瀘定地震應(yīng)急救援中Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析與發(fā)展思考

李玉成 羅翔

0 引言

瀘定6.8級地震在較為廣泛的受災(zāi)區(qū)域內(nèi)造成斷路、斷電、斷網(wǎng)，形成一定數(shù)量的“信息孤島”、“救援孤島”，震中位于高山峽谷地帶，“三斷”現(xiàn)象直接影響救援行動效率與進度。這是2017年中星16號Ka頻段衛(wèi)星發(fā)射商用后，衛(wèi)星通信進入高通量時代以來，所面對的一次與2008年汶川地震受災(zāi)環(huán)境類似、具備典型地震災(zāi)害特征的應(yīng)急通信保障環(huán)境，一定程度上可以作為應(yīng)急通信新技術(shù)、新裝備、新應(yīng)用模式的實戰(zhàn)化檢驗環(huán)境。

在此次抗震救災(zāi)中，Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于救援指揮、公眾通信、媒體采訪等方面，為災(zāi)區(qū)提供了充足的資源保障、有力的技術(shù)支撐，充分驗證了Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信保障中的重要作用。

1 Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)概況

中星16號衛(wèi)星是我國第一顆高通量衛(wèi)星，設(shè)計有26個用戶點波束和3個饋電波束，總體覆蓋我國除西北、東北部分地區(qū)的大部分陸地和近海近300km海域，衛(wèi)星總?cè)萘繛?0Gbps左右，采用東3B平臺。該衛(wèi)星于2017年4月12日發(fā)射，定點于東經(jīng)110.5°，2017年下半年正式投入商業(yè)運營。

目前，基于中星16號衛(wèi)星的Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)形成覆蓋中國大陸大部和近海海域，超過20Gbps容量的寬帶衛(wèi)星通信能力，中星16號衛(wèi)星的發(fā)射及商用，標(biāo)志著我國衛(wèi)星通信領(lǐng)域進入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新時代，2022年底發(fā)射的中星19號衛(wèi)星和2023年初即將發(fā)射的中星26號衛(wèi)星可以與中星16號衛(wèi)星共同組網(wǎng)，覆蓋我國全境及“一帶一路”主要區(qū)域，形成帶寬更高、保障更優(yōu)的星隊服務(wù)能力[1]。

Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)地面業(yè)務(wù)運營系統(tǒng)已建成3個信關(guān)站（包含基帶和射頻系統(tǒng)）和1個運營中心（包含數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)管和BOSS系統(tǒng)），運營中心部署在北京，3個信關(guān)站分別部署在懷來、成都、喀什，它們之間通過主備光纖線路實現(xiàn)互聯(lián)互通，運營中心與Internet、企業(yè)專網(wǎng)、公網(wǎng)等地面網(wǎng)互聯(lián)[2]。

Ka寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘窟_到20Gbps。信關(guān)站均采用13m天線，終端天線最小等效口徑為0.45m，具備國產(chǎn)化自主可控能力，安全性高，系統(tǒng)網(wǎng)管支持百萬量級終端管理。可提供數(shù)據(jù)、視頻、語音等服務(wù)，支持集團用戶組網(wǎng)等。

1.2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[3]

Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一個天地一體化的通信平臺，該平臺提供給使用者的是一個統(tǒng)一的運營服務(wù)管理平臺，建設(shè)有電信級的專業(yè)BOSS系統(tǒng)，可以提供業(yè)務(wù)開通、客戶管理、賬務(wù)信息以及運營管理等功能，直接面向用戶提供服務(wù)，可支持多種應(yīng)用。

1.2.1 應(yīng)急保障應(yīng)用

Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具備大帶寬、便捷高速、穩(wěn)定可靠等特點，可提供超大容量的衛(wèi)星通信服務(wù)，單站下行速率最大可達150Mbps，可與應(yīng)急指揮專網(wǎng)、寬帶自組網(wǎng)、窄帶通信網(wǎng)等無縫融合，提供話音、短信、圖像、視頻會議等通信服務(wù)?？梢蕴峁?zāi)害現(xiàn)場前突前指高清可視化指揮通信接入、戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)骨干節(jié)點通信接入、4G公網(wǎng)接入、日常監(jiān)測點數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)急通信指揮車網(wǎng)絡(luò)接入、無人機采集數(shù)據(jù)回傳及通信中繼、直升機應(yīng)急指揮通信接入等。

