基于高通量衛星的鐵路應急指揮通信系統研究

張鵬

【摘要】? ? 朔黃鐵路是我國西煤東運的第二大通道，雙線電氣化鐵路，線路高挖深填、橋隧相連，屬典型的山區鐵路。鐵路應急事件具有隨機、突發等多種不確定性特點，應急指揮面臨 “無網、無路、無電”的三大痛點。本文重點研究了基于高通量衛星如何構建公專融合的應急指揮網絡，提供更加安全可靠的通信機制的同時，便于故障智慧研判分析和輔助決策。

【關鍵詞】? ? 朔黃鐵路? ? 高通量衛星? ? 應急指揮

引言：

在鐵路運營和建設過程中，突發事件或事故應急救援時，通信保障是應急指揮的關鍵。隨著朔黃鐵路運量逐漸加大， 對鐵路應急通信也提出了更高的要求[2]。由于事故具有隨機性、突發性特點，救援現場的時間、地點、通信條件通常具有不確定性， “無網、無路、無電”通常是阻礙應急救援以及多方高效協同的三大痛點。構建便攜、易部署、可靠的無線通信系統能幫助一線作戰人員實現 “最后一公里”通信。

目前，國內傳統的鐵路應急通信手段主要依靠117事故救援電話和無線電臺等有線網絡，通過鐵路區間通話柱，通信區域有限，且在電氣化區段干擾嚴重。此外，從鐵路應急通信網絡來看，基本處于分散保障、各自保障狀態，無法形成全網全系統的通信保障，各機動用戶網和核心網結合起來使用時僅完成了基本的互連功能，未能實現各網系的有機融合，且在使用上距離隨遇接入、廣域的信息共享、信息互操作仍有很大差距，造成各機動用戶網廣域覆蓋與互連能力仍然有限。

當前，全球已有數十顆高通量衛星 （High throughput satellite，HTS）在軌運行提供運營服務。我國首顆高通量通信衛星 “中星16號”在軌交付使用。標志著我國衛星通信技術正式進入了“高通量”時代，以自主可控的高通量衛星，空間衛星段資源和地面段網絡系統及業務支撐系統有機融合，將有利于構鑄“空地一體化”的鐵路應急通信網。

針對“三無”場景無線通信挑戰，采用集成核心網、基站以及調度系統于一體化融合通信指揮系統，系統設備可通過背負、車載、無人機等方式實現救援現場快速可達，基于完全自主可控技術的解決方案，為現場提供安全、可靠、可控的廣域的無線通信。同時，得益于LTE技術的高帶寬，可實現救援現場與指揮中心全場景、全程可視指揮調度及視頻、圖片、數據、地理信息系統彩/ 短信等多媒體信息實時共享。

一、鐵路應急通信需求及目標

鐵路應急通信系統是當發生自然災害或突發事件等緊急情況時，為確保鐵路運輸實時救援指揮的需要，在突發事件救援現場內部、現場與救援指揮中心之間以及各相關救援指揮中心之間建立的語音、圖像等通信系統。應急通信系統通常由應急救援中心、傳輸網絡、應急通信接入設備等構成。應急通信接入設備包括現場應急設備、應急搶險終端、圖像采集發送設備。鐵路應急通信主要包括四方面的需求：

1.自成體系，公專融合。鐵路應急現場發生地點通常比較偏遠或公網覆蓋不足導致網絡覆蓋盲區。鐵路應急通信系統應當既能自成體系、獨立組網應對極端條件，又能充分利用公網資源，實現公專融合，協調指揮，平戰結合，降低成本。

2.無線帶寬，高清可視。需要較大的區域無線覆蓋能力，以及延鐵路線的縱深延展能力。遠程指揮中心需要實時查看應急現場的高清視頻，從而有效地提升遠程指揮中心指揮決策的效率。

3.輕便易攜，展開迅速。在極端情況下，車輛無法到達，需要單兵背負（通常重量≤25kg）徒步到達現場，無需專業技術，支持一鍵開機。

4.保密通信，安全可靠。在許多特殊場景下，鐵路應急指揮具有保密性，需要對通信信道或信源進行加密，以保障通信安全。

以鐵路應急救援指揮問題為導向，以“看得清、聽得到、能指揮、可協作”為目標，構建“自成體系、高清可視、便攜易用”的多媒體可視化應急指揮平臺，為各級指揮人員提供準確、實時、全面、安全的通信信息支撐。

