卫星应急通信应用于铁路抢险救援的研究

吴任天

（中国铁路南宁局集团有限公司 科学技术研究所，高级工程师 南宁 530029）

0 概述

在铁路的日常运营和建设过程中，如发生突发事件或事故需要应急救援时，通信保障是应急指挥的关键。由于事故具有随机性、突发性特点，救援现场的时间、地点、通信条件通常具有不确定性，尤其是一些突发事件或事故现场没有公网或铁路光缆，导致通信不畅甚至无法通信。在有线和无线通信无法工作的现场，采用卫星通信，利用其具有的开通时间短、传输距离远、网络部署快、信道稳定安全等优点，可化解救援通信困难。本文介绍南宁局集团公司所研发的用于铁路抢险救援的卫星应急通信系统及应用展望,旨在推动这方面的研究更加深入取得更大实效。

1 卫星应急通信系统研发方案

1.1采用多种视频信号源为了使集团公司应急指挥中心（以下简称指挥中心）能全面、及时、准确了解救援现场情况，本卫星应急通信系统（以下简称系统）采用多种视频信号源，包括无人机、便携摄像机、运动摄像机、云台摄像头、全景摄像头等多种设备进行图像采集工作。由于现阶段卫星通信通道使用费昂贵，目前只租用2 M的带宽。为了确保信号有序、稳定、制式统一的传输到应急指挥中心，需要将救援现场多路采集设备的音视频信息进行整合，匹配图像传输模块，图像压缩优化和编码后转换为统一的网络信号，供集团公司指挥中心与现场沟通及决策。

1.2选用良好的基带传输设备在设计系统方案时对国内外多家卫星通信设备厂家，通过对传输体制、设备稳定度、市场占有率等几个方面进行考察和比选，确保性价比最优；同时结合应急通信场景，选用以DSCPC传输体制（具备网络管理、动态组网及按需动态分配带宽等功能）为代表的ComtechEFData公司生产的卫星设备作为所开发的卫星通信系统的基带传输设备。在卫星链路实现过程中，考虑到卫星频率资源的灵活调度，同时兼顾通信数据安全，最终选用以鑫诺卫星通信有限公司（中国卫通集团有限公司旗下从事“天地一体”卫星通信运营服务业务的核心专业子公司）北京关口站作为卫星频率资源控制主站，在集团公司自建卫星通信业务主站，卫星便携站及业务主站通过北京关口站进行频率分配，业务数据从卫星便携站直接通过卫星传输至南宁业务主站，即实现了频率分配的自动化，同时也保证了数据传输安全。

1.3实现系统安全便捷实用设计预期卫星应急通信系统设计目标包括：软件硬件安全可靠、设备小型便携、运用部署迅捷和信号传输流畅等实用效果：如体现在指挥中心大屏幕能清晰显示救援现场即时信息，包括视频（单兵、无人机、专业运动相机、云台摄像机等回传的实时视频信号）、图片、现场全景；具有语音单向广播和双向对讲功能作用良好，下情反馈和指令下达渠道畅通。卫星应急通信系统构成见 图1，卫星应急通信系统信号流程图见图2。

图1 卫星应急通信系统构成

图2 卫星应急通信系统信号流程

2 系统主要设备与功能

1）指挥中心卫星业务主站和救援现场的卫星便携站。设备包括卫星天线、调制解调器和网络设备等。

2）移动单兵背包。单兵背包由摄像机、编码器、移动电源、无线网桥、拾音器、耳机、多媒体面板、带LED灯的自锁开关等组成，具有拍摄并上传现场实时视频、与指挥中心对话等功能。

3）无人机。系统采用大疆（DJI）精灵Phantom4无人机（见图3），可从高空拍摄应急救援现场即时全景，通过遥控器输出模组，使得无人机拍摄的画面既可以在与遥控器相连接的手机上查看，又能把画面输出到视频编码器向指挥中心传输。此外，运用无人机上的相机拍摄不受救援处所地形地貌影响，拍摄效果效率高质量好，对铁路山区地段事故、灾害救援优势尤为突出。

图3 无人机

4）全景相机。系统采用便携式带USB接口的球形小重量的全景摄像头（见图4）。将该摄像头插入到安卓智能手机，然后通过全景拍照app进行拍照，即可得到一张360°全景图像。

图4 USB全景相机

5）无线网桥。为保证救援现场能接收各路视频信号，系统选用性价比较高的5.8 GHz频段无线网桥（见图5），将现场设备进行组网。该网桥采用802.11 N技术和2×2两发两收无线架构，支持空中速率高达300 Mbps，满足高带宽需求的回程传输，四收四发空中速率可达600 Mbps；兼容802.11 an协议，采用OFDM调制及MINO技术，支持点对点（PTP）和点对多点（PTMP）的网络结构。采用无线网桥后，可以在长达50 km的距离上实现点对点或者点对多点网络连接，数据传输速度高达108 Mbps。能有效解决区间的网络联通问题,只要在无线信号覆盖区域内，客户端可以方便地接入网络，融合系统,不需要任何布线，无线终端可以实现零配置接入，较好满足救援现场和指挥中心之间视频传输需要。

图4 无线网桥

6）采用具有HDMI输出的摄像设备。通过采用编码器将前端摄像机、拾音器采集到的音视频信号经过压缩编码转换为网络信号，和在网络带宽有限的情况下，计算探索音频、视频、图片能有效传输时所需使用的最低带宽，确保将高清视频和音频实时流畅的传输到指挥中心。

7）现场服务器软件。现场服务器主要软件功能（界面如图6），监视现场各路视频图像和各视频采集设备的状态，并将各视频图像截图保存并发布，指挥中心的客户端可通过卫星通道远程浏览各种视频载图。当服务器软件接收来自全景摄像手机发来的全景图像时会立刻进行矫正处理并发送到指挥中心的客户端中。

图6 现场服务器操作和显示界面

8）指挥中心系统软件。其功能有：视频预览、加载截图、广播、语音对讲、云台控制、全景浏览等。由于租用卫星通道带宽有限（现阶段为2 M），若同时多路视频信号会有通道堵塞，导致卡顿、显示不清晰等现象发生，而增加带宽所需费用将会陡增。因此，综合考虑经济效益和系统功能要求，系统经过多次测试，最终采用只实时显示1路视频信号、其余各路显示截图的方式；各路视频信号可随时任意切换，截图5 s加载一张，加载间隔和地址可通过设置更改，与现场服务器系统同步。这样既保证视频信号流畅、清晰，又确保指挥中心能通过切换视频和截图看到救援现场情况。

3 系统测试试用效果

本文介绍的主要应用于铁路事故、灾害救援的卫星应急通信系统，目前已由南宁局集团公司科研所开发完毕并进行了测试和试用。从系统测试和试用情况看，系统在铁路沿线平原、丘陵和山区无通信信号地带，均能通过便携卫星基站，顺畅传输视频、语音信号，较好达到了安全、便捷、可靠、实用设计预期，有效解决了铁路运输、自然灾害抢险救援通讯不畅难题，为缩短救援时间，减少事故、灾害损失，提升运输效率，提供了新的技术保障。

4 结束语

由于卫星通信通道资源稀缺、使用价格昂贵，南宁局集团公司正在克服各种困难，力争早日正式投入使用。笔者相信，随着我国卫星通信的发展和通信卫星发射数量的增加，以及5G通信卫星的试验成功，卫星通道资源的增加和使用价格的降低，卫星通信系统所具有的灵活便携优势，将被更多的企业所认可和追捧，具有无比广阔的应用前景。