基于北斗的應(yīng)急通信技術(shù)研究及系統(tǒng)設(shè)計

楊 明，王雪峰，褚映紅，蘇從兵

基于北斗的應(yīng)急通信技術(shù)研究及系統(tǒng)設(shè)計

楊 明，王雪峰，褚映紅，蘇從兵

（中電科西北集團有限公司西安分公司，西安 710068）

基于對衛(wèi)星通信的應(yīng)急通信技術(shù)的分析，結(jié)合中國擁有完整知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)急通信系統(tǒng)，由北斗衛(wèi)星、信息采集終端、信息運行中心和控制中心等組成，集定位、導(dǎo)航、短報文通信功能于一體，為搶險救災(zāi)中的應(yīng)急通信提供了一種技術(shù)保障手段。

應(yīng)急通信；衛(wèi)星通信；北斗；應(yīng)急通信系統(tǒng)

0 引言

近年來，在經(jīng)濟飛速發(fā)展的過程中屢次發(fā)生的自然災(zāi)害事件，不僅嚴重制約了我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，同時也嚴重地危害著國家人民的生命安全，因此對災(zāi)害發(fā)生時落實穩(wěn)定、便捷的應(yīng)急通信尤為重要。當今時代，我國科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的增長趨勢愈發(fā)顯著，隨之而來的，通信技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用也愈發(fā)迅速與廣泛，得益于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的廣域覆蓋，在面對災(zāi)害發(fā)生后的極端環(huán)境中通信困難的情況時，通過衛(wèi)星通信技術(shù)仍可以搭建信息的互通渠道，迅速開展部署救援工作，因此基于衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)急通信系統(tǒng)，已經(jīng)成為最優(yōu)方案[1]。

1 應(yīng)急通信技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)代應(yīng)急通信是一種暫時性的特殊通信機制，在通常情況下，是指在發(fā)生人為或自然的突發(fā)緊急情況下，或者通信使用需求急劇增加的情況下，通過使用多種方法與資源有效地實現(xiàn)與保障通信業(yè)務(wù)[1]。在發(fā)生人為或自然的突發(fā)事件時，可能會對傳統(tǒng)通信手段造成嚴重影響，包括電力系統(tǒng)、通信鏈路以及多種常規(guī)通信設(shè)施設(shè)備，無法及時通信會嚴重阻礙救援部署工作的迅速開展，造成國民安全、經(jīng)濟發(fā)展等嚴重損害。

根據(jù)傳輸載體與介質(zhì)來劃分種類，應(yīng)急通信可以被分成無線與有線兩種。傳統(tǒng)有線應(yīng)急通信主要有Internet與公用電話網(wǎng)絡(luò)，依賴光纖、同軸電纜以及雙絞線等傳統(tǒng)有線載體來進行通信，是目前應(yīng)用非常廣泛的通信技術(shù)，但此種鋪設(shè)在地面且高度依賴地理環(huán)境的通信網(wǎng)絡(luò)，在遇到人為或自然的突發(fā)事件時，極易遭到破壞，且很難迅速恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)，無法發(fā)揮信息互通的基本功能，此時無線應(yīng)急通信技術(shù)更易發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，來保障穩(wěn)定、暢通的應(yīng)急通信通道。無線應(yīng)急通信技術(shù)手段主要包括集群、無線電臺、蜂窩及衛(wèi)星通信等，它們通過發(fā)送電磁波信號來進行消息互通，不完全依賴傳統(tǒng)的實物傳輸介質(zhì)來進行數(shù)據(jù)輸送，具有很高的抗破壞特性、安裝機動靈活且覆蓋范圍大等技術(shù)特點[2]。

集群通信指的是集群移動通信，是基于無線電調(diào)度技術(shù)的一種較為靈活與經(jīng)濟的通信系統(tǒng)，綜合利用系統(tǒng)內(nèi)所有可用的無線信道為系統(tǒng)內(nèi)所有用戶提供服務(wù)，具有動態(tài)、迅速、智能優(yōu)化分配和頻率資源利用率高等特點。通常使用的終端設(shè)備為對講機，包括便攜式、車載式與手持式等，可以實現(xiàn)點對點，以及一點對多點的通信。

