星地一體融合應急通信保障系統設計

摘 要：利用天通衛星和北斗系統的優勢，充分結合地面數字對講系統和移動通信系統的特點，設計了一種星地融合、互聯互通的應急通信保障系統。該系統由各類通信終端、地面和衛星通信網絡及中心應用系統組成。星地通終端為中心站構建區域對講系統，實現區域內終端通信；通過星地通終端申請的衛星信道遠程轉發區域內終端業務，完成跨區域終端間、終端和中心應用系統之間信息交互。中心應用系統包括業務接入層和應用層，完成各通信網內終端數據接入及用戶應用，提供音視頻、位置、短息等通信業務，實現應急通信保障。

關鍵詞：數字對講；衛星通信；星地一體；物聯網應用

中圖分類號：TN927+.2；TP311 文獻標識碼：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

在應急通信領域，除采用地面通信網外，目前多采用VSAT衛星構建通信專網，可以實現高安全性、高可靠的公共應急廣播、數據采集等功能[1]。系統可配置多個業務處理中心和遠程管理客戶端，同時可為多個行業用戶提供應急通信服務[2]，但是，VSAT系統需要建設中心站和用戶站，建設規模比較大，且需要用戶單獨建設，周期較長，成本較高；同時終端體積大、重量重、攜帶困難，且使用操作復雜，難以滿足迅速便捷進行應急通信。

利用天通系統或北斗系統進行應急通信系統建設，無須建設天通信關站、地面運營中心等，僅需要通過專線把行業終端數據接入用戶應用中心，進行端與中心業務交互[3]，因此具有建設周期快、成本低等優勢，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點，因此越來越多行業引入天通和北斗系統[4]，和地面網絡共同提供應急通信保障。

但是，目前衛星和地面各網絡間及行業用戶系統間耦合度低，未形成統一體制和互聯標準，在應急通信保障領域的災前預警與災后通信保障未能充分融合應用。因此，急需一種衛星和地面多網融合的應用系統，能夠實現斷水、斷電、斷網情況下區域內、區域間、區域到應用中心的上傳下達，以及跨部門數據共享和應急協同功能，應用于地震、火災、洪澇等“三無”場景下的應急通信保障[5]。

1 系統總體設計

1.1 系統架構設計

為滿足應急通信需求，基于數字對講和地面移動通信系統，結合天通衛星、北斗衛星系統全覆蓋、全天候等通信特點，組建星地一體融合應急通信保障系統。本系統由前端應用（包括終端）、星地通信網絡（天通衛星移動運營網絡、北斗衛星運營網絡、地面移動通信網絡）和中心應用系統組成。衛星和地面各通信網絡已正式運營，只需將通過各網絡的終端業務接入到系統中心應用部分，完成端與中心的統數據交互，系統整體架構如圖1所示。

中心應用系統包括業務接入層和應用層，完成各通信網內終端數據接入及用戶應用，提供指揮調度話音、災害現場高清視頻、會商信息、災情信息、應急救援等應急通信保障；用戶終端包括星地通終端、數字對講終端、天通北斗多模終端、多維一體采集預警系統等。星地通終端構建數字對講中心，實現區域內對講通信，同時星地通終端可通過衛星進行業務轉載，實現遠距離、跨區域互通；多維一體采集預警系統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、北斗、天通等通信網絡迅速傳遞到應用中心，做出迅速預報[6]；中心應用系統也可通過網絡下發告警廣播等信息，指導相應人員行動。

1.2 網絡拓撲設計

充分研究了數字對講系統、地面移動通信系統、天通衛星移動通信系統和北斗導航系統技術特點和通信網絡優劣，從應急通信保障時網絡優化選擇的角度，設計了一種業務多模式承載和轉發的星地一體融合應急通信保障系統組成及網絡架構。在通過數字對講系統實現區域內通信的基礎上，通過地面通信網、衛星通信網進行業務承載和中繼轉發方式，解決跨區域網絡終端間的數據互通問題，實現了全網終端間、終端與中心應用系統間的預警廣播和應急通信保障，同時，系統利用北斗系統定位技術，結合中心指揮調度、地理信息系統實現對應急現場精確定位，達到快速到達實現救援目的[7]，其網絡拓撲如圖2所示。

