便携式宽窄带融合卫星通信终端
文|谌德军 孙志昆 姚怡 崔熠 张京平
gsr中国卫通集团股份有限公司
摘要：便携式Ka卫星通信终端凭借高速、便携等优势在应急通信领域广泛应用，提供前突救援队伍、前线指挥部与后方指挥中心三级应急指挥通信系统互联互通。然而便携式Ka卫星通信终端在极端恶劣天气、主站波束变更或设备工作异常等情况下，会出现宽带卫星网络中断现象，导致前突救援队伍、前线指挥部与后方指挥中心的现场多媒体数据和指挥调度信息无法有效传递。针对上述问题，中国卫通依托我国自主可控中星16号高通量卫星和天通卫星通信系统的深度融合，开展了基于便携式宽窄带融合卫星通信终端的应用与实践，以用户对轻型便携、融合通信、灵活部署的融合终端设备的实际需求为导向，形成支撑应急救援现场“宽带优先，语音保底”通信的新能力，满足未来全域覆盖、全时通信的要求。 关键词：Ka卫星通信终端；应急通信；高通量；宽窄带融合；语音保底
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一、前言
如何在地震、洪涝等自然灾害和偏远地区等重大安全事故救援现场、道路和地面通信基础设施损毁或缺少的条件下，快速建立前突救援队伍、前线指挥部和后方指挥中心三级应急指挥体系的通信链路，保障前突救援队伍多媒体数据的实时回传和前指、后指决策信息的及时下达，是我国现阶段应急通信保障体系建设面临的重要难题。卫星通信具有通信范围广、不受地域影响等优势，是实现应急救援通信畅通的重要技术手段，尤其是基于高通量卫星的便携式Ka卫星通信终端重量轻、传输速率高，在应急通信领域广泛应用。但受极端恶劣天气、主站波束变更或设备工作异常等条件的限制，便携式Ka卫星通信终端会出现无法接入宽带卫星通信网络的现象，往往因为应急现场终端设备的限制，导
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致应急前突救援队伍无法与外界取得有效沟通，救
援现状无法有效反馈给指挥中心，从而使得应急救援效率低下。
为满足应急救援现场“宽带优先，语音保底”通信的业务要求，中国卫通集团股份有限公司（以下简称中国卫通）针对应急救援场景便携式Ka 卫星通信终端极端条件下的应用进行深度挖掘分析。以应急救援场景下用户对轻型便携、融合通信、灵活部署的融合终端设备的实际需求为导向，依托我国自主可控中星16号高通量卫星和天通卫星通信系统的深度融合，开展了新一代便携式宽窄带融合卫星通信终端在应急领域的应用研究和实践，满足应急前突、前指和后指全天候、全时段的通信要求。
二、创新方案
1. 新技术—便携式宽窄带融合卫星通信终端支撑应急通信业务
（1）便携式宽窄带融合卫星通信终端便携式宽窄带融合卫星通信终端基于“模块化”“可扩展化”“集成化”设计理念，既保证整机一体化性能，又增加设备灵活性。“模块化”设计将融合终端设备整体划分为天馈子系统、伺服驱动子系统、业务单元子系统和扩展子系统等子功能模块，各系统之间通过标准接口互联互通，实现整机功能。同时，充分考虑电磁干扰、散热等因素，对各子功能模块进行低耦合设计处理，在结构排布上进行物理隔离。“扩展性”设计实现业务单元子系统与天通扩展模块和WiFi 扩展
模块的对接，提升应急通信保障效能。通过增加天通扩展模块，满足应急救援现场“宽带优先，语音保底”通信业务需求。通过增加WiFi 扩展模块，将现场无线覆盖与卫星传输链路相结合，实现卫星信号的区域延伸
覆盖。“集成化”设计以融合终端设备携带轻量化、操作简洁化为原则，采用高标准工艺实现各子功能模块一体化设计（图1）。
dea分析图1 便携式宽窄带融合卫星通信终端总体设计拓扑图
天馈子系统作为相对独立的功能模块，反射面具有多种口径选择，本方案采用系统平台化设计，同时兼容0.5m、0.6m 和0.8m 等多种口径反射面安装。反射面选择碳纤维轻量化材质加工，同时采用高标准机械加工和金属涂层工艺，确保碳纤维材质天线反射面的轻便特性和优异的电气性能。
伺服驱动子系统根据卫星接收信号电平值的变化，自动完成卫星天线姿态调整。通过一键对星或一键收藏设置，可自动完成便携式宽窄带融合卫星通信终端的对星、折叠收纳，具有简洁自动、快速建链等特点。完成对星后，天线俯仰角通过力矩保持天线姿态，在系统断电情况下仍能对姿态进行保持，可通过转动融合终端设备配置的俯仰和方位机构旋钮，完成收藏。
业务单元子系统包含调制解调器、核心控制单元、载波接收机、GPS/北斗定位和电源转换等子模块，通过业务终端盒实现各模块的集成。