無線電臺可以有多種分類方法，包括業(yè)務(wù)種類與工作頻段。按照業(yè)務(wù)種類來劃分，可將無線電臺劃分為氣象業(yè)務(wù)、廣播業(yè)務(wù)、時間信號、標準頻率業(yè)務(wù)、水上業(yè)務(wù)、陸地移動業(yè)務(wù)和航空業(yè)務(wù)等；按照頻段區(qū)間劃分，無線電臺的工作頻段覆蓋范圍為30 kHz～300 GHz，具體包括以下五個種類：

1）微波（300 MHz～300 GHz）；

2）超短波（30～300 MHz）；

3）短波（3～30 MHz）；

4）中波（300～3000 kHz）；

5）長波（30～300 kHz）。

蜂窩移動通信使用蜂窩無線組網(wǎng)技術(shù)，利用移動交換系統(tǒng)與基站系統(tǒng)搭建無線通信渠道，以此來實現(xiàn)用戶之間的語音、圖像、視頻以及數(shù)據(jù)信息的通信業(yè)務(wù)，具有通信容量大、終端設(shè)備可移動、可跨區(qū)通信、自適應(yīng)漫游等技術(shù)特點，是目前應(yīng)用非常廣泛的無線通信技術(shù)。

衛(wèi)星應(yīng)急通信利用各衛(wèi)星之間建立的有效通信渠道進行無線電波的跳轉(zhuǎn)與傳輸，衛(wèi)星可以放大、變頻與轉(zhuǎn)播無線電波信號，不受氣候條件、地面環(huán)境以及時間等方面的限制，目前已在C頻段、Ku頻段以及Ka等多個工作頻段使用，可以滿足廣域覆蓋范圍內(nèi)的多種通信業(yè)務(wù)需求，并且在面對災(zāi)害發(fā)生后的極端環(huán)境中通信困難的情況時，具有很高的抗損壞性能。

2 基于衛(wèi)星的應(yīng)急通信技術(shù)

2.1 衛(wèi)星通信技術(shù)

衛(wèi)星通信，通常情況下指的是通過使用人造衛(wèi)星，使其成為無線電波信號的中轉(zhuǎn)站來完成信號跳轉(zhuǎn)與傳輸，從而實現(xiàn)兩個或多個地面或低層者大氣中的無線電通信站點之間的通信。環(huán)繞地球軌道大約運行著2000顆衛(wèi)星，衛(wèi)星通信技術(shù)可綜合利用各衛(wèi)星之間建立的有效通信渠道，合理傳播數(shù)據(jù)，接收全球廣域范圍內(nèi)的音頻、視像與數(shù)據(jù)信息，通過解算得到基本數(shù)據(jù)，以便后續(xù)決策與判斷[3]，這使得在全球電信領(lǐng)域中，衛(wèi)星通信技術(shù)有著巨大的應(yīng)用價值與前景。

衛(wèi)星通信的技術(shù)特征包括以下六個方面[4]：

1）信號傳輸距離長，覆蓋范圍廣泛。在人造衛(wèi)星發(fā)送的無線電波涵蓋的區(qū)域內(nèi)，任意兩點之間均可以實現(xiàn)信息交互；

2）相比于其他常規(guī)通信技術(shù)的建設(shè)與運營成本與距離成正相關(guān)，衛(wèi)星通信不會額外增加距離成本，更適用于遠距離通信；

3）衛(wèi)星通信主要通過太空中人造衛(wèi)星之間無線電波的傳輸，通信鏈路相對穩(wěn)定，基本不會被地球大氣層相關(guān)氣候變化以及地質(zhì)災(zāi)害影響，所以受到的干擾更低，從而更好地保障了各點之間通信的質(zhì)量，可靠性更高；

