消防部隊(duì)便攜式衛(wèi)星站通信業(yè)務(wù)終端集成問題研究

◆幸雪初 佘臣朝

（1.湖南省公安消防總隊(duì) 湖南 410600；2.浙江安正科技股份有限公司 北京 100600）

消防部隊(duì)便攜式衛(wèi)星站通信業(yè)務(wù)終端集成問題研究

◆幸雪初1佘臣朝2

（1.湖南省公安消防總隊(duì) 湖南 410600；2.浙江安正科技股份有限公司 北京 100600）

本文針對(duì)消防部隊(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)便攜式衛(wèi)星站應(yīng)用存在的問題進(jìn)行研究，在衛(wèi)星通信終端的深度集成方面分別進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)集成后的整體衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出符合當(dāng)前消防部隊(duì)需要的新產(chǎn)品，以提高消防部隊(duì)?wèi)?yīng)急通信保障能力。

系統(tǒng)集成；便攜式衛(wèi)星站；消防；應(yīng)急通信

0 引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋區(qū)域廣、不受地形地域限制、傳輸線路穩(wěn)定可靠、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，匹配動(dòng)中通系統(tǒng)，可以真正實(shí)現(xiàn)寬帶、移動(dòng)通信的目的，在政府應(yīng)急職能部門得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為主要應(yīng)急通信手段之一，在各種自然災(zāi)害搶險(xiǎn)救災(zāi)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

通過公安消防部隊(duì)“十一五”、“十二五”消防信息化建設(shè)，全國(guó)消防部隊(duì)作為政府應(yīng)急職能部門，已完成了公安部消防局、總隊(duì)、支隊(duì)級(jí)衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)，在部隊(duì)參與滅火搶險(xiǎn)救援應(yīng)急通信保障方面發(fā)揮了重要作用，但由于各種原因，還不能完全適應(yīng)國(guó)家公共、突發(fā)事件新形勢(shì)、新任務(wù)的需要，實(shí)現(xiàn)在重特大公共事件時(shí)，保證公安消防部隊(duì)垂直的、自上而下的指揮調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)的暢通，提高公安消防部門救援實(shí)戰(zhàn)通信能力。截止 2015年底，全國(guó)消防部隊(duì)便攜式衛(wèi)星站配備了139套，車載式衛(wèi)星站配備了152套（具體統(tǒng)計(jì)情況見表1）。當(dāng)前，寬帶衛(wèi)星通信在應(yīng)急通信系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，然而消防部隊(duì)?wèi)?yīng)用的便攜式衛(wèi)星站設(shè)備基本上是一些衛(wèi)星設(shè)備的簡(jiǎn)單堆疊，組件較多，體積大，連接電纜復(fù)雜，裝配時(shí)間長(zhǎng)，在應(yīng)急通信保障現(xiàn)場(chǎng)，衛(wèi)星天線組裝時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)急通信設(shè)備連接點(diǎn)多，整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)開通時(shí)間需要15-20分鐘，不利于攜帶和快速應(yīng)急展開。為解決衛(wèi)星便攜站快速部署和展開的能力，本文結(jié)合筆者多年來工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)便攜式衛(wèi)星站的終端設(shè)備進(jìn)行深度集成，對(duì)整體系統(tǒng)集成后的設(shè)備性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)檢驗(yàn)。

表1 全國(guó)消防部隊(duì)衛(wèi)星站建設(shè)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

注：表中數(shù)據(jù)未包含香港、澳門和臺(tái)灣地區(qū)。

1 消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)便攜式衛(wèi)星站

1.1 簡(jiǎn)介

便攜式衛(wèi)星站（portable earth station）以方便攜帶的箱體為載體，由便攜式衛(wèi)星天線、衛(wèi)星通信設(shè)備、業(yè)務(wù)終端設(shè)備及供電等附屬設(shè)備組成的可搬移式衛(wèi)星通信地球站。便攜式衛(wèi)星天線分為自動(dòng)對(duì)星天線、半自動(dòng)對(duì)星天線和手動(dòng)對(duì)星天線等類型，一般情況下，消防部隊(duì)將衛(wèi)星通信設(shè)備和業(yè)務(wù)終端堆疊在多個(gè)便于攜帶的移動(dòng)式機(jī)柜里，通過不同線纜與衛(wèi)星天線等相聯(lián)，組成一套完整的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其系統(tǒng)天線部分構(gòu)造見圖1。

