衛(wèi)星通信在水利行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展

丁力

摘 要：本文主要綜述了衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，分析了衛(wèi)星寬帶技術(shù)和激光衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合水利行業(yè)的需求，闡述了衛(wèi)星通信在水利行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水利；衛(wèi)星通信；現(xiàn)狀；趨勢；衛(wèi)星寬帶；激光衛(wèi)星

衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼實(shí)現(xiàn)地球站之間以及航天器與地球站之間的無線電通信，可以分為衛(wèi)星固定通信、衛(wèi)星移動通信、衛(wèi)星直接廣播和衛(wèi)星中繼通信等。由于衛(wèi)星通信具有覆蓋面大、頻帶寬、容量大、適用于多種業(yè)務(wù)、性能穩(wěn)定可靠、機(jī)動靈活、不受地理?xiàng)l件限制以及成本與通信距離無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，在水利系統(tǒng)適用于以下幾方面：骨干傳輸系統(tǒng)的保護(hù)路由；邊遠(yuǎn)地點(diǎn)水文采集點(diǎn)的接入傳輸；應(yīng)急狀態(tài)下的現(xiàn)場與中樞節(jié)點(diǎn)通信傳輸；臨時(shí)和季節(jié)性水文采集點(diǎn)接入傳輸。

1 衛(wèi)星通信發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀

英國科幻作家克拉克首次在1945年5月的《無線電世界》雜志上提出利用位于與地球轉(zhuǎn)速一致的軌道上的人造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球通信，從此成為提出衛(wèi)星通信概念的第一人。

1957年10月，前蘇聯(lián)Sp utnik -1人造衛(wèi)星發(fā)射成功。

1960年8月，美國國家宇航局（NASA）發(fā)射了“回聲-1”衛(wèi)星。

1963年7月，美國發(fā)射了第一顆對地靜止衛(wèi)星“辛康-2”。

1964年8月，國際通信衛(wèi)星組織成立，同年美國發(fā)射了第三顆衛(wèi)星“新康姆”，并利用該顆衛(wèi)星向美國轉(zhuǎn)播了在日本東京舉行的奧運(yùn)會實(shí)況。

1965年，蘇聯(lián)和美國分別發(fā)射了“閃電-1”和“國際通信衛(wèi)星-1”。

1971年11月，蘇聯(lián)牽頭成立了第二個(gè)國際通信衛(wèi)星組織IN-TERSPUTNIK。

1972年，加拿大發(fā)射了“兄弟-1”衛(wèi)星；1974年，美國發(fā)射了“西星-1”等。

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的逐漸成熟，衛(wèi)星通信取得了巨大發(fā)展。

我國衛(wèi)星通信的發(fā)展起始于20世紀(jì)70年代，截至2005年底，我國已建成衛(wèi)星廣播地球站80余座，衛(wèi)星通信公用網(wǎng)和專用網(wǎng)100多個(gè)，連接國際、國內(nèi)的衛(wèi)星通信話路達(dá)27萬余條；衛(wèi)星移動通信方面，我國作為國際海事衛(wèi)星組織成員已建成覆蓋全球的海事衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)跨入了國際移動衛(wèi)星通信的先進(jìn)行業(yè)，全國共有衛(wèi)星廣播電視上行站34座，衛(wèi)星電視廣播接收站超過20萬座。

2 幾種衛(wèi)星通信系統(tǒng)在水利行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展

2.1 Inmarsat

衛(wèi)星通信系統(tǒng)———國際海事衛(wèi)星通信。Inmarsat衛(wèi)星通信系統(tǒng)適合移動語音通信，適合水情遙測站和中心站之間的雙向水文數(shù)據(jù)通信任務(wù)：借用系統(tǒng)管理與信號通道，按數(shù)據(jù)包數(shù)計(jì)費(fèi)，L波段氣象條件可用度高、設(shè)備簡單、成本低，通信容量低、通信時(shí)延長。

2.2 VSAT

衛(wèi)星通信系統(tǒng)。VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信帶寬高、組網(wǎng)靈活，適用于話音、數(shù)據(jù)、圖像通信。衛(wèi)星通信設(shè)備與終端接入集成度高，方便使用，有車載動中通、快速通、便攜站可以應(yīng)用。

