云南省地震應急短波通信系統(tǒng)建設及應用*

呂后華，楊周勝

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

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云南省地震應急短波通信系統(tǒng)建設及應用*

呂后華，楊周勝

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

摘要：介紹了云南省地震應急短波通信系統(tǒng)的建設情況、實際工作頻率的選擇依據，并以景谷6.6級地震為例詳細說明了該系統(tǒng)的應用模式。地震應急短波通信系統(tǒng)經歷了多次地震應急的考驗，在震區(qū)通信中斷時確實能夠提供最后的通信保障，達到了預期的設計目標。

關鍵詞：地震應急通信；短波通信；頻率選擇；景谷6.6級地震

0引言

短波通信是無線電通信的一種，它利用波長在10～100m、頻率范圍3～30MHz的電波作為載體。短波通信主要依靠大氣電離層反射電波，是一種遠程通信手段。盡管當前新型無線電通信技術不斷涌現，短波仍然受到全世界普遍重視。相對于其他通信技術，短波通信有3個重要特點：(1)抗毀能力強，短波通信是唯一不受網絡樞紐和有源中繼制約的遠程通信手段，尤其是在發(fā)生自然災害和戰(zhàn)爭時，能夠發(fā)揮無可替代的作用；(2)受地形等因素影響小，在山區(qū)、戈壁、海洋等地區(qū)不可或缺(張毓豐，鄧民憲，2005)；(3)運行成本低，除需購置短波設備外，無其他費用支出(李立鳳等，2002)。

云南省是我國地震災害多發(fā)省份，僅2014年就發(fā)生6級以上地震3次、5～6級地震5次。同時，云南省90%的國土面積為高海拔山區(qū)，高山峽谷相間分布，交通和通信設施基礎薄弱。地震發(fā)生后，震區(qū)現有通信系統(tǒng)極易中斷，如2012年9月7日彝良5.7級地震、2014年8月3日魯甸6.5級地震中極震區(qū)通信全部中斷。基于這種情況，為落實云南省人民政府《全面加強預防和處置地震災害能力建設十項重大措施》，云南省地震局規(guī)劃建設了地震應急短波通信系統(tǒng)(段鋒，2010；趙恒等，2012)。

1短波通信原理

短波通信系統(tǒng)依靠無線電波作為載體來傳輸信息(圖1)。常見的電波傳播方式有兩種，一種是地波傳播，一種是天波傳播(陳麗慧，2009)。地波，又稱地表面波，指沿大地表面?zhèn)鞑サ碾姴ā５夭ú皇軞夂蛴绊懀饕Q于地面電特性。地波在傳播過程中，能量會逐漸被大地吸收，因而傳播距離短。短波近距離通信主要利用地波，通信距離在20km左右。

天波是指在高空中傳播，經過大氣電離層反射返回地面的電波。天波易受天氣、電子濃度等因素影響。短波遠距離通信利用天波，通信距離可達幾千千米。在實際地震應急時，應急短波通信系統(tǒng)主要使用天波進行通信。

2地震應急短波通信系統(tǒng)建設

云南省地震應急短波通信系統(tǒng)由云南省地震局統(tǒng)一規(guī)劃建設并管理運維，主要功能是在震區(qū)通信系統(tǒng)中斷時提供通信保障。根據應用需求，云南省地震應急短波通信系統(tǒng)分成兩個子系統(tǒng)建設：固定短波和車載短波通信系統(tǒng)(宋立軍等，2009)。通過設置相同的通信頻率，兩個短波通信子系統(tǒng)組成一個短波通信網發(fā)揮作用。

2.1固定短波通信系統(tǒng)

目前，固定短波通信系統(tǒng)已建設固定短波電臺116個。其中，省地震局電臺基站1個，州(市)地震局電臺16個，直屬地震臺電臺11個，縣地震局電臺88個(表1)。云南省共有各級地震局及直屬地震臺等地震部門151個，其中省級地震局1個，州(市)級地震局16個，縣級地震局129個，直屬地震臺15個。固定短波通信系統(tǒng)建設工作將繼續(xù)推進，計劃覆蓋云南省所有地震部門。

