消防救援中卫星通信技术的应用分析
摘要：消防救援常面对复杂、多变、恶劣的环境，容易遇到通信信号获取失败、通信网络故障等情况，耽误救援进度、降低作战能力。因此，保证通信顺畅至关重要。卫星通信技术是一种信号覆盖范围广、传输稳定的无线通信技术，在消防救援中应用具有突出优势。基于此，探究卫星通信技术应用原理，分析在消防救援中的应用优势，详细论述其语音业务、视频业务、数据传输业务、移动式救援业务的基本应用，并以极端自然灾害救援为例探究技术应用中的关键要点。以此为消防救援中合理应用卫星通信技术提供参考，以期有效改善救援中通信信号差、故障多的现状。
目前，消防救援现场仍以短波通信、公安350M、PDT数字集群等为主要通信手段，在提供应急通信服务时容易受到通信距离、周围环境、障碍物等因素的影响，导致通信信号传输缺乏稳定性，无法满足救援现场的高质量、稳定通信需求。而卫星通信技术将人造地球卫星作为中继站，完成无线电波的收发，能够实现地面上多个站点之间的高效、稳定通信。将其引入消防救援中解决复杂环境下的通信难题，辅助救援队伍提高作战效率，有效提升救援实效，能切实满足消防救援队伍“全灾种、大应急”职能任务发展需求。
1卫星通信技术的应用原理
在消防救援中，通常以卫星通信系统为载体应用卫星通信技术，实现其各项功能，展现技术优越性。而卫星通信系统主要由卫星、移动终端、固定终端、信关站等组成，在现有技术条件下卫星多为多波束卫星，作为系统中的中继站，负责其覆盖范围内请求数据的接收。为了最大限度保证通信的通畅性，中继站可以接收卫星范围内所有终端设备以及地球站发送的请求数据，并对数据信号进行放大处理，以反向链路作为传输介质与信关站进行信号往来；而信关站接收的信号会传输给地面网络，经过处理后形成新的请求数据或回复数据时再以前向链路为传输介质经过信关站传回给卫星，进而再进行放大，经过反向链路传输至多波束小区内，以上则为数据请求与接收的完整流程[1]。但在消防救援中也会出现信关站与卫星覆盖小区并不在一颗卫星覆盖范围内的情况，因此，需要借助星间链路将信号转发至目标卫星，再完成上述请求与接收流程。详见图1。
2卫星通信技术在消防救援中的应用优势
在消防救援中，通信的主要作用是保障救援工作顺利进行，在卫星通信设备的支持下保证救援中指挥与救援人员沟通顺畅，高效执行救援方案，避免在恶劣环境影响下友邻救援队伍之间、救援人员与指挥人员之间出现失联情况，确保准确、高效、不间断地传递救援指挥信息。而利用卫星通信技术，通过上行线路与下行线路组成一条连接信关站、中继站、地面网络的通信链路，能够克服通信中的诸多技术难题。具体来讲，卫星通信技术的应用优势体现在以下方面：
2.1 覆盖范围广
卫星通信技术在现实应用中打破了海、陆、空三界之间的限制条件，可以建立覆盖全球的通信系统。在系统运行期间人造卫星作为中继站可以完全脱离地球表面，获得更开阔的传输视野，提高消防救援过程中信号收发效率、覆盖范围，减少信号中断与失真问题。同时，利用静止卫星时最远通信距离可以达到18000km以上，建设地面站时无需考虑站点之间距离以及周围环境恶劣程度，节约建设费用与运维费用。综合来看，较之光缆通信、微波接力通信、短波通信等，卫星通信技术在覆盖范围上有着更明显的优势。
2.2 传输容量大
卫星通信技术使用频带较宽的微波频段，可以通过范围宽的波段频率将传输中的损耗降低，也使通信信号摆脱气候与地理环境的干扰。通常情况下，常用卫星频段C和Ku的带宽介于500～800MHz，所用微波波段介于1～10GHz，波段频率极宽，应用价值更为突出[2]。
2.3 多地址通信
多地址通信是指在卫星覆盖范围内的地球站可以相同卫星作为载体完成相互间通信，也能够使建设地球站时摆脱地理环境因素的干扰，即使救援任务在边缘地区、岛屿上也能够保证避免通信受到外界不良因素的干扰。由此可以看出，基于发散形式的卫星通信技术可以顺利实现多地址间的稳定通信，使复杂情况下消防救援稳定、可靠应急通信多了一层保障。