圖1 便攜式衛(wèi)星站天線部分

1.2 衛(wèi)星通信設(shè)備

衛(wèi)星通信設(shè)備由衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器和 DVB接收機(jī)組成，DVB接收機(jī)接收部局網(wǎng)管載波和網(wǎng)管控制命令，遠(yuǎn)程控制衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器發(fā)射載波，建立與中心雙向的傳輸通道。目前，消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星通信設(shè)備主要是 COMTECH CDM-570L和CDM-5975,設(shè)備如圖2所示。

圖2 未集成前的衛(wèi)星通信終端設(shè)備

1.3 業(yè)務(wù)終端設(shè)備

業(yè)務(wù)終端設(shè)備由視頻會(huì)議終端、音視頻矩陣和無線圖傳等設(shè)備組成，通過衛(wèi)星通信鏈路與后方指揮中心進(jìn)行音視頻傳輸，利用音視頻矩陣控制本地輸入的視頻源。目前，消防業(yè)務(wù)終端設(shè)備主要是華平的視頻會(huì)議終端和視頻矩陣，設(shè)備如圖3所示。

圖3 未集成前的會(huì)議終端設(shè)備

便攜式衛(wèi)星站根據(jù)天線的不同其展開的初始對(duì)星時(shí)間也不同，在實(shí)際操作中，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?、方位等情況確定系統(tǒng)的展開來確定初始對(duì)星時(shí)間，具體見表2。

表2 衛(wèi)星終端設(shè)備集成前天線對(duì)星時(shí)間表

天線類型 特點(diǎn) 初始對(duì)星時(shí)間（分鐘）自動(dòng)對(duì)星 天線加電后，自動(dòng)完成對(duì)星 5半自動(dòng)對(duì)星 手動(dòng)安裝天線面，然后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)星 8手動(dòng)對(duì)星 天線面手動(dòng)安裝，借助羅盤完成天線方位、俯仰調(diào)整，完成天線對(duì)星 15

2 系統(tǒng)集成部分

當(dāng)前消防部隊(duì)便攜式衛(wèi)星站核心設(shè)備的調(diào)制解調(diào)器、功放等核心產(chǎn)品大多依靠國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)部分衛(wèi)星通信設(shè)備企業(yè)對(duì)這些產(chǎn)品的理解普遍不太深入，所以針對(duì)目前便攜式衛(wèi)星站通信終端大多集中在便攜天線的研發(fā)，對(duì)便攜式衛(wèi)星站的通信系統(tǒng)只是衛(wèi)星收發(fā)設(shè)備的簡(jiǎn)單堆疊，便攜式衛(wèi)星站的通信產(chǎn)品在體積、重量、功能、方便性上均有較大差距，尚未真正實(shí)現(xiàn)“便攜”和“單兵”應(yīng)用。

筆者借鑒了國(guó)際上較為先進(jìn)的以色列軍用背包式衛(wèi)星通信系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)理念，將便攜式衛(wèi)星站的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)、視頻終端、頻譜分析等部件整體進(jìn)行了深度集成，對(duì)衛(wèi)星通信終端進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和構(gòu)建，打破了原有設(shè)備“疊加”的概念，深度集成設(shè)備板，減少設(shè)備線纜連接；產(chǎn)品集成了衛(wèi)星通信、圖像處理、話音處理、顯示輸出等功能，結(jié)合衛(wèi)星地面站實(shí)現(xiàn)雙向衛(wèi)星鏈路，實(shí)現(xiàn)圖像傳輸、話音傳輸、數(shù)據(jù)傳輸。整體由衛(wèi)星通信終端和會(huì)議終端組成，總重不超過18Kg，單個(gè)設(shè)備不高于10Kg，非常適合單兵應(yīng)用。集成外觀見圖4。

圖4 集成前后終端設(shè)備示意圖

2.1 視頻會(huì)議功能

高質(zhì)量圖像傳輸分系統(tǒng)可以將現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)街笓]中心，可根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行路由配置，實(shí)時(shí)高質(zhì)量視頻圖像采用H.264的編碼方式。

