卫星通信支撑下的多通道网络平台探究

谢鹏飞，张帅帅

（山东省邮电规划设计院有限公司，山东 济南 250101）

0 引 言

在应对自然灾害和紧急情况时，稳定可靠的通信网络对于有效的应急响应至关重要。随着技术的发展，卫星通信为跨越地理限制提供了强大的支持，特别是在传统通信网络不可用或受损时。本研究的目的是探讨卫星通信如何支撑构建一个多通道应急网络平台，以提升应急通信的效率和可靠性，确保在关键时刻能够提供持续稳定的通信服务。

1 卫星通信支撑下的多通道应急网络平台设计

1.1 系统组成

本系统架构综合运用现代通信技术，形成了一套高效的应急通信网络，具体如图1 所示。该系统由应急中心固定站和应急移动便携卫星站两大子系统组成，覆盖面广泛，在各种环境下均能稳定运行。卫星通信系统提供了广域覆盖能力，能够在地面通信受阻时提供有效的通信手段；北斗通信系统利用国产卫星导航技术，为系统提供精准的定位与时间同步服务；3G、4G、5G 系统确保系统能够利用现有的移动通信网络，实现高速的数据传输；计算机及网络系统作为数据处理与指挥控制的核心，保障信息流畅传递与处理；图像采集与传输和音视频设备系统为现场情况的实时监控提供了强有力的技术支持；配电系统确保整个系统的稳定供电；环境应急通信管理系统在各种复杂环境下保障通信系统的正常运作[1]。该系统不仅能够满足常规的通信需求，更能在应急情况下发挥关键作用，确保信息的实时、准确传递，从而提升应急管理的效率与效果。

图1 平台系统组成

1.2 系统网络的拓扑设计

在卫星通信支撑下的多通道应急网络平台设计中，系统网络的拓扑设计是确保通信有效性和稳定性的关键。该设计利用软件系统进行环境应急通信指挥管理，通过多路接入技术整合多种网络通信方式，包括甚小天线地球站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）、单路单载波（Single Channel Per Carrier，SCPC）卫星网、北斗卫星、海事卫星、以太网及环保专网等，形成一个多元化、高效率的通信网络，如图2所示[2]。此外，系统网络拓扑预留了4G网络接口，以便未来进行技术升级和网络扩展。

图2 系统网络的拓扑设计

系统按功能划分为终端信息管理、主站设备管理、终端设备管理、统计报表、应急装备管理、链路调配、故障检测、系统配置、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）定位以及多通道集中控制10 个模块。这种模块化的设计不仅优化了资源分配，还提高了系统的灵活性和可扩展性。通信平台覆盖SCPC 卫星网、北斗卫星、海事卫星、3G 网络以及环保专网，构建了一个全方位、无缝连接的通信网络。在日常应用中，环保部利用STAR 星状网可同时接入2 路卫星车，每辆卫星车占用1 MHz 带宽[3]。当需求增加，需要接入更多卫星车时，可切换至SCPC卫星网，通过中网卫通主站中继，最多接入4 路卫星信号，每路占用1 MHz 带宽。如果每路信号的占用带宽减半至512 kHz，系统则能接入8 路卫星信号，进一步提升了网络的接入能力和灵活性。该网络拓扑设计，确保了应急通信网络的高效率和高可靠性，能够在各种紧急情况下提供稳定的通信支持，保障关键信息的及时传递和处理，为应急管理和决策提供强有力的技术支撑。

1.3 设备连接

卫星通信支撑下的多通道应急网络平台设计中，设备连接构成了系统运行的基础。应急中心固定站的设备连接涉及精密的技术配置，确保通信系统的高效运行和稳定性[4]。固定站主要由多通道集中控制器、北斗天线、北斗指挥机、天线馈源双工器、功率放大器、低噪声下变频器、双模卫星通信终端、频谱仪、通信辅助配件、网络交换机以及服务器等关键设备组成。

在具体的连接方式上，北斗天线通过高质量的同轴电缆连接至北斗指挥机，确保信号的传输无损失。北斗指挥机则与多通道集中控制器相连。集中控制器是整个应急中心固定站的核心，负责统筹各个设备的信号处理和分发。天线馈源双工器连接至双模卫星通信终端，负责信号的收发转换，同时连接至功率放大器和低噪声下变频器。功率放大器用于增强发射信号的强度，而低噪声下变频器则负责接收来自卫星的信号，并将其转换为较低频率的信号以便进行进一步处理。双模卫星通信终端是连接频谱仪和通信辅助配件的关键节点，不仅可以处理来自双工器的信号，监控频谱仪以确保信号质量，还可以通过通信辅助配件进行必要的信号调节。网络交换机和服务器构成了系统的数据处理与存储中心。所有的通信数据通过网络交换机流转，服务器则负责数据的处理和存储，保障了整个应急通信网络的高效和稳定运行。该设备连接方案，通过精密的设计与配置，确保各个设备能够高效协同工作，为应急情况下的通信提供坚实的技术支持，保证信息传输的准确性和实时性，为应急管理提供有力的技术保障。

1.4 通信链路计算

在卫星通信支撑下的多通道应急网络平台设计中，通信链路计算是确保系统性能符合设计要求的关键环节[5]。此计算以总链路损耗Lt为主，计算公式为

式中：Lp为路径损耗；Lf为馈线损耗；Lm为其他损耗，如天线失配损耗等。路径损耗Lp的计算通常基于自由空间路径损耗，考虑卫星通信的特点，可以表达为

式中：d为卫星与接收站之间的距离，km；f为传输频率，GHz。同时，需要考虑接收端的性能，接收信号的载噪比（C/N）是衡量通信链路质量的重要指标，其计算公式为

式中：Pt为发射功率，dBW；Gt为发送天线增益，dBi；Gr为接收天线增益，dBi；k为玻尔兹曼常数；T为系统噪声温度，K；B为接收带宽，Hz。要确保通信链路的载噪比高于系统所需的最小载噪比，以保障通信链路的可靠性。