表1　固定短波通信系統(tǒng)電臺表

所有已建設完成的固定電臺中，以省局基站為中心臺，負責管理州(市)地震局和直屬地震臺電臺；州(市)地震局電臺管理所屬縣地震局電臺(圖2)。為確保通信效果，所有電臺均采用高增益三線基站天線，并采用水平方式架設(牛峰等，2000)。每套短波基站都配置了大容量蓄電池，以確保地震發(fā)生時系統(tǒng)的供電保障。

固定短波通信系統(tǒng)共有兩種工作模式。一種是日常模式。無地震發(fā)生時，系統(tǒng)處于日常模式。所有短波電臺每周都將啟動進行聯通測試，檢測設備和信道工作狀況，積累使用經驗。另一種是應急模式。地震發(fā)生后，震區(qū)及附近區(qū)域電臺迅速啟動進入應急模式，第一時間與省局基站聯通啟動災情速報，主動匯報地震有感范圍、災害損失情況等。省局基站獲取震情信息后，及時報告相關部門，開展應急指揮和部署抗震救災工作。

2.2車載短波通信系統(tǒng)

車載短波通信系統(tǒng)又稱為地震現場災害調查短波通信保障系統(tǒng)。

根據云南省地震局應急工作要求，地震發(fā)生后現場工作隊要立即趕赴災區(qū)開展應急工作。考慮到震區(qū)通信情況無法確定，云南省地震局設計并建設了車載短波通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)由現場指揮基站、車載短波電臺、單人背負短波電臺和超短波手持臺組成，通過短波和超短波信道組網，用于實現現場指揮部與后方指揮部之間、現場工作隊與現場指揮部之間、工作隊各車載電臺之間以及工作人員與車載電臺之間的通信聯絡(圖3)。

目前，車載短波和超短波通信系統(tǒng)共建設有各類短波和超短波電臺140個，其中，現場指揮短波基站1個，超短波基站1個，車載短波電臺36套，單人背負短波電臺2套，超短波手持臺100個(表2)。組成的短波通信網能夠覆蓋地震現場應急工作區(qū)域，提供通信保障。

現場指揮基站由現場工作隊到達地震災區(qū)后選址架設。基站選用澳大利亞柯頓NGT-SR短波電臺和28M高增益三線基站天線。現場基站支持最遠通信距離大于1 000km，在完全覆蓋地震災區(qū)的同時，能夠與省內多數固定和車載短波通信系統(tǒng)進行通信。

車載短波電臺(圖4)選用柯頓NGT-SR電臺和9350自動調諧鞭狀車載天線，安裝在越野性能較好的汽車上，電臺由汽車自帶12V蓄電池供電。地震發(fā)生后，36套車載電臺由現場指揮基站統(tǒng)一協調管理，第一時間趕赴震區(qū)不同地點分散分布，組成現場車載短波通信網。

為了克服鞭狀天線的短波盲區(qū)，系統(tǒng)還配置了多套無盲區(qū)半環(huán)車載短波天線。

背負電臺和手持臺作為車載電臺的延伸，主要用于道路中斷時由工作人員攜帶步行進入指定區(qū)域的保障通信。背負電臺重量輕、功率大、便于攜帶，通信距離約20km。超短波手持臺適用視距通話，通信距離1～3km，在災區(qū)攜帶和使用方便，除了對講功能，手持臺通過車載的短波/超短波異頻轉接設備，可以方便地實現遠程通信。

圖4車載短波電臺安裝示意圖

Fig.4Installationdiagramofvehicularshortwaveradio

3短波電臺工作頻率選擇

在短波電臺發(fā)射功率、天線架設、天氣氣候等因素確定的情況下，電臺工作頻率成為決定通信質量的唯一可控因素。因此，為短波通信系統(tǒng)選擇合適的工作頻率十分關鍵。

3.1地波通信頻率要求

地波在傳播過程中與大地產生感應電荷，感應電荷隨電波傳播而形成地電流。由于大地存在電阻，地電流通過時要消耗能量，進而造成大地對地波的吸收。地電阻是變化的，其大小與電波的頻率有關，頻率越高電阻越大，大地對電波的吸收作用愈強。同時還要考慮到，地波的傳播距離與頻率成正比。鑒于以上情況，短波電臺利用地波傳播方式進行通信時選用的頻率不要過高或過低。正常情況下，地波傳播適宜頻率一般為1.5～5MHz(牛峰等，1997)。

