星地一体融合应急通信保障系统设计

摘 要：利用天通卫星和北斗系统的优势，充分结合地面数字对讲系统和移动通信系统的特点，设计了一种星地融合、互联互通的应急通信保障系统。该系统由各类通信终端、地面和卫星通信网络及中心应用系统组成。星地通终端为中心站构建区域对讲系统，实现区域内终端通信；通过星地通终端申请的卫星信道远程转发区域内终端业务，完成跨区域终端间、终端和中心应用系统之间信息交互。中心应用系统包括业务接入层和应用层，完成各通信网内终端数据接入及用户应用，提供音视频、位置、短息等通信业务，实现应急通信保障。

关键词：数字对讲；卫星通信；星地一体；物联网应用

中图分类号：TN927+.2；TP311 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）16-0001-05

Design of Emergency Communication Guarantee System for Satellite-earth Integration

Abstract： Taking the advantages of Tiantong Satellite and Bei-dou System， and fully combining the characteristics of ground digital intercom system and mobile communication system， a satellite-earth integration and interconnection emergency communication guarantee system has been designed. The system consists of various communication terminals， ground and satellite communication networks， and central application systems. The satellite-earth communication terminal builds a regional intercom system for the central station to achieve communication between terminals within the region. It transmits regional terminal services remotely by satellite channels applied by satellite-earth communication terminal， and completes information interaction between cross regional terminals and between terminals and central application systems. The central application system includes a business access layer and an application layer， and it complete terminal data access and user application within each communication network， provides communication services such as audio and video， location， and short message， and achieves emergency communication support.

Keywords： digital intercom; satellite communication; satellite-earth integration; IoT application

0 引 言

在应急通信领域，除采用地面通信网外，目前多采用VSAT卫星构建通信专网，可以实现高安全性、高可靠的公共应急广播、数据采集等功能[1]。系统可配置多个业务处理中心和远程管理客户端，同时可为多个行业用户提供应急通信服务[2]，但是，VSAT系统需要建设中心站和用户站，建设规模比较大，且需要用户单独建设，周期较长，成本较高；同时终端体积大、重量重、携带困难，且使用操作复杂，难以满足迅速便捷进行应急通信。

利用天通系统或北斗系统进行应急通信系统建设，无须建设天通信关站、地面运营中心等，仅需要通过专线把行业终端数据接入用户应用中心，进行端与中心业务交互[3]，因此具有建设周期快、成本低等优势，同时，该类终端具有体积小、重量轻、便于展开、用户操作界面友好等优点，因此越来越多行业引入天通和北斗系统[4]，和地面网络共同提供应急通信保障。

但是，目前卫星和地面各网络间及行业用户系统间耦合度低，未形成统一体制和互联标准，在应急通信保障领域的灾前预警与灾后通信保障未能充分融合应用。因此，急需一种卫星和地面多网融合的应用系统，能够实现断水、断电、断网情况下区域内、区域间、区域到应用中心的上传下达，以及跨部门数据共享和应急协同功能，应用于地震、火灾、洪涝等“三无”场景下的应急通信保障[5]。

1 系统总体设计

1.1 系统架构设计

为满足应急通信需求，基于数字对讲和地面移动通信系统，结合天通卫星、北斗卫星系统全覆盖、全天候等通信特点，组建星地一体融合应急通信保障系统。本系统由前端应用（包括终端）、星地通信网络（天通卫星移动运营网络、北斗卫星运营网络、地面移动通信网络）和中心应用系统组成。卫星和地面各通信网络已正式运营，只需将通过各网络的终端业务接入到系统中心应用部分，完成端与中心的统数据交互，系统整体架构如图1所示。

中心应用系统包括业务接入层和应用层，完成各通信网内终端数据接入及用户应用，提供指挥调度话音、灾害现场高清视频、会商信息、灾情信息、应急救援等应急通信保障；用户终端包括星地通终端、数字对讲终端、天通北斗多模终端、多维一体采集预警系统等。星地通终端构建数字对讲中心，实现区域内对讲通信，同时星地通终端可通过卫星进行业务转载，实现远距离、跨区域互通；多维一体采集预警系统利用多种类型传感器采集气象、水文等多种信息，然后利用地面网、北斗、天通等通信网络迅速传递到应用中心，做出迅速预报[6]；中心应用系统也可通过网络下发告警广播等信息，指导相应人员行动。

