消防救援中衛(wèi)星通信技術的應用分析

鄭鑫

摘要：消防救援常面對復雜、多變、惡劣的環(huán)境，容易遇到通信信號獲取失敗、通信網(wǎng)絡故障等情況，耽誤救援進度、降低作戰(zhàn)能力。因此，保證通信順暢至關重要。衛(wèi)星通信技術是一種信號覆蓋范圍廣、傳輸穩(wěn)定的無線通信技術，在消防救援中應用具有突出優(yōu)勢?；诖耍骄啃l(wèi)星通信技術應用原理，分析在消防救援中的應用優(yōu)勢，詳細論述其語音業(yè)務、視頻業(yè)務、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務、移動式救援業(yè)務的基本應用，并以極端自然災害救援為例探究技術應用中的關鍵要點。以此為消防救援中合理應用衛(wèi)星通信技術提供參考，以期有效改善救援中通信信號差、故障多的現(xiàn)狀。

關鍵詞：消防救援；衛(wèi)星通信技術；應用

中圖分類號：D631.6? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）11-0040-04

目前，消防救援現(xiàn)場仍以短波通信、公安350M、PDT數(shù)字集群等為主要通信手段，在提供應急通信服務時容易受到通信距離、周圍環(huán)境、障礙物等因素的影響，導致通信信號傳輸缺乏穩(wěn)定性，無法滿足救援現(xiàn)場的高質(zhì)量、穩(wěn)定通信需求。而衛(wèi)星通信技術將人造地球衛(wèi)星作為中繼站，完成無線電波的收發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)地面上多個站點之間的高效、穩(wěn)定通信。將其引入消防救援中解決復雜環(huán)境下的通信難題，輔助救援隊伍提高作戰(zhàn)效率，有效提升救援實效，能切實滿足消防救援隊伍“全災種、大應急”職能任務發(fā)展需求。

1 衛(wèi)星通信技術的應用原理

在消防救援中，通常以衛(wèi)星通信系統(tǒng)為載體應用衛(wèi)星通信技術，實現(xiàn)其各項功能，展現(xiàn)技術優(yōu)越性。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由衛(wèi)星、移動終端、固定終端、信關站等組成，在現(xiàn)有技術條件下衛(wèi)星多為多波束衛(wèi)星，作為系統(tǒng)中的中繼站，負責其覆蓋范圍內(nèi)請求數(shù)據(jù)的接收。為了最大限度保證通信的通暢性，中繼站可以接收衛(wèi)星范圍內(nèi)所有終端設備以及地球站發(fā)送的請求數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)信號進行放大處理，以反向鏈路作為傳輸介質(zhì)與信關站進行信號往來；而信關站接收的信號會傳輸給地面網(wǎng)絡，經(jīng)過處理后形成新的請求數(shù)據(jù)或回復數(shù)據(jù)時再以前向鏈路為傳輸介質(zhì)經(jīng)過信關站傳回給衛(wèi)星，進而再進行放大，經(jīng)過反向鏈路傳輸至多波束小區(qū)內(nèi)，以上則為數(shù)據(jù)請求與接收的完整流程[1]。但在消防救援中也會出現(xiàn)信關站與衛(wèi)星覆蓋小區(qū)并不在一顆衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的情況，因此，需要借助星間鏈路將信號轉(zhuǎn)發(fā)至目標衛(wèi)星，再完成上述請求與接收流程。

2 衛(wèi)星通信技術在消防救援中的應用優(yōu)勢

在消防救援中，通信的主要作用是保障救援工作順利進行，在衛(wèi)星通信設備的支持下保證救援中指揮與救援人員溝通順暢，高效執(zhí)行救援方案，避免在惡劣環(huán)境影響下友鄰救援隊伍之間、救援人員與指揮人員之間出現(xiàn)失聯(lián)情況，確保準確、高效、不間斷地傳遞救援指揮信息。而利用衛(wèi)星通信技術，通過上行線路與下行線路組成一條連接信關站、中繼站、地面網(wǎng)絡的通信鏈路，能夠克服通信中的諸多技術難題。具體來講，衛(wèi)星通信技術的應用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：

