摘 要：利用天通衛(wèi)星和北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢，充分結(jié)合地面數(shù)字對講系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種星地融合、互聯(lián)互通的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)。該系統(tǒng)由各類通信終端、地面和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)及中心應(yīng)用系統(tǒng)組成。星地通終端為中心站構(gòu)建區(qū)域?qū)χv系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)終端通信；通過星地通終端申請的衛(wèi)星信道遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)終端業(yè)務(wù)，完成跨區(qū)域終端間、終端和中心應(yīng)用系統(tǒng)之間信息交互。中心應(yīng)用系統(tǒng)包括業(yè)務(wù)接入層和應(yīng)用層，完成各通信網(wǎng)內(nèi)終端數(shù)據(jù)接入及用戶應(yīng)用，提供音視頻、位置、短息等通信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信保障。

關(guān)鍵詞：數(shù)字對講；衛(wèi)星通信；星地一體；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

中圖分類號：TN927+.2；TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

在應(yīng)急通信領(lǐng)域，除采用地面通信網(wǎng)外，目前多采用VSAT衛(wèi)星構(gòu)建通信專網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)高安全性、高可靠的公共應(yīng)急廣播、數(shù)據(jù)采集等功能[1]。系統(tǒng)可配置多個業(yè)務(wù)處理中心和遠(yuǎn)程管理客戶端，同時可為多個行業(yè)用戶提供應(yīng)急通信服務(wù)[2]，但是，VSAT系統(tǒng)需要建設(shè)中心站和用戶站，建設(shè)規(guī)模比較大，且需要用戶單獨(dú)建設(shè)，周期較長，成本較高；同時終端體積大、重量重、攜帶困難，且使用操作復(fù)雜，難以滿足迅速便捷進(jìn)行應(yīng)急通信。

利用天通系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)，無須建設(shè)天通信關(guān)站、地面運(yùn)營中心等，僅需要通過專線把行業(yè)終端數(shù)據(jù)接入用戶應(yīng)用中心，進(jìn)行端與中心業(yè)務(wù)交互[3]，因此具有建設(shè)周期快、成本低等優(yōu)勢，同時，該類終端具有體積小、重量輕、便于展開、用戶操作界面友好等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越多行業(yè)引入天通和北斗系統(tǒng)[4]，和地面網(wǎng)絡(luò)共同提供應(yīng)急通信保障。

但是，目前衛(wèi)星和地面各網(wǎng)絡(luò)間及行業(yè)用戶系統(tǒng)間耦合度低，未形成統(tǒng)一體制和互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)急通信保障領(lǐng)域的災(zāi)前預(yù)警與災(zāi)后通信保障未能充分融合應(yīng)用。因此，急需一種衛(wèi)星和地面多網(wǎng)融合的應(yīng)用系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)斷水、斷電、斷網(wǎng)情況下區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間、區(qū)域到應(yīng)用中心的上傳下達(dá)，以及跨部門數(shù)據(jù)共享和應(yīng)急協(xié)同功能，應(yīng)用于地震、火災(zāi)、洪澇等“三無”場景下的應(yīng)急通信保障[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足應(yīng)急通信需求，基于數(shù)字對講和地面移動通信系統(tǒng)，結(jié)合天通衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)全覆蓋、全天候等通信特點(diǎn)，組建星地一體融合應(yīng)急通信保障系統(tǒng)。本系統(tǒng)由前端應(yīng)用（包括終端）、星地通信網(wǎng)絡(luò)（天通衛(wèi)星移動運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)、地面移動通信網(wǎng)絡(luò)）和中心應(yīng)用系統(tǒng)組成。衛(wèi)星和地面各通信網(wǎng)絡(luò)已正式運(yùn)營，只需將通過各網(wǎng)絡(luò)的終端業(yè)務(wù)接入到系統(tǒng)中心應(yīng)用部分，完成端與中心的統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

中心應(yīng)用系統(tǒng)包括業(yè)務(wù)接入層和應(yīng)用層，完成各通信網(wǎng)內(nèi)終端數(shù)據(jù)接入及用戶應(yīng)用，提供指揮調(diào)度話音、災(zāi)害現(xiàn)場高清視頻、會商信息、災(zāi)情信息、應(yīng)急救援等應(yīng)急通信保障；用戶終端包括星地通終端、數(shù)字對講終端、天通北斗多模終端、多維一體采集預(yù)警系統(tǒng)等。星地通終端構(gòu)建數(shù)字對講中心，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)對講通信，同時星地通終端可通過衛(wèi)星進(jìn)行業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)載，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、跨區(qū)域互通；多維一體采集預(yù)警系統(tǒng)利用多種類型傳感器采集氣象、水文等多種信息，然后利用地面網(wǎng)、北斗、天通等通信網(wǎng)絡(luò)迅速傳遞到應(yīng)用中心，做出迅速預(yù)報[6]；中心應(yīng)用系統(tǒng)也可通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)告警廣播等信息，指導(dǎo)相應(yīng)人員行動。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

