基于高頻通信構(gòu)建防汛預警應急通信系統(tǒng)淺析

黃喜良，馬廣亮

（河南省防汛通信總站，450008，鄭州）

新中國成立以來，河南省興建了以防洪、發(fā)電、灌溉為主要目標的大中小型水庫2 394座，在興利除害和國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮了重要作用。但這些水庫因長期使用而老化，并且受重建輕管思想影響，很多水庫出現(xiàn)了管理設施殘缺、設備缺乏等問題，特別是一些水庫因通信障礙而嚴重影響和制約了水庫的安全運用和功能發(fā)揮。據(jù)統(tǒng)計，全省50%以上的中小型水庫沒有任何預警通信手段，已有的水庫預警應急通信設施大多裝備陳舊落后，性能可靠性差，在發(fā)生暴雨洪水時極易產(chǎn)生通信中斷或擁塞，難以及時對外報警和組織搶險，并可能由此造成下游地區(qū)人民生命財產(chǎn)巨大損失。因此，建立健全完善的防汛預警應急通信體系，對確保中小型水庫安全和興利減災有著深遠的歷史意義和現(xiàn)實意義。

一、高頻通信技術分析

國際上把頻率在3 000 GHz以下，不通過導體等人工媒介，而是通過空間輻射傳播的電磁波叫無線電波。其中頻率在 3～30 MHz、波長在10～100 m的無線電波叫短波，亦稱高頻通信（HF）。其通信傳播方式有地波和天波兩種，天波為主要方式傳播。

1.天波傳播機理與短波傳輸途徑

天波是通過向天空輻射電磁波，而后被空中電離層反射回地面到達接收點形成的傳播方式。當天線具有一定的輻射仰角，使電磁波射入空中電離層，而后產(chǎn)生折射并反射回地面就會形成天波傳播（見圖1）。

圖1 天波傳播示意圖

天波傳播的顯著特征有：①天波傳播的通信距離遠。由于天波是被電離層反射，而電離層通常分布在50～1 000 km的高空，電波射入電離層會產(chǎn)生折射效應，并逐漸“拐回”射向地球，就像鏡面反射光線一樣。電波在被電離層反射一次或多次就能傳播到地球上很遠的地方。②因為有電離層的存在及其不穩(wěn)定性，因此電波通過電離層反射傳播時，會受到電離層的吸收，頻率越低、電子密度越大，吸收就越大。當電離層高度、密度隨晝夜和季節(jié)改變時，電波傳播就會隨之出現(xiàn)變化，影響通信的穩(wěn)定。③天波傳播損耗小，能以較小的功率和簡便的器材遠距離通信，這恰好又發(fā)揮了天波傳播的特長。加上電離層具有自然的抗毀性和較強的電波能力，能夠較好地實現(xiàn)遠距離電磁波輻射。

2.高頻通信的系統(tǒng)組成

一套完整的高頻通信系統(tǒng)由電臺、天線、饋線、電源系統(tǒng)構(gòu)成。①電臺是高頻通信的核心設備，由發(fā)信機、收信機和電源組成。根據(jù)工作程式可劃分為電臺的單工通信、電臺的雙工通信、電臺的專向通信、電臺的網(wǎng)絡通信等。單工通信是指通信雙方在同一時間分別采用單收或單發(fā)，即一問一答（不能使用插話）的聯(lián)絡方式；雙工電臺通信是指通信雙方在同一時間、使用不同的頻率點分別進行收發(fā)信的聯(lián)絡方式；電臺的專向通信是指在同一時間里電臺的聯(lián)絡對象只有一個，是點對點的工作方式；電臺的網(wǎng)絡通信，是指在同一時間里有三部以上的電臺實施通信聯(lián)絡，是一點對多點或多點對多點的工作方式。常用的高頻通信電臺主要有烽火XDD5E125W短波單邊帶電臺、烽火XDD11G型20W短波跳頻自適應臺等國產(chǎn)烽火系列專業(yè)制式無線電臺，以及愛康姆IC-78單邊帶電臺、愛康姆C-703型背負式短波電臺和柯頓NGT2110型短波便攜電臺等進口的短波電臺。②天線是無線電設備接收和發(fā)射無線電波的重要工具。按結(jié)構(gòu)形式和工作原理可分為線天線和面天線，適用于短波工作的天線主要有對稱天線、引向天線、環(huán)繞天線、魚骨天線、斜拉天線、鞭形天線等。③短波天線饋線是指連接天線和發(fā)射機輸出端或接收機輸入的電纜，又叫輸出線。短波的饋線一般用同軸電纜，必要時還配備平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。