高質(zhì)量視頻圖像傳輸系統(tǒng)采用 IP接入方式，由衛(wèi)星通信系統(tǒng)的LAN口接入，提供512K～2048Kbps傳輸信道,可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)（星狀）的視頻會(huì)議。

網(wǎng)絡(luò)還支持網(wǎng)狀的電視會(huì)議連接應(yīng)用。支持H.323協(xié)議的IP組播和H.320/H331廣播方式。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸功能

數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)是由多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端設(shè)備組成的綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)信道實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。

IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò)為點(diǎn)到點(diǎn)的應(yīng)用方式，通過中心站衛(wèi)星設(shè)備的路由功能，將便攜式衛(wèi)星站端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（計(jì)算機(jī)文件以及IP視頻圖像的傳輸）等應(yīng)用連接到指揮中心的網(wǎng)絡(luò)。

2.3 集成終端

集成后的終端由衛(wèi)星通信終端和會(huì)議終端組成，終端由外殼、數(shù)字式尋星電路、音視頻數(shù)字處理電路、調(diào)制解調(diào)電路、射頻電路、視頻會(huì)議、微波通信電路、以及外部接口電路組成。集成后衛(wèi)星通信終端設(shè)備如圖5所示，會(huì)議終端如圖6所示：

圖5 集成后的衛(wèi)星通信終端

圖6 集成后的會(huì)議終端

3 電磁兼容

電磁兼容采用的主要有三種技術(shù)：濾波、接地、屏蔽。

除了在電源輸入接入濾波器外，采用EMI電源濾波技術(shù)，采用反極性等匝電感配合相應(yīng)電容對(duì)供電電路消除共模干擾。模擬地與數(shù)字地、電源地均通過電磁電容隔離，采用包地及多點(diǎn)隔離的方法將輸入/輸出信號(hào)的干擾噪聲降低至EMC要求以下。

為了能夠減少射頻干擾和電路模塊間的串?dāng)_，本設(shè)計(jì)采用多腔體板級(jí)電磁屏蔽罩消除板內(nèi)電磁和射頻金屬隔離板材消除板間及射頻干擾的辦法，對(duì)產(chǎn)品的腔體進(jìn)行分割和封裝，在減少重量的情況下提高電磁干擾的能力。經(jīng)過電磁兼容處理前后,射頻干擾電平約有35dB的改善，如圖7所示。

圖7 電磁兼容處理前后干擾耦合功率比較

4 集成后實(shí)驗(yàn)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《消防衛(wèi)星通信系統(tǒng) 第 1部分：系統(tǒng)總體要求》（GA/T 971.1-2011）和《消防衛(wèi)星通信系統(tǒng) 第2部分：便攜式衛(wèi)星站》（GA/T 971.2-2011）的要求，集成后筆者對(duì)衛(wèi)星天線、衛(wèi)星通信及業(yè)務(wù)終端等部分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，具體對(duì)天線的交叉極化隔離度、天線增益、旁瓣特性、LNB的頻率穩(wěn)定度、基帶傳輸性能、圖像質(zhì)量和聲音質(zhì)量等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

4.1 天線參數(shù)對(duì)比表

此次天線性能測(cè)試所用設(shè)備為頻譜儀、信號(hào)源、適量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試氣候條件為晴天。其中，利用頻譜儀進(jìn)行測(cè)試的連接圖如圖8所示：

圖8 集成后天線、衛(wèi)星終端、頻譜儀連接示意圖

4.1 .1天線駐波比

駐波比又稱電壓駐波比（VSWR,Voltage Standing Wave Ratio）,指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，駐波比接近1:1時(shí)，表示饋線和天線的阻抗匹配。天線駐波比測(cè)試曲線結(jié)果如圖9所示。

圖9 天線駐波比測(cè)試曲線圖

4.1 .2天線極化隔離度

調(diào)整天線方位和俯仰角，使頻譜儀接收的信號(hào)電平最大，測(cè)量垂直極化的衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)，記錄測(cè)試電平。然后將天線饋源旋轉(zhuǎn)900，用頻譜儀測(cè)量水平極化的衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)，記錄測(cè)試電平。極化隔離度等于頻譜分析儀測(cè)出的垂直極化的信標(biāo)信號(hào)電平減水平極化的信標(biāo)信號(hào)電平。

