衛星通信在“三江源”生態監測中的應用

龍 珂，王熹微，李昌華

（中國空間技術研究院，北京　100094）

1　三江源全國生態地位

青海省是三江之源，是我國淡水資源的重要補給區和水源最重要涵養區，是國家青藏高原生態安全屏障的重要組成部分，是我國“三屏兩帶”生態安全格局的重要組成部分；同時是全球氣候變化的啟動區，是全球氣候變化的最敏感區，省內的三江源、祁連山、青海湖等生態功能區對我國西北地區有重要的生態調節作用。

三江源地區具有獨特而典型的高寒植被系統，是全球氣候變化的最敏感區，在全球氣候變化及植被對氣候變化響應研究中具有重要地位，同時，也是我國重要的珍稀物種繁衍中心和最重要的生物基因庫之一。在過去幾十年內，三江源生態系統表現出草地退化、土地荒漠化、農牧業產量下降等方面的趨勢。

二〇一六年八月二十二日至二十四日，習近平總書記在青海考察時強調：“生態環境保護和生態文明建設是我國持續發展最為重要的基礎。青海最大的價值在生態，最大的責任也在生態，最大的潛力也在生態，必須把生態文明建設放在突出位置來抓，尊重自然、順應自然、保護自然，筑牢國家生態安全保護屏障，實現經濟效益、社會效益、生態效益相統一”，同時指出，“‘中華水塔’是國家的生命之源，保護好三江源，對中華民族發展至關重要”。青海生態氣候環境地位的重要性和特殊性就在這個評價里。

2　三江源生態監測系統現狀

2.1　建成了覆蓋重點生態區域的監測體系

基于青海省環保部門開展的生態監測工作的積累，已初步完成了青海省三江源區及青海湖流域生態監測站點體系建設、監測儀器設備購置、人員培訓等能力建設；開展了包括草地、濕地、森林、沙化土地、水文水資源、水土保持、環境質量、氣象要素與氣候災害等地面監測、重點區域社會經濟補充調查和區域生態環境狀況遙感監測，初步構建了覆蓋三江源區域與青海湖流域的“天地一體化”生態監測體系；

2.2　建成了生態監測地面傳輸網絡

網絡系統依托國家、省電子政務外網，青海省建成了上聯環保部、下聯市（州）、縣（區、市、行委）三級環保局的環境保護業務專網，實現了省廳與各市（州）、縣（區、市、行委）環保局之間的網絡連通和數據傳輸。內網方面：省廳與大部分市（州）環保局均已建成局域網，并實現了與同級黨政機關電子政務網的聯接。外網方面：全省各級環保局均開通了帶寬不等的互聯網線路。目前州（市）環保局到省環保廳是6M，西寧、海東和海北的縣到州（市）是2M，其余縣到州（市）為1M帶寬。

2.3　研發了多個生態監測數據服務系統

整合了三江源生態監測數據服務平臺、青海湖生態監測數據服務平臺、青海省重點生態功能區縣域生態環境質量考核工作平臺、三江源生態監測站網管理系統、青海省生物多樣性數據服務平臺等，建立了青海省生態監測數據服務平臺，開展并完成的省重點污染源自動監控系統、排污費全程信息化系統、污染源信息直報系統、污染源工況監控系統、重點監控企業信息發布平臺、環境保護電子政務信息交換平臺、環境保護信訪信息管理系統等二十余個業務信息系統。

3　三江源生態監測通信需求

3.1　監測站點間固定通信

三江源國家公園管理局各監測站點位于保護區內各個鄉鎮，位置分散且距離較遠。為了提升管委會各監測站點的日常管理效能，需要為其建立通信手段，滿足各監測站點與管委會、各監測站點之間的雙向通信，支持文件、語音、視頻等業務傳輸，滿足保護區日常管理和生活需求。

3.2　野外作業點臨時通信

受保護區自然環境影響，野外作業人員的考察環境往往處在無人區，幾乎沒有地面通信網絡覆蓋，對作業人員的工作及人生安全造成巨大的影響和隱患。為了提升野外作業人員的工作效能，需為野外作業點建立臨時通信手段，以滿足作業人員與管委會之間的語音、文件、數據等通信傳輸；同時，還可在野外作業遇上危險或者具有特殊發現時，及時與管委會建立聯系，匯報情況或求助。

