消防救援衛星通信設備的運維與保障—以四川省為例

文｜趙歡 何海洲 郭君峰 張萬寧

1.重慶兩江衛星移動通信有限公司成都分公司 2.成都時代星光科技有限公司

一、前言

衛星通信的通常定義是指利用位于太空中的衛星作為中繼傳輸節點開展的通信服務。與地面通信相比，衛星通信的主要優點包括其廣域覆蓋性（理論上，單顆同步衛星便可覆蓋約1/3的地球表面積）以及對地面自然災害的容忍性（與此相反，4G/5G基站等地面通信設施在自然災害發生時極易被破壞）。因此在國內外的衛星通信應用中，針對地面通信難以覆蓋的地區（如海洋區域）及災害狀況下的應急通信保障一直是業內重點關注的領域。在國內目前相對成熟的衛星通信行業應用中，消防救援工作是一類典型的可充分發揮衛星通信優勢的領域，在我國西南地區的四川省體現得更加明顯。自然災害（如泥石流、森林火災等）的常發區域本身往往是人煙稀少地區，地面通信網絡的建設力度與覆蓋密度不能與城鎮區域相比；而當災害發生時，地面通信網絡基礎設施往往首當其沖遭到破壞，進一步加劇了現場通信保障的困難。因此在目前國內消防救援工作中，衛星通信設備已成為重要裝備，并在實踐工作中發揮了不可替代的作用。

但另一方面，消防救援工作中的衛星通信與其他應用場景相比也有其特殊性。由于自然或人為災害的發生通常都難以預見，即意味著消防救援工作開展以及應急通信保障需求具有明顯的突發性與臨時性，而從衛星通信系統運營的角度而言，也意味著難以為應急通信分配固定的衛星轉發器資源（帶寬與時長），只能采取臨時按需分配的形式。在全國消防救援衛星通信統一由消防部局平臺管理的前提下，最終呈現的將是一個大量用戶隨機接入、資源動態分配的復雜系統，運營中可能會面臨各種挑戰；從用戶的角度，其配備的衛星通信設備可能在絕大多數時間處于待機或閑置狀態，但要求在救援工作開展時能迅速投入正常使用。目前消防救援衛星通信網內的用戶終端（即全國各省市消防救援支隊/大隊的衛星通信設備）由于通常采用招標采購的形式，其形態難以統一化與標準化，對實踐中的運維與保障也提出了更高的要求。

作者根據近年來從事四川省內消防救援衛星通信行業工作的經驗，總結了該行業內運維保障工作的若干特點，并針對幾類常見的問題提出了針對性的措施。四川省內由于地理環境復雜，自然災害多發，消防救援工作對于衛星通信的依賴程度以及衛星通信設備完好率的要求都高于國內的平均水平[1]，以此為基礎總結的經驗也更具有代表性與參考價值。本文將主要針對消防救援這一特定行業內的問題進行探討。

二、四川省消防救援衛星通信設備運維保障工作的特點

如前所述，運維保障工作的最終目的是保證衛星通信設備的完好率與可用性，尤其是在突發性救援任務時能迅速投入使用的能力，而此類工作的開展方式與特點也顯然取決于消防救援行業內衛星通信應用及設備自身的特點。作者根據近年來的工程經驗做了以下幾方面總結，其中既有對運維工作開展有利的因素，也有需要重點考慮的風險性因素。

1.衛星通信設備操作的標準化程度較高

消防救援工作目前的衛星通信應用實踐中，操作的標準化與簡單化是重要趨勢，也是應急通信保障工作的必然要求。其他文獻中曾有提到[2]，一方面，消防救援工作的緊急性往往不允許在現場開展復雜的通信設備調試工作；另一方面，消防救援人員由于自身教育背景、服役期限以及輪崗等因素，其對衛星通信的掌握程度也不宜按照專業技術人員的水準預估。因此在交付時間較晚的衛星通信車等設備，尤其是2018年后交付的項目中，主流趨勢是盡可能簡化一線人員的操作。例如在理想狀況下，前方人員只需要開啟車載動中通天線與功放，完成自動對星與校準后，根據部局下發的鏈路信息（上下行頻點），可在終端管理軟件上一鍵點擊建立鏈接，應用層的軟件（如視頻會議軟件）也通常預置登錄信息，可自動登錄部局平臺的視頻會議系統，并與后方指揮中心建立聯系。標準化的操作流程一方面簡化了現場運維保障工作的難度，即使出現故障也較容易復現排查，但另一方面，由于系統本身架構與功能的復雜性，簡化前方操作的必然代價則是將大量的網管功能移至部局平臺端完成，實踐中由于部局平臺自身也可能發生問題，前方往往難以第一時間判斷原因。

