衛(wèi)星便攜終端與突發(fā)應(yīng)急通信

馮大健，李 菲，曲克楠，任 軍

（1.四川省公安廳，成都 610041；2.北京中安衛(wèi)通科技有限公司，北京 100176）

1 引言

衛(wèi)星應(yīng)急通信在保障國家和人民生命財產(chǎn)安全、保障社會穩(wěn)定等方面具有重大的意義?？焖俑咝У捻憫?yīng)各種突發(fā)狀況，是衛(wèi)星應(yīng)急通信的一個非常重要的應(yīng)用。災(zāi)情發(fā)生時，所有的地面設(shè)施嚴重損壞，通信設(shè)施遭到破壞，不能及時與外界取得聯(lián)系。衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)由于其網(wǎng)絡(luò)搭建快、機動靈活、響應(yīng)速度快、不受外界環(huán)境的干擾，成為各種應(yīng)急通信手段中的首選系統(tǒng)。它可以實時的反映現(xiàn)場的災(zāi)情，及時的與外界取得聯(lián)系，把災(zāi)情傳送到中央，接受總部的指揮調(diào)度。衛(wèi)星不受任何地理、氣候等各種自然條件的影響通過語音、數(shù)據(jù)、視頻等手段與總部取得聯(lián)系，為及時解決災(zāi)情，把破壞性降到最低作出了無可取代的貢獻。

2 突發(fā)事件對應(yīng)急通信系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

突發(fā)事件有以下特點：事件類型缺乏穩(wěn)定性，任何一種突發(fā)性事件都有可能發(fā)生；無法準確預(yù)測事件發(fā)生的具體時間和具體地點；無法確定事件發(fā)生所在地的交通，地形與氣候狀況等因素；無法預(yù)知突發(fā)事件產(chǎn)生的影響程度，地面通信網(wǎng)絡(luò)的毀壞程度和對應(yīng)急通信帶寬的要求。上面這些特點決定了傳統(tǒng)的通信手段很難滿足突發(fā)事件處置的要求。以汶川地震為例，從震區(qū)向外播出的第一個電話已經(jīng)是地震發(fā)生114小時之后，但公認的搶救生命的黃金時間是72小時。地震發(fā)生后震中地區(qū)所有地面通信網(wǎng)絡(luò)全部毀壞。非震中的成都由于公共通信嚴重堵塞，事發(fā)后2小時內(nèi)移動電話很難撥通。

為了保證應(yīng)急通信系統(tǒng)對突發(fā)性事件的適應(yīng)性要求。衛(wèi)星系統(tǒng)及其設(shè)備對使用環(huán)境要有很強的適應(yīng)能力，無論在哪種氣候條件和地理環(huán)境中都可以暢通使用；必須便于攜帶且具有可移動的特性，在發(fā)生緊急事件時，可快速到達現(xiàn)場；具有一定的自續(xù)航工作能力，可以不依靠外部供電連續(xù)工作一段時間；不依靠專業(yè)技術(shù)人員就能快速地與指揮中心進行通信聯(lián)絡(luò)；需要具備一定的擴展性，以方便在應(yīng)急事件處置中靈活接入各種外圍設(shè)備。

3 衛(wèi)星便攜終端

為了解決衛(wèi)星通信在突發(fā)事件處置中所面臨的各種問題，設(shè)計一款一體化的衛(wèi)星便攜式終端無疑是最合適的解決方法。

3.1 衛(wèi)星便攜終端的功能性需求

從應(yīng)急事件處置的功能性角度來看，可以將衛(wèi)星通信的應(yīng)用分為三種方式：語音通信；寬帶綜合接入；音視頻同步直播。

（1）語音通信。突發(fā)事件特別是地質(zhì)或天氣災(zāi)害類的突發(fā)事件，需要快速建立穩(wěn)定可靠的語音通信鏈路，這對第一時間整理匯報災(zāi)害成度和獲取外部的救助至關(guān)重要。應(yīng)急事件處置中的語音通信又分為集群通信和對外長距離話音通信兩類。集群通信主要用于應(yīng)急事件處理中現(xiàn)場人員之間的聯(lián)系，各個部門之間的工作協(xié)調(diào)。對外長距離話音主要用于對外的聯(lián)絡(luò)。寬帶綜合接入。

（2）寬帶綜合接入。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)只解決了遠程通信通道問題，在突發(fā)事件現(xiàn)場一方面還需要通過MESH，圖傳等手段完成以衛(wèi)星便攜站為中心的區(qū)域通信覆蓋，另外一方面也需要接入面向具體應(yīng)用的各種設(shè)備，器材。比如各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，傳感器等等。而這些設(shè)備都需要大帶寬的傳輸支撐。