2.1? 覆蓋范圍廣

衛(wèi)星通信技術在現(xiàn)實應用中打破了海、陸、空三界之間的限制條件，可以建立覆蓋全球的通信系統(tǒng)。在系統(tǒng)運行期間人造衛(wèi)星作為中繼站可以完全脫離地球表面，獲得更開闊的傳輸視野，提高消防救援過程中信號收發(fā)效率、覆蓋范圍，減少信號中斷與失真問題。同時，利用靜止衛(wèi)星時最遠通信距離可以達到18000km以上，建設地面站時無需考慮站點之間距離以及周圍環(huán)境惡劣程度，節(jié)約建設費用與運維費用。綜合來看，較之光纜通信、微波接力通信、短波通信等，衛(wèi)星通信技術在覆蓋范圍上有著更明顯的優(yōu)勢。

2.2? 傳輸容量大

衛(wèi)星通信技術使用頻帶較寬的微波頻段，可以通過范圍寬的波段頻率將傳輸中的損耗降低，也使通信信號擺脫氣候與地理環(huán)境的干擾。通常情況下，常用衛(wèi)星頻段C和Ku的帶寬介于500～800MHz，所用微波波段介于1～10GHz，波段頻率極寬，應用價值更為突出[2]。

2.3? 多地址通信

多地址通信是指在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的地球站可以相同衛(wèi)星作為載體完成相互間通信，也能夠使建設地球站時擺脫地理環(huán)境因素的干擾，即使救援任務在邊緣地區(qū)、島嶼上也能夠保證避免通信受到外界不良因素的干擾。由此可以看出，基于發(fā)散形式的衛(wèi)星通信技術可以順利實現(xiàn)多地址間的穩(wěn)定通信，使復雜情況下消防救援穩(wěn)定、可靠應急通信多了一層保障。

2.4? 傳輸過程穩(wěn)定

由于地理環(huán)境、氣候、自然災害、人為事件等因素均無法對通信兩點產(chǎn)生干擾與限制，通信系統(tǒng)運行可靠性大幅提升，使通信信號穩(wěn)定、高質(zhì)量傳播。

3 消防救援中衛(wèi)星通信技術的基本應用

3.1? 語音業(yè)務

在消防救援中，衛(wèi)星通信技術可以在多個方面應用，其中最為關鍵的是保障救援現(xiàn)場內(nèi)以及與場外指揮之間溝通無障礙，以便合理調(diào)控救援力量、把控現(xiàn)場情況，第一時間了解救援需要，制定科學的作戰(zhàn)方案。因此，突出了衛(wèi)星通信技術語音業(yè)務的重要應用價值。

語音技術的主要功能是保障救援人員、指揮人員等對話方便、溝通穩(wěn)定，架起消防救援中的溝通橋梁。更為關鍵的功能是，救援中通過語言業(yè)務可以實現(xiàn)救援現(xiàn)場與救援指揮中心之間的連接，打破空間條件對救援指揮的限制。通過語音業(yè)務在后方綜合管理平臺上以及救援現(xiàn)場中接入語言信號，再將救援中接收的不同類型語言信號進行統(tǒng)一、標準的整合，同時滿足有線電話通信、移動語音通信需求，進而滿足消防救援中即時通信需求。由于事故發(fā)生后仍可能伴有次生事故發(fā)生，救援現(xiàn)場情況難以預測，如果位置偏遠、網(wǎng)絡信號弱，上級指揮中心難以及時掌握情況，不利于統(tǒng)一部署救援力量；救援現(xiàn)場失去科學指揮后，容易耽誤救援時機，影響救援效果。通過衛(wèi)星通信技術的無線語音業(yè)務連接各級人員，以穩(wěn)定的交互式方式保證實時語音交流流暢；同時，也支持救援中采用不同類型移動衛(wèi)星電話交流，對提高救援實效有著重要價值。