4.1 .3天線增益

設(shè)置頻譜儀工作狀態(tài)，測(cè)量天線接收方向圖，首先固定天線仰角不動(dòng)，測(cè)量天線接收方位方向圖，然后固定天線方位，測(cè)量天線接收俯仰方向圖，利用頻譜儀碼刻功能，通過手工方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，獲得待測(cè)天線方向圖的主瓣電平、副瓣電平、3dB波束寬度、10dB波束寬度，滿足衛(wèi)星入網(wǎng)要求。

天線性能具體測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示：

表3 天線性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

天線方向圖測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10所示：

圖10 集成后天線方向測(cè)試圖

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)比表

天線對(duì)星后，使用視頻會(huì)議終端與后方指揮中心視頻會(huì)議終端進(jìn)行呼叫，設(shè)置視頻會(huì)議終端視頻編碼為 D1格式，每秒 25幀，測(cè)試圖像和聲音質(zhì)量，在視頻會(huì)議終端的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試窗口中PING指揮中心終端的IP地址，測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。

4.3 集成后對(duì)星初始時(shí)間

根據(jù)不同類型的天線，從天線面現(xiàn)場(chǎng)安裝開始計(jì)時(shí)，到DVB接收機(jī)LOCK指示燈鎖定，表明天線完成對(duì)星，記錄經(jīng)過時(shí)間。

4.4 應(yīng)用情況

集成的整套系統(tǒng)經(jīng)湖南、北京市、寧夏自治區(qū)、湖南省、貴州省等消防總隊(duì)試用，反映系統(tǒng)連接簡(jiǎn)單、操作快捷、接口清晰、按鍵清楚，整體開通時(shí)間比以往設(shè)備所用時(shí)間大大縮短，應(yīng)急通信任務(wù)中的攜行和保障能力大幅提升，對(duì)于新操作的人員只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，衛(wèi)星通信聯(lián)通后接入消防指揮視頻系統(tǒng)操作簡(jiǎn)潔，在現(xiàn)場(chǎng)能快速進(jìn)行部署。

表4 集成前后會(huì)議終端測(cè)試表

表5 集成前后天線對(duì)星時(shí)間表

5 結(jié)論

（1）由于測(cè)試工裝的局限性，天線的交叉隔離度測(cè)試的不夠準(zhǔn)確，在本文中沒有列舉；集成后天線的電壓駐波比小于1.3，方向圖滿足 29-25*logθ的包絡(luò)要求，說明集成后衛(wèi)星通信終端滿足天線的電性能入網(wǎng)要求。

（2）由于EMC測(cè)試的局限性，本文只對(duì)集成后設(shè)備的RE（輻射、發(fā)射）、RS（輻射抗擾）和PMS（工頻磁場(chǎng)抗擾度）進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果符合相關(guān)國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）集成改裝后經(jīng)實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證，基本不影響衛(wèi)星天線功能，設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)搭建簡(jiǎn)化了設(shè)備內(nèi)部連線，開通更加快捷迅速，可進(jìn)行傻瓜式操作。

（4）由于測(cè)試工具和環(huán)境的局限性，天線的跟蹤精度和抗風(fēng)能力無法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，需要進(jìn)一步找相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

（5）在測(cè)試過程中由于散熱出現(xiàn)了設(shè)備發(fā)射異常，經(jīng)過重新調(diào)整加大散熱功放，在連續(xù)72小時(shí)測(cè)試過程中通信正常。

[1]武警消防部隊(duì)信息化建設(shè)項(xiàng)目總體實(shí)施方案[N]，2009.

[2]全國(guó)公安消防部隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)建設(shè)方案[N]，2009.

[3]GA/T 971.1-2011,消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)第1部分：系統(tǒng)總體要求[S]，2011.

[4]GA/T 971.2-2011,消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)第2部分：便攜式衛(wèi)星站[S]，2011.

[5]夏克文.衛(wèi)星通信[M].西安,西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[6]謝益溪.無線電波傳播—原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2008.