临时、应急通信中卫星通信应用及运行操作中的几个关注点

2013-05-21桑逾方中国电信股份有限公司上海应急通信局

卫星与网络 2013年4期

+ 桑逾方中国电信股份有限公司上海应急通信局

胡燕中国电信股份有限公司上海分公司总师室

图1 紧急突发事件处置中的卫星应急通信联动系统网络

一、引言

当今社会，随着日益增多的大型活动、突发的紧急灾害事故及社会公共安全事故，使得各级政府部门、各大企事业单位、部门以及各类团体以各种方式制定预案，建立临时、应急的通信体系以确保现场信息传送、指挥调度建立、现场通信保障以及临时通信能力的建立。例如，大型活动中，活动现场的新闻和视频实况需要实时向全国乃至全世界播报，而现场高人流使通信设施处于饱和状态，这些通信设施就需要临时扩容；重大灾害性事件或事故中，需要现场的图像、视频监控，同时建立现场临时指挥部；破坏性的自然灾害中，现场信息要实时采集、发送，临时现场指挥部要实时指挥同时与外部保持高效的通信联络等。所有这些情况下，通过卫星通信来建立临时或应急的通信能力都是预案中的首选，且近年来也发挥着至关重要的作用。

在临时或应急卫星通信应用中，较多地采用了车载卫星站或便携式卫星站的方式在现场建立通信传输链路。在现场，通过一台或数台卫星车载站或便携式卫星站，将现场各类图像、数据、话音、指挥调度或移动基站的信号传送到远端，建立卫星双向（或单向）链路，以实现现场信息传送、指挥调度建立或现场通信保障等。图1为突发事件或灾害事故中临时卫星应急通信联动系统网络示意图。

在各类临时应用中，一般情况下，非固定地球站有经验的通信技术操作人员能按规定要求进行地球站的载频上星与运行操作管理，但也有在紧急情况或一些新手单独作业时，对载频上星、功率控制及地球站设施运行质量控制等执行规范不严谨，造成不必要的转发器干扰或传输链路质量不佳的状况出现。

二、非固定地球站的临时或应急卫星通信的应用

1、现场电视传送

自从1964年美国发射“辛科姆（Syncom）”通信卫星，第一次实现向全世界转播第十八届东京奥运会现场赛事实况后，卫星电视现场实况转播一直是各大媒体的现场信息报道的首选。

现在现场电视传送已遍及世界各大体育赛事、新闻实时传送、各类娱乐节目传送、跨国公司卫星会议电视年会、远程医疗、各种大型活动、产品发布、各类展会乃至灾害现场实况或国际动荡现场战况等等。

图2为卫星电视现场实况传送示意图。通过车载或便携式卫星地球站，电视现场实况转播已完全不受地域或时间的限制，大江南北、世界各地，充分显示了卫星通信在广播电视实时传送中的绝对优势。

2、为各类应急通信移动基站建立传输链路

移动通信的快速发展，使得移动电话的拥有量在世界、特别是近年在中国有着极其快速的增长。据工信部2012年5月通信业的指标数据，在中国，2012年5月末固定电话用户合计为28355.6万户，而移动电话用户数已达104072.4万户。

对网络运营商而言，为确保移动通信的畅通，应急的网络通信覆盖或容量的保障已成为通信运行中的重要组成部分。移动通信网基站车承担着满足应急（临时）通信和疏忙等任务。

利用卫星通信可实现快速、及时建立传输，使基站入网运行。将地面传输与卫星通信传输相结合，解决急迫、临时、短期需求，使用卫星链路是最好、最便捷的手段。目前卫星链路作为移动基站车接入大网传输已非常广泛地应用于临时应急支撑、抢修、救灾现场以及无现成传输链路、又需要开通或扩展移动通信覆盖或容量的应用。

随着指挥调度系统的不断完善，数字集群应急基站车在各大城市的各类大型活动或应急事件中已越来越多地应用，在临时或紧急情况下，通过卫星通信建立传输链路联网运行也已成为常规手段。

