面向應(yīng)急通信的衛(wèi)星便攜終端箱設(shè)計與應(yīng)用

李 堃，甄 迪，宇世俊

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2.西藏自治區(qū)公安廳反恐怖特別偵察隊七支隊，西藏 拉薩 850000；3.北京航天萬達高科技有限公司，北京 100143）

0 引 言

衛(wèi)星通信憑借覆蓋范圍廣、不受地理條件限制、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，在應(yīng)急通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。地球站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)承載平臺的不同可分為固定站、車載站、便攜站、船載站以及機載站等多種類型，適用于不同的環(huán)境條件和應(yīng)用場景[1]。衛(wèi)星便攜站具有方便攜帶、體積小、便于操作等優(yōu)勢[2]。便攜站適用于山區(qū)和車輛通行受限的地方，通過人員背負、車輛運輸、空投等多種方式將物資運輸至應(yīng)急現(xiàn)場，并與指揮中心建立衛(wèi)星通信鏈路，根據(jù)實際需求將現(xiàn)場情況傳輸至指揮中心，如數(shù)據(jù)、語音、圖像等信息[3-4]。現(xiàn)階段，便攜站終端箱主要由各廠商根據(jù)行業(yè)實際業(yè)務(wù)需求定制生產(chǎn)，沒有明確的功能和指標要求，因此使用不方便。例如，由于終端箱體積有限，部分設(shè)備的安裝受到限制，致使終端箱功能不全；電話功能的實現(xiàn)主要基于衛(wèi)星鏈路，使用電話時要占用一定的衛(wèi)星信道資源；缺少統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，需要分別控制各設(shè)備，操作不夠方便[5-6]。為解決這些問題，文章以提供高質(zhì)量的應(yīng)急通信為目標，設(shè)計一種集成度高、功能全面、操作簡單的便攜站終端箱，即將各設(shè)備以板卡的形式集成在機箱中，以實現(xiàn)音頻、視頻、電話等功能，并通過中控系統(tǒng)對設(shè)備進行統(tǒng)一管理。該設(shè)計能夠有效提高應(yīng)急響應(yīng)速度和通信保障能力，為應(yīng)急通信提供更可靠的支持。

1 便攜站系統(tǒng)組成

衛(wèi)星便攜站具有采集并傳輸現(xiàn)場圖像、視頻、音頻等信息的功能，在實際應(yīng)用中可以獨立工作，也可以配合其他通信車協(xié)同工作。一套便攜站通常由天線箱和終端箱組成，均支持背負、車輛運輸?shù)榷喾N運輸方式。其中，天線箱包括便攜天線、上變頻功率放大器（Block Up-Converter，BUC）、低噪聲下變頻器（Low Noise Block，LNB）等設(shè)備，可通過一個天線箱收納[7]。其主要功能是在天線對星后，發(fā)射并接收地球站之間的載波，建立衛(wèi)星通信鏈路。終端箱負責(zé)采集、處理和傳輸?shù)木唧w業(yè)務(wù)。所有設(shè)備均集成到一個航空箱內(nèi)，使用時2 個箱體之間通過射頻線連接，終端箱將處理后業(yè)務(wù)信息通過天線箱發(fā)射至衛(wèi)星，完成信息的發(fā)送[8]。天線箱和終端箱可由市電或發(fā)電機供電。

2 便攜站終端箱設(shè)計

2.1 便攜站終端箱系統(tǒng)設(shè)計

文章設(shè)計的便攜站終端箱打破了原有設(shè)備“疊加”的方式，深度集成了設(shè)備板卡，以減少設(shè)備線纜連接。便攜站終端箱由電源模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、音視頻處理模塊以及網(wǎng)絡(luò)交換和加密模塊等組成，如圖1 所示。

電源模塊包括機箱上的電源輸入接口、電源開關(guān)、電源轉(zhuǎn)換電路等，分別與調(diào)制解調(diào)模塊、音視頻處理模塊、網(wǎng)絡(luò)交換與加密模塊以及集中控制模塊連接。防水型電源接口接收220 V 交流電，電源轉(zhuǎn)換電路將交流電轉(zhuǎn)換為合適的直流電，為各模塊供電。

調(diào)制解調(diào)模塊主要進行基帶信號與射頻信號之間的轉(zhuǎn)換，具有調(diào)制和解調(diào)功能。

音視頻處理模塊主要完成對本地音頻、視頻等信息的采集、切換、處理以及顯示等操作，包括音視頻處理器、混音器、切換器以及顯示器等設(shè)備，該模塊具體組成如圖2 所示。

