线口径，最大程度地增加反射面面积，提高天线系统增益；

2）增加 BUC 功率，在不增加设备重量的情况下，尽量提升系统的发射功率；

3）减小射频电缆损耗，考虑采用硬波导及低损耗电缆；

4）便携站设备须满足 -20～＋55 ℃ 环境温度；

5）所有易损部件必须进行模块化设计，保证非专业人员能在紧急情况下短时间内完成备件替换。

2.2 音视频基带子系统

为方便系统集成，保证便携性能，音视频编解设备必须为 1 RU 结构，主要技术指标符合 14 个要求。

1）视频输入：1～4 路视频输入，1 Vpp/75 Ω；

2）视频输入接口：BNC 阴性；

3）编码方式：MPEG2/MPEG-4；

4）传输帧率：1～30 帧（PAL）/s；

5）分辨率：352×288（CIF）、352×576（HD1）、720×580；

6）带宽：64 kbps～4.8 Mbps；7）图象标准：NTSC 或 PAL；

8）网络接口标准：以太网 10 M；

9）连接口：RJ45 插口；

10）协议：TCP/IP，UDP/IP，PING，HTTP，ARP，FTP，DHCP，SMTP；

11）安全：用户密码保护；

12）音频输入：lemo（外接拾音设备）；

13）音频输出：lemo（外接音响设备）；

14）接口：RCA。

便携卫星站配置的音视频编码系统，技术比较成熟，产品可选性较大，为配合便携使用的特殊要求，及配合室外使用，除体积和重量要求外，还需在技术和工艺上进行认真遴选，要求设备操作简单，1 次设置后，开机即可通信，并能适合恶劣环境下使用，同时具备足够的抗震性能，保证一般运输中的设备安全。

2.3 支撑子系统

为保证便携卫星站的应用广泛性，不受地域及环境限制，方便操作人员快速建立通信链路，保证防汛信息的及时性，相关的配套及支撑系统也是必不可少的组成部分。

罗盘及 GPS 设备、频谱分析仪等支撑设备能够有力地保证野外操作的精准性，包括系统展开地点的寻找、目标卫星的搜索、分配频段的正确使用，以及系统故障的排查等，保证非专业人员在几分钟内建立所需的卫星通信链路。

1 台便携式发电机也是必不可少的，工作时间一般要求在 3 h 以上，保障各种突发事件中电力供应。

本地上星视频内容监控系统能够使当地工作人员做到知己知彼，充分了解传输内容的质量及各种状态，尤其是现场直播情况，能够及时发现并解决问题，极大地保障了系统的可靠性，为此，便携卫星站还应配备小型显示器，用于直播现场信号监看。

单兵式无线图像传输系统是近距离无线视频传输系统，可配合便携式卫星站混合组网，实现覆盖以便携式卫星站为圆心，半径为 3～8 km 视频采集范围。

3 结语

近年来，为了应对突发性涉水事件，水利系统陆续建设了少量应急移动通信系统。目前黄河、海河、淮河水利委员会，太湖流域管理局，江苏、河北、江西等省都已建设了应急机动通信系统。这些系统在历年的防汛抢险调度，以及汶川、玉树大地震及舟曲泥石流等抢险救灾工作中发挥了积极作用。但是这些已建系统在灵活机动性、互联互通、标准开放及设备先进性等方面还存在一定的问题。

目前，水利部通信主管部门正在抓紧制定《水利应急通信系统建设指南》，以指导全国水利系统应急通信系统的建设；国家防汛抗旱指挥系统二期工程也将应急通信系统作为 1 项重要内容进行统一设计。另外，水利部建设的新一代水利卫星通信系统已于2010 年下半年投入运行，新系统卫星转发器采用 Ku＋C 的方案，卫星主站采用目前主流的 DVB-S2 技术体制，支持星型/网状混合组网的方式；可实现数据、视频和语音、广播等业务，为水利系统便携卫星站的建设和推广应用打下良好的基础。

综上所述，便携式卫星站以其灵巧的结构和独特优点已在应急通信领域崭露头角，虽然在实施上有不少技术难点和市场风险，但在未来几年有效地投入商业运行将毋容质疑。低成本、快速部署、宽带无缝隙的移动业务覆盖能力必将成为未来应急通信建设的重要环节，特别是随着水利系统应急通信需求的进一步深入，卫星通信技术的进一步发展，便携式卫星站系统必将成为水利通信领域的新亮点。

[1]郭鸿飞. 便携式卫星站在新华社新闻采集系统中的应用及发展[J]. 卫星与网络，2010 (7): 30-33.