區域內對講終端通過以星地通終端為中心站的對講系統，實現區域內終端之間信息互通。區域間通信時，利用星地通終端的衛星轉發功能，把對講終端的語音承載到衛星信道，通過衛星遠距離轉發到中心應用系統或其他衛星終端、星地通終端等，實現與中心應用系統的通信或其他區域內對講終端、衛星終端的通信，信號流如圖3所示。

2 中心應用系統設計

2.1 中心應用系統架構

采用分層、模塊化設計思路進行系統設計[8]，以“集中部署、分布處理、分級使用”模式進行網絡架構設計。按照不同的通信網絡模式，模塊化、分布式設計中心應用系統的業務接入單元[9]，獨立實現來自不同網絡的業務接入和終端管理，為上層應用部分提供支撐；按照統一管控、統一調度方式設計中心應用系統的應用層，實現全系統終端統管統控，多業務融合處理，其組成如圖4所示。

其中，業務接入層對外實現與北斗、衛星、地面移動運營商系統連接，將各網絡基礎業務統一接入用戶網絡，包括IP傳輸服務、位置信息服務、短信服務、話音業務等，對內向應用層提供服務訪問接口，支撐基于各網絡基礎業務的各類應用。同時，業務接入層從各通信網絡獲取各種終端管理數據，以支撐終端集中統一的可視化管理。業務接入層對內提供分級、多用戶訪問接口，便于不同用戶構建基于各服務網絡的應用系統。

應用層主要功能包括終端統一管理、統一位置信息、應急信息發布、現場信息采集、視頻會議系統、衛星對講系統以及系統管理等模塊[10]。

2.2 位置信息服務設計

位置信息服務接入是一種面向各網絡終端位置信息的數據適配服務，應用層或其他應用系統可通過終端位置信息服務獲取終端的位置信息，以支持其對終端位置信息進行進一步處理和呈現[11]。

位置信息服務從運營網絡獲取數據，并將獲取的數據經過統一處理后保存至業務接入層的數據庫中，位置信息服務可根據應用層的需求，通過與終端統一管理服務進行身份認證后，向相關用戶分發終端位置信息。該單元主要包括終端位置信息采集、處理、存儲、分發和身份認證等功能：1）位置信息采集功能。與通信運營網絡進行接口適配，從運營網絡獲取終端位置信息；2）終端位置信息處理功能。對從運營網絡采集而來的終端位置信息進行格式化處理，并存儲到數據庫中；3）終端位置信息分發功能。向應用層提供位置信息查詢服務接口，應用層可根據終端用戶號碼信息查詢得到相應的終端位置信息；4）身份認證功能。可根據應用層在進行服務訪問時提供的身份信息，通過終端統一管理服務進行身份認證，以判定是否為本次訪問申請提供相應服務反饋。

2.3 綜合業務接入設計

地面網和天通衛星網絡能夠向用戶提供話音、短信和數據業務，北斗衛星提供短報文服務，其與短信基本相同，現以短信服務為例闡述業務系統設計。短信服務對外與運營網絡交互短信數據，對內與應用層通過接口交互信息，與終端統一管理服務進行身份認證，與數據庫進行數據存儲操作。

短信服務的主要功能：1）短信收發功能。根據協議與通信網絡進行短信收發；2）短信日志功能。對來自通信網絡的短信或者應用層的接口消息進行記錄存儲；3）短信轉發功能。將來自通信網絡的短信根據分發規則發送給應用層，或者將來自應用層的信息經過處理發送給通信網絡，進而發送給對應終端。

2.4 應用層設計

應用層為用戶提供服務，可將北斗系統、天通系統、地面網絡等接入進行統管統控和通信調度，對上可為用戶業務應用提供支撐。應用層業務功能包括終端統一管理、統一位置信息、應急信息發布、信息采集、衛星對講系統、視頻會議系統、系統管理和調度等模塊[12]，軟件功能框圖如圖5所示。