1.2 网络拓扑设计

充分研究了数字对讲系统、地面移动通信系统、天通卫星移动通信系统和北斗导航系统技术特点和通信网络优劣，从应急通信保障时网络优化选择的角度，设计了一种业务多模式承载和转发的星地一体融合应急通信保障系统组成及网络架构。在通过数字对讲系统实现区域内通信的基础上，通过地面通信网、卫星通信网进行业务承载和中继转发方式，解决跨区域网络终端间的数据互通问题，实现了全网终端间、终端与中心应用系统间的预警广播和应急通信保障，同时，系统利用北斗系统定位技术，结合中心指挥调度、地理信息系统实现对应急现场精确定位，达到快速到达实现救援目的[7]，其网络拓扑如图2所示。

区域内对讲终端通过以星地通终端为中心站的对讲系统，实现区域内终端之间信息互通。区域间通信时，利用星地通终端的卫星转发功能，把对讲终端的语音承载到卫星信道，通过卫星远距离转发到中心应用系统或其他卫星终端、星地通终端等，实现与中心应用系统的通信或其他区域内对讲终端、卫星终端的通信，信号流如图3所示。

2 中心应用系统设计

2.1 中心应用系统架构

采用分层、模块化设计思路进行系统设计[8]，以“集中部署、分布处理、分级使用”模式进行网络架构设计。按照不同的通信网络模式，模块化、分布式设计中心应用系统的业务接入单元[9]，独立实现来自不同网络的业务接入和终端管理，为上层应用部分提供支撑；按照统一管控、统一调度方式设计中心应用系统的应用层，实现全系统终端统管统控，多业务融合处理，其组成如图4所示。

其中，业务接入层对外实现与北斗、卫星、地面移动运营商系统连接，将各网络基础业务统一接入用户网络，包括IP传输服务、位置信息服务、短信服务、话音业务等，对内向应用层提供服务访问接口，支撑基于各网络基础业务的各类应用。同时，业务接入层从各通信网络获取各种终端管理数据，以支撑终端集中统一的可视化管理。业务接入层对内提供分级、多用户访问接口，便于不同用户构建基于各服务网络的应用系统。

应用层主要功能包括终端统一管理、统一位置信息、应急信息发布、现场信息采集、视频会议系统、卫星对讲系统以及系统管理等模块[10]。

2.2 位置信息服务设计

位置信息服务接入是一种面向各网络终端位置信息的数据适配服务，应用层或其他应用系统可通过终端位置信息服务获取终端的位置信息，以支持其对终端位置信息进行进一步处理和呈现[11]。

位置信息服务从运营网络获取数据，并将获取的数据经过统一处理后保存至业务接入层的数据库中，位置信息服务可根据应用层的需求，通过与终端统一管理服务进行身份认证后，向相关用户分发终端位置信息。该单元主要包括终端位置信息采集、处理、存储、分发和身份认证等功能：1）位置信息采集功能。与通信运营网络进行接口适配，从运营网络获取终端位置信息；2）终端位置信息处理功能。对从运营网络采集而来的终端位置信息进行格式化处理，并存储到数据库中；3）终端位置信息分发功能。向应用层提供位置信息查询服务接口，应用层可根据终端用户号码信息查询得到相应的终端位置信息；4）身份认证功能。可根据应用层在进行服务访问时提供的身份信息，通过终端统一管理服务进行身份认证，以判定是否为本次访问申请提供相应服务反馈。

2.3 综合业务接入设计

地面网和天通卫星网络能够向用户提供话音、短信和数据业务，北斗卫星提供短报文服务，其与短信基本相同，现以短信服务为例阐述业务系统设计。短信服务对外与运营网络交互短信数据，对内与应用层通过接口交互信息，与终端统一管理服务进行身份认证，与数据库进行数据存储操作。

短信服务的主要功能：1）短信收发功能。根据协议与通信网络进行短信收发；2）短信日志功能。对来自通信网络的短信或者应用层的接口消息进行记录存储；3）短信转发功能。将来自通信网络的短信根据分发规则发送给应用层，或者将来自应用层的信息经过处理发送给通信网络，进而发送给对应终端。

2.4 应用层设计

应用层为用户提供服务，可将北斗系统、天通系统、地面网络等接入进行统管统控和通信调度，对上可为用户业务应用提供支撑。应用层业务功能包括终端统一管理、统一位置信息、应急信息发布、信息采集、卫星对讲系统、视频会议系统、系统管理和调度等模块[12]，软件功能框图如图5所示。