3.2? 視頻業(yè)務

自消防救援隊伍任務向“全災種、大應急”轉(zhuǎn)型升級后，日常面對愈發(fā)廣泛、復雜、多樣的任務，從而使低延時、高清晰的音頻視頻直播作用日益凸顯。基于衛(wèi)星通信技術的視頻業(yè)務，使消防救援現(xiàn)場與指揮部門以視頻進行溝通、各級指揮部門以視頻會議進行作戰(zhàn)部署，有效保持現(xiàn)場指揮中心與上級指揮中心實時聯(lián)系，兩者基于相同的現(xiàn)場視頻畫面，結合救援形式與客觀條件做出正確決策。其中衛(wèi)星通信系統(tǒng)在接收視頻時影像最高分辨率可以達到1M，最大限度保證清晰度，降低對救援決策的干擾，避免延誤救援與指揮工作。同時，在消防救援過程中，公用網(wǎng)絡處于開放狀態(tài)，視頻通過5G傳輸，收集動態(tài)圖形進行處理。當出現(xiàn)無可用公用網(wǎng)絡或公用網(wǎng)絡癱瘓情況時，可以快速切換衛(wèi)星通信技術，利用其帶寬高的優(yōu)勢，傳輸清晰、飽和的影像；并能夠與視頻終端建立聯(lián)系，在處理平臺上視頻與圖像過程中接入衛(wèi)星通道，保證救援期間現(xiàn)場視頻會議有序進行[3]。此外，在消防救援中利用衛(wèi)星直接拍攝照片可以快速傳輸給接收終端，從而以采集直觀畫面形式及時反饋救援現(xiàn)場情況變化，為優(yōu)化作戰(zhàn)部署提供有力的依據(jù)。

3.3? 數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務

消防救援期間會應用諸多救援機械、器材、設備，但在地質(zhì)災害救援中因道路遭到破壞，難以選擇合適途徑運輸救援設施，也會影響救援效率。而利用衛(wèi)星通信技術提供的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，實時掌握救援現(xiàn)場情況，獲取關于地理信息數(shù)據(jù)與文件，指導救援人員以高效的方式攜帶救援設施順利到達現(xiàn)場。其中地理信息數(shù)據(jù)是現(xiàn)場地理條件與情況的主要分析依據(jù)，指揮人員在系統(tǒng)內(nèi)下載衛(wèi)星地理信息數(shù)據(jù)，綜合分析災情現(xiàn)場與周圍地區(qū)情況，找到前往救援現(xiàn)場的合適路徑；并在信息中分析周圍區(qū)域活動狀態(tài)，降低不安全因素的危險，保障救援人員、救援設施以及保障性物資安全送達。而傳輸?shù)奈募?shù)據(jù)主要有音頻、圖片、視頻、文字等形式，可幫助判斷救援現(xiàn)場情況變化、評估救援形勢。救援人員攜帶便攜站安置在河道附近、泥石流滑坡區(qū)段、人員疏散點等，并穿戴AR智能頭盔，及時將現(xiàn)場畫面?zhèn)骰?，方便指揮中心基于物聯(lián)網(wǎng)了解河道水流、地質(zhì)裂縫、現(xiàn)場降雨量等，預測泥石流、滑坡風險以及洪災，保障衛(wèi)星通信技術應用效果，在諸多不同場景下提供可靠的通信保障[4]。

