消防部隊便攜式衛(wèi)星站通信業(yè)務(wù)終端集成問題研究

◆幸雪初 佘臣朝

（1.湖南省公安消防總隊 湖南 410600；2.浙江安正科技股份有限公司 北京 100600）

消防部隊便攜式衛(wèi)星站通信業(yè)務(wù)終端集成問題研究

◆幸雪初1佘臣朝2

（1.湖南省公安消防總隊 湖南 410600；2.浙江安正科技股份有限公司 北京 100600）

本文針對消防部隊衛(wèi)星通信系統(tǒng)便攜式衛(wèi)星站應(yīng)用存在的問題進行研究，在衛(wèi)星通信終端的深度集成方面分別進行試驗，對集成后的整體衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能進行試驗，設(shè)計出符合當前消防部隊需要的新產(chǎn)品，以提高消防部隊應(yīng)急通信保障能力。

系統(tǒng)集成；便攜式衛(wèi)星站；消防；應(yīng)急通信

0 引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋區(qū)域廣、不受地形地域限制、傳輸線路穩(wěn)定可靠、保密性強等優(yōu)點，匹配動中通系統(tǒng)，可以真正實現(xiàn)寬帶、移動通信的目的，在政府應(yīng)急職能部門得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為主要應(yīng)急通信手段之一，在各種自然災(zāi)害搶險救災(zāi)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

通過公安消防部隊“十一五”、“十二五”消防信息化建設(shè)，全國消防部隊作為政府應(yīng)急職能部門，已完成了公安部消防局、總隊、支隊級衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)，在部隊參與滅火搶險救援應(yīng)急通信保障方面發(fā)揮了重要作用，但由于各種原因，還不能完全適應(yīng)國家公共、突發(fā)事件新形勢、新任務(wù)的需要，實現(xiàn)在重特大公共事件時，保證公安消防部隊垂直的、自上而下的指揮調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)的暢通，提高公安消防部門救援實戰(zhàn)通信能力。截止 2015年底，全國消防部隊便攜式衛(wèi)星站配備了139套，車載式衛(wèi)星站配備了152套（具體統(tǒng)計情況見表1）。當前，寬帶衛(wèi)星通信在應(yīng)急通信系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，然而消防部隊應(yīng)用的便攜式衛(wèi)星站設(shè)備基本上是一些衛(wèi)星設(shè)備的簡單堆疊，組件較多，體積大，連接電纜復(fù)雜，裝配時間長，在應(yīng)急通信保障現(xiàn)場，衛(wèi)星天線組裝時間長，應(yīng)急通信設(shè)備連接點多，整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)開通時間需要15-20分鐘，不利于攜帶和快速應(yīng)急展開。為解決衛(wèi)星便攜站快速部署和展開的能力，本文結(jié)合筆者多年來工作經(jīng)驗，針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)便攜式衛(wèi)星站的終端設(shè)備進行深度集成，對整體系統(tǒng)集成后的設(shè)備性能進行了相關(guān)試驗檢驗。

表1 全國消防部隊衛(wèi)星站建設(shè)數(shù)量統(tǒng)計表

注：表中數(shù)據(jù)未包含香港、澳門和臺灣地區(qū)。

1 消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)便攜式衛(wèi)星站

1.1 簡介

便攜式衛(wèi)星站（portable earth station）以方便攜帶的箱體為載體，由便攜式衛(wèi)星天線、衛(wèi)星通信設(shè)備、業(yè)務(wù)終端設(shè)備及供電等附屬設(shè)備組成的可搬移式衛(wèi)星通信地球站。便攜式衛(wèi)星天線分為自動對星天線、半自動對星天線和手動對星天線等類型，一般情況下，消防部隊將衛(wèi)星通信設(shè)備和業(yè)務(wù)終端堆疊在多個便于攜帶的移動式機柜里，通過不同線纜與衛(wèi)星天線等相聯(lián)，組成一套完整的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其系統(tǒng)天線部分構(gòu)造見圖1。

