基于高通量衛(wèi)星的星地融合應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)

文|李萌 姚怡 王逸璇 張磊

中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司

一、前言

我國(guó)幅員遼闊，是世界上發(fā)生災(zāi)害最多的國(guó)家之一。災(zāi)害發(fā)生后，受災(zāi)地區(qū)由于交通、通信、電力設(shè)施損毀，不同程度地處于被隔絕狀態(tài)，災(zāi)區(qū)受損情況、災(zāi)民需求等信息無(wú)法及時(shí)收集，由此造成災(zāi)區(qū)內(nèi)外的信息不對(duì)稱，直接阻礙救援決策及救援行動(dòng)推進(jìn)，影響救災(zāi)整體效果，而導(dǎo)致災(zāi)區(qū)救援信息不對(duì)稱、決策不高效的主要原因是缺乏有效的應(yīng)急通信手段。通信衛(wèi)星具備廣覆蓋、快速接入的特性，可以提供應(yīng)急場(chǎng)景下高可靠性傳輸鏈路，2017年我國(guó)發(fā)射了首顆Ka高通量衛(wèi)星中星16號(hào)，標(biāo)志著我國(guó)衛(wèi)星通信已進(jìn)入高通量時(shí)代，高速率、大帶寬已成為衛(wèi)星通信新時(shí)代的特點(diǎn)。通過高通量衛(wèi)星與多種通信手段融合，建立星地融合應(yīng)急通信網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)不同通信手段之間的互聯(lián)互通，構(gòu)建廣域覆蓋、隨遇接入、資源集成、便捷可靠的天地一體化通信系統(tǒng)，提供話音、數(shù)據(jù)、視頻會(huì)議等功能，滿足應(yīng)急通信領(lǐng)域統(tǒng)一指揮調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)音視頻回傳、多點(diǎn)視頻會(huì)議等要求。

二、應(yīng)急通信現(xiàn)狀

當(dāng)前災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信手段包括地面公網(wǎng)移動(dòng)通信、短波/超短波通信、LTE寬帶專網(wǎng)、MESH自組網(wǎng)、衛(wèi)星通信等方式，“無(wú)電、無(wú)路、無(wú)信號(hào)”極端條件下，應(yīng)急通信保障仍是地方應(yīng)急管理部門以及其他行業(yè)應(yīng)急管理部門迫切需要解決的問題。

在應(yīng)急通信指揮場(chǎng)景下，尤其是重大災(zāi)區(qū)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)，通常需要跨部門協(xié)同工作，形成前突通信隊(duì)（前突）、前方指揮部（前指）、后方指揮中心（后指）三級(jí)互通、兩級(jí)指揮的應(yīng)急指揮體系。然而現(xiàn)有的應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)主要針對(duì)單一地面通信方式實(shí)現(xiàn)，各部門配備的通信設(shè)備體制和數(shù)量各不相同，導(dǎo)致在應(yīng)急通信指揮網(wǎng)絡(luò)中多種通信體制并存，存在各體制設(shè)備互不兼容、獨(dú)立調(diào)度的問題，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)各級(jí)部門間的互聯(lián)互通和指揮命令下達(dá)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)資源的集中控制、統(tǒng)一調(diào)度，給跨部門協(xié)同指揮工作帶來(lái)了很大的困難。此外，在當(dāng)前“智慧應(yīng)急”形勢(shì)下，為滿足重大災(zāi)害應(yīng)急指揮對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)視頻、高清圖片傳輸?shù)男枨?，?duì)于應(yīng)急協(xié)同指揮系統(tǒng)的存儲(chǔ)、計(jì)算、處理、可用度等能力提出了更高的要求，需要大帶寬、高速率的傳輸方式。

構(gòu)建基于高通量衛(wèi)星的星地融合應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)，既滿足高速通信又可實(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)景下保底通信需求，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)與指揮部門通信鏈路快速打通，實(shí)時(shí)交互音視頻信息。

三、星地融合應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)