3.2天波通信頻率要求

利用天波傳播進行遠距離通信是地震應急短波通信系統(tǒng)的主要工作方式。天波傳播方式依靠大氣電離層折射，與電離層電子密度有直接關系。電離層的電子密度大小隨日照強弱變化(趙暉等，2001)。這就決定了為取得良好的通信效果，短波通信采用的工作頻率也要隨電離層變化而改變。一般說來，選擇天波傳播頻率要考慮以下原則：

(1)低于最高可用頻率

最高可用頻率是指在實際通信中，能夠被電離層反射回地面的電波的最高頻率。通信頻率不得高于最高可用頻率，否則電波將穿過電離層。最高可用頻率與電子密度和通信距離有關，電子密度越大、通信距離越遠，最高可用頻率越高。考慮到電離層電子密度是隨時變化的，最佳頻率應適當低于最高可用頻率。一般來說，最佳頻率應當低于最高可用頻率10%～20%。這里我們取最高可用頻率的85%為最佳頻率(張?zhí)＃n宇，2013)。

根據理論計算和日常工作經驗，我們列出了云南省不同通信距離在不同時段的最高可用頻率(表3)，并計算出最佳工作頻率。限于測試條件，表中所列工作頻率并非確定的頻率，而是在此頻率附近可以上下浮動。

表3　云南地區(qū)最高可用頻率、最佳頻率表

(2)一日之內適時更改頻率

觀察表3我們可以發(fā)現，某一頻率在某一時段可以作為最佳工作頻率，在另一時段就可能超過了最高可用頻率。因此，在一晝夜內最佳工作頻率應當是變化的。通常實際工作中，選用兩個頻率分別作為日頻和夜頻，一晝夜變換1～2次。頻率變換一般在電子密度變化劇烈的黎明和黃昏時刻適時進行。

3.3實際工作頻率選擇

實際工作頻率的選擇還需要考慮非技術因素。根據《無線電管理條例》規(guī)定，國家無線電管理機構對無線電頻率實行統(tǒng)一劃分和分配，設置和使用無線電臺應當報請無線電管理機構審批。

綜合考慮地波、天波傳播通信頻率的要求，以及國家對無線電頻率的管理規(guī)定，云南省地震應急短波通信系統(tǒng)共選擇6個實際工作頻率(表4)，并已全部通過云南省無線電管理委員會審批。

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表4　云南省地震應急短波通信系統(tǒng)工作頻率表

在2014年4月5日永善5.3級地震、8月3日魯甸6.5級地震、10月7日景谷6.6級地震等多次地震的應急過程中，我們對以上工作頻率進行了實際測試。測試結果表明，所選頻率能夠適應復雜的地形環(huán)境和氣候因素，在實際地震應急通信時通信效果，尤其是遠距離通信效果良好，發(fā)揮了通信保障作用。

4短波通信系統(tǒng)在景谷6.6級地震中的應用

筆者通過景谷6.6級地震詳細介紹地震應急短波通信系統(tǒng)的工作模式(趙恒等，2007)。2014年10月7日景谷6.6級地震是云南地區(qū)2000年以來發(fā)生的最強地震。因震區(qū)房屋結構抗震性能好、人口密度低，以及植被茂密等原因，此次地震造成人員傷亡和財產損失相對較小。當地通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)雖然受到不同程度的破壞，但經過緊急修復很快恢復正常。為了在地震應急環(huán)境中檢驗短波通信系統(tǒng)的實際作用，我們按照應急預案緊急啟動了短波通信系統(tǒng)。

4.1后方基站指揮階段

普洱市景谷縣距昆明約500km，應急車輛到達景谷6.6級地震現場需要6個小時。在6小時之內，現場指揮基站尚未架設，省局基站承擔整個短波通信系統(tǒng)的指揮功能，此階段為后方基站指揮階段。