2.3 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)——中國導(dǎo)航衛(wèi)星

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)以導(dǎo)航定位應(yīng)用為主，有終端上行通道，在定位信息傳送通道中附加短信息數(shù)據(jù)功能。適合邊遠(yuǎn)水文采集站接入通信。北斗一代衛(wèi)星總?cè)萘坑邢?，二代衛(wèi)星正在研究試驗(yàn)中。

3 衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 衛(wèi)星寬帶技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著高清電視傳輸、直播數(shù)字電影、Internet的接入以及窄帶業(yè)務(wù)向?qū)拵I(yè)務(wù)發(fā)展、單獨(dú)組網(wǎng)向多網(wǎng)互聯(lián)發(fā)展等需求的不斷增加，衛(wèi)星寬帶已經(jīng)成為衛(wèi)星通信發(fā)展的一個(gè)主要方向。目前衛(wèi)星寬帶的主流技術(shù)主要有TCP/IP協(xié)議、DVB標(biāo)準(zhǔn)、CA（條件接收）和StreamingMedia（流媒體）等。

3.2 激光衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

激光衛(wèi)星通信是通過激光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有設(shè)備功耗低、體積小、重量輕、發(fā)送/接收天線直徑小以及擴(kuò)散率低等特點(diǎn)，主要用于衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地球站或飛行器之間的通信。

3.3 水利衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

2010年水利部著手建設(shè)新一代水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Ku波段與C波段相結(jié)合）投入運(yùn)行。新一代水利衛(wèi)星通信平臺擁有27.2MHz衛(wèi)星資源，其中，Ku波段有22.2MHz，采用亞洲5號衛(wèi)星；C波段有5MHz，采用亞太6號衛(wèi)星，帶寬資源有所增加，而且增加了抗雨衰能力強(qiáng)的C波段資源，初步建成了一個(gè)由水利部衛(wèi)星主站和500多個(gè)衛(wèi)星小站組成，可實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)姆姥葱l(wèi)星通信網(wǎng)，承擔(dān)水雨情數(shù)據(jù)采集、防汛異地會商、應(yīng)急搶險(xiǎn)、云圖和遙感數(shù)據(jù)廣播等重要防汛通信任務(wù)。

4 水利衛(wèi)星通信新系統(tǒng)技術(shù)路線

4.1 采用先進(jìn)的通信制式

經(jīng)過10多年的快速發(fā)展，以及IP應(yīng)用普及的拉動，衛(wèi)星通信技術(shù)進(jìn)入了新一輪的升級換代，DVB-S2以其更高的頻帶利用率、可靠性和接近香農(nóng)極限的編碼方式及其系統(tǒng)性能引起了廣泛的推廣與應(yīng)用。DVB-S2可提供多種具有更高頻帶利用率的調(diào)制方式，如8PSK、16APSK、32APSK。DVB-S2采用了功能更強(qiáng)大的前向糾錯系統(tǒng)，有效地降低了系統(tǒng)解調(diào)的門限。DVB-S2頻譜成形中的升余弦滾降系數(shù)要比其它方式小，可以獲得更高的頻譜利用率?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，DVB-S2的雙向傳輸系統(tǒng)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，成為衛(wèi)星通信發(fā)展的主流。系統(tǒng)通過一個(gè)平臺，可以滿足基于IP包傳輸?shù)膽?yīng)用需求。如寬帶接入、Internet接入、數(shù)據(jù)流媒體、視頻會議、遠(yuǎn)程教育、文件分發(fā)、多點(diǎn)廣播以及VPN網(wǎng)絡(luò)等業(yè)務(wù)的需求。

4.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前水利衛(wèi)星通信網(wǎng)業(yè)務(wù)主要為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、話音和視頻業(yè)務(wù)。話音通信和數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)小站數(shù)量多，但數(shù)據(jù)量小；視頻業(yè)務(wù)小站數(shù)量少，但數(shù)據(jù)量大，帶寬占用多，而且往往是小站到各流域或省廳管理機(jī)構(gòu)（小站）的視頻通信。為了便于業(yè)務(wù)管理，充分利用帶寬資源，綜合考慮水利部門的信息傳輸特點(diǎn)，采用基于DVB-S2的星型/網(wǎng)狀混合組網(wǎng)的方式，其中星型網(wǎng)主要用于傳輸話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，網(wǎng)狀網(wǎng)主要用于流域機(jī)構(gòu)、省水利廳和重點(diǎn)水利工程單位傳輸寬帶視頻實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。

