便攜式衛(wèi)星通信地球站在應(yīng)急救災(zāi)中的應(yīng)用

蘇 淵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第39研究所通信部，陜西西安 710065)

我國(guó)疆域遼闊，復(fù)雜的地理?xiàng)l件決定了我國(guó)受自然災(zāi)害影響較多。頻發(fā)的自然災(zāi)害是影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展的重要因素。尤其在人口分布較為廣泛的中小城市和農(nóng)村地區(qū)，由于各方面條件的限制，此類(lèi)地區(qū)大部分應(yīng)急通信方法單一落后，在遭遇自然災(zāi)害時(shí)極易遭到破壞，成為信息孤島，無(wú)法展開(kāi)迅速有效的救援，造成不必要的人員傷害和物資損失。

在2008年汶川地震中，一些重災(zāi)區(qū)因?yàn)橥ㄐ旁O(shè)施遭到了嚴(yán)重破壞，無(wú)法及時(shí)有效地與抗震指揮部取得聯(lián)系，嚴(yán)重影響了救災(zāi)工作的開(kāi)展。雖然提供了大量應(yīng)急通信設(shè)備，為抗震救災(zāi)應(yīng)急通信指揮提供了可靠的保障，但依然暴露出一些缺陷:

(1)現(xiàn)有應(yīng)急通信設(shè)備多集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大中型城市，在其他地區(qū)發(fā)生重大災(zāi)害時(shí)需要花費(fèi)大量人力物力和寶貴的時(shí)間進(jìn)行應(yīng)急設(shè)備調(diào)配，大大影響了救援的速度和效率。

(2)現(xiàn)有應(yīng)急通信設(shè)備裝備價(jià)格和使用價(jià)格不菲，在受經(jīng)濟(jì)條件限制的中小城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)很難普及發(fā)展。

(3)現(xiàn)有應(yīng)急通信設(shè)備大部分受環(huán)境因素影響較大，在重大災(zāi)害發(fā)生時(shí)實(shí)戰(zhàn)適應(yīng)能力偏弱。

針對(duì)以上問(wèn)題，在更多地區(qū)配備經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的應(yīng)急通信系統(tǒng)極為必要，而便攜式衛(wèi)星通信地球站無(wú)疑是能夠解決這些問(wèn)題的較好選擇。

1 系統(tǒng)組成及基本工作原理

便攜式衛(wèi)星通信地球站是一種在特殊環(huán)境下滿足突發(fā)事件要求的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可通過(guò)手提、背負(fù)的方式進(jìn)行人工攜帶。它通過(guò)衛(wèi)星與遠(yuǎn)端主站形成衛(wèi)星通信鏈路，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、話音通信、圖像通信等多種業(yè)務(wù)的傳輸。

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由可拼裝反射面天線，組合饋源、低噪聲下變頻器(LNB)、上變頻功率放大組件(BUC)、天線座及天線伺服模塊、跟蹤接收機(jī)模塊、衛(wèi)星通信模塊、圖像編解碼器模塊、供電模塊等設(shè)備組成。系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 工作原理

使用便攜式衛(wèi)星通信地球站時(shí)，首先打開(kāi)天線箱，手動(dòng)拼裝天線主反射面，連接箱體之間電纜并接通電源。

圖1 便攜式衛(wèi)星通信地球站系統(tǒng)原理圖

設(shè)備開(kāi)機(jī)后，天線伺服控制模塊通過(guò)傾角儀和GPS來(lái)確定天線所處位置和天線座的姿態(tài)，計(jì)算出針對(duì)工作衛(wèi)星波束最佳的極化匹配角，并控制極化電機(jī)使天線的極化角與衛(wèi)星波束的極化角匹配。與此同時(shí)，天線伺服控制模塊按照一定的自動(dòng)控制算法驅(qū)動(dòng)方位和俯仰電機(jī)，對(duì)工作衛(wèi)星信標(biāo)波束進(jìn)行搜索。