3.3　監測執法通信

三江源是我國面積最大的自然保護區，在這樣大范圍的土地面積內進行執法監測，國家公園管理局可以配備監測執法車輛。可以在監測執法車輛上配備衛星通信設備，使車輛保護區進行野外監測執法作業時能夠與管委會通連，及時傳輸數據，支持遠程雙向視頻會商，提升監測執法效果。

4　衛星通信在三江源生態監測中的應用

4.1　系統組成

結合三江源的通信需求，以及衛星通信系統的優勢，給出三江源衛星通信總體設計。該系統工作在Ku頻段，選擇中星10號（東經110.5°）衛星，可覆蓋三江源地區。該系統由主控站、固定站、便攜站、背負站、動中通、靜中通以及北斗系統組成，通過衛星鏈路提供文件、語音、視頻等業務傳輸，支持遠程雙向視頻會商及互聯網接入服務，可有效提升三江源管理局對各監測站點的日常管理效能，提升監測執法效果，滿足三江源的通信需求及生態環境大數據中心的數據共享需求。系統總體設計架構如圖1所示。

圖1　系統總體設計架構圖

系統采用國產化自主研發的衛星通信系統，自主可控，安全性強，技術體制成熟，遵循DVB-S2/DVB-RCS2標準，采用TDM/MF-TDMA體制，支持混合組網。系統指標先進，信道資源利用率高，具有自適應功率控制、自適應載波調整、自適應編碼調制相結合的抗雨衰技術，支持多種資源分配方式和基于優先級的分配策略，系統具有全IP接口，支持多種地面網和移動網絡互連。系統組成如下：

（1）主控站。主控站是整個通信系統的核心，是系統的數據交換和控制中心。依托已有的主控站，進行三江源各監測站點管理和數據接入工作，并配置地面光纖，以專線形式完成從主控站到三江源管理局的數據接入工作。同時在三江源管理局建設固定站，作為地面光纖的備份通信手段。

部署在主控站的網管系統是全網最高級別的管理者，負責對全網內所有固定站、便攜站、動中通、靜中通以及背負站進行管理，并協調全網資源和設備的分配，使整個網絡正常運行，保障管理局與各監測站點之間業務數據互聯互通。同時，網管系統可對三江源管理局開放相應的操作權限，通過部署衛星通信系統網絡管理平臺軟件，使管理局能夠參與載波劃分、資源分配等管理操作。

（2）固定站。三江源國家公園各監測站點位于區域內各個鄉鎮，位置分散且距離較遠。為了提升管理局各監測站點的日常管理效能，建立衛星通信固定站，滿足各監測站點與管理局、各監測站點之間的雙向通信，滿足重點監控區域和環境應急情況下的通信傳輸保障，支持文件、語音、視頻等綜合業務傳輸，提供互聯網接入服務，滿足監測站點日常管理和生活需求。

（3）便攜站。受保護區自然環境影響，野外作業人員的考察環境往往處在無人區，幾乎沒有地面通信網絡覆蓋，對作業人員的工作及人生安全造成巨大的影響和隱患。為了提升野外作業人員的工作效能，為外出作業的越野車及作業人員配備便攜式衛星通信站，能夠在野外作業點快速建立臨時的衛星通信網絡，滿足作業人員與管理局之間的語音、文件、數據等通信傳輸。

（4）背負站。由于三江源國家公園的地形復雜，在外出作業的越野車無法到達的區域，為野外作業人員配發輕便、操作簡單的衛星通信背負終端，可以在野外無通信覆蓋區域內，提供遠程互聯網接入，及時傳輸數據、話音等重要外場作業信息。同時，在野外作業遇上危險或者有特殊發現時，及時與管理局建立聯系，匯報情況或求助。

（5）動中通/靜中通。三江源國家公園是我國面積最大的自然保護區，在這樣大范圍的土地面積內進行執法監測，為三江源管理局配備監測執法車輛。對監測執法車輛進行改裝，配備衛星通信設備，使車輛在國家公園內進行野外監測執法作業時能夠與管理局通連，及時傳輸數據，支持遠程雙向視頻會商，提升監測執法效果。

