基于北斗的交通路网应急通信协同指挥系统设计

叶清琳，刘 玲，翟晓晓

(1.交通运输部卫星技术交通运输行业研发中心，北京 100088；2.中交星宇科技有限公司，北京 100088；3.中国交通信息科技集团有限公司，北京 100088)

0 引言

近年来，在环境变化、气候影响等因素共同作用下，各类自然灾害发生频度与破坏程度呈上升态势，大规模路网基础设施受到自然灾害的影响也日益凸显，不仅造成交通路网设施直接损毁，同时极大地影响了通行效率，导致灾害救援的难度增大，进一步加大了灾害损失。

交通部门处置突发事件时，主要以电话或地面无线通信设备收发信息，组织救援。重特大灾害发生时，灾害现场电力、网络基础设施损坏严重，地面通信链路受损或中断，使得灾害现场无法通过地面固定有线或移动通信方式与后方指挥中心实时取得联系。灾害现场道路损毁状态大都依靠前方到达人员人工反馈，但由于缺乏有效通信手段和可用通信链路，应急移动通信能力严重不足，不能满足救灾现场信息实时回传要求，导致信息采集难、反馈周期长，现场应急通信面临巨大挑战。

同时，在现有自然灾害应急通信体系下，前后方一体化应急移动通信指挥不畅，大范围自然灾害中动态的交通状态推送、时空数据交互和灾害现场实时数据处理时效性不强，空-天-路等不同监测平台间数据与信息交互难，导致应急数据更新慢、指挥协同困难、救援不及时，限制应急移动通信指挥的快速开展，对交通路网通行能力以及评估灾后损毁趋势造成巨大挑战。近年来，研究人员开展了采用北斗技术进行灾害应急救援的相关研究。郁文[1]、郝明[2]等开展了针对地质灾害特定环境下，基于北斗卫星通信的应急救援系统研究，但对平台具体功能少有描述。李博[3]、张学华[4]等开展了基于北斗卫星系统，结合公网移动通信的应急通信保障系统研究，实现了双通信链路的互联互通。项顺伯等[5]利用北斗二代短报文双向通信功能，设计和开发了一种基于北斗卫星通信的应急救援平台。费伦林等[6]设计了应用于高速公路上的一种基于北斗技术的综合应急指挥调度系统，侧重常态下综合预警和应急指挥。王立卫等[7]提出了结合北斗卫星和GPS双模式下的地震应急指挥系统。陈俊等[8]提出了运用北斗卫星和GPS双模式下的森林防火调度指挥系统，二者重点突出提供2种卫星模式定位功能互补和备份。尹小俊[9]、李茂源[10]等分别基于LoRa技术和基于WiFi技术集成北斗通信展开了无线局域网下应急通信的研究。唐尧[11]、白雪[12]、李买林[13]、李敏等[14]分别基于高分、3DGIS、eLTE、云视频技术开展了应急通信指挥系统研究。张琼雄等[15]重点围绕应急通信指挥系统中数据层的多源数据融合方面开展了相关研究，贾文峥[16]、陈晓琳[17]、程效军[18]等结合城市、公安系统和地震等应用场景展开了相关研讨。

从研究成果来看，高效的应急通信协同指挥系统是实现灾情快速应急响应的前提。针对大范围自然灾害复杂现场条件，电子化、数字化、智能化成为交通路网应急通信协同指挥研究发展方向。本文构建了基于北斗、天通卫星通信、宽带卫星融合应用的应急移动通信指挥保障体系，是一种不受地面公网限制、基于卫星通信的移动应急手段，可实现实时、动态、无盲区的灾害现场应急移动通信，可以掌握灾害现场的每个点位信息，辅助灾害现场交通路网应急资源调度运输的优化配置。

1 系统设计

在地面通信链路严重损坏的情况下，充分考虑应急移动指挥的高带宽传输需求，采取多星技术融合、功能互补的方式，采用静中通车载式终端、Ku频段便携式背负终端作为宽带卫星接入手段，天通手持机及北斗终端群作为窄带卫星接入手段，空天地一体的网络传输和基础设施平台为基础的一体化应急通信网络架构，满足特重大灾后现场的应急通信需求。同时构建交通路网应急通信协同指挥系统，解决重特大灾害发生时无公网情况下视频、图像、音频、数据的实时数据采集和信息交互，构建前方通信点位、移动应急通信和后方固定通信协同指挥通信保障。

