消防救援卫星通信设备的运维与保障—以四川省为例

文｜赵欢 何海洲 郭君峰 张万宁

1.重庆两江卫星移动通信有限公司成都分公司 2.成都时代星光科技有限公司

一、前言

卫星通信的通常定义是指利用位于太空中的卫星作为中继传输节点开展的通信服务。与地面通信相比，卫星通信的主要优点包括其广域覆盖性（理论上，单颗同步卫星便可覆盖约1/3的地球表面积）以及对地面自然灾害的容忍性（与此相反，4G/5G基站等地面通信设施在自然灾害发生时极易被破坏）。因此在国内外的卫星通信应用中，针对地面通信难以覆盖的地区（如海洋区域）及灾害状况下的应急通信保障一直是业内重点关注的领域。在国内目前相对成熟的卫星通信行业应用中，消防救援工作是一类典型的可充分发挥卫星通信优势的领域，在我国西南地区的四川省体现得更加明显。自然灾害（如泥石流、森林火灾等）的常发区域本身往往是人烟稀少地区，地面通信网络的建设力度与覆盖密度不能与城镇区域相比；而当灾害发生时，地面通信网络基础设施往往首当其冲遭到破坏，进一步加剧了现场通信保障的困难。因此在目前国内消防救援工作中，卫星通信设备已成为重要装备，并在实践工作中发挥了不可替代的作用。

但另一方面，消防救援工作中的卫星通信与其他应用场景相比也有其特殊性。由于自然或人为灾害的发生通常都难以预见，即意味着消防救援工作开展以及应急通信保障需求具有明显的突发性与临时性，而从卫星通信系统运营的角度而言，也意味着难以为应急通信分配固定的卫星转发器资源（带宽与时长），只能采取临时按需分配的形式。在全国消防救援卫星通信统一由消防部局平台管理的前提下，最终呈现的将是一个大量用户随机接入、资源动态分配的复杂系统，运营中可能会面临各种挑战；从用户的角度，其配备的卫星通信设备可能在绝大多数时间处于待机或闲置状态，但要求在救援工作开展时能迅速投入正常使用。目前消防救援卫星通信网内的用户终端（即全国各省市消防救援支队/大队的卫星通信设备）由于通常采用招标采购的形式，其形态难以统一化与标准化，对实践中的运维与保障也提出了更高的要求。

作者根据近年来从事四川省内消防救援卫星通信行业工作的经验，总结了该行业内运维保障工作的若干特点，并针对几类常见的问题提出了针对性的措施。四川省内由于地理环境复杂，自然灾害多发，消防救援工作对于卫星通信的依赖程度以及卫星通信设备完好率的要求都高于国内的平均水平[1]，以此为基础总结的经验也更具有代表性与参考价值。本文将主要针对消防救援这一特定行业内的问题进行探讨。

二、四川省消防救援卫星通信设备运维保障工作的特点

如前所述，运维保障工作的最终目的是保证卫星通信设备的完好率与可用性，尤其是在突发性救援任务时能迅速投入使用的能力，而此类工作的开展方式与特点也显然取决于消防救援行业内卫星通信应用及设备自身的特点。作者根据近年来的工程经验做了以下几方面总结，其中既有对运维工作开展有利的因素，也有需要重点考虑的风险性因素。

1.卫星通信设备操作的标准化程度较高

消防救援工作目前的卫星通信应用实践中，操作的标准化与简单化是重要趋势，也是应急通信保障工作的必然要求。其他文献中曾有提到[2]，一方面，消防救援工作的紧急性往往不允许在现场开展复杂的通信设备调试工作；另一方面，消防救援人员由于自身教育背景、服役期限以及轮岗等因素，其对卫星通信的掌握程度也不宜按照专业技术人员的水准预估。因此在交付时间较晚的卫星通信车等设备，尤其是2018年后交付的项目中，主流趋势是尽可能简化一线人员的操作。例如在理想状况下，前方人员只需要开启车载动中通天线与功放，完成自动对星与校准后，根据部局下发的链路信息（上下行频点），可在终端管理软件上一键点击建立链接，应用层的软件（如视频会议软件）也通常预置登录信息，可自动登录部局平台的视频会议系统，并与后方指挥中心建立联系。标准化的操作流程一方面简化了现场运维保障工作的难度，即使出现故障也较容易复现排查，但另一方面，由于系统本身架构与功能的复杂性，简化前方操作的必然代价则是将大量的网管功能移至部局平台端完成，实践中由于部局平台自身也可能发生问题，前方往往难以第一时间判断原因。