（6）北斗系統。為方便野外作業人員對重點區域的監測，提高響應能力，為野外作業人員配備北斗手持終端，作業人員可通過使用小型化的手持終端，實現衛星定位、導航及所處地理位置信息的發送，管理局可全局掌控外出作業人員的情況。同時管理局可利用北斗指揮機將地圖、位置顯示、調配等數據信息下發至北斗終端，方便作業人員對重點區域的監測。

4.2　系統功能

結合三江源的通信需求，衛星通信系統可提供以下功能：

（1）監控錄像傳送。三江源國家公園各監測站點配置視頻采集終端，用以監控外圍動態，通過衛星通信系統，采集終端獲取的音視頻數據可傳送至三江源管理局，為上級提供分析數據支持。

當某處監測站點監控到有價值信息（如野生動物活動，可疑人員跡象等），可立即將監控的視頻畫面實時回傳到三江源管理局，便于管理局指揮人員實時獲取資源，提高事件的決策和處置效率。也可通過存儲設備記錄采集設備監控到的視頻，在衛星網絡業務數據量小時傳回三江源管理局，可提高帶寬利用率，有效節省衛星資源。

（2）遠程語音通信。衛星通信系統不受地理、環境等因素制約，可為三江源國家公園提供全時、全天候、高可靠性的話音通信業務。通過衛星通信系統，管理局與各監測站點之間可進行實時的話音交流，實現監測站點狀態反饋。

（3）互聯網接入服務。各衛星通信站點均支持互聯網接入功能，可為各監測站點、臨時監測站點等提供互聯網接入、網頁瀏覽、電子郵件等多業務應用，實現IP業務在衛星鏈路上的傳輸。

（4）視頻會商決策。系統支持視頻會議功能，三江源管理局可與各監測站點、便攜站、動中通/靜中通監測執法車召開視頻會議，為遠程政務協商、決策商議制定提供可靠通信保障。

（5）監測執法巡邏。為三江源國家公園大面積監測執法巡邏提供支撐，對監測執法車輛進行改裝，配備衛星通信設備，使車輛在國家公園內進行野外監測執法作業時能夠與管理局通連，及時傳輸數據，提升監測執法效果。

（6）北斗定位導航。為保障三江源野外作業的時效性及有效性，野外作業人員能夠在第一時間，向管理局匯報監測現場情況、周邊態勢、以及作業人員位置信息，同時管理局可將地圖、位置顯示、調配等數據信息下發至作業人員，方便作業人員對重點區域的監測。

（7）應急情況的通信保障。在重點監控區域和環境應急情況下，地面光纖可能遭到毀壞，系統可保障在應急情況下管理局也可接收到實時的監控區域資料，提供可靠的通信傳輸保障。重點監控區域的監測站點可將攝像監控采集到的視頻以文件形式通過衛星鏈路傳輸至三江源管理局，便于管理局指揮人員獲取資源。同時，以具備機動能力的車輛作為裝載平臺，集成各種通信設備，具備視頻會議、IP電話等功能，用于現場視頻回傳、應急指揮通信等，形成具有突出的機動性、適用性和可全天候運行能力的移動衛星業務終端，滿足應急狀況下的通信保障。

4.3　應用模式及網絡規劃

根據三江源的通信需求，衛星通信終端有固定站、便攜站、背負站、動中通及靜中通，典型業務是視頻會商、語音電話、監控視頻數據傳輸、互聯網接入以及其他綜合業務的傳輸。

4.4　應用場景

（1）日常模式。在日常模式下，系統可保障各監測站的日常辦公，如文電傳輸、語音通話、互聯網接入等，滿足監測點工作人員的日常辦公需求，同時可支持日常巡邏車輛的執法作業需求，滿足野外監測數據的傳輸。

（2）應急模式。在重點監控區域和環境應急情況下，動中通可快速到達事故現場，通過集成各種通信設備，實現管理局和突發事件與災害現場的話音通信，同時實現現場視頻圖像和相關數據的傳輸，業務集語音、數據、視頻于一體，超越時間與空間的限制，為應急指揮調度提供支撐。

（3）視頻傳輸模式。當在重點監測區域的監測站點監控到有價值信息（如野生動物活動，可疑人員跡象等），可將監控視頻畫面采用高清畫質回傳到三江源管理局指揮大屏，便于指揮人員通過監控畫面進行決策及指令下達，提高應急事件的決策和處置效率。同時支持動中通與三江源國家公園管理局標清視頻會商的功能。