二、系統總體架構

系統綜合運用高通量衛星、LTE無線寬帶，關鍵任務（Mission critical，MC）融合通信等技術，構建獨立性強、帶寬高、易使用的指揮網絡。系統以多媒體調度指揮系統為統一通信平臺，建立“遠程指揮中心”、“前方指揮所”、“應急現場”的三級指揮體系。

應急現場：現場人員通過手持終端、布控攝像頭、無人機等多媒體設備和傳感器，采集現場信息，并與指揮所、遠程中心進行實時通信。

前方指揮所：通過高通量衛星地面設備、LTE一體化基站實現與衛星、專網、公網的融合通信，構建承上啟下的指揮樞紐。

指揮中心：指揮員通過衛星、專網、公網接入，實時掌握應急現場態勢，分析研判，合理指揮。

三、高通量衛星接入實現

為便于在應急狀態下迅速建立穩定可靠的高通量衛星傳輸鏈路，衛星接入設備應當具有輕量化、體積小、易操作特點。我國首顆高通量通信衛星 “中星16號”已經交付使用，系統選用了兩款該衛星的便攜式小型化衛星站，采用連續可調節符號率數字調制解調技術，具有解調門限低、傳輸穩定、同步字節小，傳輸效率高的特點。同時采用主流的LDPC和Turbo信道編碼技術，使得信道傳輸效率進一步提升。為應對天氣環境變化，采用基于自適應調制編碼技術，使得傳輸鏈路能夠結合傳輸鏈路質量的變化，而自動動態調整衛星傳輸帶寬。

考慮到極端條件下，需要人工徒步攜帶，所以衛星地面收發設備重點考慮便攜性。上述兩款設備天線面采用碳纖維材質，在支撐結構部分采用輕量化鋁質材質設計。在結構方面，可拼裝，各功能模塊高度集成，以滿足小型化、輕量化的要求，且操作簡單，設計全自動對星。

四、基于LTE無線寬帶的區域覆蓋

在高通量衛星接入的基礎上，應急現場還需要實現無線寬帶區域覆蓋。運用LTE無線寬帶技術，為應急現場提供大范圍寬帶無線通信網路，快速建立現場應急指揮通信系統，解決“最后一公里”接入問題，為現場各類專用終端提供數據回傳通道，同時提供實時無線音視頻傳輸和調度指揮功能，并為現場工作人員提供寬帶無線接入等功能。

無線寬帶專網包括一體化無線基站和用戶終端設備。采用成熟的LTE技術體制，支持TDD/FDD-LTE等不同調制方式[9]，具有高可靠性、強抗干擾性和支持不同級別服務業務等級等特點。一體化無線基站：包括核心網處理單元、基帶處理單元、無線射頻單元、調度指揮單元和網絡管理單元;用戶終端設備：包括手持終端、無線攝像頭、無人機、各種傳感器等設備。

背負式一體化基站總體重量<10kg，支持單兵背負、車載，支持“靜中通”、“動中通”。具有靈活的組網方式，支持衛星、公網、Mesh、專網多種回傳方式，可通過中繼回傳、終端拉遠等、終端“背靠背”。

五、基于MCX技術的多媒體指揮系統

與傳統通信方式不同，應急通信應當具有集群通信功能，要求具有一鍵呼、組播、通播、強插、強拆等功能，終端兼容性要求高。3GPP的MCX通信標準，先后推出R13-R15，具有MC-PTT、MC-VIDEO、MC-DATA等多項服務定義。