1.1 总体架构

基于北斗的交通路网应急通信协同指挥系统，包括各类前端移动应急通信终端、空天地一体应急保障网络、应急通信协同指挥云平台、数据服务以及远程指挥等应用子系统和各类用户。一体化的应急通信协同指挥系统总体架构包括终端层、网络层、平台层、应用层和用户层，如图1所示。

① 终端层：采用各类终端实现灾害现场前端数据采集和数据传输，包括Ku频段便携式背负终端、静中通车载式终端、北斗手持终端、天通手持机和无线短波电台等。

② 网络层：融合地面运营公网、交通行业专网作为稳定、固定的传输线路，结合北斗、天通及Ku频段宽带等卫星移动通信链路、无线短波电台、WiFi、微基站等无线自组网通信链路，形成多网融合的多元网络传输，满足灾害现场信息的回传需求，实现前方与后方应急指挥中心的信息互通。

③ 平台层：应急通信协同指挥云平台基于数据采集、汇聚、传输、处理及分析数据流程，利用灾害现场各类视频、语音、图片和文本等感知数据采集，汇聚统一的应急通信协同指挥数据库，构建应急移动通信数据库和各类感知信息共享交换平台。

④ 应用层：面向灾害交通路网应急移动通信指挥需求，建设远程指挥子系统、指挥调度信息接收子系统、预警消息广播消息群发子系统、求助响应子系统、人员车辆应急安全移动通信子系统及现场数据采集子系统，这些系统满足了数据采集、实时定位、应急指挥调度、信息实时回传和次生灾害预警等功能，提供了相应的服务内容。

⑤ 用户层：包括后方应急指挥中心用户、前端应急指挥车用户和灾害现场的前方应急终端用户。

图1 基于北斗的交通路网应急通信协同指挥系统总体架构Fig.1 Overall architecture of the Beidou-based traffic network emergency communication cooperative command system

1.2 空天地一体应急通信网络设计

1.2.1 空天地一体应急通信网络保障

利用北斗短报文通信、天通、宽带卫星以及地面移动通信功能，重点突破应急通信的延时低、容量大和速率高的传输要求，达到多网资源融合1 MHz带宽，特别是因自然灾害产生遮挡物的遮挡条件下，作为通信保底手段，实现应急通信。

空天地一体应急通信网络主要采用北斗、天通和宽带卫星等空间信息技术，融合地面传感感知设备、通信传输技术，结合北斗导航卫星短报文通信手段，搭建空天地一体的卫星通信保障体系，将卫星通信、地面固定有线通信和地面移动通信网络有机地结合，实现应急通信的无缝覆盖、无缝连接，满足重大自然灾害范围下重点灾害区域现场通信不间断的传输需求，如图2所示。

灾害发生后，应急指挥车到达灾害现场，通过卫星通信、地面固定有线通信和地面移动通信网络等方式与后方应急指挥中心实现数据通信和中继通信。若车辆无法到达，救援人员背负各类应急移动通信终端前往灾害现场，通过北斗手持终端、北斗RD车载定位终端、无线短波电台及天通手持机，实现与应急指挥车之间的点对点通信，应急移动通信传输路由是前方人员至应急通信车，再到后方指挥中心。

图2 基于北斗的交通路网应急通信协同指挥系统网络设计Fig.2 Network design of emergency communication cooperative command system for traffic network based on beidou

空天地一体应急通信网络优先地面移动网络，地面网络中断后，采用卫星通信网络。无公网、宽带卫星无法覆盖区域，使用Ku宽带卫星通信实现图像传输，天通手持机实现语音传输，北斗短报文实现指挥调度信息的文字传输。

1.2.2 集群式通信和自动寻优切换通信技术

系统运用多种信息技术和多卫星功能交替互补，采用多链路资源融合寻优的技术方法进行系统网络设计，综合应用基于智能分包的北斗短报文集群式通信技术和自动寻优切换通信技术。

针对应用中各种灾害数据、位置数据和文件传输等信息传输的带宽需求，以及受外围环境影响的通信成功率问题，重点解决北斗用户SIM卡短报文容量限制以及受外围环境影响的通信成功率问题，通过创新应用智能数据分包技术、多卡集群式通信技术等，在物理层面将通信容量从单卡每分钟78 byte扩容至2 080 byte以上。通过信道智能分配实现了带宽高效利用，较传统卫星流量分配方法，带宽利用率提升约23.2%。