通过计算，设计人员可以评估各个链路段的性能，对于不满足要求的部分，可以适时调整设备参数或增加中继，以确保整个应急通信网络的稳定和高效运行。这种精确的链路计算方法为多通道应急网络平台的设计提供了科学的依据，确保平台在关键时刻的通信可靠性。

1.5 卫星链路计算

在卫星通信支撑下的多通道应急网络平台设计中，卫星链路计算对于确保通信的有效性和可靠性至关重要[6]。该计算涵盖了信号的发射、传播以及接收等各个环节，确保整个通信系统能够在各种条件下稳定运作。

卫星链路的基本计算可以从链路预算开始，这是评估系统性能的关键。链路预算考虑了从发射端到接收端的所有增益和损失。为计算通信链路的质量，需要确定载噪比，计算公式为

式中：Ptx为发射功率，dBW；Gtx为发射天线增益，dBi；Lfs为自由空间的路径损耗，dB；Lo为其他损耗（包括大气衰减、雨衰等），dB；Grx为接收天线增益，dBi。系统噪声温度T是地面站接收系统的噪声温度和卫星本身的噪声温度的总和，影响整个系统的性能，尤其是在信号较弱时。

通过该计算，设计人员可以预测卫星链路的性能，并据此优化系统设计，如调整发射功率、选择合适的天线或改善接收条件等，以保证多通道应急网络平台在各种环境下均能提供稳定可靠的通信服务。不仅确保了通信链路的有效性，也有助于识别潜在的性能瓶颈，为进一步的系统优化提供依据。

2 卫星通信支撑下的多通道应急网络平台搭建应用

2.1 应急移动便携卫星站搭建与应用

应急移动便携卫星站采用1.2 m全自动寻星天线，满足应急通信的需求。应急移动便携卫星站的系统由天线箱、业务箱以及附件箱3 个部分组成。天线箱内存放的全自动卫星天线确保快速高效地建立通信链路[7]。业务箱的灵活配置支持多种设备，如调制解调器、视频会议终端、路由器，确保满足多样化的通信需求。附件箱则为现场应用提供必要的支持和备件。

便携站的全自动对星功能极大地简化了现场操作，使非专业人员也能快速部署和使用该系统[8]。此外，其内置的局域网/无线局域网（Local Area Networks/Wireless Local Area Networks，LAN/WLAN）接口和上位机控制软件提供了强大的网络支持与用户友好的操作界面。在实际应用中，此类便携站可迅速部署在自然灾害、紧急救援或临时活动现场，提供稳定的视频会议、互联网协议语音（Voice over Internet Protocol，VoIP）电话通信、高速数据传输以及无线图像传送服务。特别是在灾害发生后通信基础设施受损的情况下，该便携站能够快速建立独立的通信网络，为救援队伍提供实时的信息交流平台，确保指挥调度、救援决策以及后勤保障的有效进行。应急移动便携卫星站不仅在技术层面上实现高度的自动化和灵活性，而且在快速响应、稳定通信以及多功能服务方面具有显著优势，为应急通信领域提供了一种高效可靠的解决方案。

2.2 应急通信固定站搭建与应用

应急通信固定站分为室外单元和室内单元，两者共同协作，形成强大的通信基础设施。室外单元以一套Ku 频段、直径为1.8 m 的双向天线为核心，能够接入4路卫星车，实现每路768 kb/s的图像传输能力。根据链路计算结果，为保证通信质量，这种天线需配置不小于16 W 的功放，以增强信号传输的稳定性和远距离传输能力。室内单元的核心是双模通信机，这种通信机结合了VSAT 星状网和SCPC 点对点两种通信体制，兼具两者的优势。VSAT 网络在环保行业已广泛部署，提供了基本的通信服务；然而，当通信需求增加，尤其是在数据传输量大的情况下，VSAT 可能会受到带宽限制。此时，SCPC 模式显得尤为重要，其提供的10 MHz 以上带宽能够满足更高的数据传输需求，也具备灵活的扩容能力，确保固定站能够应对各种紧急情况。应急通信固定站的应用场景广泛，如环保、灾害应急响应、公共安全以及远程医疗等领域[9]。在实际操作中，固定站的稳定通信能力可以支持远程视频会议、高速数据交换、实时图像传输等关键任务，确保关键信息在关键时刻能够迅速、准确地传递。应急通信固定站的搭建与应用不仅提高了通信效率，还增强了多通道应急网络平台的可靠性和灵活性，为各种紧急情况下的通信保障提供了坚实的技术支撑。

3 结 论

经过全面的研究和探索，文章成功搭建并分析了卫星通信支撑下的多通道应急网络平台。通过具体实施应急移动便携卫星站和固定站的搭建与应用，展示了卫星通信在提升应急通信能力中的核心作用。便携站的灵活部署能力与固定站的稳定高效通信相结合，为环保等关键领域提供了强大的通信支撑。通过本研究，不仅验证了卫星通信在应急网络平台中的应用价值，还为未来的网络设计和应急响应提供了宝贵的经验和参考。随着技术的进步和应用场景的拓展，卫星通信支撑的多通道应急网络平台将继续发挥其不可替代的作用，为应对各种紧急情况提供坚实的通信保障。