（3）高清視頻同步直播。從歷史經(jīng)驗來看，突發(fā)事件現(xiàn)場與后方指揮部之間進行音視頻同步直播是極其重要的應(yīng)急通信應(yīng)用。后方指揮部需要第一時間獲悉現(xiàn)場詳實、準確、全面的第一手資料，前方現(xiàn)場也需要實時接收后方指揮部發(fā)出的各種命令。同時，視頻質(zhì)量越高越有利于現(xiàn)場資料的收集，但由于衛(wèi)星帶寬資源有限，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性等問題制約，高清視頻在衛(wèi)星通信領(lǐng)域應(yīng)用并不廣泛。隨著新一代視頻編碼標準H.265/HEVC的發(fā)布，高清視頻直播在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。相對于上一代H.264標準，H.265標準編碼對帶寬占用大約減少40%。以常見的720P和1080P 分辨率為例，使用H.265編碼之后碼率可以控制在512kb/s和1Mb/s左右，完全具備通過衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)臈l件。同時，針對衛(wèi)星鏈路的特點，可以在算法實現(xiàn)上做進一步的優(yōu)化，比如運動估計，幀內(nèi)預(yù)測等技術(shù)，進一步滿足衛(wèi)星通信傳輸?shù)男枰?/p>

從應(yīng)急事件處置的時效角度來看，可分為前、中、后三個階段。同樣以地震災(zāi)害為例，將黃金72 小時劃分為0～24小時，24～48小時，48～72小時三個階段，每個階段的通信需求是不一樣的。

（1）0～24小時。這個階段基礎(chǔ)設(shè)施被摧毀，缺少電力，交通癱瘓。這就要求衛(wèi)星便攜設(shè)備可以人力背負到達現(xiàn)場且必須通過電池供電方式工作，到達現(xiàn)場后通過衛(wèi)星鏈路建立起可靠的語音通信鏈路，將前方現(xiàn)場與后方指揮部聯(lián)系在一起。（2）24～48小時。這個階段基礎(chǔ)設(shè)施得到部分恢復(fù)，臨時發(fā)電車到位，道路搶險保證了部分道路可以通車，救援隊伍到達現(xiàn)場，救援全面展開。此時要求衛(wèi)星便攜設(shè)備可以在突發(fā)事件現(xiàn)場建立覆蓋廣泛的集群語音通信網(wǎng)絡(luò)，多點的音視頻同步采集節(jié)點和前方指揮部與后方指揮部之間的雙向高清視頻直播通道。（3）48～72小時。這個階段主要道路被打通，部分電力網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，電力緊張環(huán)境。地面公網(wǎng)通信部分恢復(fù)，已可以保證窄帶語音通信的可靠穩(wěn)定。但寬帶通信仍舊不能滿足。前方大型救災(zāi)機械，災(zāi)民安置，醫(yī)療，災(zāi)情統(tǒng)計與發(fā)布等寬帶應(yīng)用大量投入使用。此時對衛(wèi)星便攜設(shè)備的主要要求轉(zhuǎn)變?yōu)殪`活的外部設(shè)備接入和大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力。

3.2 衛(wèi)星通信便攜終端的實現(xiàn)

為了解決突發(fā)事件處置遇到的種種問題，從實際出發(fā)有機結(jié)合衛(wèi)星通信手段與傳統(tǒng)通信手段。構(gòu)建一款集成式的衛(wèi)星通信便攜終端就顯得尤為必要了。

圖1

從實際應(yīng)用出發(fā)，衛(wèi)星通信便攜終端應(yīng)內(nèi)置以下模塊：通用處理器模塊、顯示器、以太網(wǎng)交換模塊、音視頻編解碼模塊、MESH自組網(wǎng)模塊、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器模塊和鋰電池模塊。

圖2

通用處理器模塊主要用于整個終端的管理和圖形化界面顯示。采用ARM架構(gòu)多核CPU，使用Linux操作系統(tǒng)。ARM架構(gòu)CPU配合Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)勢在于低功耗，非常適合突發(fā)應(yīng)急環(huán)境下脫離市電長時間工作的需要。同時Linux操作系統(tǒng)也是當下主流的操作系統(tǒng)，能夠保證各種常用應(yīng)用軟件的兼容性。顯示器模塊以15寸的LCD液晶顯示面板為核心，集成攝像頭和麥克風方便本地音視頻的采集。為了保證戶外強光條件下的使用，最大顯示亮度需要在500尼特以上。