3、各类重大活动或灾害及事故现场需要通过卫星通信来建立现场通信

近年来中国各地灾害频发、灾害面广、灾害损失严重；同时在当今社会日益增多的大型活动、突发的紧急的灾害事故及社会公共安全事故中，应急通信成为必不可少的需求保障。各类现场应急的通信手段中，卫星通信成为最重要的参与者。

图3 某移动通信车车载Ku频段卫星传输系统

4、各类应急演练所需的远端现场通信建立

为保障城市、社会、行业、通信等各方面的运行与运作的安全，各政府部门、各大型企业包括通信行业都在常态运作管理方案外，建立了应急预案，并配套落实了应急预案演练机制。为实现应急预案演练现场应急通信保障，在通信运营商中，以卫星通信保障作为主要的手段之一。现在越来越多的行业和大型企业也采用了卫星直达通信或卫星传输的方式，与远端现场建立指令交换、视频互动、数据交互等。

5、各类现场活动互动、展示、演示所需的传输链路建立

跨域的企业年会，远程医疗手术、专家医学交流活动互动，乃至企业为展示产品将野外展示现场实况传送给某活动中心，等等，卫星通信是重要的选择手段之一。且以点到点、点到多点的灵活方式，实现着视频、话音、数据的实时互动。

三、非固定地球站在卫星通信传输运行操作中的几个技术关注点

鉴于非固定地球站大多是临时到某地点使用，建站时在相关卫星组织的指定卫星做过入网测试，性能指标得以验证。但由于每次在使用时所在的地理位置、收发信频率、传输速率、传送业务的调制解调方式、设备参数设置、对端地球站天线大小以及操作人员等的变化，针对每次业务的相关卫星公司许可和卫星链路运行质量测试（根据实际情况，选择全程的或简略验证测试）是必不可少的。

临时或应急卫星通信设施与系统一般是以小型的便携式或车载式卫星地球站应用为主。其设施系统包含卫星天线系统、收发信设备、上下行系统设备、相应的调制解调/编解码设备及相关的接口设备。图3是某移动通信车车载Ku频段卫星传输系统的案例。

图4. 天线工作俯仰角要求

临时或应急卫星地球站在运行操作时的技术关注点如下。

1、站址的选择

由于临时应用的非固定地球站地点的不确定性，对工作点的周边环境要给予高度的关注。要考虑的问题主要有以下两个方面。

（1）天线对准所使用的卫星轨道的视界

地球站所在地必须有足够大的，位于地平线仰角（山棱角）之上的天线仰角，以保证指定的通信卫星落于天线可视范围内。根据中华人民共和国通信行业标准《国内卫星通信地球站工程设计规范》中6.1.2条规定：在静止卫星轨道可用弧段内的工作仰角β与地平线仰角α的夹角不宜小于10°，不然会使天线的噪声温度增加。

如果设站点位于城市建筑之间的空地中，则要求设站地点在对星俯仰方向应该没有遮挡物（如建筑物、高压线、铁塔、树木等）。无遮挡对俯仰上的基本要求：对星俯仰与遮挡物之间夹角≥20°，对方位上的基本要求：对星方位±30°内无遮挡。

（2）周围有无干扰源要求

干扰可能来源于射频干扰，邻近卫星通信系统或邻近微波中继系统的干扰，地面雷达干扰，电弧放电现象干扰等等。为了避免干扰，需关注地区发射功率允许值。

2、通信系统的性能掌控

当一个地球站已经作好准备在某卫星系统中进行入网工作时，它必须通过非常仔细的控制、调整设置过程步骤——即卫星通信系统操作测试。这些测试包括：对站内设备的站内测试；卫星自环测试；卫星入网验证测试。这些测试是为了保证：