运用北斗终端通信链路自动寻优切换技术，实现北斗通信和地面公网移动通信的无缝集成。用户手持北斗终端，在地面无公网移动通信信号覆盖区域，自动切换到北斗通信链路与后台北斗指挥机进行数据上传和信息交互；到达公网移动通信网络覆盖区域后，自动切换到公网移动通信链路进行信息交互，实现在广域范围内自动优选通信，解决通信网络盲区的问题，提升应急通信能力。

1.2.3 移动应急通信终端群

移动应急通信终端群部署在应急指挥车及应急通信车上，其中在应急指挥车上包括静中通车载终端、Ku频段便携式背负终端、北斗指挥型接收机、北斗手持终端、北斗RD车载定位终端及天通手持机。

静中通车载终端。在车顶装置Ku频段的静中通车载天线，分为1.2/1.8 m两种口径，可实现点对点的卫星站点开通。车载天线设备自动实现对星，快速、准确建立卫星通信链路，设备实现了上下变频模块小型集成，卫星端站可使用L波段中频接口接续终端用户，部署于应急指挥车Ku频段的静中通车载天线。

Ku频段便携式背负终端。Ku频段便携式背负终端为Ku频段0.8 m的背负式自动便携天线，自动实现对星，快速、准确建立卫星通信链路，为前方应急救援保障人员提供较短时间内一键对星，完成定位、展开、跟踪卫星，并实现与应急指挥车的点对点的卫星站点通信。

北斗指挥型接收机。北斗指挥型接收机循环多次发送指令(入站)以提高频度，用于发送大型报文数据或分组通播，同时能够将监控指挥下属终端用户数量扩容，同时可提供卫星精准授时服务。

北斗手持终端。可实现自然灾害现场各区域的人员动态精准定位功能，短距离采用DMR制式进行语音交互或短信交互，实现自动寻优通信链路工程，提供一键SOS报警预警和下行广播预警功能。可实现长续航时间，保障灾后现场终端续航，宽温度扩大使用范围，满足重大灾害环境下的应急通信需求。

北斗RD车载定位终端。车载终端具备北斗系统RDSS的通信功能和RNSS的定位导航功能，可实现应急通信车和应急指挥车的短报文通信，可实现连续实时导航、测速、授时、精准位置服务以及上报定位信息等功能，是基于北斗卫星导航系统的定位和通信技术实现各种车辆平台指挥调度与安全保障的通用设备。

天通手持机。天通手持机分为智能型手机和功能型手机，可与三大运营商的电话号码进行互通，通话质量清晰可辨，能够满足应急通信的需求。

1.3 应急通信协同指挥系统功能设计

应急通信协同指挥系统功能主要由系统的应用层体现，包括远程指挥子系统等6个子系统，实现现场数据采集、实时定位、移动应急通信、应急指挥调度、信息实时回传、视频图像获取、次生灾害预警、数据分析处理和有效数据提取及提示。

1.3.1 远程指挥子系统

远程指挥子系统可以实现远程指挥，实现远程安全保障与监控、预警驱动及进行预警发布。将计划好的目的地、行进路线、活动区域、注意事项和联系人等信息发送给前方人员；保障和监控前方救援人员的定位、行进路线等信息，并可接收报警信息；在突发应急事件时，可以通过用户终端实现一键驱动预警、广播预警、短信群发预警3种预警方式实现；随时向接入公网的应急移动通信终端进行预警发布。

1.3.2 指挥调度信息接收子系统

应急指挥人员在灾害现场或灾后现场，使用应急指挥车上应急通信协同指挥云平台，对前方救援人员进行调度指挥，使前方救援人员能够接收到后方指挥中心发来的计划救援目的地、行进路线、活动区域、注意事项和联系人等信息，并保障前方救援人员与后方指挥中心人员进行位置、行进路线等信息交互。

1.3.3 预警消息广播子系统

当灾害现场发生自然灾害、泥石流和台风等气象次生灾害时，可通过预警信息群发功能对周边携带应急移动通信终端人员群发预警信息，通知应急处置信息及联系方式。

1.3.4 求助响应子系统

前方救援人员到达灾害现场后，遇有突发情况或次生灾害时，可通过用户终端一键求救模块发送求救信息，进行报警，平台接收到报警信息后，迅速响应，通过终端的报警响应界面，可了解当前救援人员基本信息、所在地信息描述及周边人员信息，及时将相关信息发送给求助人员的紧急联系人、单位及所在驻地应急指挥中心。