圖1 便攜式衛(wèi)星站天線部分

1.2 衛(wèi)星通信設(shè)備

衛(wèi)星通信設(shè)備由衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器和 DVB接收機組成，DVB接收機接收部局網(wǎng)管載波和網(wǎng)管控制命令，遠程控制衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器發(fā)射載波，建立與中心雙向的傳輸通道。目前，消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星通信設(shè)備主要是 COMTECH CDM-570L和CDM-5975,設(shè)備如圖2所示。

圖2 未集成前的衛(wèi)星通信終端設(shè)備

1.3 業(yè)務(wù)終端設(shè)備

業(yè)務(wù)終端設(shè)備由視頻會議終端、音視頻矩陣和無線圖傳等設(shè)備組成，通過衛(wèi)星通信鏈路與后方指揮中心進行音視頻傳輸，利用音視頻矩陣控制本地輸入的視頻源。目前，消防業(yè)務(wù)終端設(shè)備主要是華平的視頻會議終端和視頻矩陣，設(shè)備如圖3所示。

圖3 未集成前的會議終端設(shè)備

便攜式衛(wèi)星站根據(jù)天線的不同其展開的初始對星時間也不同，在實際操作中，要根據(jù)當?shù)氐匦蔚孛病⒎轿坏惹闆r確定系統(tǒng)的展開來確定初始對星時間，具體見表2。

表2 衛(wèi)星終端設(shè)備集成前天線對星時間表

天線類型 特點 初始對星時間（分鐘）自動對星 天線加電后，自動完成對星 5半自動對星 手動安裝天線面，然后實現(xiàn)自動對星 8手動對星 天線面手動安裝，借助羅盤完成天線方位、俯仰調(diào)整，完成天線對星 15

2 系統(tǒng)集成部分

當前消防部隊便攜式衛(wèi)星站核心設(shè)備的調(diào)制解調(diào)器、功放等核心產(chǎn)品大多依靠國外進口，國內(nèi)部分衛(wèi)星通信設(shè)備企業(yè)對這些產(chǎn)品的理解普遍不太深入，所以針對目前便攜式衛(wèi)星站通信終端大多集中在便攜天線的研發(fā)，對便攜式衛(wèi)星站的通信系統(tǒng)只是衛(wèi)星收發(fā)設(shè)備的簡單堆疊，便攜式衛(wèi)星站的通信產(chǎn)品在體積、重量、功能、方便性上均有較大差距，尚未真正實現(xiàn)“便攜”和“單兵”應(yīng)用。

筆者借鑒了國際上較為先進的以色列軍用背包式衛(wèi)星通信系統(tǒng)集成設(shè)計理念，將便攜式衛(wèi)星站的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)、視頻終端、頻譜分析等部件整體進行了深度集成，對衛(wèi)星通信終端進行創(chuàng)新設(shè)計和構(gòu)建，打破了原有設(shè)備“疊加”的概念，深度集成設(shè)備板，減少設(shè)備線纜連接；產(chǎn)品集成了衛(wèi)星通信、圖像處理、話音處理、顯示輸出等功能，結(jié)合衛(wèi)星地面站實現(xiàn)雙向衛(wèi)星鏈路，實現(xiàn)圖像傳輸、話音傳輸、數(shù)據(jù)傳輸。整體由衛(wèi)星通信終端和會議終端組成，總重不超過18Kg，單個設(shè)備不高于10Kg，非常適合單兵應(yīng)用。集成外觀見圖4。

圖4 集成前后終端設(shè)備示意圖

2.1 視頻會議功能

高質(zhì)量圖像傳輸分系統(tǒng)可以將現(xiàn)場的動態(tài)圖像實時傳輸?shù)街笓]中心，可根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行路由配置，實時高質(zhì)量視頻圖像采用H.264的編碼方式。