便攜式衛(wèi)星通信地球站在進(jìn)行衛(wèi)星搜索時(shí)，采用開(kāi)環(huán)搜索和閉環(huán)跟蹤相結(jié)合的方法進(jìn)行工作。在開(kāi)環(huán)搜索過(guò)程中，伺服系統(tǒng)首先根據(jù)工作衛(wèi)星的信標(biāo)頻率，將跟蹤接收機(jī)設(shè)定到預(yù)置的信標(biāo)信號(hào)頻率，同時(shí)根據(jù)傾角儀和GPS得到的地理信息數(shù)據(jù)將天線的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)到理論計(jì)算值，基本確定了俯仰角后，根據(jù)跟蹤理論，轉(zhuǎn)動(dòng)方位即可找到與預(yù)置信標(biāo)頻率對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星，即為工作衛(wèi)星。

天線收到工作衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)后，經(jīng)LNB放大后由定向耦合器分為兩路，一路信號(hào)輸出給跟蹤接收機(jī)，完成對(duì)信號(hào)的檢波、濾波和放大，為伺服控制提供信號(hào)電平指示，調(diào)整天線姿態(tài)，使天線接收最大信號(hào)電平，即天線波束對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。此時(shí)天線進(jìn)入步進(jìn)跟蹤狀態(tài)。在步進(jìn)跟蹤狀態(tài)中，當(dāng)信號(hào)大于一定預(yù)置門(mén)限，天線指向處于保持狀態(tài);當(dāng)信號(hào)小于預(yù)置門(mén)限，天線自動(dòng)進(jìn)入步進(jìn)跟蹤狀態(tài)，伺服控制模塊通過(guò)調(diào)整天線姿態(tài)，保證天線指向始終對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，保持最佳接受性能。另一路信號(hào)經(jīng)下變頻解調(diào)后傳輸給基帶單元，經(jīng)基帶處理后輸出至用戶終端。與此同時(shí)，用戶終端的輸出信號(hào)經(jīng)基帶單元的基帶處理后再經(jīng)調(diào)制、上變頻后通過(guò)功放由天線發(fā)射至衛(wèi)星。至此，完整的衛(wèi)星通信鏈路得以建立。通過(guò)衛(wèi)星鏈路，便攜式衛(wèi)星通信地球站即可與遠(yuǎn)端站進(jìn)行多種業(yè)務(wù)傳輸。

1.3 鏈路預(yù)算

假設(shè)中心站天線口徑7.3 m，站址設(shè)在北京，便攜站天線口徑0.9 m，站址設(shè)在西安，鑫諾衛(wèi)星Ku波段轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)為例對(duì)系統(tǒng)鏈路參數(shù)進(jìn)行預(yù)算。預(yù)算條件列如表1所示，預(yù)算主要結(jié)果列如表2所示。

表1 鏈路預(yù)算條件

表2 主要計(jì)算數(shù)據(jù)

1.4 特點(diǎn)分析

與其他應(yīng)急通信設(shè)備相比，便攜式衛(wèi)星通信地球站具有以下特點(diǎn):

(1)體積小、重量輕、易于攜帶。自然災(zāi)害的發(fā)生往往很難預(yù)警，留給人們反應(yīng)的時(shí)間很短，災(zāi)難過(guò)后又往往出現(xiàn)環(huán)境惡化，交通中斷等不利情況。在這種情況下便攜式衛(wèi)星通信地球站因其體積小、重量輕、易于攜帶的特點(diǎn)，故而一方面在災(zāi)害來(lái)臨時(shí)易于保存，為聯(lián)系救援提供條件。另一方面又可以通過(guò)背負(fù)或空投的方式提供給受災(zāi)地區(qū)，及時(shí)構(gòu)筑救災(zāi)應(yīng)急通信系統(tǒng)，為救災(zāi)提供可靠保障。

(2)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)往往情況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣且缺少足夠的能源供應(yīng)，不利于大型應(yīng)急通信設(shè)備展開(kāi)工作。而便攜式衛(wèi)星通信地球站具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，在較小的空間內(nèi)即可展開(kāi)工作，并且具有能耗小，易于補(bǔ)充能源。