扩展子系统由天通扩展模块和WiFi 扩展模块构成，天通核心板卡和WiFi 核心板卡均集成在业务终端盒内，为避免扩展模块对业务单元子系统造成影响，在物理结构设计上做区域划分，并通过内部标准接口实现互联互通。同时将天通天线安装在
支臂杆处，避免Ka
反射面天线对天通天线遮挡，确保天通链路在应急场景下任意时刻的连通性。
（2）无缝网络覆盖
便携式宽窄带融合卫星通信终端实现应急通信盲点网络覆盖，可以快速解决极端条件下宽带卫星通信链路中断而导致通信能力不足的难题，形成支撑应急救援现场“宽带优先，语音保底”的通信网络覆盖能力。同时，可通过灵活更换不同口径反射面天线以适应前突、前指业务场景的通信速率要求。
2. 新能力—便携式宽窄带融合卫星通信终端实现了全天候、全时段通信畅通（1）高速+保底通信
便携式宽窄带融合卫星通信终端可快速构建前突救援队伍、前线指挥部与后方指挥中心之间互联互通的宽带卫星通信网络，实现应急现场高清视频回传和多方高清视频会议。在遇到大雨等极端恶劣天气导致宽带卫星通信链路中断的情况下，用户手机连接融合终端设备WiFi热点，借助APP可视化操作界面，实现天通话音和短信保底通信。便携式宽窄带融合卫星通信终端支持多部用户手机同时接收和发
送短信，但是同一时刻只有一部用户手机可实现天通话音功能，当一部用户手机开展天通话音业务时，其余用户手机需等待天通话音业务空闲时才可进行业务。而来电请求则根据优先级设置，推送给高优先级用户。用户可以通过APP的权限切换按键向融合终端设备申请切换优先级。当低优先级用户申请使用权限时，融合终端设备将会查看当前所有连接用户的优先级，如果全部是低优先级，那么融合终端设备将会直接分配高优先级。如果已经存在高优先级用户，融合终端设备将会发送权限申请释放信息，当用户释放权限后，申请者才能拥有高优先级。
（2）远程升级
目前市面上便携式Ka卫星通信终端核心控制单元需先与调制解调器通过OpenAMIP协议建立TCP连接，获取目标用户波束的前向中心频率、极化方式和符号速率后开始对星。若卫星主站根据业务需求对部分用户波束的中心频率或符号速率进行重新规划，终端设备在对星上线后，调制解调器会主动接收卫星主站下发的对星参数信息完成更新。但是当终端设备正好处于对星参数变更波束下的时候，将无法完成自动对星。需恢复调制解调器出厂设置，手动输入变更后的对星参数才能完成对星，操作步骤繁琐，影响应急业务的高效开展。此外，受限于卫星主站Gilat基带系统的小站上线逻辑，调制解调器在建立TCP连接后的前五分钟给核心控制单元下发上一次上线波束的对星参数，在此期间若终端设备未对上星，将根据终端设备所在地理位置经纬度信息下发对应波束的对星参数。因此，当设备处于一个新的波束开展宽带卫星通信业务时，前五分钟将一直处于寻星状态，既耗费了大量功耗，同时降
低了用户在应急场景下的体验感。
针对上述问题，便携式宽窄带融合卫星通信终端将用户波束对星参数信息内置到核心控制单元，通过GPS/北斗定位模块的经纬度信息，直接获取目标波束的前向中心频率、极化方式、符号速率后完成对星，解决了任意波束快速对星上线问题。此外，便携式宽窄带融合卫星通信终端可通过天通通信链路实现远程升级，完成用户波束对星参数信息更新，优先保障宽带卫星通信链路畅通。
（3）辅助排故
在因设备工作异常导致宽带卫星通信网络无法接入的时候，便携式宽窄带融合卫星通信终端能及时回传设备状态监测数据和日志数据，以配合卫星主站快速定位并解决问题，保障应急救援现场宽带卫星通信网络快速恢复。
3. 新场景—基于三级应急指挥通信系统的业务场景
三级应急指挥通信系统架构分为三部分：前突救援队伍、前方指挥部和后方指挥中心。其中，前突救援队伍是指实际参与现场抢险救援的所有队
员；前方指挥部是指在应急救援前线相对固定位置
临时建立的指挥基地，构成人员主要是参与前线应急救援实战的技术人员及指挥人员；后方指挥中心一般是指在地面通信网络良好且位置固定的应急指挥大厅建立的临时指挥中心。便携式宽窄带融合卫
星通信终端可应用于前突救援队伍和前方指挥部，实现前突救援队伍、前方指挥部与后方指挥中心的高速通信和保底通信，保障特殊应急救援场景全域覆盖、全时通信需要。基于三级应急指挥通信系统的业务场景如图2所示。
图2 基于三级应急指挥通信系统的业务场景
（1）前突救援队伍