1.2.2 普遍服務(wù)應(yīng)用

在地面網(wǎng)絡(luò)未覆蓋的區(qū)域，尤其是受自然條件限制極大的西部欠發(fā)達地區(qū)、島嶼、邊疆等區(qū)域，利用高通量寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，對光纖不可達的邊遠地區(qū)進行網(wǎng)絡(luò)延伸覆蓋，提供4G公網(wǎng)、音視頻傳輸、互聯(lián)網(wǎng)接入等服務(wù)。服務(wù)區(qū)域從人口稠密的城鎮(zhèn)擴展到人少分散的居住點、抵邊村落等區(qū)域，助力“ 鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略高質(zhì)量發(fā)展。

1.2.3 航空互聯(lián)應(yīng)用

主要分為商業(yè)航空和通用航空應(yīng)用兩類。其中，商業(yè)航空提供航空互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，以滿足不同乘機人群對商業(yè)航班機上網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的廣泛需求;通用航空通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以為無人機、直升機等通用航空器材在物資運輸、醫(yī)療救護、搶險救災(zāi)、搜索救援、安全保障、森林防火等應(yīng)用領(lǐng)域提供實時回傳數(shù)據(jù)、圖像、聲音、視頻等服務(wù)，瀘定地震救援中，利用彩虹無人機、翼龍無人機等實現(xiàn)救援區(qū)域內(nèi)應(yīng)急公網(wǎng)覆蓋即為一次成功的通用航空典型應(yīng)用案例。

1.2.4 海上通信應(yīng)用

依托Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，為海洋執(zhí)法、船舶辦公、生產(chǎn)監(jiān)測、船員通信等場景構(gòu)建安全可靠的寬帶衛(wèi)星服務(wù)，可以為用戶建立陸地與海島、船舶、平臺之間的可靠通信，為企事業(yè)單位、執(zhí)法機構(gòu)、個人提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)[4]。

1.2.5 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

依托Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)“感傳智用”業(yè)務(wù)模式，可構(gòu)建生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、自然資源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，形成天地一體化智慧解決方案，可同時滿足窄帶數(shù)據(jù)、寬帶視頻數(shù)據(jù)傳輸需求，主要應(yīng)用于包括林草生態(tài)、地質(zhì)災(zāi)害、水利水電工程等多領(lǐng)域監(jiān)測。

1.2.6 商旅文娛應(yīng)用

依托Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在廣電新媒體、賽事、重大活動等不同商旅文娛場景，提供直播傳輸、安全監(jiān)控、服務(wù)保障等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，確保新聞、賽事、活動可以第一時間傳輸、參賽觀賽人員安全健康、活動組織及時有效。

2 瀘定地震通信救援概況

抗震救災(zāi)期間，Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)累計為災(zāi)區(qū)提供1964GB流量資源，開通高通量衛(wèi)星小站共計24套，單站下行速率達到了150Mbps，上行速率達到了21.6Mbps，實現(xiàn)了應(yīng)急通信指揮保障、電信運營商通信恢復(fù)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公眾應(yīng)急應(yīng)用，具體情況如下：

2.1 應(yīng)急指揮通信保障

瀘定災(zāi)區(qū)應(yīng)急指揮由統(tǒng)籌調(diào)度災(zāi)區(qū)救災(zāi)工作的后方指揮部、具體安排區(qū)域救援工作的前方指揮部、最接近最后一公里的前突指揮點和救援一線組成，各個站點間需要快速組網(wǎng)、盡可能延伸信號覆蓋區(qū)域，實現(xiàn)穩(wěn)定通信。

地震發(fā)生后，災(zāi)區(qū)現(xiàn)場通信中斷，指揮信息傳遞困難。Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)揮了部署快、速率高的特點，迅速為救災(zāi)指揮構(gòu)建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)熱點覆蓋，為救災(zāi)前方指揮部和前突指揮點開通了專用應(yīng)急指揮通道。

在得妥鎮(zhèn)政府院內(nèi)，0.8mKa便攜站搭建前方指揮專用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，為前方指揮部指揮調(diào)度救援力量、救援物資、安置轉(zhuǎn)移受災(zāi)群眾提供高速指揮鏈路。

在聯(lián)合村隧道出入口和臨時碼頭，0.5mKa便攜站搭建前突指揮專用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，為前突指揮員指揮救援一線、及時聯(lián)絡(luò)救援進展、匯報救援動態(tài)，獲得救援支持提供穩(wěn)定的前突指揮鏈路（圖1）。應(yīng)急指揮專線鏈路多路并發(fā)，可靠運行。

圖1 瀘定縣委利用Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)突前指揮

2.2 地面運營商通信搶通

此次抗震救災(zāi)，Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為搶通4G網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，發(fā)揮了快速部署、高速傳輸、鏈路穩(wěn)定的核心作用。依托Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)大帶寬優(yōu)勢，三大地面運營商累計開通了15路Ka衛(wèi)星4G通道，單路下行速率達到70Mbps、上行速率達到12Mbps。