1.3.5 人员车辆应急安全移动通信子系统

基于北斗手持终端或应急移动通信终端实现重特大自然灾害的前方人员定位及通信，可迅速精准地提供灾害现场情况，包括前方救援人员数量和位置分布，实时动态跟踪人员位置信息，回传人员在不同时间段的行动轨迹，为灾害现场的人员安全保障提供位置服务的基础数据。

基于北斗车载终端对重要车辆进行定位及通信，及时准确地提供车辆的位置、分布情况以及活动轨迹。在现场环境中实时生成灾害前方人员车辆的流动路线、活动轨迹回放。

1.3.6 现场数据采集子系统

系统满足多媒体数据的接收查看功能，如手持终端回传的图片、语音和视频等；监控摄像头采集的监控视频和回传的实时视频等。同时，平台可驱动广播系统，实现在不同场景下的信息播发功能。

2 应用验证

传输在无主站中继的情况下，根据指挥车辆的配置，可分为2种配置场景。场景1：在浙江丽水地区，指挥车辆以SUV、中巴车为底盘时，根据可安装卫星天线为1.2 m天线配置。应急指挥车配置Ku频段1.2 m静中通卫星天线、40 W卫星功放、LNB、调制解调器、北斗终端、天通手持机、网络交换设备和便携发电机等，实现与卫星的信息交互。网络设备与终端集群系统相连，为终端用户提供IP信息通道。满足应急指挥车与2台应急通信车同时通信的需求。

设置应急指挥车信道设备发送1 Ms/s,PSK3/4TDM前向载波，应急通信车信道设备接收12 Ms/s,QPSK3/4TDMA返向载波，小站完成入网后，测试数据传输速率、数据传输误码率和数据传输时延。浙江丽水地区测试的结果如表1所示。

表1 浙江丽水地区测试结果显示

经过链路计算，发射天线口径1.2 m天线配备5 W以上的功放，保有一定的雨衰余量，可满足1 MHz通信带宽双向通信的需求。传输误码率小于10-6，时延720 ms，经测试，宽带可以实现1路720P视频。天通卫星信号正常覆盖区域，实现2个天通手持机正常通话。北斗正常覆盖区域，实现1 min50路短报文收发位置信息，地面公网正常覆盖区域，可以自动切换至移动通信，实现4G制式信号通信。

场景2：在西藏地区，指挥车以大型方舱车为底盘，卫星天线为1.8 m静中通天线配置。经过链路计算，发射天线口径1.8 m天线配备40 W以上的功放保障与1.8 m指挥车天线正常通信，保有一定的雨衰余量情况下,满足1 MHz通信带宽双向通信的需求。经测试，宽带可以实现1路720P视频。天通正常覆盖区域，实现2个天通手持机正常通话。北斗正常覆盖区域，实现1 min50路短报文收发位置信息。地面公网正常覆盖区域，可以自动切换至移动通信，实现4G制式信号通信。西藏地区测试结果如表2所示。

表2 西藏地区测试结果显示

可以看出，应急通信协同指挥系统依托宽带卫星为主要传输手段，指挥车配备1.2/1.8 m静中通天线及相关调制解调设备，应急通信车同样配备1.2/1.8 m静中通天线及调制解调设备，可为应急通信协同指挥系统提供不小于1 Mb/s的宽带卫星链路，综合北斗手持终端、车载终端及天通手持机，可为应急指挥车与应急通信车之间提供音频、视频和数据传输。

3 结束语

基于移动应急集群通信系统通信链路寻优切换技术，实现北斗、宽带卫星通信、地面通信的无缝集成。融合北斗系统、天通及宽带卫星的应急通信协同指挥系统在重大自然灾害场景的集成应用；天通和宽带网卫星通信技术，突破应急通信的低延时速率，大容量带宽，实现灾情现场视频图片、语音传输以及文字的信息互动；覆盖范围大，通信盲区少；同时具备独立的组网能力，不需要其他任何系统支持；适合分布于大面积范围内的重大自然灾害现场的应急数据采集与应急传输通道的应用。