2.運維保障工作的復雜性明顯

運維保障工作的復雜性可從不同的角度體現。相關文獻中[3]提到了衛星通信一體化應用的觀點，遵循這一原則，衛星通信指揮車等大型平臺可作為現場救援指揮與通信的綜合應用平臺，搭載種類豐富的消防救援裝備，作為通信傳輸信道的衛星通信設備也意味著需要對接越來越多的數據來源。而在復雜的數據傳輸鏈路中，任何一個環節出現問題都可能導致數據無法正常傳輸，現場人員缺乏排查手段與經驗時，往往直接歸咎于衛星通信的問題，可能會誤導技術人員的排查方向。以單兵圖傳采集為例，端到端的數據傳輸需要經歷的環節包括原始數據采集（手持攝像頭拍攝）、視頻編碼壓縮、短波無線電傳輸與接收、矩陣切換、衛星通信調制與發射、后方指揮中心接收與顯示等多個環節，實踐中已發生多次前方人員報稱衛星通信故障，但經仔細排查后發現是其他設備異常的案例。

運維保障工作的復雜性還體現在故障原因分析中。衛星通信設備由于采購價格通常較高，服役期限較長，而消防救援工作的現場工況復雜，在其使用年限的后期可能發生很多難以預見的故障，即使在可以將故障部位明確定位至衛星通信設備的情況下，具體的故障原因分析也往往需要工程人員具有豐富的經驗。

3.不可控因素較多，運維工作要求具有全局性思維

由于消防救援的衛星通信涉及部局平臺與用戶設備的互聯互通，且用戶設備（主要指衛星通信車）本身也是復雜的集成項目，實踐中的衛星通信故障原因排查及維保工作往往會超出衛星通信本身的范疇（例如，車輛底盤或機械故障可能會直接影響動中通衛星天線工作），此類情況本文不作詳細展開討論，但要求技術人員必須具備系統工程的思維，才能更好地完成維護保障工作。

三、典型案例分析

以下給出根據近年來工作經驗總結出的幾類典型維保工作案例，其產生原因、故障現象與后果、針對性措施都各不相同。

1.由于外在不可控因素導致的異常

前文提到的部局平臺側的問題便是典型的外在不可控因素。其他文獻[4]對此也早有認識，由于我國消防救援衛星通信系統已運行多年，早期設計的局限性在今天的運行中將不可避免地導致一些問題。此類情況的難點在于部局系統的設計與工作狀況對于一線完全處于黑箱狀態，在無法與部局實時溝通的情況下，現場很難定位故障原因。例如，在消防救援早期應用的Comtech平臺中，部局通過私有協議將全國的消防支隊劃分為若干組（101～108），終端在請求接入平臺時必須按照對應的組別，否則將無法接入，而一旦部局給出的組號錯誤（現場無法校驗），產生的現象是衛星通信鏈路層一切參數正常，但應用層無法建立鏈接。在2019年下半年從亞洲七號至亞洲九號的轉星工作中，曾有四川省某地級市支隊報稱動中通故障，現場維修人員調試近4天，設備一切正常，經與部局工程師反復確認，才最終發現是該支隊組號分配錯誤（四川省內部分衛星通信設備劃入104組，另一部分則劃入108組），修改后立即恢復正常。可以預見，一旦在真正的消防救援工作中因為這類問題影響衛星通信，可能帶來嚴重的后果。

另一個典型的外部不可控因素則是來自其他消防救援支隊的設備。由于前述衛星轉發器資源動態按需分配的原則，目前國內消防救援衛星通信的資源分配方式是部局租用亞洲九號衛星上一個完整的Ku 54MHz轉發器（線性極化），由全國數百個地級市消防支隊共享。在此情況下，衛星通信天線的極化隔離度不夠是最常見的問題（通常要求至少不低于20dB的隔離度），而任意一個支隊的天線問題（無論是極化隔離器部件問題還是由于天線ACU程序異常而對星不準）都可能導致衛星轉發器整體的極化隔離度不達標，直接影響正交極化的另一個轉發器正常運行，實踐中部局曾多次通報這一問題。

