面向应急通信的卫星便携终端箱设计与应用

李 堃，甄 迪，宇世俊

（1.北京航天控制仪器研究所，北京 100854；2.西藏自治区公安厅反恐怖特别侦察队七支队，西藏 拉萨 850000；3.北京航天万达高科技有限公司，北京 100143）

0 引 言

卫星通信凭借覆盖范围广、不受地理条件限制、组网灵活等优点，在应急通信领域得到了广泛应用。地球站是卫星通信系统的重要组成部分，根据承载平台的不同可分为固定站、车载站、便携站、船载站以及机载站等多种类型，适用于不同的环境条件和应用场景[1]。卫星便携站具有方便携带、体积小、便于操作等优势[2]。便携站适用于山区和车辆通行受限的地方，通过人员背负、车辆运输、空投等多种方式将物资运输至应急现场，并与指挥中心建立卫星通信链路，根据实际需求将现场情况传输至指挥中心，如数据、语音、图像等信息[3-4]。现阶段，便携站终端箱主要由各厂商根据行业实际业务需求定制生产，没有明确的功能和指标要求，因此使用不方便。例如，由于终端箱体积有限，部分设备的安装受到限制，致使终端箱功能不全；电话功能的实现主要基于卫星链路，使用电话时要占用一定的卫星信道资源；缺少统一的控制系统，需要分别控制各设备，操作不够方便[5-6]。为解决这些问题，文章以提供高质量的应急通信为目标，设计一种集成度高、功能全面、操作简单的便携站终端箱，即将各设备以板卡的形式集成在机箱中，以实现音频、视频、电话等功能，并通过中控系统对设备进行统一管理。该设计能够有效提高应急响应速度和通信保障能力，为应急通信提供更可靠的支持。

1 便携站系统组成

卫星便携站具有采集并传输现场图像、视频、音频等信息的功能，在实际应用中可以独立工作，也可以配合其他通信车协同工作。一套便携站通常由天线箱和终端箱组成，均支持背负、车辆运输等多种运输方式。其中，天线箱包括便携天线、上变频功率放大器（Block Up-Converter，BUC）、低噪声下变频器（Low Noise Block，LNB）等设备，可通过一个天线箱收纳[7]。其主要功能是在天线对星后，发射并接收地球站之间的载波，建立卫星通信链路。终端箱负责采集、处理和传输的具体业务。所有设备均集成到一个航空箱内，使用时2 个箱体之间通过射频线连接，终端箱将处理后业务信息通过天线箱发射至卫星，完成信息的发送[8]。天线箱和终端箱可由市电或发电机供电。

2 便携站终端箱设计

2.1 便携站终端箱系统设计

文章设计的便携站终端箱打破了原有设备“叠加”的方式，深度集成了设备板卡，以减少设备线缆连接。便携站终端箱由电源模块、调制解调模块、音视频处理模块以及网络交换和加密模块等组成，如图1 所示。

电源模块包括机箱上的电源输入接口、电源开关、电源转换电路等，分别与调制解调模块、音视频处理模块、网络交换与加密模块以及集中控制模块连接。防水型电源接口接收220 V 交流电，电源转换电路将交流电转换为合适的直流电，为各模块供电。

调制解调模块主要进行基带信号与射频信号之间的转换，具有调制和解调功能。

音视频处理模块主要完成对本地音频、视频等信息的采集、切换、处理以及显示等操作，包括音视频处理器、混音器、切换器以及显示器等设备，该模块具体组成如图2 所示。

图2 音视频处理模块组成

其中，音视频处理器用于压缩和处理输入码流，输出互联网协议（Internet Protocol，IP）信号。混音器可对多路声音进行混音操作，并将处理后的声音送至音视频处理器。切换器能够从多路视频中选择单画面或多画面进行显示。显示器为3 个17.3 寸液晶显示器，且3 个屏幕可显示不同的图像。显示器集成了摄像头和麦克风，方便采集本地音视频，同时音箱可输出双声道声音。

网络交换和加密模块是终端箱的核心，由交换机、加密机、语音网关等设备组成，以完成各模块之间的数据交互工作。其可以对IP 数据包进行网络交换和路由转发，同时具备加密网络信息的能力。此外，终端箱的电话功能与常见的使用方法有所区别。语音网关可通过调制解调模块直接注册到主站的会话初始协议（Session Initiation Protocol，SIP）服务器，无须通过卫星频率资源建立业务链路即可实现电话功能。

集中控制模块由工控机和7 英寸触摸式显示屏组成。其中，工控机的系统为Windows 系统，可以使用鼠标、键盘对终端箱的设备进行参数设置及状态查询。此外，针对终端箱的触控屏开发集控软件，可以直接在显示屏上对各个设备进行操作设置和状态监测。其功能包括设备加电、视频画面切换、音频混音控制、设备电流状态查询以及温湿度显示等，方便使用者操作终端箱，并掌握终端箱的工作状态。触摸式显示屏页面如图3 所示。