3.4? 移動式救援業(yè)務

為保障消防救援實效，通常會將移動指揮中心建設在救援現(xiàn)場附近，借助輕型或超輕型衛(wèi)星便攜站、方艙指揮車（靜中通、動中通等類型）高效指揮現(xiàn)場作戰(zhàn)，使各級作戰(zhàn)人員及時收到作戰(zhàn)指令，執(zhí)行救援計劃。其間，指揮人員在衛(wèi)星通信技術的支持下，移動指揮中心會快速收到救援現(xiàn)場通信人員傳回的語音、視頻等信息，了解災情實際情況，做好遠程監(jiān)督與遙控指揮工作。為避免傳輸信號失真，也可以對信號進行加密處理，安全、可靠、高效地完成通信任務。同時，在衛(wèi)星通信技術的支持下可以實現(xiàn)與支隊各級指揮中心、總隊、國家消防救援局的音視頻互通，使各級指揮人員了解現(xiàn)場情況。

3.5? “雙模”衛(wèi)星便攜站

衛(wèi)星便攜站由小型設備箱以及可拆裝式天線共同組成，具有布置靈活便捷、傳輸距離遠、無線接入、覆蓋范圍廣等諸多突出優(yōu)勢，在公網(wǎng)癱瘓的情況下，可以可靠地承擔起救援現(xiàn)場通信聯(lián)絡任務，是適用于突發(fā)災害應急救援的移動通信站。雖然衛(wèi)星便攜站體積小、質(zhì)量輕、結構簡單，但不影響通信質(zhì)量、圖像采集質(zhì)量，從而在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占據(jù)越來越重要的地位。以往我國一直通過亞洲9號衛(wèi)星信號建立向衛(wèi)星便攜站傳輸音頻、視頻的鏈路，但局限明顯，衛(wèi)星信號單一情況下容易使手機、終端設備、電腦等諸多特定設備無法接收信號。

為此，在現(xiàn)代先進科技的支持下，創(chuàng)新推出“雙模”衛(wèi)星便攜站技術，使消防救援現(xiàn)場“斷網(wǎng)”條件下應急通信時傳遞信息的諸多難題得以克服?！半p?！毙l(wèi)星便攜站技術中將衛(wèi)星通信與無線通信技術融合，同步接收亞洲9號衛(wèi)星信號以及Ku波段亞太6D高通量衛(wèi)星信號；并于互聯(lián)網(wǎng)接入，上行、下行均可以達到高速，無需浪費時間建立通信鏈路，但不影響救援現(xiàn)場音頻、畫面、視頻傳回指揮中心的效率與質(zhì)量，也不影響救援期間通過文字、圖片、語音、視頻等方式進行信息交互，從而使救援現(xiàn)場以多樣化手段通信[5]。

4 消防救援中衛(wèi)星通信技術的應用實例

以極端自然災害為例，結合消防救援中的特殊要求分析衛(wèi)星通信技術，了解如何靈活、合理應用技術，滿足不同救援條件下的通信要求。

4.1? 極端自然災害消防救援通信需求

在極端自然災害救援中，面對惡劣的情況，消防救援隊伍對于通信的基本要求主要有3個：一是隨遇接入通信需求；二是業(yè)務融合需求；三是窄帶通信需求。其中隨遇接入通信需求是指在意外發(fā)生時用戶也能夠及時發(fā)出求救信號；業(yè)務融合需求是指融合業(yè)務平臺與通信系統(tǒng)，減少業(yè)務調(diào)度中的通信壁壘；窄帶寬通信需求是為避免傳輸中帶寬過寬影響傳輸數(shù)據(jù)效率，且強調(diào)在通信正常、有所保障時將視頻作為主要通信載體，最大限度提高通信效率，應對惡劣天氣下、星上資源緊缺時對寬帶通信質(zhì)量的負面影響?；谝陨闲枨?，在極端自然災害發(fā)生后，將可靠性高、速度低的語音通信作為最后的通信防線，預防通信中斷問題。同時，以視頻為主要方式完成通信，建立能夠在衛(wèi)星網(wǎng)絡中接入音頻與視頻的衛(wèi)星鏈路，方便指揮人員基于圖像綜合管理平臺展開針對性指揮工作，保障業(yè)務與通信之間順利完成交互，實現(xiàn)高效救援。