2.4 传输过程稳定
由于地理环境、气候、自然灾害、人为事件等因素均无法对通信两点产生干扰与限制，通信系统运行可靠性大幅提升，使通信信号稳定、高质量传播。
3消防救援中卫星通信技术的基本应用
3.1 语音业务
在消防救援中，卫星通信技术可以在多个方面应用，其中最为关键的是保障救援现场内以及与场外指挥之间沟通无障碍，以便合理调控救援力量、把控现场情况，第一时间了解救援需要，制定科学的作战方案。因此，突出了卫星通信技术语音业务的重要应用价值。
语音技术的主要功能是保障救援人员、指挥人员等对话方便、沟通稳定，架起消防救援中的沟通桥梁。更为关键的功能是，救援中通过语言业务可以实现救援现场与救援指挥中心之间的连接，打破空间条件对救援指挥的限制。通过语音业务在后方综合管理平台上以及救援现场中接入语言信号，再将救援中接收的不同类型语言信号进行统一、标准的整合，同时满足有线电话通信、移动语音通信需求，进而满足消防救援中即时通信需求。由于事故发生后仍可能伴有次生事故发生，救援现场情况难以预测，如果位置偏远、网络信号弱，上级指挥中心难以及时掌握情况，不利于统一部署救援力量；救援现场失去科学指挥后，容易耽误救援时机，影响救援效果。通过卫星通信技术的无线语音业务连接各级人员，以稳定的交互式方式保证实时语音交流流畅；同时，也支持救援中采用不同类型移动卫星电话交流，对提高救援实效有着重要价值。
3.2 视频业务
自消防救援队伍任务向“全灾种、大应急”转型升级后，日常面对愈发广泛、复杂、多样的任务，从而使低延时、高清晰的音频视频直播作用日益凸显。基于卫星通信技术的视频业务，使消防救援现场与指挥部门以视频进行沟通、各级指挥部门以视频会议进行作战部署，有效保持现场指挥中心与上级指挥中心实时联系，两者基于相同的现场视频画面，结合救援形式与客观条件做出正确决策。其中卫星通信系统在接收视频时影像最高分辨率可以达到1M，最大限度保证清晰度，降低对救援决策的干扰，避免延误救援与指挥工作。同时，在消防救援过程中，公用网络处于开放状态，视频通过5G传输，收集动态图形进行处理。当出现无可用公用网络或公用网络瘫痪情况时，可以快速切换卫星通信技术，利用其带宽高的优势，传输清晰、饱和的影像；并能够与视频终端建立联系，在处理平台上视频与图像过程中接入卫星通道，保证救援期间现场视频会议有序进行[3]。此外，在消防救援中利用卫星直接拍摄照片可以快速传输给接收终端，从而以采集直观画面形式及时反馈救援现场情况变化，为优化作战部署提供有力的依据。
3.3 数据传输业务
消防救援期间会应用诸多救援机械、器材、设备，但在地质灾害救援中因道路遭到破坏，难以选择合适途径运输救援设施，也会影响救援效率。而利用卫星通信技术提供的数据传输业务，实时掌握救援现场情况，获取关于地理信息数据与文件，指导救援人员以高效的方式携带救援设施顺利到达现场。其中地理信息数据是现场地理条件与情况的主要分析依据，指挥人员在系统内下载卫星地理信息数据，综合分析灾情现场与周围地区情况，找到前往救援现场的合适路径；并在信息中分析周围区域活动状态，降低不安全因素的危险，保障救援人员、救援设施以及保障性物资安全送达。而传输的文件数据主要有音频、图片、视频、文字等形式，可帮助判断救援现场情况变化、评估救援形势。救援人员携带便携站安置在河道附近、泥石流滑坡区段、人员疏散点等，并穿戴AR智能头盔，及时将现场画面传回，方便指挥中心基于物联网了解河道水流、地质裂缝、现场降雨量等，预测泥石流、滑坡风险以及洪灾，保障卫星通信技术应用效果，在诸多不同场景下提供可靠的通信保障[4]。
3.4 移动式救援业务