（1）地球站入网验证测试已被成功地完成，即其结果满足卫星组织规定的特性指标要求，并且地球站已被相关卫星组织运行部门接收、批准进入卫星通信系统运行；

（2）地球站在所允许的频率、功率和极化上发射载频；

（3）所有的业务参数都设置得恰如其分；

（4）所有的操作通信和控制设施都具有正常的功能；

（5）有经验的，有能力胜任的地球站工技人员和具有恰当可用的、功能适当的测试仪器是通信系统性能掌控的主要因素。

3、频率申请与上星的许可

（1）卫星资源（频率）申请

一般情况下由需求部门提前(至少1天)向相关卫星组织运行管理部门或在指定组织中使用的卫星资源管理员提出申请，明确移动地球站所在地点、天线入网编号及技术指标参数、收发信系统技术指标、使用的业务种类、调制方式等，并根据要求填写相应的卫星频段资源使用申请表。

相关卫星组织运行操作管理部门（或指定组织的卫星资源管理员）将根据当前转发器频率资源占用情况进行合理分配，提供卫星链路预算及收发地球站的收发信指标参数，及时答复申请部门。

卫星资源频率调度使用原则为：一是对那些具有长期使用需求的用户，各卫星组织一般按协议要求提供转发器频率资源，以后没有特殊情况不作随意的调整。二是先申请先得。在一些卫星组织，在指定转发器中提供临时的卫星传输应用频段（如电视业务的传送），如国际卫星组织在相应的卫星上安排了专门的电视临时业务转发器，其频率资源的提供，就按照时间顺序，以先申请先得的原则给予安排调度。三是应急业务优先。对一些临时应用需求，在有空闲的频段或在指定频段中应用于各类临时业务的频段调度，管理部门会分别以先申请先得以及应急业务优先相结合的原则，来考虑相关卫星传输需求的频段资源分配。

（2）上星许可

上星许可要符合：①两端地球站设备的站内测试和调整在进入卫星链路以前都已完成。发信载频的极化、正常的EIRP、载频频率和能量扩散功能都已按照发信安排信息进行检查。②载波上星前务必做好分配带宽内的载频（底噪）监测工作，无条件监测的非固定地球站可向卫星转发器运行操作控制中心或相应频段指定管理的监控地球站提出请求，帮助监测。③上星前要与相关卫星运行操作控制中心（或指定管理频段的控制地球站）联系，获得同意后，方可发射载频。④使用中如果需要调整带宽、延长使用时间等，应及时报知卫星转发器操作控制中心，经同意后方可继续使用。使用提前结束的请立即通知卫星操作控制中心（或相关频段管理部门的资源管理员），以便分配给其他用户使用。⑤现场使用人员应准确记录载波上，下星时间，填写相应的频率资源使用记录表，并在使用结束后指定工作日内将相关信息报卫星操作管理部门。

4、非固定地球站运行中的卫星通信链路质量管控

（1）地球站运行中的发信功率控制与天线指向控制

非固定地球站在载频发射后，要保证卫星通信链路的正常运行，运行操作人员应对通信设备的正常工作、是否有各类告警做好监控以及通过频谱仪对收发信载频、卫星上的各类干扰（如交叉极化干扰、不明载频干扰等）做好监控，保持与对端站的勤务联系电话的畅通，以确保卫星通信链路的正常运行。与此同时，任何地球站在运行中，也要保证本地球站所发出的信号不影响或不干扰所在卫星的本转发器或其他转发器甚至其他卫星的正常通信运行。这里所涉及的就是对地球站发信功率与天线指向的管控。

①发信功率的控制

地球站发信功率将直接影响到本卫星通信业务的传输质量和对所在卫星转发器的通信质量影响。

对发信站而言，发信功率过低，将影响接收站的接收载噪比指标，进而影响通信链路的误码率，因此必须关注发信功率按卫星运行操作中心规定的指标设置发射。当坏天气对收发信质量的产生影响时，应及时与卫星运行操作中心沟通，在允许的情况下提升发信功率指标，但必须是在受控的状态，一旦天气转好，则应立即恢复到原先设定标准值，以免产生其他不良影响。

