消防部队便携式卫星站通信业务终端集成问题研究

2017-10-12幸雪初佘臣朝

网络安全技术与应用 2017年10期

关键词：终端设备卫星通信天线

◆幸雪初佘臣朝

（1.湖南省公安消防总队湖南 410600；2.浙江安正科技股份有限公司北京 100600）

消防部队便携式卫星站通信业务终端集成问题研究

◆幸雪初1佘臣朝2

（1.湖南省公安消防总队湖南 410600；2.浙江安正科技股份有限公司北京 100600）

本文针对消防部队卫星通信系统便携式卫星站应用存在的问题进行研究，在卫星通信终端的深度集成方面分别进行试验，对集成后的整体卫星通信系统的性能进行试验，设计出符合当前消防部队需要的新产品，以提高消防部队应急通信保障能力。

系统集成；便携式卫星站；消防；应急通信

0 引言

卫星通信具有覆盖区域广、不受地形地域限制、传输线路稳定可靠、保密性强等优点，匹配动中通系统，可以真正实现宽带、移动通信的目的，在政府应急职能部门得到了广泛应用，已经成为主要应急通信手段之一，在各种自然灾害抢险救灾中发挥了关键作用。

通过公安消防部队“十一五”、“十二五”消防信息化建设，全国消防部队作为政府应急职能部门，已完成了公安部消防局、总队、支队级卫星通信系统建设，在部队参与灭火抢险救援应急通信保障方面发挥了重要作用，但由于各种原因，还不能完全适应国家公共、突发事件新形势、新任务的需要，实现在重特大公共事件时，保证公安消防部队垂直的、自上而下的指挥调度通信网络的畅通，提高公安消防部门救援实战通信能力。截止 2015年底，全国消防部队便携式卫星站配备了139套，车载式卫星站配备了152套（具体统计情况见表1）。当前，宽带卫星通信在应急通信系统中的应用已经得到广泛应用，然而消防部队应用的便携式卫星站设备基本上是一些卫星设备的简单堆叠，组件较多，体积大，连接电缆复杂，装配时间长，在应急通信保障现场，卫星天线组装时间长，应急通信设备连接点多，整个卫星通信系统开通时间需要15-20分钟，不利于携带和快速应急展开。为解决卫星便携站快速部署和展开的能力，本文结合笔者多年来工作经验，针对卫星通信系统便携式卫星站的终端设备进行深度集成，对整体系统集成后的设备性能进行了相关试验检验。

表1 全国消防部队卫星站建设数量统计表

注：表中数据未包含香港、澳门和台湾地区。

1 消防卫星通信系统便携式卫星站

1.1 简介

便携式卫星站（portable earth station）以方便携带的箱体为载体，由便携式卫星天线、卫星通信设备、业务终端设备及供电等附属设备组成的可搬移式卫星通信地球站。便携式卫星天线分为自动对星天线、半自动对星天线和手动对星天线等类型，一般情况下，消防部队将卫星通信设备和业务终端堆叠在多个便于携带的移动式机柜里，通过不同线缆与卫星天线等相联，组成一套完整的卫星通信系统。其系统天线部分构造见图1。

图1 便携式卫星站天线部分

1.2 卫星通信设备

卫星通信设备由卫星调制解调器和 DVB接收机组成，DVB接收机接收部局网管载波和网管控制命令，远程控制卫星调制解调器发射载波，建立与中心双向的传输通道。目前，消防卫星通信系统中卫星通信设备主要是 COMTECH CDM-570L和CDM-5975,设备如图2所示。

图2 未集成前的卫星通信终端设备

1.3 业务终端设备

业务终端设备由视频会议终端、音视频矩阵和无线图传等设备组成，通过卫星通信链路与后方指挥中心进行音视频传输，利用音视频矩阵控制本地输入的视频源。目前，消防业务终端设备主要是华平的视频会议终端和视频矩阵，设备如图3所示。

图3 未集成前的会议终端设备

便携式卫星站根据天线的不同其展开的初始对星时间也不同，在实际操作中，要根据当地地形地貌、方位等情况确定系统的展开来确定初始对星时间，具体见表2。

表2 卫星终端设备集成前天线对星时间表

天线类型特点初始对星时间（分钟）自动对星天线加电后，自动完成对星 5半自动对星手动安装天线面，然后实现自动对星 8手动对星天线面手动安装，借助罗盘完成天线方位、俯仰调整，完成天线对星 15

2 系统集成部分

当前消防部队便携式卫星站核心设备的调制解调器、功放等核心产品大多依靠国外进口，国内部分卫星通信设备企业对这些产品的理解普遍不太深入，所以针对目前便携式卫星站通信终端大多集中在便携天线的研发，对便携式卫星站的通信系统只是卫星收发设备的简单堆叠，便携式卫星站的通信产品在体积、重量、功能、方便性上均有较大差距，尚未真正实现“便携”和“单兵”应用。

笔者借鉴了国际上较为先进的以色列军用背包式卫星通信系统集成设计理念，将便携式卫星站的卫星调制解调、视频终端、频谱分析等部件整体进行了深度集成，对卫星通信终端进行创新设计和构建，打破了原有设备“叠加”的概念，深度集成设备板，减少设备线缆连接；产品集成了卫星通信、图像处理、话音处理、显示输出等功能，结合卫星地面站实现双向卫星链路，实现图像传输、话音传输、数据传输。整体由卫星通信终端和会议终端组成，总重不超过18Kg，单个设备不高于10Kg，非常适合单兵应用。集成外观见图4。