4.3 語音、數(shù)據(jù)和圖像統(tǒng)一IP

隨著水利行業(yè)的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的完善及IP集合通信技術(shù)的成熟，在統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)語音、視頻、數(shù)據(jù)已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。隨著IP網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和QoS技術(shù)的發(fā)展，逐漸成為一個(gè)多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)：由于信源編解碼技術(shù)的成熟，VoIP、IPTV等基于IP的綜合應(yīng)用已在各個(gè)行業(yè)實(shí)施，各種通信手段的傳輸通道統(tǒng)一到了IP網(wǎng)上。以前的各種異構(gòu)網(wǎng)逐步融合到了IP中，以IP集合通信的形態(tài)已服務(wù)于廣大水利單位。新建的衛(wèi)星系統(tǒng)支持IP業(yè)務(wù)的相關(guān)協(xié)議，將各種業(yè)務(wù)融合到IP上。

4.4 同時(shí)支持寬帶和窄帶業(yè)務(wù)

水利傳輸業(yè)務(wù)有水情數(shù)據(jù)采集、IP數(shù)據(jù)廣播、應(yīng)急搶險(xiǎn)視頻通信、“兩小”預(yù)警通信、水情綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)瀏覽、工情圖像傳輸和語音等。每種業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和對通信信道帶寬的要求是不相同的。新系統(tǒng)同時(shí)支持各種帶寬要求差別較大的業(yè)務(wù)。

4.5 減少強(qiáng)降雨區(qū)雨衰影響

由于防汛期正是大降雨時(shí)期，在此期間反而通信可靠性要求更高，考慮到一小部分地區(qū)由于暴雨頻繁，造成通信中斷或應(yīng)急手段沒法彌補(bǔ)，在這種情形下，新建的系統(tǒng)要采用相應(yīng)的技術(shù)手段來解決這些地區(qū)的雨衰問題。

4.6 常規(guī)通信和應(yīng)急通信信道統(tǒng)一管理

在發(fā)生災(zāi)情的情形下，應(yīng)急通信往往需要傳輸視頻圖象，這種通信優(yōu)先級別高，占用帶寬大，而且是臨時(shí)或短時(shí)期占用。這樣網(wǎng)狀網(wǎng)的終端和常規(guī)的星狀網(wǎng)終端可以在一個(gè)網(wǎng)管下工作，共用一個(gè)帶寬池，就全網(wǎng)而言，可以做到最大優(yōu)化衛(wèi)星帶寬資源利用率。

4.7 充分利用衛(wèi)星廣播特點(diǎn)通信

衛(wèi)星與其它通信手段的最大區(qū)別是廣播功能。氣象云圖數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、水情信息發(fā)布數(shù)據(jù)等，這些業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)優(yōu)先級別高、實(shí)時(shí)性要求也高，而且信息量也大，如果用地面線路來實(shí)現(xiàn)，不僅線路租用費(fèi)非常昂貴，而且實(shí)時(shí)性和速率很難保證用戶要求，水利衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)對新建系統(tǒng)提出了更高的要求。

4.8 主站功能強(qiáng)、小站簡單和便宜

水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)指導(dǎo)思想是主站功能強(qiáng)、小站簡單和便宜。

由于水利行業(yè)內(nèi)的通信技術(shù)人員配備少，力量薄弱，如果小站復(fù)雜了不宜維護(hù)和安裝，小站價(jià)格太貴，也不能成規(guī)模，邊際效益不夠。一個(gè)強(qiáng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，是強(qiáng)在主站上，其系統(tǒng)能力也是由主站決定，比如主站大的天線，大的高功放，強(qiáng)大的網(wǎng)管，高的傳輸效率等。

4.9 充分利用水利通信專網(wǎng)

水利部部機(jī)關(guān)與7個(gè)流域機(jī)構(gòu)、31個(gè)?。▍^(qū)、市）水利廳（局）和4個(gè)在京直屬單位已建立了2M的光纖專網(wǎng)互聯(lián)。新建的衛(wèi)星通信系統(tǒng)將保證與水利專網(wǎng)及公網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，以保護(hù)現(xiàn)有投資的最大化利用。

5 結(jié)束語

本文主要綜述了衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，闡述了衛(wèi)星通信在水利行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。在未來，衛(wèi)星通信在通信世界中將會扮演更加重要的角色，水利行業(yè)也應(yīng)加快衛(wèi)星通信發(fā)展建設(shè)，在防汛抗旱、水資源管理等工作中發(fā)揮重要的作用。

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