高質(zhì)量視頻圖像傳輸系統(tǒng)采用 IP接入方式，由衛(wèi)星通信系統(tǒng)的LAN口接入，提供512K～2048Kbps傳輸信道,可實現(xiàn)點對點或點到多點（星狀）的視頻會議。

網(wǎng)絡(luò)還支持網(wǎng)狀的電視會議連接應(yīng)用。支持H.323協(xié)議的IP組播和H.320/H331廣播方式。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸功能

數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)是由多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端設(shè)備組成的綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)信道實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。

IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò)為點到點的應(yīng)用方式，通過中心站衛(wèi)星設(shè)備的路由功能，將便攜式衛(wèi)星站端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（計算機文件以及IP視頻圖像的傳輸）等應(yīng)用連接到指揮中心的網(wǎng)絡(luò)。

2.3 集成終端

集成后的終端由衛(wèi)星通信終端和會議終端組成，終端由外殼、數(shù)字式尋星電路、音視頻數(shù)字處理電路、調(diào)制解調(diào)電路、射頻電路、視頻會議、微波通信電路、以及外部接口電路組成。集成后衛(wèi)星通信終端設(shè)備如圖5所示，會議終端如圖6所示：

圖5 集成后的衛(wèi)星通信終端

圖6 集成后的會議終端

3 電磁兼容

電磁兼容采用的主要有三種技術(shù)：濾波、接地、屏蔽。

除了在電源輸入接入濾波器外，采用EMI電源濾波技術(shù)，采用反極性等匝電感配合相應(yīng)電容對供電電路消除共模干擾。模擬地與數(shù)字地、電源地均通過電磁電容隔離，采用包地及多點隔離的方法將輸入/輸出信號的干擾噪聲降低至EMC要求以下。

為了能夠減少射頻干擾和電路模塊間的串擾，本設(shè)計采用多腔體板級電磁屏蔽罩消除板內(nèi)電磁和射頻金屬隔離板材消除板間及射頻干擾的辦法，對產(chǎn)品的腔體進行分割和封裝，在減少重量的情況下提高電磁干擾的能力。經(jīng)過電磁兼容處理前后,射頻干擾電平約有35dB的改善，如圖7所示。

圖7 電磁兼容處理前后干擾耦合功率比較

4 集成后實驗

根據(jù)行業(yè)標準《消防衛(wèi)星通信系統(tǒng) 第 1部分：系統(tǒng)總體要求》（GA/T 971.1-2011）和《消防衛(wèi)星通信系統(tǒng) 第2部分：便攜式衛(wèi)星站》（GA/T 971.2-2011）的要求，集成后筆者對衛(wèi)星天線、衛(wèi)星通信及業(yè)務(wù)終端等部分進行了實驗檢驗，具體對天線的交叉極化隔離度、天線增益、旁瓣特性、LNB的頻率穩(wěn)定度、基帶傳輸性能、圖像質(zhì)量和聲音質(zhì)量等方面進行了實驗檢驗。

4.1 天線參數(shù)對比表

此次天線性能測試所用設(shè)備為頻譜儀、信號源、適量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試氣候條件為晴天。其中，利用頻譜儀進行測試的連接圖如圖8所示：

圖8 集成后天線、衛(wèi)星終端、頻譜儀連接示意圖

4.1 .1天線駐波比

駐波比又稱電壓駐波比（VSWR,Voltage Standing Wave Ratio）,指駐波波腹電壓與波谷電壓幅度之比，駐波比接近1:1時，表示饋線和天線的阻抗匹配。天線駐波比測試曲線結(jié)果如圖9所示。

圖9 天線駐波比測試曲線圖

4.1 .2天線極化隔離度

調(diào)整天線方位和俯仰角，使頻譜儀接收的信號電平最大，測量垂直極化的衛(wèi)星信標信號，記錄測試電平。然后將天線饋源旋轉(zhuǎn)900，用頻譜儀測量水平極化的衛(wèi)星信標信號，記錄測試電平。極化隔離度等于頻譜分析儀測出的垂直極化的信標信號電平減水平極化的信標信號電平。