在運營商通信恢復(fù)搶險過程中，Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了高速保障特點，基于Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下的4G通道，單路24小時最大接入用戶425、視頻語音通話（VoLTE） 峰 值用 戶 58、VoLTE語音話務(wù)量均值36.9，有效保障了現(xiàn)場救援人員及受災(zāi)群眾的公網(wǎng)應(yīng)急恢復(fù)。

2.3 公眾衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急應(yīng)用

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)在保障其他社會救援力量的通信中發(fā)揮重要作用，利用Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和各型Ka終端，在聯(lián)合村大橋、臨時碼頭和灣東村口，各救援力量靈活接入Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，進行無人機視頻、現(xiàn)場搜救視頻的高速數(shù)據(jù)回傳；央視總臺等新聞媒體實時傳輸了高清視頻新聞素材；獲救群眾及家屬、各救援隊伍利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及時與親友視頻通話互報平安。

3 瀘定地震救援中通信裝備的應(yīng)用

在瀘定地震救援中，各類高新通信裝備得到廣泛應(yīng)用，筆者及團隊以Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，使用各型通信裝備所構(gòu)建的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，有效滿足現(xiàn)場各類通信需求，為救援指揮部、救援隊伍、新聞媒體、受災(zāi)群眾提供了有力的通信保障（圖2）。

圖2 瀘定地震Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用拓撲

3.1 應(yīng)用裝備簡介

Ka高通量便攜站可以獨立組網(wǎng)，也可以結(jié)合其他裝備綜合組網(wǎng)。筆者在此次瀘定救援中使用了0.5m超輕便攜站、0.8m高性能自動便攜站進行應(yīng)急通信保障，經(jīng)歷了小雨、中雨、陣雨等復(fù)雜環(huán)境考驗，也驗證了Ka高通量便攜終端的輕量、易通特點可以為人員徒步背負、水路行進、空中運輸?shù)染仍绞教峁┘夹g(shù)基礎(chǔ)，使現(xiàn)場信號恢復(fù)時間縮短至10分鐘之內(nèi)，提升了現(xiàn)場應(yīng)急傳輸鏈路搶通的效率。

3.1.1 0.5m超輕型便攜站、0.8m高性能便攜站

這兩種便攜站（圖3、圖4）的主要特色是全自動且內(nèi)置wifi，支持上行10Mbps高速回傳，一鍵式自動尋星，便于非專業(yè)人士使用。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 0.5m超輕型便攜站、0.8m高性能便攜站主要技術(shù)指標(biāo)

圖3 0.5m輕超輕型便攜站

圖4 0.8m高性能便攜站

3.1.2 寬帶自組網(wǎng)系統(tǒng)

寬帶自組網(wǎng)主要應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境中的無線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)鏈路的搭建，可以實現(xiàn)高帶寬遠距離的無線通信傳輸，并將音視頻及數(shù)據(jù)進行雙向的傳輸，寬帶自組網(wǎng)設(shè)備開機自動構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，包括星狀、線狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點具備對等性。當(dāng)拓撲連接關(guān)系發(fā)生變化時，系統(tǒng)可重構(gòu)路由；網(wǎng)絡(luò)具備抗毀性，任意節(jié)點設(shè)備可隨時加入或退出網(wǎng)絡(luò)，不影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常使用。

面對絕大部分災(zāi)害情況發(fā)生時，公網(wǎng)處于癱瘓狀態(tài)，必須臨時快速布設(shè)應(yīng)急通信專網(wǎng)，用于傳輸現(xiàn)場音視頻信號，以及各種環(huán)境參數(shù)、空呼、生命體征等傳感器信號。城市環(huán)境復(fù)雜，特別是高層、地下室、大型綜合體、地鐵隧道等場景，采用傳統(tǒng)專網(wǎng)基站組網(wǎng)模式無法滿足要求，存在大量盲區(qū)，會給應(yīng)急救援工作帶來致命問題。無線寬帶自組網(wǎng)不依賴網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)，可以迅速展開前方網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)哪芰Α?/p>

3.1.3 4G基站設(shè)備

本次瀘定救援中使用的4G基站通過Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入到運營商的核心網(wǎng)，為救援區(qū)域提供4G應(yīng)急公網(wǎng)覆蓋，單路24小時最大接入用戶425、VoLTE峰值用戶58、VoLTE語音話務(wù)量均值36.9，有效保障了現(xiàn)場救援人員及受災(zāi)群眾的公網(wǎng)應(yīng)急恢復(fù)。

3.1.4 系留無人機

系留無人機（圖5）是一種通過系留線纜供電，以實現(xiàn)24小時不間斷作業(yè)的無人機。它載荷能力大，滯空高度高，續(xù)航能力強，安全性卓越，整套系統(tǒng)通過小型車輛便可運輸，可快速部署，在應(yīng)急救援中主要有以下優(yōu)勢：