由于非固定地球站以较小天线为主，不排除操作人员为保障电路传输质量，发射了较高的发信功率，这可能将产生两个影响：对所在转发器的功率平衡有影响，最有害的状况是有可能使转发器处于饱和状态工作，进而影响到整个转发器的通信质量；对反极化转发器有影响，由于过高的发信功率，如果地球站本身的天线极化隔离度未调整到最佳指标状态，使发信载频在反极化转发器产生非法载频，进而形成交叉极化干扰，影响他人通信。因此有效的管控发信功率，是保障卫星通信质量的重要组成部分。

②天线指向控制

地球站天线对卫星的指向保持是保证卫星通信质量的主要运行操作控制点。

当所工作的卫星是处于轨道稳定位置（即卫星在寿命期内，卫星姿态处于较好控制状态），则小型地球站的运行操作人员可以将天线控制系统调整于较长间隔的自动跟踪状态，甚至设置在Standby状态，但要经常性地做好接收信标（或信号）的场强监测，以确保天线对卫星处于最佳指向状态。

当卫星处于寿命末期，在倾斜轨道运行时，则要保持地球站天线控制系统处于较短周期的自动跟踪状态，并做经常性的接收信标（或信号）的场强监测，以防止天线跟踪指向偏离工作卫星，产生信号质量下降乃至中断，而影响通信传输。

③地球站天线指向的控制

不论是针对稳定轨道还是倾斜轨道的卫星，在遇到不良气候、日凌天象等状况，都要给予高度的关注，以免产生跟踪偏离性中断，甚至由于跟踪错误而产生干扰、影响其他卫星的状况出现。

（2）暴雨与大雪影响的管控

卫星通信使用的频率范围是选在微波波段。在对空间传输的微波信号，将受到各种空间噪声和传输损耗及干扰影响。其中雨衰是日常通信中常见的微波传输衰落现象。降雨衰减与信号的频率、极化方式、经过降雨区域的有效路径长度、降雨量大小有关，是因雨滴的散射和吸收引起的。根据“微波窗”中大气吸收损耗的概念，大气吸收存在两个吸收峰值点，其中第一个峰值点在22.3GHz频率处，主要是由水蒸气(H2O)谐振吸收引起的。因此在C、Ku与Ka频段的雨衰影响排列中，雨衰对C频段卫星通信的影响小于Ku和Ka频段；Ku频段在暴雨、浓云、密雾的坏天气情况下，接受系统的C/T值下降很大，影响很大；Ka频段则在大雨中通信传输雨衰在三者中受影响最大。

在临时、应急卫星通信中，较多地使用了Ku频段的非固定卫星站，部分使用了C频段卫星站，因此在受暴雨影响中的地球站运行要关注地球站（特别是Ku站）的接收信号电平（可以用频谱仪监测载噪比或如果有信标接收机的，则同时监测信标电平）、接收解调器中的Eb/N0或BER，如信号电平衰落较大，则在雨区的地球站应在卫星操控中心的指导下适量增加发信功率、或要求对端的发信站适量增加发信功率，一旦暴雨过后，则应该立即恢复原始设定的功率电平，以免影响转发器的功率平衡或产生其他干扰影响。

大雪对地球站的传输质量也会产生很大的影响。除在大雪中，对空间的射频电磁波产生传输衰减外，较长时间的大雪飘落，在天线的馈源口及盆面形成覆盖。当大雪覆盖较厚时，由于电磁波在盆面的传输介质发生了变化，会影响天线收发电磁波传输路径，如果天线处于自动跟踪状态，还会造成天线指向的偏离。对于非固定地球站来说，一般未配置天线的加热溶雪装置，故在必要时，必须采用人工除雪的方式来解决天线积雪对天线收发信号的影响。人工除雪方式有用高压水枪冲洗方式或人工铲除方式等。采用人工除雪时要注意人员和设备的安全：注意人工操作中，不可使工作人员直接处于天线射频辐射波束中，必要时，需关闭高功放停止载频发射来保障人员安全；使用高压水枪时，要注意不要让高压水冲坏天线、馈源等相关器件，特别是不要正对馈源薄膜口冲，而造成薄膜损坏，进而产生馈源进水而使地球站无法正常工作。

