空地協同網絡在森林防火應急通信中的設想

楊 洸，宋 旭

（1.保利科技有限公司，北京 100010；2.中國新時代科技有限公司，北京 100010）

1 當前森林防火應急通信現狀

近年來，在全國各區森林防火應急救援行動中，消防員犧牲現象時有發生。其中，有林場面積大、火勢蔓延快且無規律以及現場風、水和煙霧影響視線等原因，但關鍵問題是森林應急救援現場通信不暢導致指揮中心與現場人員交互困難。我國林區大多位于偏遠的山林地帶，不僅面臨交通不便、設備落后以及人員組織分散等問題，且大面積的林區覆蓋使得手機等日常通信設備無法發揮作用[1]，從而導致嚴重后果。首先，指揮中心無法確保第一時間將火情蔓延態勢告知現場救援小隊并下達指令；其次，森林對無線信號屏蔽較為嚴重，現場救援人員無法獲取指揮中心對火情的遙感信息和自身位置信息，進而無法準確判斷行進線路；最后，空中救援力量受林火、煙霧影響，難以觀測地面情況，而精準抵達需獲取救援坐標。以上問題大幅降低了現場救援人員的安全保障。

目前，森林消防救援隊員在現場配置了便攜式衛星、北斗以及超短波/短波電臺等單兵裝備，同時國家在部分林場也建設了超短波網實現無線話音調度。但是，受林場植被影響，以上手段均無法做到救援人員在林場內隨時對地接入，導致救援小隊深入林場內部時，無法及時獲取火情信息并上報位置信息。

因此，需要探索一種基于空地協同的通信網絡，針對林場面積大、固定設施部署成本高、植被厚度對無線信號遮擋嚴重等特點，利用衛星、低空無線覆蓋以及無線中繼網絡相組合的方式，為救援人員提供了一種可保障其隨時連通的機動寬帶數據網絡，從而在火情發生時能夠快速部署并可靠接入，并能夠即時獲取火情態勢和位置信息，同時能夠建立與指揮中心的連接。

2 空地協同網絡設想

2.1 空地協同網絡在森林防火應急通信中的應用模型

空地協同網絡設計通過地空通信、自組網中繼以及衛星通信，將指揮中心與救援直升機、單兵偵察無人機以及救援人員之間進行連通，使其能夠構建一個寬帶數據通道，實現以上救援力量之間的數據協同，并提供位置信息、數據信息以及話音信息的共享服務，應用模型如圖1所示。

圖1 空地協同網絡在森林防火應急通信的應用模型

在網絡設計上，空地協同網絡一方面可以通過救援直升機解決森林火場面積大、固定通信設施難以全面覆蓋的問題，另一方面通過偵查無人機掛載無線自組網設備，在救援人員頭頂展開低空飛行，并與救援直升機進行網絡中繼，以解決森林植被茂密對無線信號遮擋較大的問題。當地面救援北斗位置服務失效時，可通過其升空的無人機進行位置回傳，從而準確掌握救援人員的實施位置。

在應用設計上，空地協同網絡可實現指揮中心、救援直升機與地面救援人員之間火情態勢信息共享，便于救援力量實時掌握宏觀火情信息，同時可實現位置信息共享，便于指揮中心綜合調度所有救援力量。

2.2 應用場景設計

在森林防火應急通信場景中，火場較為分散且地形復雜，限制了車輛和大型裝備的進入。通常，森林消防員需要徒步5～6 h才能到達火場。在此過程中，由于植被遮擋和區域偏遠的因素，現有通信設施無法隨時與指揮中心保持通信，且由于地貌影響使得位置上報時斷時續。空地協同網絡的建立，能夠在救援人員通過常規手段無法與指揮中心聯系時即時搭建一套通信鏈路，實現現場與指揮中心之間的話音、數據以及位置等信息的交互。

如圖2所示，空地協同網絡在地面救援人員定位裝備失效時可升起無人機，由無人機提供定位數據或短報文發送。指揮中心能夠獲取地面人員和空中救援直升機位置信息，便于調度。

如圖3所示，當地面救援人員與公網通信失效時，空地協同網絡將由救援直升機和無人機組成的中繼平臺，實現指揮中心與各救援力量的數據調度鏈路。

2.3 關鍵技術的選擇

空地協同網絡的關鍵技術在于保證指揮中心與救援直升機之間的低空寬帶無線通信技術，以及救援直升機、偵查無人機與救援人員之間的動態無中心寬帶自組網。

圖2 空地協同網絡數據采集流程

圖3 空地協同網絡態勢及話音調度流程

對于低空寬帶無線通信技術而言，目前民航飛機主要使用的是ACARS（飛機通信尋址與報告系統）和ADS-B（廣播式自動相關監視系統）[2-3]。其中，ACARS體制主要實現報文服務，其最大支持2.4 kb/s的傳輸速率；ADS-B體制主要提供飛行參數回傳服務，最大支持1 Mb/s的傳輸速率；兩者均無法滿足寬帶數據傳輸的要求。空地協同網絡選用基于TD-LTE技術的地空通信思路進行設計。

對于無中心寬帶自組網技術，隨著OFDM-MIMO寬帶技術的成熟，基于OFDM技術的無線寬帶自組網得到了廣泛應用。目前，該技術最大可支持32個節點，節點移動速度支持300 km/h以上，同時點對點的通信速率可達到50 Mb/s，能夠滿足空地協同網絡中繼覆蓋的要求。

基于TD-LTE技術的地空通信技術使用場景驗證。地空通信的主要難點在于救援直升機位于低空飛行，由于常規天線設計考慮水平波束較寬，垂直波束較窄，地面基站對空覆蓋難以滿足實際應用需要，需要對TD-LTE基站天線進行低空覆蓋優化，增強上旁瓣。它的主瓣3 dB水平寬度120°，俯仰面仰角30°以內增益大于4 dB，大仰角時增益大于-1 dB。大仰角時，飛機距離基站較近，鏈路衰減較小。針對以上優化進行直升機低空飛行測試，選用頻段600 MHz，基站功率20 W，機載終端1 W，基站接收靈敏度為-105 dB，直升機飛行高度500 m。

如圖4所示，以基站為中心100 km2范圍內，直升機水平飛行速度在200 km/h以上，機載終端接收97%區域的RSRP值在-105 dB以內，能夠滿足最小接收靈敏度的需要。同時，通過碼流測試，終端與基站邊緣速率能夠達到2 Mb/s以上，能夠滿足地空通信寬帶數據的承載需要。

圖4 TD-LTE地空通信測試數據

3 結 論

綜上所述，空地協同網絡對森林防火應急通信能夠快速建立一條可靠的寬帶網絡通道，有效解決救援人員位置傳輸、地面與空中救援單位以及指揮中心之間的寬帶數據通信的問題，同時部署方便、投資較小，能夠為復雜環境下救援搶險通信提供穩定保障。分析空地協同網絡通信在森林防火救援場景下的應用流程，對基于TD-LTE的低空通信技術進行測試驗證，能夠滿足消防部隊救援直升機在低空飛行過程中與地面寬帶通信的需求。同時，空地協同網絡在實際森林防火應急通信中的實戰應用還需進行多方面考慮，包括偵察無人機的使用時間、針對森林場景起飛所需要的形態適應性改造以及針對此網絡所形成新的空地指揮體系及相關應用等。