4）衛(wèi)星通信的工作頻段及可用帶寬發(fā)展迅速，涵蓋范圍越來越廣，使得通信的容量也隨之增大，適用于高容量的通信業(yè)務(wù)需求；

5）地面設(shè)備安裝方式更為靈活，隨著技術(shù)水平的發(fā)展，用于衛(wèi)星通信的使用終端體積越來越小，可根據(jù)用戶的使用需求，靈活地安裝在各類交通工具乃至手持終端中，在其他通信系統(tǒng)設(shè)備與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不宜安裝的地面環(huán)境下，例如山區(qū)、海面等地理環(huán)境中，安裝更為機動與靈活；

6）衛(wèi)星通信的一條信道，可以供多個區(qū)間及方向使用，只要是信號覆蓋范圍內(nèi)的各個終端或地面站，均可接收通信數(shù)據(jù)，可以更為經(jīng)濟地實現(xiàn)多址通信與聯(lián)接。

2.2 基于北斗的應(yīng)急通信技術(shù)

根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的技術(shù)特點，以及在國防科技、社會經(jīng)濟、日常民生等各個領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，近年來我國逐步加大衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的科學(xué)技術(shù)研究力度，不斷提升中國衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)水平，成功研制出了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它能夠提供定位、通信與高精度授時服務(wù)，可以在公共安全、交通運輸、通信行業(yè)、電力系統(tǒng)、環(huán)境勘探、應(yīng)急搶險，以及其他國民日常生活等各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。除了更加方便人們的生活與工作之外，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位服務(wù)與短報文通信服務(wù)，基本不受制于惡劣環(huán)境的影響，以及信號覆蓋范圍的廣泛，在搶險救災(zāi)中可以發(fā)揮非常重要的作用，可以快速部署指揮調(diào)度工作，實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的搶險救災(zāi)、及時上報災(zāi)情數(shù)據(jù)、保障指揮中心與一線搜救人員之間暢通的通信渠道，極大地提高了緊急救援的效率，在決策、部署、搜尋及救助等方面，都有著決定性的意義[5]。

利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)特點實現(xiàn)的應(yīng)急通信系統(tǒng)通常由空間與地面兩大領(lǐng)域來提供核心技術(shù)功能，其中空間部分指的就是北斗通信衛(wèi)星，北斗通信衛(wèi)星可以提供導(dǎo)航信息及空間通信鏈路；地面部分指的是應(yīng)急通信地面系統(tǒng)，通常情況下由控制中心、指揮中心及各客戶端組成?？刂浦行囊话阄挥诠潭ǖ臉怯钪?，主要用于查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)，發(fā)布決策指令。指揮中心可以是固定式，也可以是更加靈活的車載或便攜式，作為通信服務(wù)中心，負責(zé)信息的采集、匯總、分發(fā)，實現(xiàn)空間與地面兩個系統(tǒng)之間的信息交互，并將各客戶端上傳的災(zāi)情信息傳送給控制中心以供決策。客戶端主要指的是配備下屬注冊卡的用戶終端，以供一線搶險救災(zāi)人員上報災(zāi)情與接收救災(zāi)指令使用。

3 基于北斗的應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于北斗的應(yīng)急通信系統(tǒng)，主要由北斗衛(wèi)星、信息采集終端、信息運行中心和控制中心組成。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

基于北斗的應(yīng)急通信系統(tǒng)采用雙向通信，各通信流程為：

1）信息采集終端向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)流程

移動手持終端通過藍牙連接北斗信標終端模塊，在手持終端編輯消息，選擇目的地址（中心或其他終端），通過北斗終端模塊將信息發(fā)送給衛(wèi)星，衛(wèi)星會根據(jù)所填寫的地址，發(fā)送給地面北斗指揮機，北斗指揮機在接收到通信信息后，經(jīng)由串口發(fā)送給通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將其進行格式轉(zhuǎn)化，再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制中心；