4.2? 衛(wèi)星通信技術應用思路

基于極端自然災害救援提出的三大通信需求，從通信設備、音視頻調(diào)度、網(wǎng)絡管理、調(diào)制解調(diào)器等方面分析衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立，形成科學、具體的衛(wèi)星通信技術應用方案。

在衛(wèi)星通信設備選擇上，考慮災害救援中現(xiàn)場的特殊、多變、危險情況，采用輕量化衛(wèi)星便攜站與手持式便攜通信設備，可以通過指揮中心或調(diào)度平臺的操控在救援中完成音視頻交互；而建立衛(wèi)星通信系統(tǒng)中將便攜式衛(wèi)星通信設施作為核心設備，確保救援中能夠跨網(wǎng)絡進行音視頻業(yè)務的交互，為救援中應急通信提供強有力的保障。

在音視頻調(diào)度業(yè)務中，建立圖像綜合管理平臺指揮終端，接收衛(wèi)星便攜站傳回的視頻與音頻，并傳輸給衛(wèi)星鏈路，可以使現(xiàn)場指揮終端與上級指揮部門開展高質(zhì)量、雙向音視頻會議，會議視頻分辨率最低可以達到720P。同時，可以將視頻系統(tǒng)接入視頻會議中，直接在大屏上投放視頻信息，了解救援現(xiàn)場傳回的情況。

在網(wǎng)絡管理上，以Wi-Fi與衛(wèi)星網(wǎng)兩種形式提供服務，落實二級網(wǎng)絡管理。

在供電管理上，支持兩種電壓等級進行直流供電，即220V與24V，從而保證衛(wèi)星通信始終正常進行，即使更新也無需中斷服務。

在調(diào)試解調(diào)器設置上，應保證網(wǎng)關信道服務的獨立性，能夠接入上級管理平臺中。

在其他硬件與軟件設施上，采用具有線極化工作方式、一體化設計的便攜式天線，使其工作時發(fā)射頻率達到14.0～14.5GHz、接收時達到12.25～12.75GHz。設置帶有支持波導輸出接口、支持N Type輸入接口、轉(zhuǎn)換增益≥65db、輸入阻抗≥50Ω的Ku功放模塊；設置輸入頻率、輸出頻率分別介于12.25～12.75GHZ、950～1450MHz的LNB模塊[6]。

4.3? 衛(wèi)星通信技術關鍵要點

4.3.1? 通信保障技術

衛(wèi)星通信是極端自然災害救援中對救援效率、成功與否影響最大的一項設備，惡劣的自然環(huán)境下，為實現(xiàn)最低限通信暢通，選擇Ku頻段輕量衛(wèi)星便攜站、衛(wèi)星電話等便攜式通信設備，使衛(wèi)星通信技術價值充分發(fā)揮。通過上述內(nèi)容可以看出，衛(wèi)星便攜站小巧、便于攜帶，無需擔心交通受阻情況下設備運輸問題，但要采取按需通信上網(wǎng)方式，保證通信可靠性。同時，為了盡可能地在惡劣環(huán)境下保證通信系統(tǒng)的多元功能，需要在移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中隨時對Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行調(diào)整，保證滿足通信需要，從而通過衛(wèi)星主站提供的服務功能實現(xiàn)隨時接入。此外，為了有效應對突發(fā)因素對衛(wèi)星通信的干擾，保障通信便利進行，應整合業(yè)務終端，引入智能終端支持業(yè)務通信，能夠在無需連接其他終端設備情況下可靠支持線上音頻、視頻會議。但系統(tǒng)要通過擴頻與降速方式，降低通信中對語音通信穩(wěn)定性的干擾，保證極端惡劣天氣下語音最低限通信可靠性能夠保持在99%以上。同時，也可以靈活運用衛(wèi)星電話，使其可用度達到99%以上，保證通信的連續(xù)性。

