卫星便携终端与突发应急通信

2018-12-13冯大健曲克楠

数字通信世界 2018年11期

冯大健，李菲，曲克楠，任军

（1.四川省公安厅，成都 610041；2.北京中安卫通科技有限公司，北京 100176）

1 引言

卫星应急通信在保障国家和人民生命财产安全、保障社会稳定等方面具有重大的意义。快速高效的响应各种突发状况，是卫星应急通信的一个非常重要的应用。灾情发生时，所有的地面设施严重损坏，通信设施遭到破坏，不能及时与外界取得联系。卫星应急通信系统由于其网络搭建快、机动灵活、响应速度快、不受外界环境的干扰，成为各种应急通信手段中的首选系统。它可以实时的反映现场的灾情，及时的与外界取得联系，把灾情传送到中央，接受总部的指挥调度。卫星不受任何地理、气候等各种自然条件的影响通过语音、数据、视频等手段与总部取得联系，为及时解决灾情，把破坏性降到最低作出了无可取代的贡献。

2 突发事件对应急通信系统的挑战

突发事件有以下特点：事件类型缺乏稳定性，任何一种突发性事件都有可能发生；无法准确预测事件发生的具体时间和具体地点；无法确定事件发生所在地的交通，地形与气候状况等因素；无法预知突发事件产生的影响程度，地面通信网络的毁坏程度和对应急通信带宽的要求。上面这些特点决定了传统的通信手段很难满足突发事件处置的要求。以汶川地震为例，从震区向外播出的第一个电话已经是地震发生114小时之后，但公认的抢救生命的黄金时间是72小时。地震发生后震中地区所有地面通信网络全部毁坏。非震中的成都由于公共通信严重堵塞，事发后2小时内移动电话很难拨通。

为了保证应急通信系统对突发性事件的适应性要求。卫星系统及其设备对使用环境要有很强的适应能力，无论在哪种气候条件和地理环境中都可以畅通使用；必须便于携带且具有可移动的特性，在发生紧急事件时，可快速到达现场；具有一定的自续航工作能力，可以不依靠外部供电连续工作一段时间；不依靠专业技术人员就能快速地与指挥中心进行通信联络；需要具备一定的扩展性，以方便在应急事件处置中灵活接入各种外围设备。

3 卫星便携终端

为了解决卫星通信在突发事件处置中所面临的各种问题，设计一款一体化的卫星便携式终端无疑是最合适的解决方法。

3.1 卫星便携终端的功能性需求

从应急事件处置的功能性角度来看，可以将卫星通信的应用分为三种方式：语音通信；宽带综合接入；音视频同步直播。

（1）语音通信。突发事件特别是地质或天气灾害类的突发事件，需要快速建立稳定可靠的语音通信链路，这对第一时间整理汇报灾害成度和获取外部的救助至关重要。应急事件处置中的语音通信又分为集群通信和对外长距离话音通信两类。集群通信主要用于应急事件处理中现场人员之间的联系，各个部门之间的工作协调。对外长距离话音主要用于对外的联络。宽带综合接入。

（2）宽带综合接入。卫星网络只解决了远程通信通道问题，在突发事件现场一方面还需要通过MESH，图传等手段完成以卫星便携站为中心的区域通信覆盖，另外一方面也需要接入面向具体应用的各种设备，器材。比如各种数据采集设备，传感器等等。而这些设备都需要大带宽的传输支撑。

（3）高清视频同步直播。从历史经验来看，突发事件现场与后方指挥部之间进行音视频同步直播是极其重要的应急通信应用。后方指挥部需要第一时间获悉现场详实、准确、全面的第一手资料，前方现场也需要实时接收后方指挥部发出的各种命令。同时，视频质量越高越有利于现场资料的收集，但由于卫星带宽资源有限，网络稳定性和可靠性等问题制约，高清视频在卫星通信领域应用并不广泛。随着新一代视频编码标准H.265/HEVC的发布，高清视频直播在卫星通信领域的应用越来越多。相对于上一代H.264标准，H.265标准编码对带宽占用大约减少40%。以常见的720P和1080P 分辨率为例，使用H.265编码之后码率可以控制在512kb/s和1Mb/s左右，完全具备通过卫星链路传输的条件。同时，针对卫星链路的特点，可以在算法实现上做进一步的优化，比如运动估计，帧内预测等技术，进一步满足卫星通信传输的需要。

从应急事件处置的时效角度来看，可分为前、中、后三个阶段。同样以地震灾害为例，将黄金72 小时划分为0～24小时，24～48小时，48～72小时三个阶段，每个阶段的通信需求是不一样的。