1.系統(tǒng)概述

基于高通量衛(wèi)星的星地融合應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)面向應(yīng)急用戶最終需求，基于高通量衛(wèi)星寬帶平臺(tái)搭建，與高通量衛(wèi)星寬帶平臺(tái)做接口對(duì)接，通過將衛(wèi)星通信與地面4G/5G、天通衛(wèi)星、地面自組網(wǎng)、音視頻會(huì)議、視頻回傳等技術(shù)手段進(jìn)行融合，建立多體制、多系統(tǒng)兼容的綜合性應(yīng)急衛(wèi)星通信指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)的融合，在滿足高速通信前提下預(yù)留保底通信手段做支撐，形成具備高通量衛(wèi)星特色的三級(jí)互通、兩級(jí)指揮的應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)，支持對(duì)系統(tǒng)內(nèi)通信終端統(tǒng)一管理和靈活調(diào)度、高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源的監(jiān)管、衛(wèi)星通信鏈路狀態(tài)監(jiān)測(cè)等，支持后指、前指、前突單兵三級(jí)分級(jí)分權(quán)限部署。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)是以前突應(yīng)急隊(duì)、前方指揮部、后方指揮中心為核心的三級(jí)互通、兩級(jí)指揮的應(yīng)急指揮體系，通過高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)、音視頻會(huì)議網(wǎng)絡(luò)的融合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急場(chǎng)景下的災(zāi)害救援。系統(tǒng)包括前突、前指、后指三部分，其中前突應(yīng)急隊(duì)伍攜帶手持單兵、視頻監(jiān)控設(shè)備完成應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)音視頻、數(shù)據(jù)信息的采集，通過高通量衛(wèi)星、天通衛(wèi)星等衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)回傳至前方指揮部和后方指揮中心。前方指揮部部署高通量衛(wèi)星終端、網(wǎng)絡(luò)聚合設(shè)備以及視頻會(huì)議設(shè)備，實(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議、應(yīng)急態(tài)勢(shì)可視化以及應(yīng)急任務(wù)管理等功能，完成與前突應(yīng)急人員、后方指揮中心的互聯(lián)互通。后方指揮中心主要部署應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)所需的服務(wù)器，具備視頻會(huì)議、應(yīng)急態(tài)勢(shì)可視化、應(yīng)急任務(wù)管理、資源管理、資源調(diào)度等功能（圖1）。

圖1 基于高通量衛(wèi)星的星地融合應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)軟件以應(yīng)急用戶可視化指揮調(diào)度需求為牽引進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)聚焦在多元數(shù)據(jù)的匯聚存儲(chǔ)、常態(tài)化監(jiān)測(cè)預(yù)警、突發(fā)事件應(yīng)急指揮調(diào)度三個(gè)方面，通過對(duì)整網(wǎng)資源的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)資源靈活高效分配。

3.系統(tǒng)組成及功能

基于高通量衛(wèi)星的星地融合應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)功能模塊：基礎(chǔ)服務(wù)功能、資源管理功能、業(yè)務(wù)調(diào)度功能以及災(zāi)情統(tǒng)計(jì)分析功能等，通過在高通量衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)平臺(tái)上融入指揮調(diào)度功能，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)急場(chǎng)景下的基于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)急通信指揮調(diào)度。

（1）基礎(chǔ)服務(wù)功能

基礎(chǔ)服務(wù)功能主要包括用戶管理、權(quán)限管理、日志管理、告警管理等，基于GIS地圖可視化呈現(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)情況及應(yīng)急裝備狀態(tài)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提供基礎(chǔ)信息管理支撐。

用戶管理主要管理用戶、用戶組織機(jī)構(gòu)、用戶角色，通過對(duì)角色與組織機(jī)構(gòu)的管理配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶進(jìn)行多層級(jí)權(quán)限管理；日志管理用于記錄操作員的歷史操作，支持記錄操作IP、操作內(nèi)容和操作時(shí)間等；GIS地圖管理通過整合高通量網(wǎng)絡(luò)中的終端資源、地面網(wǎng)絡(luò)資源、波束覆蓋范圍等數(shù)據(jù)信息，基于GIS可視化技術(shù)，統(tǒng)一呈現(xiàn)在一張底圖上，實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)資源運(yùn)行監(jiān)測(cè)、高效協(xié)同調(diào)度；告警管理是在系統(tǒng)中軟硬件運(yùn)行發(fā)生異常時(shí)，產(chǎn)生告警信息，并分類管理，維護(hù)系統(tǒng)正常工作。

（2）資源管理功能

針對(duì)應(yīng)急通信指揮平臺(tái)所面對(duì)的多星、多終端、多數(shù)據(jù)的多資源管理現(xiàn)狀，以資源為中心進(jìn)行統(tǒng)一管理，屏蔽多體制通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性，整合衛(wèi)星資源、終端、數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)用戶的通信體制差異無(wú)感知操作，滿足多層級(jí)用戶的應(yīng)急保障通信要求，提供全局、高效、靈活的資源監(jiān)管能力。資源管理功能包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理、終端資源管理、鏈路狀態(tài)預(yù)警監(jiān)測(cè)、物資管理及可用資源展示等。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理：本系統(tǒng)共涉及高通量衛(wèi)星和天通衛(wèi)星兩顆衛(wèi)星的統(tǒng)一管理和協(xié)同調(diào)度，通過對(duì)衛(wèi)星資源狀態(tài)的監(jiān)控評(píng)估，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源在不同衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)之間的規(guī)劃調(diào)配，提高衛(wèi)星資源的利用率。其中Ka頻段高通量衛(wèi)星中星16號(hào)由中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，高通量衛(wèi)星資源包含高通量衛(wèi)星流量、網(wǎng)絡(luò)資源等，通過高通量衛(wèi)星資源管理，應(yīng)急保障人員高效進(jìn)行高通量衛(wèi)星通信應(yīng)急保障資源調(diào)度，可對(duì)上述資源進(jìn)行申請(qǐng)、配置、回收、業(yè)務(wù)停斷、資源總覽。天通衛(wèi)星資源的管理調(diào)度需與中國(guó)電信合作，可查詢天通流量資費(fèi)情況。