3.高頻預警應急通信可行性分析

盡管當前新型無線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，短波這一傳統(tǒng)通信方式仍然受到全世界普遍重視，不僅沒有被淘汰，還在快速發(fā)展。一是短波是唯一不受網(wǎng)絡樞紐和有源中繼體制約的遠程通信手段，無論哪種通信方式，其抗毀能力和自主通信能力與短波無可相比。一旦發(fā)生戰(zhàn)爭或災害，各種通信網(wǎng)絡都可能受到破壞，衛(wèi)星也可能受到攻擊，造成通信中斷。例如，“5·12”汶川大地震雖然發(fā)生在通信技術高度發(fā)達的今天，但是各種通信方式還是瞬間中斷，地處幾百公里以外的許多城市也受到地震影響，通信長時間擁塞形成盲區(qū)。二是在山區(qū)、戈壁、海洋等偏遠地區(qū)，其他通信方式覆蓋不到，主要依靠短波；例如，在河南“75·8”洪災中報出的唯一通信信息，是處于洪災中心地區(qū)的解放軍某部利用短波無線電臺向武漢軍區(qū)報告的災情，才使中央得以初步掌握災害情況迅速組織搶險救災。三是與衛(wèi)星通信相比，短波通信不用支付話費，運行成本低。四是雖然使用短波通信會犧牲一定的話音質(zhì)量，但能夠保證全天候報汛工作的完成。近年，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，以及微處理技術、分集技術和糾錯技術的應用，一些短波電臺采用了頻率自適應系統(tǒng)，短波數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量大大提高，使之具有了更強的應用價值和空間。

二、中小型水庫利用高頻通信構(gòu)建預警應急系統(tǒng)方案分析

中小型水庫大部分地處河道上游的高山峽谷中或處在偏遠的農(nóng)村地區(qū)，這里既是洪水易于集結(jié)的端點又是公網(wǎng)通信的邊緣和盲區(qū)，其周邊和下游地區(qū)有許多村舍和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，一旦發(fā)生洪水將瞬間形成災害，極有可能造成水庫通信設施破壞而無法對外聯(lián)系。因此，要求中小型水庫預警應急系統(tǒng)建設需要至少配置一種以上的應急預警通信手段，既要考慮預警應急通信手段的實用性、先進性、可靠性，又要考慮它的長期儲備性、經(jīng)濟效益性。

1.中小型水庫預警應急系統(tǒng)建設目標

（1）應急為主目標

在選擇建設方案時，應選擇在各種通信中斷的緊急情況下，將險情、警情及時傳遞到下游群眾和上級部門，滿足防汛搶險、指揮調(diào)度的基本要求的通信系統(tǒng)，應具有點對點和一點對多點的語音、低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罨竟δ?。其技術裝備和網(wǎng)絡組成、傳輸線路都要實用、簡明，技術裝備輕便耐用、易操作，網(wǎng)絡組成和信道路由簡捷，適宜長期儲備、使用，維護費用低廉，投入產(chǎn)出比值明顯。

（2）性能指標

隨著科技進步，短波技術及其設備也得到了長足的發(fā)展，以柯頓NGT系列短波電臺為代表的多功能、數(shù)字化、具有優(yōu)越性能的設備應運而生。根據(jù)中小型水庫預警應急系統(tǒng)運用特點和要求，被推薦為中小型水庫預警通信系統(tǒng)建設的選型設備應采用先進的微處理控制技術，具有緊急選呼，多信道、智能化監(jiān)控、自由調(diào)諧接收、測試與保護、輕松交談、內(nèi)置測試、呼叫裝置等功能。便攜式電臺的主要性能指標——頻率范圍應為：發(fā)射 為 1.6～30MHz， 接 收 為 250KHz～30MHz；信道容量15個；工作方式單邊帶發(fā)射功率125W；額定電壓12V，負端接地；體積小、重量輕、易攜帶。