充分研究了數(shù)字對講系統(tǒng)、地面移動通信系統(tǒng)、天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)和通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣，從應(yīng)急通信保障時網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化選擇的角度，設(shè)計(jì)了一種業(yè)務(wù)多模式承載和轉(zhuǎn)發(fā)的星地一體融合應(yīng)急通信保障系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在通過數(shù)字對講系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)通信的基礎(chǔ)上，通過地面通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)承載和中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式，解決跨區(qū)域網(wǎng)絡(luò)終端間的數(shù)據(jù)互通問題，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)終端間、終端與中心應(yīng)用系統(tǒng)間的預(yù)警廣播和應(yīng)急通信保障，同時，系統(tǒng)利用北斗系統(tǒng)定位技術(shù)，結(jié)合中心指揮調(diào)度、地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)急現(xiàn)場精確定位，達(dá)到快速到達(dá)實(shí)現(xiàn)救援目的[7]，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

區(qū)域內(nèi)對講終端通過以星地通終端為中心站的對講系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)終端之間信息互通。區(qū)域間通信時，利用星地通終端的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)功能，把對講終端的語音承載到衛(wèi)星信道，通過衛(wèi)星遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)發(fā)到中心應(yīng)用系統(tǒng)或其他衛(wèi)星終端、星地通終端等，實(shí)現(xiàn)與中心應(yīng)用系統(tǒng)的通信或其他區(qū)域內(nèi)對講終端、衛(wèi)星終端的通信，信號流如圖3所示。

2 中心應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 中心應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

采用分層、模塊化設(shè)計(jì)思路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8]，以“集中部署、分布處理、分級使用”模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。按照不同的通信網(wǎng)絡(luò)模式，模塊化、分布式設(shè)計(jì)中心應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)接入單元[9]，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)來自不同網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)接入和終端管理，為上層應(yīng)用部分提供支撐；按照統(tǒng)一管控、統(tǒng)一調(diào)度方式設(shè)計(jì)中心應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)終端統(tǒng)管統(tǒng)控，多業(yè)務(wù)融合處理，其組成如圖4所示。

其中，業(yè)務(wù)接入層對外實(shí)現(xiàn)與北斗、衛(wèi)星、地面移動運(yùn)營商系統(tǒng)連接，將各網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)統(tǒng)一接入用戶網(wǎng)絡(luò)，包括IP傳輸服務(wù)、位置信息服務(wù)、短信服務(wù)、話音業(yè)務(wù)等，對內(nèi)向應(yīng)用層提供服務(wù)訪問接口，支撐基于各網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)的各類應(yīng)用。同時，業(yè)務(wù)接入層從各通信網(wǎng)絡(luò)獲取各種終端管理數(shù)據(jù)，以支撐終端集中統(tǒng)一的可視化管理。業(yè)務(wù)接入層對內(nèi)提供分級、多用戶訪問接口，便于不同用戶構(gòu)建基于各服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)。

應(yīng)用層主要功能包括終端統(tǒng)一管理、統(tǒng)一位置信息、應(yīng)急信息發(fā)布、現(xiàn)場信息采集、視頻會議系統(tǒng)、衛(wèi)星對講系統(tǒng)以及系統(tǒng)管理等模塊[10]。

2.2 位置信息服務(wù)設(shè)計(jì)

位置信息服務(wù)接入是一種面向各網(wǎng)絡(luò)終端位置信息的數(shù)據(jù)適配服務(wù)，應(yīng)用層或其他應(yīng)用系統(tǒng)可通過終端位置信息服務(wù)獲取終端的位置信息，以支持其對終端位置信息進(jìn)行進(jìn)一步處理和呈現(xiàn)[11]。

