空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)在森林防火應(yīng)急通信中的設(shè)想

楊 洸，宋 旭

（1.保利科技有限公司，北京 100010；2.中國新時代科技有限公司，北京 100010）

1 當(dāng)前森林防火應(yīng)急通信現(xiàn)狀

近年來，在全國各區(qū)森林防火應(yīng)急救援行動中，消防員犧牲現(xiàn)象時有發(fā)生。其中，有林場面積大、火勢蔓延快且無規(guī)律以及現(xiàn)場風(fēng)、水和煙霧影響視線等原因，但關(guān)鍵問題是森林應(yīng)急救援現(xiàn)場通信不暢導(dǎo)致指揮中心與現(xiàn)場人員交互困難。我國林區(qū)大多位于偏遠(yuǎn)的山林地帶，不僅面臨交通不便、設(shè)備落后以及人員組織分散等問題，且大面積的林區(qū)覆蓋使得手機(jī)等日常通信設(shè)備無法發(fā)揮作用[1]，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。首先，指揮中心無法確保第一時間將火情蔓延態(tài)勢告知現(xiàn)場救援小隊并下達(dá)指令；其次，森林對無線信號屏蔽較為嚴(yán)重，現(xiàn)場救援人員無法獲取指揮中心對火情的遙感信息和自身位置信息，進(jìn)而無法準(zhǔn)確判斷行進(jìn)線路；最后，空中救援力量受林火、煙霧影響，難以觀測地面情況，而精準(zhǔn)抵達(dá)需獲取救援坐標(biāo)。以上問題大幅降低了現(xiàn)場救援人員的安全保障。

目前，森林消防救援隊員在現(xiàn)場配置了便攜式衛(wèi)星、北斗以及超短波/短波電臺等單兵裝備，同時國家在部分林場也建設(shè)了超短波網(wǎng)實現(xiàn)無線話音調(diào)度。但是，受林場植被影響，以上手段均無法做到救援人員在林場內(nèi)隨時對地接入，導(dǎo)致救援小隊深入林場內(nèi)部時，無法及時獲取火情信息并上報位置信息。

因此，需要探索一種基于空地協(xié)同的通信網(wǎng)絡(luò)，針對林場面積大、固定設(shè)施部署成本高、植被厚度對無線信號遮擋嚴(yán)重等特點，利用衛(wèi)星、低空無線覆蓋以及無線中繼網(wǎng)絡(luò)相組合的方式，為救援人員提供了一種可保障其隨時連通的機(jī)動寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，從而在火情發(fā)生時能夠快速部署并可靠接入，并能夠即時獲取火情態(tài)勢和位置信息，同時能夠建立與指揮中心的連接。

2 空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)設(shè)想

2.1 空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)在森林防火應(yīng)急通信中的應(yīng)用模型

空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)設(shè)計通過地空通信、自組網(wǎng)中繼以及衛(wèi)星通信，將指揮中心與救援直升機(jī)、單兵偵察無人機(jī)以及救援人員之間進(jìn)行連通，使其能夠構(gòu)建一個寬帶數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)以上救援力量之間的數(shù)據(jù)協(xié)同，并提供位置信息、數(shù)據(jù)信息以及話音信息的共享服務(wù)，應(yīng)用模型如圖1所示。

圖1 空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)在森林防火應(yīng)急通信的應(yīng)用模型

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上，空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)一方面可以通過救援直升機(jī)解決森林火場面積大、固定通信設(shè)施難以全面覆蓋的問題，另一方面通過偵查無人機(jī)掛載無線自組網(wǎng)設(shè)備，在救援人員頭頂展開低空飛行，并與救援直升機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中繼，以解決森林植被茂密對無線信號遮擋較大的問題。當(dāng)?shù)孛婢仍倍肺恢梅?wù)失效時，可通過其升空的無人機(jī)進(jìn)行位置回傳，從而準(zhǔn)確掌握救援人員的實施位置。

在應(yīng)用設(shè)計上，空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)指揮中心、救援直升機(jī)與地面救援人員之間火情態(tài)勢信息共享，便于救援力量實時掌握宏觀火情信息，同時可實現(xiàn)位置信息共享，便于指揮中心綜合調(diào)度所有救援力量。

2.2 應(yīng)用場景設(shè)計

在森林防火應(yīng)急通信場景中，火場較為分散且地形復(fù)雜，限制了車輛和大型裝備的進(jìn)入。通常，森林消防員需要徒步5～6 h才能到達(dá)火場。在此過程中，由于植被遮擋和區(qū)域偏遠(yuǎn)的因素，現(xiàn)有通信設(shè)施無法隨時與指揮中心保持通信，且由于地貌影響使得位置上報時斷時續(xù)?？盏貐f(xié)同網(wǎng)絡(luò)的建立，能夠在救援人員通過常規(guī)手段無法與指揮中心聯(lián)系時即時搭建一套通信鏈路，實現(xiàn)現(xiàn)場與指揮中心之間的話音、數(shù)據(jù)以及位置等信息的交互。