由于应急事件的突发性及特殊性，灾害现场通常环境复杂且不适合大型车辆进入，因此要求应急救援及通信装备尽量小型化、简易化、环境适应性强，便于携行。便携式宽窄带融合卫星通信终端配备0.5m 口径反射面天线，重量小于12kg，便于单兵携带；保障至少2Mbit/s 的回传速率，满足至少一路1080P 视频业务量；一键对星满足非专业用户在5分钟内迅速建立应急现场与各级指挥中心之间信息传输的宽带卫星通信链路；基于不低于IP67全防护便携设备能力，能轻松应对降雨、沙尘、危化品等恶劣救援场景。
前突救援队伍背负便携式宽窄带融合卫星通信终端深入灾害现场，在前线应急救援区域搭建融合终端设备，利用布控球和无人机等视频采集设备采集视频，通过宽带卫星通信网络将现场图片、音视频等多媒体数据实时回传到前方指挥部，并利用手机与前方指挥部进行视频会议。同时融合终端设备预留了外部扩展网口，通过网线与Mesh 自组网或LTE 背负实现互联互通，进一步实现区域信号
延伸覆盖。考虑到极端恶劣天气环境，采用天通通信链路保障前突救援队伍与前方指挥部的话音和短信通信。
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（2）前方指挥部
亲核反应当发生应急突发事件时，现场指挥车可迅速开赴现场，在事故现场外围较安全区域搭建现场指挥所，调度指挥现场各前突救援队伍。前方指挥部作为各前突救援队伍数据回传和后方指挥中心信息下达的信息双向交互纽带，要求应急通信装备尽量简易化，支持高速率传输。便携式宽窄带融合卫星通信终端配备0.8m 口径反射面天线，保障至少6Mbit/s 的回传速率，满足至少三路1080P 视频业务传输；一键对星可迅速建立前方指挥部与各前突救援队伍、后方指挥中心之间信息传输的宽带卫星通信链路。
在前方指挥部搭建便携式宽窄带融合卫星通信终端，并配备可视化指挥调度系统，部署图片服务、音视频服务和位置服务，满足前方指挥部对前突救援队伍的指令下达和信息共享需求。前突救援队伍回传的图像数据、音视频数据均能在可视化指挥调
图3 便携式宽窄带融合卫星通信终端应用于应急业务演示现场图4 应急现场宽带卫星通信网络传输速率测试结果
度系统点播呈现，且系统汇聚前突救援队员回传的实时地理位置数据，为实时位置分布可视化提供数据支撑。此外，前方指挥部通过宽带卫星通信网络将前突救援队伍的概况以音视频方式传达给后方指
挥中心。在极端恶劣天气条件下，通过天通卫星网络以话音或短信方式与前突救援队伍和后方指挥中心实现信息互联互通。
（3）后方指挥中心
后方指挥中心部署一体化指挥调度平台，该平台能接收并展示前方指挥部实时回传的图片、音视
频数据。后方指挥中心根据前方指挥部反馈的前线实时概况，向前方指挥部下达指挥调度命令，再结合后方救援力量和救援物资的分布情况，决策是否需要增派救援力量及救援物资到应急前线。
三、应用效果
依托我国自主可控的Ka 宽带卫星通信网络、天通卫星通信网络，中国卫通模拟前突、前指和后指三级应急指挥通信应用场景开展了便携式宽窄带融合卫星通信终端调测和业务验证演示（图3、图4）。
其中，在便携式宽窄带融合卫星通信终端的WiFi 信号覆盖范围内，用户手机快速接入宽带卫星通信网络，实测下载速率为52.17Mbit/s，上传速率为8.09Mbit/s，利用软视频会议系统进行了三方视频会议，并将无人机摄像头采集的高清视频经编码后，实时回传到指挥中心，视频码率超过6Mbit/s，音视频画面清晰，流畅无卡顿。在开展宽带卫星通信业务的同时，通过APP 与指挥中心进行了天通语音通话和短信通信，并测试验证了通过天通链路实现融合终端设备状态监控和对星参数信息远程升级的功
能。
四、推广建议
便携式宽窄带融合卫星通信终端具有轻型便携、融合通信、灵活部署等优势，以宽带卫星通信网作为回传骨干信道，天通卫星通信网作为保底传
输信道，保障应急现场优先选择高宽带和高速率通信，极端情况下保障语音通信畅通。
在地面通信基础设施遭到不可抗力破坏导致现场通信网络瘫痪、无信号覆盖且交通受阻的场景中，以及重大灾害救援现场中，通过便携式宽窄带融合卫星通信终端快速构建应急指挥通信网络，实现前突救援队伍、前方指挥部和后方指挥中心之间的语音、数据、图像、视频传输，满足应急救援“宽带优先，语音保底”通信业务要求，保证各级指挥中心实时了解现场情况，为应急救援提供有效通信支撑。
基于宽带卫星通信网络与天通通信网络的有效融合，既实现了应急现场的高速通信又可实现特殊场景下的保底通信，后续可应用在地震、洪涝等自然灾害及偏远地区等重大安全事故应急保障等工作上，满足全域覆盖、全时通信的要求。