圖5 DG-M20系留無人機

一是可掛載4GLTE和寬窄帶自組網(wǎng)升空到300m—400m高空。升空狀態(tài)下，通信設(shè)備覆蓋半徑可達到其地面部署時的5—10倍以上。

二是可大大減少房屋、樹林以及常見地面障礙物對于通信設(shè)備的遮擋，變地地通信為空地通信，大大提升通信設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性。

三是使用300m—400m系留無人機時，救援隊伍可以隨時隨地布設(shè)制人造高點，解決了救援隊伍野外作業(yè)尋找通信至高點時遇上的選點難，尋路慢，爬山險的特點，大大提升通信保障效率。

3.2 組網(wǎng)應(yīng)用成效

在此次救援中，高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的大帶寬特點得到了充分驗證，多路高清視頻同時傳輸、數(shù)十路視頻通話同時進行等場景均得到實戰(zhàn)檢驗。視頻傳輸過程中，服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障機制自動適應(yīng)，鏈路穩(wěn)定暢通、無抖動，視頻傳輸效果良好。

瀘定地震發(fā)生后，因“三斷”形成了較多信息孤島，Ka高通量便攜終端的輕量、易通特點為人員徒步背負、水路行進、空中運輸?shù)染仍绞教峁┝思夹g(shù)基礎(chǔ)，使現(xiàn)場信號恢復(fù)時間縮短至10分鐘之內(nèi)，提升了現(xiàn)場應(yīng)急傳輸鏈路搶通的效率。此次搶險過程中天氣多變，經(jīng)歷了小雨、中雨、陣雨等復(fù)雜環(huán)境，主站側(cè)通過上行功率控制器自動調(diào)整主站發(fā)射功率，增加主站發(fā)射功率，提高小站的接收信噪比，小站側(cè)的調(diào)制解調(diào)器會根據(jù)小站發(fā)射能力檢測結(jié)果去增加小站的發(fā)射功率，通過以上手段提高小站的發(fā)射接收信噪比，改善使用環(huán)境影響，15路應(yīng)急通道均穩(wěn)定傳輸，驗證了Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在4G基站應(yīng)急恢復(fù)中的可靠性與實用性。

綜上所述，通過此次抗震救災(zāi)，充分檢驗了Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信中的實戰(zhàn)效果，充分驗證了Ka的大帶寬能力是應(yīng)急通信的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)；便捷高速的Ka終端是應(yīng)急通信的重要裝備；穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量是應(yīng)急通信的核心保障。未來，中星26發(fā)射成功后，將增加100Gbps以上的衛(wèi)星帶寬，單站接入能力提升至450Mbps，必然會為我國應(yīng)急通信提供更強有力支持。

4 Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急救援應(yīng)用發(fā)展建議

從瀘定地震救援中可見，地震災(zāi)區(qū)的應(yīng)急通信需求不僅僅局限于單點單站救援，也不僅僅滿足于政府單位、救援隊伍的語音通話、畫面回傳、指揮調(diào)度需求，而是在眾多“三斷”形成的“信息孤島”、“救援孤島”全面構(gòu)建、搶通受災(zāi)區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足各級政府、救援隊伍、新聞媒體、受災(zāi)群眾的通信需求。

通過此次實戰(zhàn)救援行動，Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)證明在大震巨災(zāi)面前，具備快速部署、可靠通信的應(yīng)急救援通信保障能力，但是仍需要做好以下幾個方面：

一是加強政策引導(dǎo)，將Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)納入應(yīng)急指揮專網(wǎng)體系，參考應(yīng)急管理部戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建模式，將Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為應(yīng)急骨干傳輸鏈路，將寬帶自組網(wǎng)、LTE、wifi、無人機等作為延伸覆蓋手段，強化Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與政府、行業(yè)專網(wǎng)的融合通信能力。

二是增加終端部署數(shù)量，尤其是在我國災(zāi)害易發(fā)區(qū)域、重點區(qū)域宜采用前置部署方式，將終端部署到重點區(qū)縣、重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)，由上級部門統(tǒng)籌管理調(diào)配，基層單位具體使用維護。

三是推進新技術(shù)、新產(chǎn)品、新模式的開發(fā)、應(yīng)用、研究，圍繞以Ka高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為代表的骨干應(yīng)急傳輸鏈路，根據(jù)地域特點、典型災(zāi)情特點、行業(yè)特點，構(gòu)建空天地一體的應(yīng)急指揮網(wǎng)絡(luò)、公眾應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)、專用應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)新形勢下受災(zāi)區(qū)域?qū)?yīng)急通信的綜合需求[5]。