2.4.1 終端統一管理

終端統一管理基于GIS地圖，通過業務接入層的各網絡提供的功能，實現各類終端性質、狀態等信息的圖上統一管理、狀態呈現。

2.4.2 統一位置信息

多模終端的位置、星地通終端的位置信息統一接入到平臺，通過平臺的GIS地圖統一呈現各類終端所處位置，便于領導進行調度。平臺還支持位置信息的擴展，將來可根據業務需求的增加，將更多的終端位置信息統一接入進行管理調度。

2.4.3 應急信息發布

應急信息發布實現應急信息通過天通網絡、地面網絡的快速發布，提供通知、告警和指令下發等應用。應用層通過業務接入層的天通網絡或地面網絡的短信功能，向天通終端或多維采集預警終端下發點到點、點到群組的短信。

2.4.4 視頻、對講系統

視頻、對講系統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、協同標繪等會商模式。視頻會商可將衛星網絡、地面網絡視頻會議系統接入，通過應用層統一對各視頻會議終端進行調度，實現各種不同體制視頻的組會功能，實現視頻分發，支持會商時的協同標繪及電子白板等功能。音頻會商支持將衛星終端、對講終端的各類音頻終端融合召開音頻會議。

3 多模終端設計

3.1 硬件設計

硬件方面，根據數字對講系統業務特點，分析天通衛星系統業務承載能力，研究利用天通信道、地面網絡承載數字對講業務過程，依照模塊化、高內聚低耦合的思想設計星地通終端，實現區域內及區域到中心應用系統的數據交互和業務互通；分析數據采集類別、全網告警廣播需求，研究終端動態電源管理技術，降低終端工作和待機功耗，實現多維一體采集預警系統上報及時、長期待機功能。

多模終端采用了天通衛星基帶、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計、協議設計、射頻通道處理等技術，其具有通用性、靈活性和可重構性等優點；采用硬件可重構、軟件可編程方式結合聯動切換運行策略等進行終端設計，兼具靈活性、開放性、可重構性等特點并支持體制演進。終端體系架構包括從硬件到軟件各個功能部分的分層、分模塊設計，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計，其架構如圖6所示。

3.2 軟件設計

軟件方面，由于天通衛星資源有限，當終端進行業務時，其所在衛星波束不一定剩有可用資源，針對此情況，設計了一種終端鄰波束自動選擇策略，并結合用戶優先級搶占方法，以保障衛星應急通信可靠性。

天通系統的衛星波束為七色復用，波束間存在交疊區域，在地面上每個地點至少存在3個波束覆蓋。終端開機入網時，按照搜索到的波束信號強度依次存儲波束頻點，然后嘗試接入衛星系統，直到完成終端入網。終端發起業務時，首先在已注冊的波束申請衛星資源，若收到信關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信號強度的相鄰波束進行重新注冊，然后再發起資源申請過程，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，那么信關站判定終端用戶卡的優先級，若其優先級高于已占有衛星資源的終端，則強制釋放其資源，把釋放的資源分配給本次申請資源的高優先級終端。如果鄰波束結合優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，直到出現資源可用。

4 系統實現

系統中星地通終端樣機已經研發成功，通過測試，終端能夠正常接入天通衛星網絡，激活數據后，將局域對講系統內的對講終端的話音承載到天通384 kbit/s信道上，然后通過衛星網絡跨區域傳輸到中心應用系統，由系統話音編解碼還原話音。此外，基于天通和北斗功能模塊設計的多模終端已完成樣機，測試效果如圖7所示。

5 結 論

星地一體融合應急通信保障系統能夠突破單個cd3677a202c6555822a6eaefea5b95f6通信系統應用限制，充分發揮各個系統優勢，形成跨區域縱向通信和跨部門橫向互通的應急通信網。系統推廣建設后，可以有效統籌政府、企業等各方應急通信指揮系統和技術手段建設，推動預警、廣播、指揮系統間數據共享和互聯互通。

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