为保障消防救援实效，通常会将移动指挥中心建设在救援现场附近，借助轻型或超轻型卫星便携站、方舱指挥车（静中通、动中通等类型）高效指挥现场作战，使各级作战人员及时收到作战指令，执行救援计划。其间，指挥人员在卫星通信技术的支持下，移动指挥中心会快速收到救援现场通信人员传回的语音、视频等信息，了解灾情实际情况，做好远程监督与遥控指挥工作。为避免传输信号失真，也可以对信号进行加密处理，安全、可靠、高效地完成通信任务。同时，在卫星通信技术的支持下可以实现与支队各级指挥中心、总队、国家消防救援局的音视频互通，使各级指挥人员了解现场情况。卫星通信移动指挥中心见图2。
3.5 “双模”卫星便携站
卫星便携站由小型设备箱以及可拆装式天线共同组成，具有布置灵活便捷、传输距离远、无线接入、覆盖范围广等诸多突出优势，在公网瘫痪的情况下，可以可靠地承担起救援现场通信联络任务，是适用于突发灾害应急救援的移动通信站。虽然卫星便携站体积小、质量轻、结构简单，但不影响通信质量、图像采集质量，从而在现代通信系统中占据越来越重要的地位。以往我国一直通过亚洲9号卫星信号建立向卫星便携站传输音频、视频的链路，但局限明显，卫星信号单一情况下容易使手机、终端设备、电脑等诸多特定设备无法接收信号。
为此，在现代先进科技的支持下，创新推出“双模”卫星便携站技术，使消防救援现场“断网”条件下应急通信时传递信息的诸多难题得以克服。“双模”卫星便携站技术中将卫星通信与无线通信技术融合，同步接收亚洲9号卫星信号以及
Ku波段亚太6D高通量卫星信号；并于互联网接入，上行、下行均可以达到高速，无需浪费时间建立通信链路，但不影响救援现场音频、画面、视频传回指挥中心的效率与质量，也不影响救援期间通过文字、图片、语音、视频等方式进行信息交互，从而使救援现场以多样化手段通信[5]。
4消防救援中卫星通信技术的应用实例
以极端自然灾害为例，结合消防救援中的特殊要求分析卫星通信技术，了解如何灵活、合理应用技术，满足不同救援条件下的通信要求。
4.1 极端自然灾害消防救援通信需求
在极端自然灾害救援中，面对恶劣的情况，消防救援队伍对于通信的基本要求主要有3个：一是随遇接入通信需求；二是业务融合需求；三是窄带通信需求。其中随遇接入通信需求是指在意外发生时用户也能够及时发出求救信号；业务融合需求是指融合业务平台与通信系统，减少业务调度中的通信壁垒；窄带宽通信需求是为避免传输中带宽过宽影响传输数据效率，且强调在通信正常、有所保障时将视频作为主要通信载体，最大限度提高通信效率，应对恶劣天气下、星上资源紧缺时对宽带通信质量的负面影响。基于以上需求，在极端自然灾害发生后，将可靠性高、速度低的语音通信作为最后的通信防线，预防通信中断问题。同时，以视频为主要方式完成通信，建立能够在卫星网络中接入音频与视频的卫星链路，方便指挥人员基于图像综合管理平台展开针对性指挥工作，保障业务与通信之间顺利完成交互，实现高效救援。
4.2 卫星通信技术应用思路
基于极端自然灾害救援提出的三大通信需求，从通信设备、音视频调度、网络管理、调制解调器等方面分析卫星通信系统的建立，形成科学、具体的卫星通信技术应用方案。
在卫星通信设备选择上，考虑灾害救援中现场的特殊、多变、危险情况，采用轻量化卫星便携站与手持式便携通信设备，可以通过指挥中心或调度平台的操控在救援中完成音视频交互；而建立卫星通信系统中将便携式卫星通信设施作为核心设备，确保救援中能够跨网络进行音视频业务的交互，为救援中应急通信提供强有力的保障。
在音视频调度业务中，建立图像综合管理平台指挥终端，接收卫星便携站传回的视频与音频，并传输给卫星链路，可以使现场指挥终端与上级指挥部门开展高质量、双向音视频会议，会议视频分辨率最低可以达到720P。同时，可以将视频系统接入视频会议中，直接在大屏上投放视频信息，了解救援现场传回的情况。