（1）0～24小时。这个阶段基础设施被摧毁，缺少电力，交通瘫痪。这就要求卫星便携设备可以人力背负到达现场且必须通过电池供电方式工作，到达现场后通过卫星链路建立起可靠的语音通信链路，将前方现场与后方指挥部联系在一起。（2）24～48小时。这个阶段基础设施得到部分恢复，临时发电车到位，道路抢险保证了部分道路可以通车，救援队伍到达现场，救援全面展开。此时要求卫星便携设备可以在突发事件现场建立覆盖广泛的集群语音通信网络，多点的音视频同步采集节点和前方指挥部与后方指挥部之间的双向高清视频直播通道。（3）48～72小时。这个阶段主要道路被打通，部分电力网络恢复，电力紧张环境。地面公网通信部分恢复，已可以保证窄带语音通信的可靠稳定。但宽带通信仍旧不能满足。前方大型救灾机械，灾民安置，医疗，灾情统计与发布等宽带应用大量投入使用。此时对卫星便携设备的主要要求转变为灵活的外部设备接入和大带宽的数据传输能力。

3.2 卫星通信便携终端的实现

为了解决突发事件处置遇到的种种问题，从实际出发有机结合卫星通信手段与传统通信手段。构建一款集成式的卫星通信便携终端就显得尤为必要了。

图1

从实际应用出发，卫星通信便携终端应内置以下模块：通用处理器模块、显示器、以太网交换模块、音视频编解码模块、MESH自组网模块、卫星调制解调器模块和锂电池模块。

图2

通用处理器模块主要用于整个终端的管理和图形化界面显示。采用ARM架构多核CPU，使用Linux操作系统。ARM架构CPU配合Linux操作系统的优势在于低功耗，非常适合突发应急环境下脱离市电长时间工作的需要。同时Linux操作系统也是当下主流的操作系统，能够保证各种常用应用软件的兼容性。显示器模块以15寸的LCD液晶显示面板为核心，集成摄像头和麦克风方便本地音视频的采集。为了保证户外强光条件下的使用，最大显示亮度需要在500尼特以上。

以太网交换模块是整个便携终端内各个模块的互联核心，各模块之间的数据交互均通过以太网完成。

音视频编解码模块主要用于将本地采集到的音视频信号进行H.265编码以节省传输时占用的卫星带宽。同时还负责将远端主站经卫星传输过来的H.265音视频流进行解码并通过本地显示器输出。

MESH自组网模块主要用于建立以便携终端为中心覆盖半径2公里的无线数据传输网络。MESH自组网有着不需配置直接使用，站点故障自动切换备份传输路径，中继传输提高传输距离等优点，非常适宜作为应急卫星通信中的局域无线网传输设备。卫星调制解调器模块主要负责将经交换机会聚的基于IP的数据包编码调制后通过卫星传输给远端主站，同时将远端主站经卫星发送过来的数据解调解码后恢复成IP数据包，通过交换机转发给指定的设备。

4 卫星便携终端在突发事件中的应用

突发应急事件一旦发生，需要在最短的时间在事发现场搭建起整套卫星通信系统。突发事件时间地点的随机性就决定了到达事发地点需要依靠车辆或飞机长途运输。卫星便携终端采用一体化集成式设计，两个中型安全箱就可以装下整套设备（一个天线箱和一个终端箱）。提供防尘防水保护的同时，非常便于运输和搬运。完全可以放置在普通汽车的后备箱中长途运输。一旦因为道路中断导致车辆无法前行时，只需要两个人就可以背负全套设备继续前行至事发地点。

图3

到达事发地点后，只需要将自动对星的卫星天线拼装好。将射频电缆和电源线连接到卫星便携终端上并完成一键自动对星，所有安装工作就全部完成了。有经验的工作人员可以在5分钟之内完成整套卫星便携站的安装工作。

由于整个便携终端内置的各个功能模块都通过交换机连接到了调制解调器上，所以整个便携终端的所有配置工作均可以通过卫星链路由远端主站的网管系统自动完成，不需要现场的工作人员参与。既大大降低了对现场工作人员的专业卫星通信知识要求，也进一步提高整个卫星便携站的搭建速度，真正做到快速、简单、易用的特点。

由于便携终端内置大容量锂电池，可以不依靠外部电源就保证整套卫星通信系统的长时间稳定工作，大大拓宽了整套卫星应急通信系统的适用性。在事发现场，摄像机和摄像头的音视频信号可以通过HDMI/SDI接口直接接入H.265编解码器，经编码压缩后通过卫星链路传输给主站。也可以通过MESH或图传设备远程采集音视频。经MESH 或图传传输的远程音视频仍旧需要进入H.265编解码器进行编码，压缩码率后再经卫星信道传输以节省卫星带宽。

IP电话或具有IP电话功能的手机可分别通过网口或WIFI与卫星便携终端相连，由卫星便携终端内置的软件IP电话网关进行统一管理。可经由卫星链路与主站的IP电话系统对接，做到在一路卫星链路上承载多路IP电话业务的目标，为突发事故现场提供集群IP电话服务。