(3)操作簡(jiǎn)單。便攜式衛(wèi)星通信地球站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，展開(kāi)輕便快捷，若配備采用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋星功能的便攜式衛(wèi)星通信地球站操作更為簡(jiǎn)便易學(xué)，非專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)人機(jī)對(duì)話界面即可完成便攜式衛(wèi)星通信地球站的開(kāi)通。

(4)價(jià)格優(yōu)勢(shì)。便攜式衛(wèi)星通信地球站與其他類(lèi)型應(yīng)急通信設(shè)備相比，如“動(dòng)中通”“靜中通”等，設(shè)備和使用價(jià)格都更為低廉，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。更適合配備在經(jīng)濟(jì)實(shí)力較為薄弱的中小城市和廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)。

1.5 發(fā)展前景

為使便攜式衛(wèi)星通信地球站能夠在應(yīng)急救災(zāi)中更好的發(fā)揮作用，針對(duì)現(xiàn)有便攜式衛(wèi)星通信地球站存在的一些不足，提出以下建議:

(1)隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，采用新型材料，進(jìn)一步減輕便攜式衛(wèi)星通信地球站重量，提高設(shè)備的應(yīng)用靈活性。

(2)在保證便攜式衛(wèi)星通信地球站的便攜性能的同時(shí)，可以采用新技術(shù)增加天線增益或提高系統(tǒng)發(fā)射功率，滿足清晰度更高要求的視頻內(nèi)容的傳輸，為應(yīng)急救災(zāi)提供更直觀更詳盡的現(xiàn)場(chǎng)資料。

(3)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)往往伴隨高寒、高溫、降雨等惡劣條件，現(xiàn)有便攜式衛(wèi)星通信地球站雖然具備一定的環(huán)境適應(yīng)性，但在設(shè)備材料、產(chǎn)品工藝上仍需不斷改進(jìn)，提高設(shè)備在惡劣環(huán)境下工作的可靠性。

2 組網(wǎng)方式

根據(jù)以上分析可以看出衛(wèi)星通信便攜站以其獨(dú)有的特點(diǎn)，能夠滿足作為基本應(yīng)急通信裝備的需要，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的應(yīng)急通信系統(tǒng)進(jìn)行有效的補(bǔ)充和完善。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)急救災(zāi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

當(dāng)自然災(zāi)害來(lái)臨時(shí)，后方地面中心站可作為指揮中心用于應(yīng)急指揮調(diào)度、搶險(xiǎn)部隊(duì)指揮通信。車(chē)載站作為機(jī)動(dòng)遠(yuǎn)端站，迅速抵近災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)在集成車(chē)內(nèi)的短波、超短波電臺(tái)，無(wú)線集群系統(tǒng)及數(shù)字圖傳系統(tǒng)，作為前線指揮中心指揮應(yīng)急救災(zāi)工作。通過(guò)衛(wèi)星鏈路將救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況發(fā)送到中心站，為后方指揮中心提供決策依據(jù)。而在受災(zāi)地區(qū)，當(dāng)?shù)缆窊p毀車(chē)載站不能及時(shí)到達(dá)時(shí)，可迅速展開(kāi)便攜式衛(wèi)星通信地球站與后方恢復(fù)通信聯(lián)系，將災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)信息傳遞出來(lái)，為指揮中心制定救災(zāi)方案提供直接依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

自然災(zāi)害無(wú)時(shí)無(wú)刻不在提醒著應(yīng)急救災(zāi)通信的重要性，也使人們認(rèn)識(shí)到普通公眾通信網(wǎng)絡(luò)在突發(fā)災(zāi)害面前的脆弱性。因此必須加強(qiáng)應(yīng)急救災(zāi)通信系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)多種通信方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，采取多種手段，保證一旦災(zāi)害發(fā)生，能在第一時(shí)間保障救災(zāi)通信的暢通，提高抗災(zāi)救災(zāi)能力。我國(guó)應(yīng)急通信保障工作起步較晚，目前還處于起步發(fā)展階段，便攜式衛(wèi)星通信地球站以其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，能夠在應(yīng)急救災(zāi)通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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