2.高頻預警應急通信系統(tǒng)建設概念方案

針對中小型水庫地理位置、運用特點和業(yè)務需求不同，短波通信系統(tǒng)應是中小型水庫高頻預警應急通信系統(tǒng)建設眾多通信技術的首選解決方案，以此設計出三種概念解決方案。

（1）以縣（市）水利局為節(jié)點的方案

在水庫比較集中的縣（市）建設短波通信網(wǎng)。以縣（市）水利局為中心節(jié)點，在各中小型水庫及附近村鎮(zhèn)防汛點配備若干便攜式自適應電臺，建設點對點和一點對多點的語音和低速傳輸短波應急預警通信鏈路（見圖2）。

（2）中型水庫的單一方案

在地處邊遠地區(qū)的單個水庫，推薦配備柯頓便攜式電臺，建立點對點的應急通信聯(lián)絡鏈路（見圖3），作為應急預警手段。

（3）車載移動方案

為保證特殊情況下的預警應急系統(tǒng)的可靠暢通，可配置柯頓NGTVR型電臺，建設車載移動通信中心 （見圖4），在其他應急通信中斷的情況下，可以作為應急備份手段執(zhí)行保障任務。

（4）高頻預警應急通信保障方案

為保證高頻預警應急通信及時可靠、準確無誤，實現(xiàn)水庫預警通信應著重推廣采用數(shù)字化短波電臺。選用現(xiàn)代數(shù)字化短波電臺設備來規(guī)范和改造短波通信網(wǎng)，提高中小型水庫的短波通信質(zhì)量，實現(xiàn)短波通信數(shù)字化、網(wǎng)絡化；及時對已有的模擬短波電臺網(wǎng)進行逐步升級改造，利用“靜噪”功能，抑制插入噪聲，利用DSP數(shù)字單端消噪技術，解決背景混雜噪聲，利用預測預報正確選用工作頻率，正確架設天線，科學選用饋線，做好匹配連接等方式、方法，改善通話功能和通信質(zhì)量，也可以購買一些含有數(shù)字處理濾波技術的音頻濾波裝置和優(yōu)質(zhì)電臺、天線，接在電臺音頻輸出，能夠有效降低噪聲，改善話音質(zhì)量。同時，還應盡量加強地波場強，延長地波傳播距離，抬高天線輻射仰角，縮短天波落地距離；妥善解決地波和天波都覆蓋不到的20～120km區(qū)域內(nèi)短波盲區(qū)。

圖2 短波通信網(wǎng)拓撲圖

圖3 短波通信示意圖

圖4 車載移動通信拓撲圖

三、建 議

①建設中小型水庫預警體系要因地制宜，不同水庫、不同地域應采取不同的解決方案。在中小型水庫集中的地區(qū)建立短波網(wǎng)絡系統(tǒng)，平時傳輸雨水工情信息和水庫管理動態(tài)，洪澇災害前發(fā)出洪水警報，災害中作為應急手段，最大限度地提高系統(tǒng)的使用效率；在中小水庫分散的地區(qū)，以單機裝備為主，配備全向天線和定向天線各一副，保障大面積洪水突發(fā)后的通信聯(lián)絡暢通；在防汛任務較重的縣級防汛部門配備和儲備2～3套短波設備，作為預警手段，汛期和緊急情況時發(fā)放，不用時集中管理；在配備應急移動通信車載系統(tǒng)時，要把短波通信電臺作為必配手段。

②中小型水庫大多地處地形復雜的偏遠地區(qū)，這里管理人員不足，維修力量薄弱，因此在選型時要選擇那些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、能耗較小、抗毀能力強，能夠在最短時間內(nèi)完成信息的可靠傳輸，在關鍵時刻發(fā)揮作用的裝備。

③由于短波裝備更新?lián)Q代周期長、設備耐用、價格較低、無需支付通話費用、設備一次性投入費用與長期防洪預警應急的社會效益比值明顯，因此在安排計劃時應優(yōu)先考慮。

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