2）控制中心各客戶端向移動手持終端發(fā)送數(shù)據(jù)流程

客戶端首先要通過控制中心與通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器建立通信鏈路，客戶端編輯完成通信信息后，通過控制中心發(fā)送至通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器會將該報文內(nèi)容轉(zhuǎn)化，經(jīng)由串口發(fā)送給北斗指揮機，北斗指揮機會根據(jù)報文指定的用戶地址，通過衛(wèi)星將該信息發(fā)送給相應(yīng)北斗終端模塊，顯示在移動手持終端設(shè)備上。

3.1 北斗衛(wèi)星

中國自主運營和建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備通信及定位功能的獨有技術(shù)優(yōu)勢，近年來隨著技術(shù)水平的提高，已逐步發(fā)展為可提供全球數(shù)據(jù)通信與定位服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，特別適用于自然災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急環(huán)境。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括用戶段、地面段以及空間段[6]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信主要指的是雙向數(shù)據(jù)通信，存在于各用戶之間以及主控系統(tǒng)與各用戶之間，得益于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的全球覆蓋，且通信數(shù)據(jù)的安全加密傳輸，使得在地面環(huán)境惡劣的情況下，仍可完成通信信息的交互?；诒倍返膽?yīng)急通信系統(tǒng)主要使用北斗指揮機完成地面段與空間段之間的通信，配置主卡的北斗指揮機與各下屬注冊卡所在的北斗信標終端之間的通信，可以監(jiān)聽各北斗信標終端位置信息與通信信息，同時北斗指揮機可以根據(jù)用戶需求，向下屬任意北斗信標終端發(fā)送命令，并與其進行信息交互。其通信方式包括以下兩類[6]：

1）點對點雙向通信

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以實現(xiàn)點對點的雙向數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)墓δ埽?/p>

2）多點對一點通信

采用配備主卡的北斗指揮機與配備下屬注冊卡的信息采集終端的方式，在空、地間進行北斗短報文的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)多點對一點的雙向數(shù)據(jù)通信。

3.2 信息采集終端

信息采集終端主要包括一部移動手持終端和北斗信標終端兩個設(shè)備。

移動手持終端即裝有定制APP的智能手機，用戶利用智能手機預(yù)裝的APP專用軟件將災(zāi)情信息通過藍牙方式送入北斗信標終端，包括終端位置信息以及用戶上報的其他通信信息，北斗信標終端將收到的信息按照衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)（Radio Determination Satellite System，RDSS）技術(shù)體制調(diào)制后，通過北斗衛(wèi)星送往信息運行中心，由信息運行中心發(fā)送至控制中心的指定用戶客戶端上。

3.3 信息運行中心

信息運行中心主要包括一部北斗指揮機（含天線）和通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器兩部分。

北斗指揮機將收到的信息采集終端上報信息解析處理后，以北斗RDSS標準協(xié)議和格式送往網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，由通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進行解碼、提取、指令分發(fā)以及存儲，供控制中心以C/S方式進行訪問。

3.3.1 北斗指揮機

北斗指揮機是用于上級指揮機關(guān)通過北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，對其下屬用戶進行指揮、監(jiān)控的北斗用戶機設(shè)備。北斗指揮機除可以監(jiān)聽下屬注冊卡的通信信息、位置信息之外，還可以按照用戶需求，向指定下屬注冊卡組播或通播用戶指令信息，同時還具備時間校驗功能。

3.3.2 通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器

通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器主要起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用，架設(shè)在北斗指揮機與網(wǎng)絡(luò)客戶端之間，負責(zé)兩端通信消息的相互轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)發(fā)。通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件主要包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理及界面顯示等功能模塊，組成如圖2所示。

1）系統(tǒng)管理模塊

在通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件的系統(tǒng)架構(gòu)中，系統(tǒng)管理模塊是負責(zé)頂層調(diào)度協(xié)調(diào)的核心模塊，其功能主要包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理及界面顯示各部分的控制協(xié)調(diào)，同時組織各數(shù)據(jù)的流入流出，使得上述各功能模塊實現(xiàn)松耦合，并可獨立運行，互不影響；