2.运维保障工作的复杂性明显

运维保障工作的复杂性可从不同的角度体现。相关文献中[3]提到了卫星通信一体化应用的观点，遵循这一原则，卫星通信指挥车等大型平台可作为现场救援指挥与通信的综合应用平台，搭载种类丰富的消防救援装备，作为通信传输信道的卫星通信设备也意味着需要对接越来越多的数据来源。而在复杂的数据传输链路中，任何一个环节出现问题都可能导致数据无法正常传输，现场人员缺乏排查手段与经验时，往往直接归咎于卫星通信的问题，可能会误导技术人员的排查方向。以单兵图传采集为例，端到端的数据传输需要经历的环节包括原始数据采集（手持摄像头拍摄）、视频编码压缩、短波无线电传输与接收、矩阵切换、卫星通信调制与发射、后方指挥中心接收与显示等多个环节，实践中已发生多次前方人员报称卫星通信故障，但经仔细排查后发现是其他设备异常的案例。

运维保障工作的复杂性还体现在故障原因分析中。卫星通信设备由于采购价格通常较高，服役期限较长，而消防救援工作的现场工况复杂，在其使用年限的后期可能发生很多难以预见的故障，即使在可以将故障部位明确定位至卫星通信设备的情况下，具体的故障原因分析也往往需要工程人员具有丰富的经验。

3.不可控因素较多，运维工作要求具有全局性思维

由于消防救援的卫星通信涉及部局平台与用户设备的互联互通，且用户设备（主要指卫星通信车）本身也是复杂的集成项目，实践中的卫星通信故障原因排查及维保工作往往会超出卫星通信本身的范畴（例如，车辆底盘或机械故障可能会直接影响动中通卫星天线工作），此类情况本文不作详细展开讨论，但要求技术人员必须具备系统工程的思维，才能更好地完成维护保障工作。

三、典型案例分析

以下给出根据近年来工作经验总结出的几类典型维保工作案例，其产生原因、故障现象与后果、针对性措施都各不相同。

1.由于外在不可控因素导致的异常

前文提到的部局平台侧的问题便是典型的外在不可控因素。其他文献[4]对此也早有认识，由于我国消防救援卫星通信系统已运行多年，早期设计的局限性在今天的运行中将不可避免地导致一些问题。此类情况的难点在于部局系统的设计与工作状况对于一线完全处于黑箱状态，在无法与部局实时沟通的情况下，现场很难定位故障原因。例如，在消防救援早期应用的Comtech平台中，部局通过私有协议将全国的消防支队划分为若干组（101～108），终端在请求接入平台时必须按照对应的组别，否则将无法接入，而一旦部局给出的组号错误（现场无法校验），产生的现象是卫星通信链路层一切参数正常，但应用层无法建立链接。在2019年下半年从亚洲七号至亚洲九号的转星工作中，曾有四川省某地级市支队报称动中通故障，现场维修人员调试近4天，设备一切正常，经与部局工程师反复确认，才最终发现是该支队组号分配错误（四川省内部分卫星通信设备划入104组，另一部分则划入108组），修改后立即恢复正常。可以预见，一旦在真正的消防救援工作中因为这类问题影响卫星通信，可能带来严重的后果。

另一个典型的外部不可控因素则是来自其他消防救援支队的设备。由于前述卫星转发器资源动态按需分配的原则，目前国内消防救援卫星通信的资源分配方式是部局租用亚洲九号卫星上一个完整的Ku 54MHz转发器（线性极化），由全国数百个地级市消防支队共享。在此情况下，卫星通信天线的极化隔离度不够是最常见的问题（通常要求至少不低于20dB的隔离度），而任意一个支队的天线问题（无论是极化隔离器部件问题还是由于天线ACU程序异常而对星不准）都可能导致卫星转发器整体的极化隔离度不达标，直接影响正交极化的另一个转发器正常运行，实践中部局曾多次通报这一问题。