圖2 音視頻處理模塊組成

其中，音視頻處理器用于壓縮和處理輸入碼流，輸出互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）信號。混音器可對多路聲音進行混音操作，并將處理后的聲音送至音視頻處理器。切換器能夠從多路視頻中選擇單畫面或多畫面進行顯示。顯示器為3 個17.3 寸液晶顯示器，且3 個屏幕可顯示不同的圖像。顯示器集成了攝像頭和麥克風(fēng)，方便采集本地音視頻，同時音箱可輸出雙聲道聲音。

網(wǎng)絡(luò)交換和加密模塊是終端箱的核心，由交換機、加密機、語音網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組成，以完成各模塊之間的數(shù)據(jù)交互工作。其可以對IP 數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)交換和路由轉(zhuǎn)發(fā)，同時具備加密網(wǎng)絡(luò)信息的能力。此外，終端箱的電話功能與常見的使用方法有所區(qū)別。語音網(wǎng)關(guān)可通過調(diào)制解調(diào)模塊直接注冊到主站的會話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）服務(wù)器，無須通過衛(wèi)星頻率資源建立業(yè)務(wù)鏈路即可實現(xiàn)電話功能。

集中控制模塊由工控機和7 英寸觸摸式顯示屏組成。其中，工控機的系統(tǒng)為Windows 系統(tǒng)，可以使用鼠標、鍵盤對終端箱的設(shè)備進行參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)查詢。此外，針對終端箱的觸控屏開發(fā)集控軟件，可以直接在顯示屏上對各個設(shè)備進行操作設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)測。其功能包括設(shè)備加電、視頻畫面切換、音頻混音控制、設(shè)備電流狀態(tài)查詢以及溫濕度顯示等，方便使用者操作終端箱，并掌握終端箱的工作狀態(tài)。觸摸式顯示屏頁面如圖3 所示。

圖3 終端箱集控軟件頁面

終端箱數(shù)據(jù)接口模塊如圖4 所示。

圖4 終端箱數(shù)據(jù)接口模塊

由圖4 可知，數(shù)據(jù)接口模塊有2 個射頻接口（即射頻發(fā)射口和射頻接收口），用于輸入和輸出射頻信號，使用時通過射頻線連接至天線箱；4 個網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)管、業(yè)務(wù)、密管及語音網(wǎng)關(guān)）和網(wǎng)絡(luò)交換模塊與加密模塊相連，用于設(shè)備管理與配置；2 個電話接口（電話1、電話2），用于外接電話；1 個串行數(shù)字接口（視頻輸入2）、1 個高清多媒體接口（視頻輸入1）、1 個小三芯3.5 mm 接口（音頻輸入2）以及1 個大三芯6.5 mm 接口（音頻輸入1）與音視頻處理模塊相連，用于音視頻輸入；1 個串行數(shù)字接口（視頻輸出2）、1個高清多媒體接口（視頻輸出1）、1個小三芯3.5 mm接口（音頻輸出2）與音視頻處理模塊相連，用于音視頻輸出；2 個通用串行總線接口和工控機連接，可外接鼠標、優(yōu)盤等設(shè)備。

2.2 便攜站終端箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

便攜站終端箱需要在室外環(huán)境下使用，為避免雨水、粉塵、高低溫及撞擊對箱體造成損壞，箱體需要既堅固又輕量化。因此，可以選擇定制的防護箱產(chǎn)品。為了減小終端箱內(nèi)部占用的空間，采用板卡的方式進行集成，并對各設(shè)備板卡進行重新規(guī)劃并設(shè)計布局與位置。在設(shè)計終端箱結(jié)構(gòu)時，需要綜合考慮布局、散熱、電磁兼容以及防潮與防塵等內(nèi)容。

2.2.1 布 局

合理的布局可以減小箱子體積，提高便攜站終端箱的集成度和可靠性。板卡之間可以采用連接集成的方式，并根據(jù)功能采用模塊化分層設(shè)計。如果后續(xù)使用中出現(xiàn)故障，能夠準確定位問題，方便對設(shè)備進行維護。此外，終端箱內(nèi)部各板卡采用集中供電模式，通過供電模塊對終端箱進行統(tǒng)一供電，提高平臺的可靠性。