4.1 .3天線增益

設(shè)置頻譜儀工作狀態(tài)，測量天線接收方向圖，首先固定天線仰角不動，測量天線接收方位方向圖，然后固定天線方位，測量天線接收俯仰方向圖，利用頻譜儀碼刻功能，通過手工方法對測量結(jié)果進行處理，獲得待測天線方向圖的主瓣電平、副瓣電平、3dB波束寬度、10dB波束寬度，滿足衛(wèi)星入網(wǎng)要求。

天線性能具體測數(shù)據(jù)如下表所示：

表3 天線性能測試數(shù)據(jù)表

天線方向圖測試數(shù)據(jù)如圖10所示：

圖10 集成后天線方向測試圖

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用對比表

天線對星后，使用視頻會議終端與后方指揮中心視頻會議終端進行呼叫，設(shè)置視頻會議終端視頻編碼為 D1格式，每秒 25幀，測試圖像和聲音質(zhì)量，在視頻會議終端的網(wǎng)絡(luò)測試窗口中PING指揮中心終端的IP地址，測試數(shù)據(jù)傳輸延時。

4.3 集成后對星初始時間

根據(jù)不同類型的天線，從天線面現(xiàn)場安裝開始計時，到DVB接收機LOCK指示燈鎖定，表明天線完成對星，記錄經(jīng)過時間。

4.4 應(yīng)用情況

集成的整套系統(tǒng)經(jīng)湖南、北京市、寧夏自治區(qū)、湖南省、貴州省等消防總隊試用，反映系統(tǒng)連接簡單、操作快捷、接口清晰、按鍵清楚，整體開通時間比以往設(shè)備所用時間大大縮短，應(yīng)急通信任務(wù)中的攜行和保障能力大幅提升，對于新操作的人員只需簡單培訓即可進行簡單操作，衛(wèi)星通信聯(lián)通后接入消防指揮視頻系統(tǒng)操作簡潔，在現(xiàn)場能快速進行部署。

表4 集成前后會議終端測試表

表5 集成前后天線對星時間表

5 結(jié)論

（1）由于測試工裝的局限性，天線的交叉隔離度測試的不夠準確，在本文中沒有列舉；集成后天線的電壓駐波比小于1.3，方向圖滿足 29-25*logθ的包絡(luò)要求，說明集成后衛(wèi)星通信終端滿足天線的電性能入網(wǎng)要求。

（2）由于EMC測試的局限性，本文只對集成后設(shè)備的RE（輻射、發(fā)射）、RS（輻射抗擾）和PMS（工頻磁場抗擾度）進行了測試，測試結(jié)果符合相關(guān)國家規(guī)范標準要求。

（3）集成改裝后經(jīng)實際測試和驗證，基本不影響衛(wèi)星天線功能，設(shè)備在現(xiàn)場搭建簡化了設(shè)備內(nèi)部連線，開通更加快捷迅速，可進行傻瓜式操作。

（4）由于測試工具和環(huán)境的局限性，天線的跟蹤精度和抗風能力無法進行測試驗證，需要進一步找相關(guān)檢測機構(gòu)進行驗證。

（5）在測試過程中由于散熱出現(xiàn)了設(shè)備發(fā)射異常，經(jīng)過重新調(diào)整加大散熱功放，在連續(xù)72小時測試過程中通信正常。

[1]武警消防部隊信息化建設(shè)項目總體實施方案[N]，2009.

[2]全國公安消防部隊衛(wèi)星通信網(wǎng)建設(shè)方案[N]，2009.

[3]GA/T 971.1-2011,消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)第1部分：系統(tǒng)總體要求[S]，2011.

[4]GA/T 971.2-2011,消防衛(wèi)星通信系統(tǒng)第2部分：便攜式衛(wèi)星站[S]，2011.

[5]夏克文.衛(wèi)星通信[M].西安,西安電子科技大學出版社，2008.

[6]謝益溪.無線電波傳播—原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2008.