针对此类问题的主要措施是技术人员必须加强对本地卫通设备的了解，尽量在保证本地设备工作正常，并利用卫星通信设备自带的自发自收功能验证通信链路正常的基础上（同时还要将调试时间控制在合理范围内），再对部局平台或其他支队的工作状态提出合理怀疑，并积极配合部局的验证工作，排查相关故障。

2.由于设备自身原因导致的异常

此类问题的主要原因如前所述，是由于设备使用年限较长、应用工况复杂而导致的异常，其难点在于同样的现象背后可能有不同的原因。典型的例子是LNB高频头，由于消防救援卫星通信系统转发器资源紧张，每次分配给用户的频率带宽很窄（仅支持2Mbit/s的传输速率），LNB需要很高的本振稳定度才能准确锁频（项目设计需求通常为5kHz或更高的精度），一旦LNB该项指标性能下降（由于温湿度变化或老化而产生的晶振性能劣化），可能会导致传输不稳定，在现场没有频谱仪等测试设备的情况下，很容易被误判为线缆、射频接头或天线软波导的问题（线缆或接口老化的问题在实践中也比较常见），延误维保工作进度。

另一个典型的案例是动中通天线的对星问题。如前所述，常规的一键自动对星功能实现的保障是后台硬件设备与软件算法工作状态正常，而实践中也是故障的高风险点，且故障原因并不局限于天线本身。2019年下半年的四川省消防救援卫星通信设备巡检工作中，曾有两个支队同时报称动中通对星异常，但现场发现故障原因截然不同。支队A将天线控制单元ACU程序重置、重新写入参数后恢复正常，支队B则在完成所有排查后才发现是GPS接收单元异常（动中通天线自动对星的参数解算是以当前GPS位置为基础，在没有GPS输入的情况下无法完成）。

对于此类问题，要求技术人员应更加注重工程经验的积累，并针对最常见的故障原因提前准备好维修备件与工具，减轻设备异常带来的不利影响。

3.由于人为操作不当导致的异常

此类问题的特点是人为因素的随意性较大，导致问题的具体原因及后果都有较大的差异。在较乐观的情况下，异常现象完全由人为操作不当引起，设备本身并未故障。例如，便携式卫星通信站天线虽然也具备自动对星功能，但其内置ACU算法性能显然无法与车载动中通天线相比，要求便携站摆放必须大致面对正南方向才能完成解算（角度偏差超过一定范围将无法自动对星），实践中经验不足的一线消防救援人员常常遇到这一问题。但另一种较严重的情况则是与第2类问题同时出现并相互作用，即人为的操作不当加剧了设备原有的异常现象，最终导致故障超出现场可处理的范畴。2019年下半年，四川省某支队报称动中通天线无法正常工作，维修人员在完成常规的线缆与接头检查，ACU天线管理单元程序重置、更换电路板等所有现场可尝试措施后仍无法解决问题，联系天线厂家进一步排查发现，故障的初期原因是ACU程序异常无法对星，但现场操作人员由于长时间反复尝试并一直保持功放开机状态，输出功率无法以电磁波辐射的形式正常耗散，天线内温度严重超标，最终将极化探针的固定胶熔化并导致探针脱落，必须返厂维修。对于此类问题，由于其严重性较高，主要的应对措施除了加强对一线消防救援人员培训相关注意事项、避免再次发生外，工程技术人员必须做好详细的故障记录，后续遇见类似问题时作为排查的依据（该问题在2019—2020年内还有其他支队发生过，在已有相关经验的基础上迅速完成了排查与修复工作）。

四、结束语

消防救援工作中的卫星通信是保障消防救援队伍战斗力的重要手段，而作为高技术装备及复杂的系统工程产品，针对卫星通信设备开展的运维保障工作也是保证其服务能力的必要措施。长远来看，运维保障工作的意义还包括通过相关经验与数据的积累，反馈至相关的设计厂家进行产品设计优化，从根本上提升卫星通信设备的性能与可靠性。本文总结的四川省消防救援卫星通信设备运维保障工作特点以及相关案例分析可为相关设计方以及工程技术人员提供一定的参考。