如圖2所示，空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)在地面救援人員定位裝備失效時可升起無人機(jī)，由無人機(jī)提供定位數(shù)據(jù)或短報文發(fā)送。指揮中心能夠獲取地面人員和空中救援直升機(jī)位置信息，便于調(diào)度。

如圖3所示，當(dāng)?shù)孛婢仍藛T與公網(wǎng)通信失效時，空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)將由救援直升機(jī)和無人機(jī)組成的中繼平臺，實現(xiàn)指揮中心與各救援力量的數(shù)據(jù)調(diào)度鏈路。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)的選擇

空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)在于保證指揮中心與救援直升機(jī)之間的低空寬帶無線通信技術(shù)，以及救援直升機(jī)、偵查無人機(jī)與救援人員之間的動態(tài)無中心寬帶自組網(wǎng)。

圖2 空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集流程

圖3 空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢及話音調(diào)度流程

對于低空寬帶無線通信技術(shù)而言，目前民航飛機(jī)主要使用的是ACARS（飛機(jī)通信尋址與報告系統(tǒng)）和ADS-B（廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)）[2-3]。其中，ACARS體制主要實現(xiàn)報文服務(wù)，其最大支持2.4 kb/s的傳輸速率；ADS-B體制主要提供飛行參數(shù)回傳服務(wù)，最大支持1 Mb/s的傳輸速率；兩者均無法滿足寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊??？盏貐f(xié)同網(wǎng)絡(luò)選用基于TD-LTE技術(shù)的地空通信思路進(jìn)行設(shè)計。

對于無中心寬帶自組網(wǎng)技術(shù)，隨著OFDM-MIMO寬帶技術(shù)的成熟，基于OFDM技術(shù)的無線寬帶自組網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用。目前，該技術(shù)最大可支持32個節(jié)點，節(jié)點移動速度支持300 km/h以上，同時點對點的通信速率可達(dá)到50 Mb/s，能夠滿足空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中繼覆蓋的要求。

基于TD-LTE技術(shù)的地空通信技術(shù)使用場景驗證。地空通信的主要難點在于救援直升機(jī)位于低空飛行，由于常規(guī)天線設(shè)計考慮水平波束較寬，垂直波束較窄，地面基站對空覆蓋難以滿足實際應(yīng)用需要，需要對TD-LTE基站天線進(jìn)行低空覆蓋優(yōu)化，增強上旁瓣。它的主瓣3 dB水平寬度120°，俯仰面仰角30°以內(nèi)增益大于4 dB，大仰角時增益大于-1 dB。大仰角時，飛機(jī)距離基站較近，鏈路衰減較小。針對以上優(yōu)化進(jìn)行直升機(jī)低空飛行測試，選用頻段600 MHz，基站功率20 W，機(jī)載終端1 W，基站接收靈敏度為-105 dB，直升機(jī)飛行高度500 m。

如圖4所示，以基站為中心100 km2范圍內(nèi)，直升機(jī)水平飛行速度在200 km/h以上，機(jī)載終端接收97%區(qū)域的RSRP值在-105 dB以內(nèi)，能夠滿足最小接收靈敏度的需要。同時，通過碼流測試，終端與基站邊緣速率能夠達(dá)到2 Mb/s以上，能夠滿足地空通信寬帶數(shù)據(jù)的承載需要。

圖4 TD-LTE地空通信測試數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

綜上所述，空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)對森林防火應(yīng)急通信能夠快速建立一條可靠的寬帶網(wǎng)絡(luò)通道，有效解決救援人員位置傳輸、地面與空中救援單位以及指揮中心之間的寬帶數(shù)據(jù)通信的問題，同時部署方便、投資較小，能夠為復(fù)雜環(huán)境下救援搶險通信提供穩(wěn)定保障。分析空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)通信在森林防火救援場景下的應(yīng)用流程，對基于TD-LTE的低空通信技術(shù)進(jìn)行測試驗證，能夠滿足消防部隊救援直升機(jī)在低空飛行過程中與地面寬帶通信的需求。同時，空地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)在實際森林防火應(yīng)急通信中的實戰(zhàn)應(yīng)用還需進(jìn)行多方面考慮，包括偵察無人機(jī)的使用時間、針對森林場景起飛所需要的形態(tài)適應(yīng)性改造以及針對此網(wǎng)絡(luò)所形成新的空地指揮體系及相關(guān)應(yīng)用等。