位置信息服務(wù)從運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一處理后保存至業(yè)務(wù)接入層的數(shù)據(jù)庫中，位置信息服務(wù)可根據(jù)應(yīng)用層的需求，通過與終端統(tǒng)一管理服務(wù)進(jìn)行身份認(rèn)證后，向相關(guān)用戶分發(fā)終端位置信息。該單元主要包括終端位置信息采集、處理、存儲、分發(fā)和身份認(rèn)證等功能：1）位置信息采集功能。與通信運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接口適配，從運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)獲取終端位置信息；2）終端位置信息處理功能。對從運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)采集而來的終端位置信息進(jìn)行格式化處理，并存儲到數(shù)據(jù)庫中；3）終端位置信息分發(fā)功能。向應(yīng)用層提供位置信息查詢服務(wù)接口，應(yīng)用層可根據(jù)終端用戶號碼信息查詢得到相應(yīng)的終端位置信息；4）身份認(rèn)證功能?？筛鶕?jù)應(yīng)用層在進(jìn)行服務(wù)訪問時提供的身份信息，通過終端統(tǒng)一管理服務(wù)進(jìn)行身份認(rèn)證，以判定是否為本次訪問申請?zhí)峁┫鄳?yīng)服務(wù)反饋。

2.3 綜合業(yè)務(wù)接入設(shè)計(jì)

地面網(wǎng)和天通衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠向用戶提供話音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，北斗衛(wèi)星提供短報文服務(wù)，其與短信基本相同，現(xiàn)以短信服務(wù)為例闡述業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。短信服務(wù)對外與運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)交互短信數(shù)據(jù)，對內(nèi)與應(yīng)用層通過接口交互信息，與終端統(tǒng)一管理服務(wù)進(jìn)行身份認(rèn)證，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲操作。

短信服務(wù)的主要功能：1）短信收發(fā)功能。根據(jù)協(xié)議與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行短信收發(fā)；2）短信日志功能。對來自通信網(wǎng)絡(luò)的短信或者應(yīng)用層的接口消息進(jìn)行記錄存儲；3）短信轉(zhuǎn)發(fā)功能。將來自通信網(wǎng)絡(luò)的短信根據(jù)分發(fā)規(guī)則發(fā)送給應(yīng)用層，或者將來自應(yīng)用層的信息經(jīng)過處理發(fā)送給通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而發(fā)送給對應(yīng)終端。

2.4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

應(yīng)用層為用戶提供服務(wù)，可將北斗系統(tǒng)、天通系統(tǒng)、地面網(wǎng)絡(luò)等接入進(jìn)行統(tǒng)管統(tǒng)控和通信調(diào)度，對上可為用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐。應(yīng)用層業(yè)務(wù)功能包括終端統(tǒng)一管理、統(tǒng)一位置信息、應(yīng)急信息發(fā)布、信息采集、衛(wèi)星對講系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、系統(tǒng)管理和調(diào)度等模塊[12]，軟件功能框圖如圖5所示。

2.4.1 終端統(tǒng)一管理

終端統(tǒng)一管理基于GIS地圖，通過業(yè)務(wù)接入層的各網(wǎng)絡(luò)提供的功能，實(shí)現(xiàn)各類終端性質(zhì)、狀態(tài)等信息的圖上統(tǒng)一管理、狀態(tài)呈現(xiàn)。

2.4.2 統(tǒng)一位置信息

多模終端的位置、星地通終端的位置信息統(tǒng)一接入到平臺，通過平臺的GIS地圖統(tǒng)一呈現(xiàn)各類終端所處位置，便于領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行調(diào)度。平臺還支持位置信息的擴(kuò)展，將來可根據(jù)業(yè)務(wù)需求的增加，將更多的終端位置信息統(tǒng)一接入進(jìn)行管理調(diào)度。

2.4.3 應(yīng)急信息發(fā)布

應(yīng)急信息發(fā)布實(shí)現(xiàn)應(yīng)急信息通過天通網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)布，提供通知、告警和指令下發(fā)等應(yīng)用。應(yīng)用層通過業(yè)務(wù)接入層的天通網(wǎng)絡(luò)或地面網(wǎng)絡(luò)的短信功能，向天通終端或多維采集預(yù)警終端下發(fā)點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到群組的短信。

2.4.4 視頻、對講系統(tǒng)

視頻、對講系統(tǒng)主要用來支持在線會商功能，包括了視頻會商、音頻會商、混合會商等多種會商手段，同時還支持電子白板、協(xié)同標(biāo)繪等會商模式。視頻會商可將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)視頻會議系統(tǒng)接入，通過應(yīng)用層統(tǒng)一對各視頻會議終端進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)各種不同體制視頻的組會功能，實(shí)現(xiàn)視頻分發(fā)，支持會商時的協(xié)同標(biāo)繪及電子白板等功能。音頻會商支持將衛(wèi)星終端、對講終端的各類音頻終端融合召開音頻會議。