2）數(shù)據(jù)通信模塊

在通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件的系統(tǒng)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)通信模塊主要負責(zé)通信鏈路的維護、通信數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送以及數(shù)據(jù)打包與解析。按照通信方式來規(guī)劃，該模塊主要包括串口與網(wǎng)絡(luò)兩種通信模式，其中串口通信主要應(yīng)用于網(wǎng)關(guān)服務(wù)器與北斗指揮機之間的信息交互，包括信息采集終端的定位信息、通信信息以及中心用戶下發(fā)的指揮指令信息，其報文格式嚴格遵守北斗短報文相關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)議要求。網(wǎng)絡(luò)通信主要用于通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器與控制中心內(nèi)各客戶終端之間的信息交互，包括TCP與UDP兩種通信鏈路，傳輸?shù)男畔⑼瑯右彩切畔⒉杉K端的定位信息、通信信息以及中心用戶下發(fā)的指揮指令信息，但數(shù)據(jù)格式與串口通信不同，北斗短報文由于衛(wèi)星通信鏈路要求，播發(fā)頻次與單條數(shù)據(jù)容量均有嚴格限制，而網(wǎng)絡(luò)通信則更加靈活，且各客戶終端獨立運行，無法預(yù)知其他客戶終端的操作時間，故數(shù)據(jù)通信模塊允許客戶終端靈活發(fā)送指令數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)驗證并控制向北斗指揮機發(fā)送數(shù)據(jù)的頻次，并為客戶終端發(fā)送回執(zhí)信息；

3）數(shù)據(jù)存儲模塊

網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、北斗用戶地址相關(guān)參數(shù)存儲于配置文件中；發(fā)至通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及串口數(shù)據(jù)均存儲于數(shù)據(jù)庫文件中；

4）數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊負責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與串口數(shù)據(jù)之間的格式轉(zhuǎn)化；

5）界面顯示模塊

界面顯示模塊主要包括顯示通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器軟件實時接收的通信數(shù)據(jù)及控制中心客戶端數(shù)據(jù)列表顯示，數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)顯示（可根據(jù)條件查詢）及用戶提供系統(tǒng)配置信息設(shè)置功能。

3.4 控制中心

控制中心通過TCP/IP協(xié)議從信息運行中心實時獲取整個應(yīng)急系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，以供決策使用?？刂浦行膬?nèi)部用戶可以通過內(nèi)部有線/無線網(wǎng)絡(luò)使用電腦、手機、Pad等各種設(shè)備授權(quán)訪問相關(guān)信息。

4 結(jié)論

近幾年來自然災(zāi)害的頻繁出現(xiàn)，使國民的生命安全受到極大的威脅，應(yīng)急通信對于搶險救災(zāi)至關(guān)重要。本文介紹的基于北斗的應(yīng)急通信系統(tǒng)由北斗衛(wèi)星、信息采集終端、信息運行中心和控制中心等組成，集定位、導(dǎo)航、短報文通信功能于一體，可為受災(zāi)地區(qū)與外界及時獲得聯(lián)系并合理制定救災(zāi)措施提供一種通信保障手段。

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Research and System Design of Emergency Communication Technology Based on Beidou

YANG Ming, WANG Xuefeng, CHU Yinghong, SU Congbing

The emergency communication technology is analyzed based on satellite communication, depending the application of Beidou navigation system, an architecture of emergency communication system based on Beidou is designed which consists of Beidou satellite, information acquisition terminal, information operation center and control center, integrating positioning, navigation and short message communication functions, a technical guarantee means for emergency communication in rescue and disaster relief is provided.

Emergency Communication; Satellite Communications; Beidou; Emergency Communication System

TN927

A

1674-7976-(2022)-02-097-05

2022-03-21。楊明（1979.04—），陜西西安人，碩士，高級工程師，主要研究方向為民用航空空中交通管理。