在网络管理上，以Wi-Fi与卫星网两种形式提供服务，落实二级网络管理。
在供电管理上，支持两种电压等级进行直流供电，即220V与24V，从而保证卫星通信始终正常进行，即使更新也无需中断服务。
在调试解调器设置上，应保证网关信道服务的独立性，能够接入上级管理平台中。
在其他硬件与软件设施上，采用具有线极化工作方式、一体化设计的便携式天线，使其工作时发射频率达到14.0～14.5GHz、接收时达到12.25～12.75GHz。设置带有支持波导输出接口、支持N Type输入接口、转换增益≥65db、输入阻抗≥50Ω的Ku功放模块；设置输入频率、输出频率分别介于12.25～12.75GHZ、950～1450MHz的LNB模块[6]。
4.3 卫星通信技术关键要点
4.3.1 通信保障技术
卫星通信是极端自然灾害救援中对救援效率、成功与否影响最大的一项设备，恶劣的自然环境下，为实现最低限通信畅通，选择Ku频段轻量卫星便携站、卫星电话等便携式通信设备，使卫星通信技术价值充分发挥。通过上述内容可以看出，卫星便携站小巧、便于携带，无需担心交通受阻情况下设备运输问题，但要采取按需通信上网方式，保证通信可靠性。同时，为了尽可能地在恶劣环境下保证通信系统的多元功能，需要在移动卫星通信系统中随时对Ku频段卫星通信系统进行调整，保证满足通信需要，从而通过卫星主站提供的服务功能实现随时接入。此外，为了有效应对突发因素对卫星通信的干扰，保障通信便利进行，应整合业务终端，引入智能终端支持业务通信，能够在无需连接其他终端设备情况下可靠支持线上音频、视频会议。但系统要通过扩频与降速方式，降低通信中对语音通信稳定性的干扰，保证极端恶劣天气下语音最低限通信可靠性能够保持在99%以上。同时，也可以灵活运用卫星电话，使其可用度达到99%以上，保证通信的连续性。具体技术方案见表1。
4.3.2 业务融合技术
在极端自然灾害救援中以网关或中间件作为联网载体，使应急通信网络中的功能融合，可以快速、稳定融合音视频功能，减少协议转化问题。融合过程中可以基于天地一体化信息网络，利用IPv6编址方案，统一处理地理信息与通信逻辑，解决编址编码问题；待确定编址方案后再统一编号，实现卫星通信系统内各类型编址的统一处理；而地址搜寻则可以直接通过编织字段或综合路由前缀进行[7]。应用IPv6编址方案结果显示，相异通信系统之间业务编址、寻址中的难题被解决，彻底打通卫星系统中互联互通的阻碍。但也需要物理层提供保障，设置可以互联的接口，以便系统应用中有互通链路。期间需要注意由于通信系统在开发音视频业务时采用不同协议，需要基于统一协议才能实现业务融合。
为满足复杂的通信需求，应采用多样化话音样式，因此，在互联互通条件下语音也需要整合。应建立统一的调度平台，先处理语音无法兼容情况。从目前的技术手段来看，可以采用SIP协议，转换不同类型的语音。SIP协议具有简单且实用的逻辑，先对语音进行处理，将采集的语音信息处理成标准话音，在此基础上再进行业务交互。而为实现最终的标准统一，在
SIP协议层应采取状态管理手段，对SIP信令发送、接收以及
RTP发送、接收进行管理，配合协议解析器及SIP实例、SDP 会话、收发交互等功能实现请求与响应。
视频业务融合中，需要处理视频会议与视频通信传输速率不同问题及其导致的采集设备标准不同问题，应建立标准统一的视频交互平台，借助协议转换非标准功能，再将转化后的视频接入平台内，从而形成统一的融合互通模式。
4.3.3 平台融合技术
为加深通信系统与业务平台的融合，为高效进行业务调度提供坚实保障，通过卫星调度系统交互业务调度平台方式实现通信系统与业务平台之间的深度融合，可以查询控制中心的具体运行状态，对卫星通信链路展开最终控制。