（3）台风影响的管控

夏秋季节的台风对路径所在地的地球站正常工作有很大的影响，暴雨会带来严重雨衰，狂风则会造成室外装置、设备（如天线等）的损坏。因此根据台风的风力级数，做好保护性操作是非常重要的。

一般来说，非固定站的抗风能力是小于固定站的，机务员要熟悉所使用的非固定站（车载站或便携站）的出厂指标中抗风能力――允许的工作风力和天线收藏风力。在收到台风预警信息后，受影响区域内的地球站管理部门要及时做好对端地球站及卫星运行操控中心的预先告知，如果有明确用户对象的话，还需通知用户，告知地球站会因台风而中断业务。为保证设施的安全，在持续达到指定的风力以上，必须收藏天线；当强台风来临之际，必须要考虑将非固定站挪移到适当的避风处（便携站须放入固定建筑物内），人员进入固定的避风、避险建筑物内（非万不得已，切忌在卫星车内躲避台风），确保人员和通信设施的安全。

待台风影响减弱，可以达到非固定站运行的许可状况后，工作人员应尽快检查室外设施的状况，确保无损、一切正常后，恢复正常卫星通信，并将相关的台风影响程度，通信中断时间报告给对端地球站、卫星运行操控中心、用户及本单位管理部门。

（4）日凌干扰

日凌干扰对卫星通信是不可避免的天象。每年的春分、秋分的前后几天中，当卫星处于地球与太阳之间的连线上，这时，对准卫星的地球站也同时对准了太阳，强大的太阳噪声会使卫星信号因远远小于太阳噪声而产生卫星通信中断。这种现象就是日凌中断。日凌中断每年在春分或秋分前后各发生一次，每次约延续6天。每天日凌中断的最长时间与地球的天线口径、工作频率等有关。

对地球站技术操作人员来说，需事先与卫星运行操作控制中心做好沟通，获得日凌干扰时间信息，以免在运行中对卫星通信中断产生误判断而造成误操作，形成不必要的长时间通信中断。在日凌干扰期间，一定要将地球站天线控制系统设置在非自动跟踪状态（特别是以步进跟踪等方式的状况下，程序跟踪除外），最好是Standby状态，以免地球站偏离相应卫星指向（在过去的卫星通信开展早期，在国际上也有些国际站操作人员经验不足，未关注日凌干扰的影响，使天线一直以自动跟踪的方式，以至造成天线跟随太阳噪声电平指向而运行偏离工作卫星，产生较长时间的卫星通信中断现象）。

（5）大气闪烁（俗称大气波导干扰）的情况处理

卫星通信中的电磁波在空间传输中，需穿越大气层。由于组成大气的空气物质不是单一的无线电反射指数，它是随着其内部物质的位置和时间而变化的，空气混合物在不同的温度和湿度下会产生骚动，同时在大气层中还有各种随机的粒子（如雨、冰、湿气等）。微波信号沿着斜的途径传过大气时，会引起幅度和相位的变化。这种现象有时会产生下列影响：来自卫星的信号电平迅速地上下波动，目前的记录中，在2—3小时中，500MHZ带宽内可有12DB左右的变化。这种现象可能只影响一个地球站，而在200km以外的邻站就没有影响。这就是俗称的大气波导干扰现象。

发生这种现象，会影响地球站的跟踪，因此需要做保护性的操作。在这种大气闪烁巨烈情况下，强烈地建议这些站使用程序跟踪方式或对于工作于定位稳定度较好卫星的地球站，不需要进行经常性的指向跟踪，则可采用将天线置于Standby 的跟踪状态，防止天线偏离指定卫星，造成通信中断且可能产生临星干扰现象。