(1)應急響應。景谷6.6級地震發(fā)生后，云南省地震應急短波通信系統(tǒng)立即啟動。省局短波基站、震區(qū)及周邊市縣地震局電臺迅速開機。8套車載短波電臺、2個背負電臺以及40個手持臺隨現場工作隊第一時間趕赴震區(qū)。在現場工作隊到達災區(qū)前，省局基站作為指揮中樞，負責協調所有電臺通信。

(2)信息收集與反饋。震區(qū)及周邊市縣地震局電臺要迅速收集當地的地震災情、震感范圍、通信、電力及交通等基礎設施損壞信息，初步整理后及時上報省局基站。此次地震應急過程中，普洱市局、臨滄市局、德宏州局和景谷縣局等電臺第一時間開機上報了災情信息。省局基站分類整理所有電臺報送信息，并及時上報后方應急指揮部。同時，省局基站與行進中的所有車載電臺保持聯絡，將收集到的災情信息反饋給各車載電臺。車載電臺根據反饋信息制定工作計劃，以備到達災區(qū)后立即開展工作。

4.2現場基站指揮階段

到達景谷災區(qū)后，現場工作隊立即開始架設現場指揮基站。為保障通信效果，高增益三線基站天線應架設在高處。實地考察后，現場工作隊將基站天線以水平架設方式安裝在離地約15m的樓頂。架設完成后，現場指揮基站開始接替省局基站承擔整個短波通信系統(tǒng)的指揮功能。短波通信系統(tǒng)進入現場基站指揮階段。

(1)指揮移交。現場基站架設完成需要進行聯通測試，確保短波對災區(qū)的覆蓋。現場基站先后與省局基站、市縣局電臺、車載電臺進行通信，明確通知各電臺，系統(tǒng)指揮中樞已變更為現場基站。

(2)應急指揮。現場基站指揮8套車載電臺進入災區(qū)不同區(qū)域，搭建覆蓋災區(qū)的短波通信網絡。車載電臺主要進行災害損失調查工作，包括民房、公用基礎設施、重大生命線工程損壞情況，以及地震監(jiān)測、強震監(jiān)測儀器的運轉情況。對于車輛不能到達區(qū)域，工作人員將攜帶背負電臺和手持臺步行進入。在應急工作期間，現場短波基站全時開機值守，實時跟蹤各車載電臺、背負電臺的調查進展，并隨時傳達現場指揮部命令。

(3)功能測試。現場應急工作后期，現場基站將組織全網絡測試，完善短波通信系統(tǒng)功能。現場基站每日上午、下午兩次定時與省局基站和全省州、市局電臺進行聯通測試。測試不同距離、不同時段、不同頻率的通信效果，積累實際使用經驗。

5結語

根據四川雅安7.0級、云南魯甸6.5級等多次地震的實踐經驗，短波通信作為最后的通信保障手段是十分必要的。云南省地震應急短波通信系統(tǒng)自建設以來經歷了彝良5.7、5.6級、魯甸6.5級、景谷6.6級等多次地震的現場應急工作考驗，發(fā)揮了積極的作用。我們相信，經過不斷建設和完善，該系統(tǒng)能夠為云南防震減災事業(yè)、為最大限度減輕地震災害損失做出更大的貢獻。

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Firstly，weintroducedtheconstructionsituationandtheselectionbasisofrealworkingfrequencyofYunnanEarthquakeEmergencyShortwaveCommunicationSystem.Secondly，takingJingguM6.6earthquakeasanexample，wedescribedtheapplicationmodeofthesystemindetail.Thesystemhasbeenusedinseveralearthquakeemergenciesandperformedwell.Sothissystemhasprovedtheabilitytoprovidecommunicationssupportwhenthecommunicationwasinterruptedinseismicarea，whichhasreachedtheexpecteddesignpurpose.

Keywords：emergencycommunication；shortwavecommunication；frequencyselection；JingguM6.6earthquake

*收稿日期：2014-12-30. 基金項目：十項重大措施——重點監(jiān)視防御區(qū)市縣無線短波電臺更新(200302)項目資助.

中圖分類號：P315-39

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)02-0320-06

ConstructionandApplicationofYunnanEarthquakeEmergency
ShortwaveCommunicationSystem

LUHou-hua，YANGZhou-sheng

(EarthquakeAdministrationofYunnanProvince，Kunming650224，Yunnan，China)

Abstract