終端資源管理：本系統(tǒng)需要兼容不同通信體制下的終端，包括前突“Ka+天通”融合終端、前指“Ka+4G+視頻指揮”融合終端以及高清攝像頭等采集設(shè)備，通過終端鑒權(quán)入網(wǎng)、終端在網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、終端位置信息監(jiān)測(cè)、終端臺(tái)賬建立等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整網(wǎng)終端資源的全局調(diào)度和高效利用。

鏈路狀態(tài)預(yù)警監(jiān)測(cè)：本系統(tǒng)可對(duì)在線終端所在經(jīng)緯度天氣狀況進(jìn)行查詢，并通過GIS地圖可視化展示前突、前指Ka通信鏈路狀態(tài)信息，支持應(yīng)急人員手動(dòng)調(diào)整鏈路接入狀態(tài)。

物資管理及可用資源展示：物資資源管理主要包括物資信息管理和使用情況監(jiān)測(cè)，并通過GIS一張圖實(shí)時(shí)展示可用應(yīng)急資源。本系統(tǒng)可對(duì)物資名稱、地理位置信息、容量進(jìn)行登記錄入，并可進(jìn)行添加、編輯、刪除、搜索等操作，各類物資信息可以用通用屬性表示；可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)物資管理點(diǎn)的物資信息，更新物資進(jìn)出庫(kù)情況，對(duì)物資去向進(jìn)行登記錄入。

（3）業(yè)務(wù)調(diào)度功能

應(yīng)急通信指揮平臺(tái)研建將投入兩類任務(wù)使用：應(yīng)急示范演練、應(yīng)急保障。應(yīng)急管理部及相關(guān)行業(yè)部門可通過任務(wù)管理模塊針對(duì)演練、應(yīng)急保障創(chuàng)建對(duì)應(yīng)任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)任務(wù)下發(fā)、短信/郵件通知、任務(wù)視圖、任務(wù)日志、任務(wù)分析報(bào)告等功能，任務(wù)支持對(duì)多權(quán)屬多體制通信終端在任務(wù)視圖內(nèi)的統(tǒng)一管理。任務(wù)管理模塊與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互，通過統(tǒng)一的對(duì)外交互接口，支持應(yīng)急任務(wù)上報(bào)與下發(fā)、信息通知、報(bào)告摘要發(fā)送等功能，對(duì)進(jìn)行中的任務(wù)可在GIS地圖上查看相應(yīng)任務(wù)范圍，對(duì)范圍內(nèi)的資源進(jìn)行統(tǒng)籌管理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急通信保障業(yè)務(wù)的支撐。

（4）災(zāi)情統(tǒng)計(jì)分析功能

災(zāi)情統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)通過采集各子系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、分析與綜合，形成災(zāi)情分析結(jié)果并呈現(xiàn)給用戶。災(zāi)情數(shù)據(jù)來(lái)源于基礎(chǔ)服務(wù)功能模塊、資源管理功能模塊、業(yè)務(wù)調(diào)度功能模塊中的用戶信息、資源信息及業(yè)務(wù)操作日志；綜合分析衛(wèi)星資源使用情況、終端設(shè)備使用情況、流量使用情況以及業(yè)務(wù)開展情況等；以文字、數(shù)據(jù)、圖表報(bào)表相結(jié)合的方式，生成災(zāi)情分析報(bào)告，呈現(xiàn)分析結(jié)果，推動(dòng)后續(xù)資源使用優(yōu)化。

四、結(jié)語(yǔ)

基于高通量衛(wèi)星的星地融合應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)以用戶需求為牽引，面向“無(wú)電、無(wú)路、無(wú)信號(hào)”極端條件下應(yīng)急行業(yè)用戶需求，通過高通量衛(wèi)星與天通衛(wèi)星、地面4G/5G等通信手段融合，既提供高速傳輸能力，也有保底通信手段；以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)適應(yīng)前突、前指、后指的三級(jí)應(yīng)急通信指揮架構(gòu)；將軟件音視頻會(huì)議、視頻回傳相結(jié)合，打通與高通量平臺(tái)接口，提供可視化指揮調(diào)度能力。通過用戶端軟件通用化、集成化，滿足應(yīng)急專用終端、通用手機(jī)終端等多平臺(tái)部署。