图3 终端箱集控软件页面

终端箱数据接口模块如图4 所示。

图4 终端箱数据接口模块

由图4 可知，数据接口模块有2 个射频接口（即射频发射口和射频接收口），用于输入和输出射频信号，使用时通过射频线连接至天线箱；4 个网络接口（网管、业务、密管及语音网关）和网络交换模块与加密模块相连，用于设备管理与配置；2 个电话接口（电话1、电话2），用于外接电话；1 个串行数字接口（视频输入2）、1 个高清多媒体接口（视频输入1）、1 个小三芯3.5 mm 接口（音频输入2）以及1 个大三芯6.5 mm 接口（音频输入1）与音视频处理模块相连，用于音视频输入；1 个串行数字接口（视频输出2）、1个高清多媒体接口（视频输出1）、1个小三芯3.5 mm接口（音频输出2）与音视频处理模块相连，用于音视频输出；2 个通用串行总线接口和工控机连接，可外接鼠标、优盘等设备。

2.2 便携站终端箱结构设计

便携站终端箱需要在室外环境下使用，为避免雨水、粉尘、高低温及撞击对箱体造成损坏，箱体需要既坚固又轻量化。因此，可以选择定制的防护箱产品。为了减小终端箱内部占用的空间，采用板卡的方式进行集成，并对各设备板卡进行重新规划并设计布局与位置。在设计终端箱结构时，需要综合考虑布局、散热、电磁兼容以及防潮与防尘等内容。

2.2.1 布 局

合理的布局可以减小箱子体积，提高便携站终端箱的集成度和可靠性。板卡之间可以采用连接集成的方式，并根据功能采用模块化分层设计。如果后续使用中出现故障，能够准确定位问题，方便对设备进行维护。此外，终端箱内部各板卡采用集中供电模式，通过供电模块对终端箱进行统一供电，提高平台的可靠性。

2.2.2 散 热

核心硬件运行时会散发出大量的热量，因此需要进行合理设计以加速散热，可以采用内部气流循环和内外气流循环相结合的方式进行散热。此外，可以在机箱内部根据散热情况设置板卡位置，以有效地降低部件表面的温度。同时，在机箱侧面设置散热孔，与外界空气进行对流，可以起到均匀排气的效果，避免终端局部过热。

2.2.3 电磁兼容

电路板的电磁兼容性是设计终端系统的重要内容。设备板卡经过重新布局、统一集中供电后，可能会出现兼容问题。例如，视频出现雪花条纹、语音有杂音等。这些问题会影响视频、语音的质量，严重时会直接影响系统的功能和性能。因此，需要重点关注电磁兼容问题，提高电路板的抗干扰特性，减小电磁辐射，提高电路工作的稳定性。

2.2.4 防潮与防尘

防潮设计主要是通过整体的全密封性，尽可能地减少通风口，避免水汽进入箱体内部。选择合适的机壳也能起到防潮的作用。

终端箱的整体防尘主要依靠外壳设计。因此，可以选用铝镁合金外壳来实现防尘的目的，或使用防尘密封圈将面板和后盖紧密贴合，以增强密封性。散热开设的通风口可以使用防尘网进行防尘。终端箱侧面的接口可以使用防尘帽，而终端箱内置扬声器可以使用防尘网来实现防尘。

3 便捷站终端箱优势

便携站终端箱将各设备集成在一个箱体中，具有多种功能，操作简单且便利，能够广泛应用于公安、应急、消防以及人防等领域。其具有集成度高、功能强大、操作简单以及价格低廉等优势。便携站终端箱如图5 所示。

图5 便携站终端箱

3.1 集成度高

终端箱将设备板卡集成在一个箱体内，体积小、易于携带。如果发生应急事件，工作人员能够通过背负携带的方式将其运输至受灾地区，不受交通中断影响。终端箱与天线箱组合使用后，能够迅速构建起应急通信网络，为救灾等任务提供可靠的通信保障。

3.2 功能强大

终端箱和天线箱组成的便携站接入网管系统后，能受主站网管的同一调度，以处理、切换、传输音视频业务。同时，能够在未建立业务通信链路的前提下实现电话功能。

3.3 操作简单

便携站终端箱可通过触控板的集控软件对设备进行统一操作和管理，包括设备上电、图像切换、状态查看等功能，操作简单方便。

3.4 价格低廉

卫星便携站与动中通、静中通等其他类型的应急通信设备相比，价格更为低廉，具有明显的价格优势，因此在中小城市有更好的市场。

4 结 论

文章设计并应用了面向应急通信的卫星便携站终端箱，将多个设备板卡集成在一个箱体内，可以进行视频、音频、电话通信，并通过集中控制软件控制终端箱，操作简单方便。同时，在设计终端箱结构时，综合考虑了布局、散热、电磁兼容以及防潮与防尘等内容。目前，该终端箱已应用于应急通信领域，设备运行稳定，性能安全可靠，有效提高了应急通信的能力和效率。该设计方案为相关项目的实施提供了可靠的技术支撑，具有广阔的应用前景。