MC-PTT：支持語音單呼、語音組呼、話語權控制、語音廣播、動態重組、遠程監聽等。

MC-DATA：支持數據服務、文件分發、數據流傳輸、圖片傳送、錄像傳送等。

MC-VIDEO：支持視頻單呼、視頻組呼、視頻上拉、視頻推送、視頻廣播、單播/組播資源管理、環境監視等。

基于MCX標準的多媒體指揮系統是基于IP技術架構的新一代綜合指揮通信系統，集語音、視頻、位置信息、數據業務為一體;能夠提供包括語音指揮、視頻指揮、GIS指揮、數據上傳、文本消息等多種多媒體信息的互聯互通。系統是應急過程中安全可靠的通信基礎，解決應急指揮員與相關方的通信協同問題，用戶可以進行單呼、組播、會議等語音通信操作，指揮終端還可以進行強插、強拆、監聽、禁話、轉接、橋接、代答等調度操作。并支持無人值守、振鈴組、輪巡組（優先、平衡）等功能;集群對講，終端只需按下PTT鍵即可實現一鍵式對講;支持多組、多級別對講;支持動態重組和緊急呼叫;支持具有視頻屬性的指揮終端（GB/T 28181監控終端，IP攝像頭、平板電腦、2/3/4/5G手機等），調閱現場視頻幫助指揮中心實時了解現場的各種變化，還可以把接收到的視頻轉發到其他指揮終端臺和視頻設備，便于指揮員做出快速合理的應急決策和協同處置。在應急條件下，指揮人員具有臨時性，通常無法按照組織結構進行編組。因此，基于GIS的應急指揮功能非常實用，指揮員在指揮中心，通過可視化的指揮平臺，可以清楚的掌握現場周圍的資源，車輛人員的到位情況，根據救援進展情況，實時調派資源。

六、安全加密機制

在許多特定條件下，鐵路應急指揮具有信息保密性，需要對通信信道或信源進行加密，以保障通信安全。在構建應急通信網絡時，對移動終端設備和網絡側進行加密，實現保密通信。應急指揮通信系統綜合運用密碼技術和安全技術，構建集終端安全、網絡安全、應用安全于一體的安全保密通信平臺。支持端到端、端到服務的通信加密能力，具備“廣域覆蓋、隨遇接入、安全保密”的移動通信能力，為應急指揮系統提供安全保障。

對于前方指揮所和指揮中心，數據在接入非可信網絡時，通過網絡保密機進行加密，保障數據傳輸安全。

對于移動通信終端（如手機、平板），由于可以直接接入公網和專網，無法在網絡側進行加密。因此，采用支持TF卡密碼模塊（硬件）與安全套件（軟件）加密技術。TF加密模塊為標準Micro TF形態，內置自主可控的國產化芯片，可集成到帶有TF插槽的設備中，提供基礎密碼服務。卡內集成一體化安全保密模塊與安全接入模塊（支持3G/4G/5G），對終端數據進行信源加密，實現終端的數據傳輸加密、身份認證、存儲加密等功能。安全接入模塊實現物理門衛式加密，保障公網和專網的安全接入。

七、結束語

本系統以小型化便攜衛星地面站為基礎，通過我國首顆高通量通信衛星 “中星16號”實現大帶寬衛星接入，結合LTE無線寬帶技術實現應急現場的無線寬帶覆蓋，同時基于MCX技術實現多媒體應急指揮系統，以加密技術對網絡側和終端側進行加密，為通信衛星提供安全可靠的通信機制。

參? 考? 文? 獻

[1]田裳，沈堯星.鐵路應急通信[M].北京：中國鐵道出版社，2008.4

[2]王燕梅﹒鐵路應急通信的現狀及發展趨勢[J.鐵道通信信號，2012，48（5）.

[3]郭忠平.淺談鐵路應急通信系統的接人技術[J.鐵道通信信號，2007，43（4）.

[4]張炯韜.北斗衛星導航系統在鐵路應急通信中的應用研究[J].鐵路通信信號工程技術，2013，10（06）：11-12+43.

[5]蹇峽.北斗衛星導航系統在鐵路應急通信中的應用研究[J].中國新技術新產品，2013（01）：27.

[6]陳伯龍，王浩，鄧迪，陸嘉恩，林澤兵.高通量衛星通信系統交織多址接入方法研究[J].自動化與儀器儀表，2021（01）：140-143.

[7]張志國.基于LTE-R專網的應急通信研討[J].中國新通信，2019，21（14）：39-42.