2.4.1 终端统一管理

终端统一管理基于GIS地图，通过业务接入层的各网络提供的功能，实现各类终端性质、状态等信息的图上统一管理、状态呈现。

2.4.2 统一位置信息

多模终端的位置、星地通终端的位置信息统一接入到平台，通过平台的GIS地图统一呈现各类终端所处位置，便于领导进行调度。平台还支持位置信息的扩展，将来可根据业务需求的增加，将更多的终端位置信息统一接入进行管理调度。

2.4.3 应急信息发布

应急信息发布实现应急信息通过天通网络、地面网络的快速发布，提供通知、告警和指令下发等应用。应用层通过业务接入层的天通网络或地面网络的短信功能，向天通终端或多维采集预警终端下发点到点、点到群组的短信。

2.4.4 视频、对讲系统

视频、对讲系统主要用来支持在线会商功能，包括了视频会商、音频会商、混合会商等多种会商手段，同时还支持电子白板、协同标绘等会商模式。视频会商可将卫星网络、地面网络视频会议系统接入，通过应用层统一对各视频会议终端进行调度，实现各种不同体制视频的组会功能，实现视频分发，支持会商时的协同标绘及电子白板等功能。音频会商支持将卫星终端、对讲终端的各类音频终端融合召开音频会议。

3 多模终端设计

3.1 硬件设计

硬件方面，根据数字对讲系统业务特点，分析天通卫星系统业务承载能力，研究利用天通信道、地面网络承载数字对讲业务过程，依照模块化、高内聚低耦合的思想设计星地通终端，实现区域内及区域到中心应用系统的数据交互和业务互通；分析数据采集类别、全网告警广播需求，研究终端动态电源管理技术，降低终端工作和待机功耗，实现多维一体采集预警系统上报及时、长期待机功能。

多模终端采用了天通卫星基带、射频芯片及北斗RDSS芯片组，突破了多模融合终端的软硬件设计、协议设计、射频通道处理等技术，其具有通用性、灵活性和可重构性等优点；采用硬件可重构、软件可编程方式结合联动切换运行策略等进行终端设计，兼具灵活性、开放性、可重构性等特点并支持体制演进。终端体系架构包括从硬件到软件各个功能部分的分层、分模块设计，可以保证各个层次完成具体的功能，以及各个层次、各cd3677a202c6555822a6eaefea5b95f6个模块间交互接口的设计，其架构如图6所示。

3.2 软件设计

软件方面，由于天通卫星资源有限，当终端进行业务时，其所在卫星波束不一定剩有可用资源，针对此情况，设计了一种终端邻波束自动选择策略，并结合用户优先级抢占方法，以保障卫星应急通信可靠性。

天通系统的卫星波束为七色复用，波束间存在交叠区域，在地面上每个地点至少存在3个波束覆盖。终端开机入网时，按照搜索到的波束信号强度依次存储波束频点，然后尝试接入卫星系统，直到完成终端入网。终端发起业务时，首先在已注册的波束申请卫星资源，若收到信关站因本波束资源不足而拒绝分配资源的信令，那么终端选择下一个次强信号强度的相邻波束进行重新注册，然后再发起资源申请过程，直到所有波束均无资源可用。如果终端轮询完所处位置的可用波束后仍然无可用资源，那么信关站判定终端用户卡的优先级，若其优先级高于已占有卫星资源的终端，则强制释放其资源，把释放的资源分配给本次申请资源的高优先级终端。如果邻波束结合优先级策略仍无资源可用，那么终端定时轮询本波束和相邻波束，直到出现资源可用。

4 系统实现

系统中星地通终端样机已经研发成功，通过测试，终端能够正常接入天通卫星网络，激活数据后，将局域对讲系统内的对讲终端的话音承载到天通384 kbit/s信道上，然后通过卫星网络跨区域传输到中心应用系统，由系统话音编解码还原话音。此外，基于天通和北斗功能模块设计的多模终端已完成样机，测试效果如图7所示。

5 结 论

星地一体融合应急通信保障系统能够突破单个cd3677a202c6555822a6eaefea5b95f6通信系统应用限制，充分发挥各个系统优势，形成跨区域纵向通信和跨部门横向互通的应急通信网。系统推广建设后，可以有效统筹政府、企业等各方应急通信指挥系统和技术手段建设，推动预警、广播、指挥系统间数据共享和互联互通。

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