图4 集成前后终端设备示意图

2.1 视频会议功能

高质量图像传输分系统可以将现场的动态图像实时传输到指挥中心，可根据实际网络环境进行路由配置，实时高质量视频图像采用H.264的编码方式。

高质量视频图像传输系统采用 IP接入方式，由卫星通信系统的LAN口接入，提供512K～2048Kbps传输信道,可实现点对点或点到多点（星状）的视频会议。

网络还支持网状的电视会议连接应用。支持H.323协议的IP组播和H.320/H331广播方式。

2.2 数据传输功能

数据传输分系统是由多种网络设备与终端设备组成的综合网络系统，通过卫星数据信道实现IP数据业务的传输。

IP数据业务传输网络为点到点的应用方式，通过中心站卫星设备的路由功能，将便携式卫星站端的网络应用（计算机文件以及IP视频图像的传输）等应用连接到指挥中心的网络。

2.3 集成终端

集成后的终端由卫星通信终端和会议终端组成，终端由外壳、数字式寻星电路、音视频数字处理电路、调制解调电路、射频电路、视频会议、微波通信电路、以及外部接口电路组成。集成后卫星通信终端设备如图5所示，会议终端如图6所示：

图5 集成后的卫星通信终端

图6 集成后的会议终端

3 电磁兼容

电磁兼容采用的主要有三种技术：滤波、接地、屏蔽。

除了在电源输入接入滤波器外，采用EMI电源滤波技术，采用反极性等匝电感配合相应电容对供电电路消除共模干扰。模拟地与数字地、电源地均通过电磁电容隔离，采用包地及多点隔离的方法将输入/输出信号的干扰噪声降低至EMC要求以下。

为了能够减少射频干扰和电路模块间的串扰，本设计采用多腔体板级电磁屏蔽罩消除板内电磁和射频金属隔离板材消除板间及射频干扰的办法，对产品的腔体进行分割和封装，在减少重量的情况下提高电磁干扰的能力。经过电磁兼容处理前后,射频干扰电平约有35dB的改善，如图7所示。

图7 电磁兼容处理前后干扰耦合功率比较

4 集成后实验

根据行业标准《消防卫星通信系统第 1部分：系统总体要求》（GA/T 971.1-2011）和《消防卫星通信系统第2部分：便携式卫星站》（GA/T 971.2-2011）的要求，集成后笔者对卫星天线、卫星通信及业务终端等部分进行了实验检验，具体对天线的交叉极化隔离度、天线增益、旁瓣特性、LNB的频率稳定度、基带传输性能、图像质量和声音质量等方面进行了实验检验。

4.1 天线参数对比表

此次天线性能测试所用设备为频谱仪、信号源、适量网络分析仪，测试气候条件为晴天。其中，利用频谱仪进行测试的连接图如图8所示：

图8 集成后天线、卫星终端、频谱仪连接示意图

4.1 .1天线驻波比

驻波比又称电压驻波比（VSWR,Voltage Standing Wave Ratio）,指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，驻波比接近1:1时，表示馈线和天线的阻抗匹配。天线驻波比测试曲线结果如图9所示。

图9 天线驻波比测试曲线图

4.1 .2天线极化隔离度

调整天线方位和俯仰角，使频谱仪接收的信号电平最大，测量垂直极化的卫星信标信号，记录测试电平。然后将天线馈源旋转900，用频谱仪测量水平极化的卫星信标信号，记录测试电平。极化隔离度等于频谱分析仪测出的垂直极化的信标信号电平减水平极化的信标信号电平。

4.1 .3天线增益

设置频谱仪工作状态，测量天线接收方向图，首先固定天线仰角不动，测量天线接收方位方向图，然后固定天线方位，测量天线接收俯仰方向图，利用频谱仪码刻功能，通过手工方法对测量结果进行处理，获得待测天线方向图的主瓣电平、副瓣电平、3dB波束宽度、10dB波束宽度，满足卫星入网要求。

天线性能具体测数据如下表所示：

表3 天线性能测试数据表

天线方向图测试数据如图10所示：

图10 集成后天线方向测试图

4.2 系统应用对比表

天线对星后，使用视频会议终端与后方指挥中心视频会议终端进行呼叫，设置视频会议终端视频编码为 D1格式，每秒 25帧，测试图像和声音质量，在视频会议终端的网络测试窗口中PING指挥中心终端的IP地址，测试数据传输延时。

4.3 集成后对星初始时间

根据不同类型的天线，从天线面现场安装开始计时，到DVB接收机LOCK指示灯锁定，表明天线完成对星，记录经过时间。

4.4 应用情况

集成的整套系统经湖南、北京市、宁夏自治区、湖南省、贵州省等消防总队试用，反映系统连接简单、操作快捷、接口清晰、按键清楚，整体开通时间比以往设备所用时间大大缩短，应急通信任务中的携行和保障能力大幅提升，对于新操作的人员只需简单培训即可进行简单操作，卫星通信联通后接入消防指挥视频系统操作简洁，在现场能快速进行部署。