3 多模終端設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件方面，根據(jù)數(shù)字對講系統(tǒng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，分析天通衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載能力，研究利用天通信道、地面網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)字對講業(yè)務(wù)過程，依照模塊化、高內(nèi)聚低耦合的思想設(shè)計(jì)星地通終端，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)及區(qū)域到中心應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互和業(yè)務(wù)互通；分析數(shù)據(jù)采集類別、全網(wǎng)告警廣播需求，研究終端動態(tài)電源管理技術(shù)，降低終端工作和待機(jī)功耗，實(shí)現(xiàn)多維一體采集預(yù)警系統(tǒng)上報及時、長期待機(jī)功能。

多模終端采用了天通衛(wèi)星基帶、射頻芯片及北斗RDSS芯片組，突破了多模融合終端的軟硬件設(shè)計(jì)、協(xié)議設(shè)計(jì)、射頻通道處理等技術(shù)，其具有通用性、靈活性和可重構(gòu)性等優(yōu)點(diǎn)；采用硬件可重構(gòu)、軟件可編程方式結(jié)合聯(lián)動切換運(yùn)行策略等進(jìn)行終端設(shè)計(jì)，兼具靈活性、開放性、可重構(gòu)性等特點(diǎn)并支持體制演進(jìn)。終端體系架構(gòu)包括從硬件到軟件各個功能部分的分層、分模塊設(shè)計(jì)，可以保證各個層次完成具體的功能，以及各個層次、各cd3677a202c6555822a6eaefea5b95f6個模塊間交互接口的設(shè)計(jì)，其架構(gòu)如圖6所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件方面，由于天通衛(wèi)星資源有限，當(dāng)終端進(jìn)行業(yè)務(wù)時，其所在衛(wèi)星波束不一定剩有可用資源，針對此情況，設(shè)計(jì)了一種終端鄰波束自動選擇策略，并結(jié)合用戶優(yōu)先級搶占方法，以保障衛(wèi)星應(yīng)急通信可靠性。

天通系統(tǒng)的衛(wèi)星波束為七色復(fù)用，波束間存在交疊區(qū)域，在地面上每個地點(diǎn)至少存在3個波束覆蓋。終端開機(jī)入網(wǎng)時，按照搜索到的波束信號強(qiáng)度依次存儲波束頻點(diǎn)，然后嘗試接入衛(wèi)星系統(tǒng)，直到完成終端入網(wǎng)。終端發(fā)起業(yè)務(wù)時，首先在已注冊的波束申請衛(wèi)星資源，若收到信關(guān)站因本波束資源不足而拒絕分配資源的信令，那么終端選擇下一個次強(qiáng)信號強(qiáng)度的相鄰波束進(jìn)行重新注冊，然后再發(fā)起資源申請過程，直到所有波束均無資源可用。如果終端輪詢完所處位置的可用波束后仍然無可用資源，那么信關(guān)站判定終端用戶卡的優(yōu)先級，若其優(yōu)先級高于已占有衛(wèi)星資源的終端，則強(qiáng)制釋放其資源，把釋放的資源分配給本次申請資源的高優(yōu)先級終端。如果鄰波束結(jié)合優(yōu)先級策略仍無資源可用，那么終端定時輪詢本波束和相鄰波束，直到出現(xiàn)資源可用。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中星地通終端樣機(jī)已經(jīng)研發(fā)成功，通過測試，終端能夠正常接入天通衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，激活數(shù)據(jù)后，將局域?qū)χv系統(tǒng)內(nèi)的對講終端的話音承載到天通384 kbit/s信道上，然后通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)跨區(qū)域傳輸?shù)街行膽?yīng)用系統(tǒng)，由系統(tǒng)話音編解碼還原話音。此外，基于天通和北斗功能模塊設(shè)計(jì)的多模終端已完成樣機(jī)，測試效果如圖7所示。

5 結(jié) 論

星地一體融合應(yīng)急通信保障系統(tǒng)能夠突破單個cd3677a202c6555822a6eaefea5b95f6通信系統(tǒng)應(yīng)用限制，充分發(fā)揮各個系統(tǒng)優(yōu)勢，形成跨區(qū)域縱向通信和跨部門橫向互通的應(yīng)急通信網(wǎng)。系統(tǒng)推廣建設(shè)后，可以有效統(tǒng)籌政府、企業(yè)等各方應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)和技術(shù)手段建設(shè)，推動預(yù)警、廣播、指揮系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通。

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