以太網(wǎng)交換模塊是整個便攜終端內(nèi)各個模塊的互聯(lián)核心，各模塊之間的數(shù)據(jù)交互均通過以太網(wǎng)完成。

音視頻編解碼模塊主要用于將本地采集到的音視頻信號進行H.265編碼以節(jié)省傳輸時占用的衛(wèi)星帶寬。同時還負責將遠端主站經(jīng)衛(wèi)星傳輸過來的H.265音視頻流進行解碼并通過本地顯示器輸出。

MESH自組網(wǎng)模塊主要用于建立以便攜終端為中心覆蓋半徑2公里的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。MESH自組網(wǎng)有著不需配置直接使用，站點故障自動切換備份傳輸路徑，中繼傳輸提高傳輸距離等優(yōu)點，非常適宜作為應(yīng)急衛(wèi)星通信中的局域無線網(wǎng)傳輸設(shè)備。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器模塊主要負責將經(jīng)交換機會聚的基于IP的數(shù)據(jù)包編碼調(diào)制后通過衛(wèi)星傳輸給遠端主站，同時將遠端主站經(jīng)衛(wèi)星發(fā)送過來的數(shù)據(jù)解調(diào)解碼后恢復(fù)成IP數(shù)據(jù)包，通過交換機轉(zhuǎn)發(fā)給指定的設(shè)備。

4 衛(wèi)星便攜終端在突發(fā)事件中的應(yīng)用

突發(fā)應(yīng)急事件一旦發(fā)生，需要在最短的時間在事發(fā)現(xiàn)場搭建起整套衛(wèi)星通信系統(tǒng)。突發(fā)事件時間地點的隨機性就決定了到達事發(fā)地點需要依靠車輛或飛機長途運輸。衛(wèi)星便攜終端采用一體化集成式設(shè)計，兩個中型安全箱就可以裝下整套設(shè)備（一個天線箱和一個終端箱）。提供防塵防水保護的同時，非常便于運輸和搬運。完全可以放置在普通汽車的后備箱中長途運輸。一旦因為道路中斷導致車輛無法前行時，只需要兩個人就可以背負全套設(shè)備繼續(xù)前行至事發(fā)地點。

圖3

到達事發(fā)地點后，只需要將自動對星的衛(wèi)星天線拼裝好。將射頻電纜和電源線連接到衛(wèi)星便攜終端上并完成一鍵自動對星，所有安裝工作就全部完成了。有經(jīng)驗的工作人員可以在5分鐘之內(nèi)完成整套衛(wèi)星便攜站的安裝工作。

由于整個便攜終端內(nèi)置的各個功能模塊都通過交換機連接到了調(diào)制解調(diào)器上，所以整個便攜終端的所有配置工作均可以通過衛(wèi)星鏈路由遠端主站的網(wǎng)管系統(tǒng)自動完成，不需要現(xiàn)場的工作人員參與。既大大降低了對現(xiàn)場工作人員的專業(yè)衛(wèi)星通信知識要求，也進一步提高整個衛(wèi)星便攜站的搭建速度，真正做到快速、簡單、易用的特點。

由于便攜終端內(nèi)置大容量鋰電池，可以不依靠外部電源就保證整套衛(wèi)星通信系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定工作，大大拓寬了整套衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)的適用性。在事發(fā)現(xiàn)場，攝像機和攝像頭的音視頻信號可以通過HDMI/SDI接口直接接入H.265編解碼器，經(jīng)編碼壓縮后通過衛(wèi)星鏈路傳輸給主站。也可以通過MESH或圖傳設(shè)備遠程采集音視頻。經(jīng)MESH 或圖傳傳輸?shù)倪h程音視頻仍舊需要進入H.265編解碼器進行編碼，壓縮碼率后再經(jīng)衛(wèi)星信道傳輸以節(jié)省衛(wèi)星帶寬。

IP電話或具有IP電話功能的手機可分別通過網(wǎng)口或WIFI與衛(wèi)星便攜終端相連，由衛(wèi)星便攜終端內(nèi)置的軟件IP電話網(wǎng)關(guān)進行統(tǒng)一管理。可經(jīng)由衛(wèi)星鏈路與主站的IP電話系統(tǒng)對接，做到在一路衛(wèi)星鏈路上承載多路IP電話業(yè)務(wù)的目標，為突發(fā)事故現(xiàn)場提供集群IP電話服務(wù)。

5 結(jié)束語

本文在分析了突發(fā)應(yīng)急事件對衛(wèi)星通信系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，對如何構(gòu)建一種適合應(yīng)急通信使用的衛(wèi)星便攜終端進行了重點分析。作者認為隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和配套產(chǎn)品的成熟，便攜衛(wèi)星通信終端必將會在應(yīng)急通信領(lǐng)域獲得長足的發(fā)展，并以此促進突發(fā)事件處理水平的不斷提高?！?/p>