4.3.2? 業(yè)務融合技術

在極端自然災害救援中以網(wǎng)關或中間件作為聯(lián)網(wǎng)載體，使應急通信網(wǎng)絡中的功能融合，可以快速、穩(wěn)定融合音視頻功能，減少協(xié)議轉(zhuǎn)化問題。融合過程中可以基于天地一體化信息網(wǎng)絡，利用IPv6編址方案，統(tǒng)一處理地理信息與通信邏輯，解決編址編碼問題；待確定編址方案后再統(tǒng)一編號，實現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)內(nèi)各類型編址的統(tǒng)一處理；而地址搜尋則可以直接通過編織字段或綜合路由前綴進行[7]。應用IPv6編址方案結果顯示，相異通信系統(tǒng)之間業(yè)務編址、尋址中的難題被解決，徹底打通衛(wèi)星系統(tǒng)中互聯(lián)互通的阻礙。但也需要物理層提供保障，設置可以互聯(lián)的接口，以便系統(tǒng)應用中有互通鏈路。期間需要注意由于通信系統(tǒng)在開發(fā)音視頻業(yè)務時采用不同協(xié)議，需要基于統(tǒng)一協(xié)議才能實現(xiàn)業(yè)務融合。

為滿足復雜的通信需求，應采用多樣化話音樣式，因此，在互聯(lián)互通條件下語音也需要整合。應建立統(tǒng)一的調(diào)度平臺，先處理語音無法兼容情況。從目前的技術手段來看，可以采用SIP協(xié)議，轉(zhuǎn)換不同類型的語音。SIP協(xié)議具有簡單且實用的邏輯，先對語音進行處理，將采集的語音信息處理成標準話音，在此基礎上再進行業(yè)務交互。而為實現(xiàn)最終的標準統(tǒng)一，在SIP協(xié)議層應采取狀態(tài)管理手段，對SIP信令發(fā)送、接收以及RTP發(fā)送、接收進行管理，配合協(xié)議解析器及SIP實例、SDP會話、收發(fā)交互等功能實現(xiàn)請求與響應。

視頻業(yè)務融合中，需要處理視頻會議與視頻通信傳輸速率不同問題及其導致的采集設備標準不同問題，應建立標準統(tǒng)一的視頻交互平臺，借助協(xié)議轉(zhuǎn)換非標準功能，再將轉(zhuǎn)化后的視頻接入平臺內(nèi)，從而形成統(tǒng)一的融合互通模式。

4.3.3? 平臺融合技術

為加深通信系統(tǒng)與業(yè)務平臺的融合，為高效進行業(yè)務調(diào)度提供堅實保障，通過衛(wèi)星調(diào)度系統(tǒng)交互業(yè)務調(diào)度平臺方式實現(xiàn)通信系統(tǒng)與業(yè)務平臺之間的深度融合，可以查詢控制中心的具體運行狀態(tài)，對衛(wèi)星通信鏈路展開最終控制。

參考文獻：

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Application analysis of satellite communication technology in fire and rescue

Zheng Xin

（Xinjiang Uygur Autonomous Region Emergency Communication and Vehicle Service Fire and Rescue Section， Xinjiang Uygur Autonomous Region 830063）

AbstraCt： Fire and rescue often faces complex， changeable， and harsh environments， prone to communication signal acquisition failures， communication network failures， etc.， which can delay rescue progress and reduce combat capabilities. Therefore， it is very important to ensure smooth communication. Satellite communication technology is a wireless communication technology with wide signal coverage and stable transmission， which has outstanding advantages in fire and rescue applications. Based on this， the paper explores the application principle of satellite communication technology， analyzes the application advantages in fire and rescue， and discusses in detail the basic applications of its voice service， video service， data transmission service， and mobile rescue service. Take extreme natural disaster rescue as an example to explore the key points in the application of technology.It provides references for the rational application of satellite communication technology in fire and rescue， hoping to effectively improve the current situation of poor communication signals and many faults in rescue.

Keywords： fire and rescue; satellite communication technology; application