2.2.2 散 熱

核心硬件運行時會散發(fā)出大量的熱量，因此需要進行合理設(shè)計以加速散熱，可以采用內(nèi)部氣流循環(huán)和內(nèi)外氣流循環(huán)相結(jié)合的方式進行散熱。此外，可以在機箱內(nèi)部根據(jù)散熱情況設(shè)置板卡位置，以有效地降低部件表面的溫度。同時，在機箱側(cè)面設(shè)置散熱孔，與外界空氣進行對流，可以起到均勻排氣的效果，避免終端局部過熱。

2.2.3 電磁兼容

電路板的電磁兼容性是設(shè)計終端系統(tǒng)的重要內(nèi)容。設(shè)備板卡經(jīng)過重新布局、統(tǒng)一集中供電后，可能會出現(xiàn)兼容問題。例如，視頻出現(xiàn)雪花條紋、語音有雜音等。這些問題會影響視頻、語音的質(zhì)量，嚴重時會直接影響系統(tǒng)的功能和性能。因此，需要重點關(guān)注電磁兼容問題，提高電路板的抗干擾特性，減小電磁輻射，提高電路工作的穩(wěn)定性。

2.2.4 防潮與防塵

防潮設(shè)計主要是通過整體的全密封性，盡可能地減少通風(fēng)口，避免水汽進入箱體內(nèi)部。選擇合適的機殼也能起到防潮的作用。

終端箱的整體防塵主要依靠外殼設(shè)計。因此，可以選用鋁鎂合金外殼來實現(xiàn)防塵的目的，或使用防塵密封圈將面板和后蓋緊密貼合，以增強密封性。散熱開設(shè)的通風(fēng)口可以使用防塵網(wǎng)進行防塵。終端箱側(cè)面的接口可以使用防塵帽，而終端箱內(nèi)置揚聲器可以使用防塵網(wǎng)來實現(xiàn)防塵。

3 便捷站終端箱優(yōu)勢

便攜站終端箱將各設(shè)備集成在一個箱體中，具有多種功能，操作簡單且便利，能夠廣泛應(yīng)用于公安、應(yīng)急、消防以及人防等領(lǐng)域。其具有集成度高、功能強大、操作簡單以及價格低廉等優(yōu)勢。便攜站終端箱如圖5 所示。

圖5 便攜站終端箱

3.1 集成度高

終端箱將設(shè)備板卡集成在一個箱體內(nèi)，體積小、易于攜帶。如果發(fā)生應(yīng)急事件，工作人員能夠通過背負攜帶的方式將其運輸至受災(zāi)地區(qū)，不受交通中斷影響。終端箱與天線箱組合使用后，能夠迅速構(gòu)建起應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，為救災(zāi)等任務(wù)提供可靠的通信保障。

3.2 功能強大

終端箱和天線箱組成的便攜站接入網(wǎng)管系統(tǒng)后，能受主站網(wǎng)管的同一調(diào)度，以處理、切換、傳輸音視頻業(yè)務(wù)。同時，能夠在未建立業(yè)務(wù)通信鏈路的前提下實現(xiàn)電話功能。

3.3 操作簡單

便攜站終端箱可通過觸控板的集控軟件對設(shè)備進行統(tǒng)一操作和管理，包括設(shè)備上電、圖像切換、狀態(tài)查看等功能，操作簡單方便。

3.4 價格低廉

衛(wèi)星便攜站與動中通、靜中通等其他類型的應(yīng)急通信設(shè)備相比，價格更為低廉，具有明顯的價格優(yōu)勢，因此在中小城市有更好的市場。

4 結(jié) 論

文章設(shè)計并應(yīng)用了面向應(yīng)急通信的衛(wèi)星便攜站終端箱，將多個設(shè)備板卡集成在一個箱體內(nèi)，可以進行視頻、音頻、電話通信，并通過集中控制軟件控制終端箱，操作簡單方便。同時，在設(shè)計終端箱結(jié)構(gòu)時，綜合考慮了布局、散熱、電磁兼容以及防潮與防塵等內(nèi)容。目前，該終端箱已應(yīng)用于應(yīng)急通信領(lǐng)域，設(shè)備運行穩(wěn)定，性能安全可靠，有效提高了應(yīng)急通信的能力和效率。該設(shè)計方案為相關(guān)項目的實施提供了可靠的技術(shù)支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。