4.5　業務量估算

三江源國家公園衛星通信系統在工作過程中，主控站將前向業務數據配置到TDM載波中廣播發送至所有遠端站；動中通數據配置到eSCPC載波中回傳給主控站，固定站、便攜站、背負站和靜中通數據配置到MF-TDMA載波中回傳給主控站，主控站再通過光纜專線將業務數據傳輸至三江源國家公園管理局，進而實現管理局與多個端站間的雙向數據鏈路。管理局與多個端站互通時，載波規劃如圖2所示。

圖2　載波規劃示意圖

管理局與多個端站互通模式網絡規劃示意圖如圖3所示。

圖3　網絡規劃示意圖

考慮到三江源國家公園的實際需求，電話業務所需速率為64kb/s，視頻會商傳輸所需速率為2Mb/s，高清監控視頻回傳所需速率為4Mb/s，還需綜合考慮文電傳輸、封裝等業務處理開銷，建議固定站、便攜站、背負站、靜中通共享4Mb/s傳輸速率，動中通配置2Mb/s傳輸速率。主控站能實現向端站廣播4Mb/s業務傳輸速率，所有端站向主控站能達到共回傳6Mb/s（含開銷）業務傳輸速率。在確保衛星通信鏈路暢通的情況下，應盡量提高衛星信道帶寬的使用效率，結合業務所需的傳輸數據率，選取主控站前向調制方式為8PSK 2/3，各類型端站回傳調制方式為8PSK 2/3。頻率帶寬需求分析如表1所示：

表1　頻率帶寬需求分析表

6MHz的衛星信道帶寬可滿足以下典型業務需求：

⊙ 日常模式下可滿足監測固定站點數據傳輸、語音通話及互聯網接入等低速率業務需求，支持7個站點每路580kb/s的并發速率；同時支持監測執法車輛2Mb/s的日常巡邏數據傳輸需求。

⊙ 應急模式下動中通可快速到達事故現場，支持動中通回傳2Mb/s業務，同時支持攜帶的1套便攜站和1套背負站回傳各2Mb/s業務。

臨時模式下當某處監測站點發現有價值信息時，可保障一路4Mb/s高清監控視頻的回傳，同時可保障管理局與動中通標清視頻會商的進行。

5　結束語

三江源國家公園管理局衛星通信系統，通過對環境影響極小的衛星通信系統的建設，彌補三江源區域各監測分系統聯網能力低下的短板，在光纖網絡無法覆蓋或者故障的情況下，為區域通信提供安全有效 的通道，提高整個通信系統的服務能力和共享水平，實現國產衛星通信鏈路在三江源區域覆蓋。通過信息化建設加強三江源區域生態的保護，貫徹落實中央要求，建設三江源智慧公園，實現智能管理三江源國家公園。

根據此次三江源國家公園衛星通信系統的建設需求，旨在為三江源國家公園建設一套功能齊全、性能可靠、技術領先的以衛星通信為主、其他通信手段為輔的系統，本系統具有數據、話音、視頻等多種業務傳輸能力，安全保護措施齊全，可靠性高，環境適應能力強。該項目通過衛星通信網絡的建設，結合當前先進的監測技術手段，集成于系統管理平臺，使各站點工作人員可以即時上傳數據，對重點保護區域實施監控，還可以獲取常年監測數據。在提高保護區的信息化管理水平的同時，滿足國家公園生物多樣性保護和監測、數據傳輸、信息共享及日常通信的需要。■

[1]除多，普布次仁，德吉央宗等.西藏高原中部草地地上生物量遙感估算方法[J].山地學報，2013，3l（6）：664.671.

[2]高添，徐斌，楊秀春等.內蒙古西部草原地上生物量的遙感估算[J].中國沙漠，2013，33（2）：597-603.

[3]劉紀遠，邵全琴，樊江文.三江源生態工程的生態成效評估與啟示[J].自然雜志，2012，35（1）：40-46.

[4]肖桐，劉紀遠，邵全琴.近20年青海三江源自然保護區植被生產力變化模擬[J].地球信息科學學報，2009，ll（5）：557-565.

[5]劉正佳，邵全琴.i江源地區植被覆蓋度變化及其與氣候因子的關系[J].水土保持研究，2014，2l（6）：334.339.