針對此類問題的主要措施是技術人員必須加強對本地衛通設備的了解，盡量在保證本地設備工作正常，并利用衛星通信設備自帶的自發自收功能驗證通信鏈路正常的基礎上（同時還要將調試時間控制在合理范圍內），再對部局平臺或其他支隊的工作狀態提出合理懷疑，并積極配合部局的驗證工作，排查相關故障。

2.由于設備自身原因導致的異常

此類問題的主要原因如前所述，是由于設備使用年限較長、應用工況復雜而導致的異常，其難點在于同樣的現象背后可能有不同的原因。典型的例子是LNB高頻頭，由于消防救援衛星通信系統轉發器資源緊張，每次分配給用戶的頻率帶寬很窄（僅支持2Mbit/s的傳輸速率），LNB需要很高的本振穩定度才能準確鎖頻（項目設計需求通常為5kHz或更高的精度），一旦LNB該項指標性能下降（由于溫濕度變化或老化而產生的晶振性能劣化），可能會導致傳輸不穩定，在現場沒有頻譜儀等測試設備的情況下，很容易被誤判為線纜、射頻接頭或天線軟波導的問題（線纜或接口老化的問題在實踐中也比較常見），延誤維保工作進度。

另一個典型的案例是動中通天線的對星問題。如前所述，常規的一鍵自動對星功能實現的保障是后臺硬件設備與軟件算法工作狀態正常，而實踐中也是故障的高風險點，且故障原因并不局限于天線本身。2019年下半年的四川省消防救援衛星通信設備巡檢工作中，曾有兩個支隊同時報稱動中通對星異常，但現場發現故障原因截然不同。支隊A將天線控制單元ACU程序重置、重新寫入參數后恢復正常，支隊B則在完成所有排查后才發現是GPS接收單元異常（動中通天線自動對星的參數解算是以當前GPS位置為基礎，在沒有GPS輸入的情況下無法完成）。

對于此類問題，要求技術人員應更加注重工程經驗的積累，并針對最常見的故障原因提前準備好維修備件與工具，減輕設備異常帶來的不利影響。

3.由于人為操作不當導致的異常

此類問題的特點是人為因素的隨意性較大，導致問題的具體原因及后果都有較大的差異。在較樂觀的情況下，異?，F象完全由人為操作不當引起，設備本身并未故障。例如，便攜式衛星通信站天線雖然也具備自動對星功能，但其內置ACU算法性能顯然無法與車載動中通天線相比，要求便攜站擺放必須大致面對正南方向才能完成解算（角度偏差超過一定范圍將無法自動對星），實踐中經驗不足的一線消防救援人員常常遇到這一問題。但另一種較嚴重的情況則是與第2類問題同時出現并相互作用，即人為的操作不當加劇了設備原有的異常現象，最終導致故障超出現場可處理的范疇。2019年下半年，四川省某支隊報稱動中通天線無法正常工作，維修人員在完成常規的線纜與接頭檢查，ACU天線管理單元程序重置、更換電路板等所有現場可嘗試措施后仍無法解決問題，聯系天線廠家進一步排查發現，故障的初期原因是ACU程序異常無法對星，但現場操作人員由于長時間反復嘗試并一直保持功放開機狀態，輸出功率無法以電磁波輻射的形式正常耗散，天線內溫度嚴重超標，最終將極化探針的固定膠熔化并導致探針脫落，必須返廠維修。對于此類問題，由于其嚴重性較高，主要的應對措施除了加強對一線消防救援人員培訓相關注意事項、避免再次發生外，工程技術人員必須做好詳細的故障記錄，后續遇見類似問題時作為排查的依據（該問題在2019—2020年內還有其他支隊發生過，在已有相關經驗的基礎上迅速完成了排查與修復工作）。

四、結束語

消防救援工作中的衛星通信是保障消防救援隊伍戰斗力的重要手段，而作為高技術裝備及復雜的系統工程產品，針對衛星通信設備開展的運維保障工作也是保證其服務能力的必要措施。長遠來看，運維保障工作的意義還包括通過相關經驗與數據的積累，反饋至相關的設計廠家進行產品設計優化，從根本上提升衛星通信設備的性能與可靠性。本文總結的四川省消防救援衛星通信設備運維保障工作特點以及相關案例分析可為相關設計方以及工程技術人員提供一定的參考。