基于单路单载波的远端地面站天然气应急移动通信系统

宋旭东

陕西省天然气股份有限公司 生产运行部 （陕西 西安 710016）

基于单路单载波的远端地面站天然气应急移动通信系统

宋旭东

陕西省天然气股份有限公司 生产运行部 （陕西 西安 710016）

随着输气管道的不断延伸和对突发事件应急指挥管理水平的提高，配置一套甚小口径远端地面站（VSAT）应急移动通信系统成为必要的需求。VSAT应急移动通信系统将由3座卫星地面站组成，即2座车载站和陕西省天然气股份有限公司总部西安地面站。该系统具有强大的应急工作能力、灵活的移动指挥、可靠的通信手段，为天然气管道决策者快速、准确、科学的应对突发事件提供了有力保障。

单路单载波（SCPC） 甚小口径远端地面站（VSAT） 天然气输气管道 应急移动通信系统

现代社会财富与人口向城市及特定区域的高度集中，自然灾害、事故灾难、公共卫生事件、社会安全等突发事件对社会的危害也越来越大。因此，突发事件的应急指挥管理被提升到一个新的高度，同时也显示出应急领域信息化的重要性。

陕西天然气卫星通信网主要功能为输气管线SCADA数据采集/监控以及勤务话音等业务提供传输信道。随着输气管道的不断延伸和对突发事件应急指挥管理水平的提高，配置一套车载卫星通信系统成为必要，利用该系统可将远端现场的视频图像、数据及话音传至公司总部，也可以在远端现场与公司总部之间进行视频会议业务。

卫星通信车载站的构成及应用

系统由1座中心站和1台静中通车载站和1台动中通车载站组成。

中心站沿用原有卫星中心站的大部分设备和机房。天线口径为4.5m。为了提高机动性能，静中通车载站的天线采用口径为75cm的自动对星天线。动中通车载站的天线采用平板相控阵天线。

网络结构为经卫星的点对点一跳直达双向链路。卫星通信频段选用Ku频段，转发器按亚洲2号K6卫星转发器考虑。

1 总体设计

整个VSAT应急移动通信系统由3座卫星地面站组成，即2座车载站和公司总部西安地面站。其中前者为新建站，后者可共用公司中心站的大部分卫星通信设备而只需新增视频编解码器等少量设备。

按车载站的天线类型进行分类，车载站可分为静中通车载站和动中通车载站。所谓静中通是车载站工作时承载车辆处于停驶状态，天线需要展开对星后系统才可工作。动中通是车辆在行驶过程中，天线自动指向并跟踪卫星，系统可正常通信。

系统可以完成以下功能：

（1）能够把应急现场数据传输到后方指挥中心的服务器。

（2）能够把应急现场压缩后的视频和音频数据通过车载站传送到西安调度指挥中心的视频交互设备中。

（3）能够实现应急指挥中心远程指挥调度，进行语音或者视频的双向通信。

（4）能够在应急现场实现互联网接入。

2 采用无线图像微波传输系统解决图像中继问题

在某些应急通信场合，卫星通信车载站无法停靠在应急现场附近，而又需要将现场图像及声音通过卫星通信车传回到应急指挥中心。在这种情况下，采用“傲图”系列数字无线图像传输设备来完成信号的中继传输（单向）。

该图像传输系统采用了先进的COFDM调制解调技术、信道编解码技术，并结合数字图像压缩MPEG2／MPEG4等多媒体网络传输技术，能够在高速移动环境下实现视频、话音或数据等宽带多媒体业务的实时、同步传输。具有覆盖范围广、灵敏度高、移动性好、抗干扰和抗衰落能力强、传输数据率高、稳定性和可靠性突出等显著优点。

无线微波图象发射设备可分为扣板式和背负式两种。扣板式可直接扣装在肩扛式摄像机的后背上使用（微波摄像机）。背负式则将发射机和配套电池装置在一个双肩背的背包内。随车人员可携带摄像机和扣板式或背负式发射机进入现场，并通过发射机将现场图像和声音传输至卫星通信车，由安装在车上的天线和无线图像接收机接收，再经卫星通信车中继实时地传回总部。在有遮挡的情况下（如城市街道）微波摄像机的信号传输覆盖半径约为1-3km。如果卫星车（相当于基地台）与微波摄像机之间的通视条件良好，微波摄像机信号传输距离可达几十千米。

3 采用TCP/IP、H.264等通信协议

采用基于TCP/IP、H.264视频通信协议作为本应急卫星通信网的主要通信协议。TCP/IP为当今各类通信网愈来愈多采用的通信协议，为技术发展趋势[1]。采用TCP/IP及H.264视频通信协议，既便于视频设备与计算机局域网包括个人计算机进行互连互通，又可以利用本系统进行数据传输和IP话音通信等增值业务。采用H.264视频会议终端设备，比采用一般的H.323视频会议终端，在通信效果相同的情况下，节省通信所需带宽，降低系统运行费用。

图1 系统网络架构示意图

4 采用高清视讯会议终端

采用美国LifeSize公司的高清视讯会议电视终端。其Team产品采用嵌入式操作系统，为采用TIDM642高性能数字处理芯片的硬件平台。其主要特点为：在1Mbps带宽的情况下实现1 280×720高解析度，体现了高效率的网络应用；30-60帧/s；16：9高清晰幅型比；从信号源、编解码、DSP处理芯片到最终显示设备全面实现高清的产品；集成超宽频麦克风提供高达16kHz的超宽音频；1M带宽下多种自适应分辨率，保证低带宽下的视频质量；带宽支持在128K-2.5M可调；支持H.263，H.264，H.264 HD等视频标准，并向下兼容传统视频会议终端。

5 采用RaySat平板式相控阵车载动中通天线

动中通应急卫星通信车载站适用于政府及公共安全等职能部门在处置突发事件时实施指挥调度，提高应急联动和快速反应能力的需求。该车载站具有不受时间、地域、距离的限制、实现动态和静态条件下的实时双向视频图像、数据和话音传输的特点。其创新的天线系统自动搜索捕获指定的卫星信号，并且在车辆运动过程中通过自动控制方位、仰角和极化角，自动跟踪保持天线指向，并支持车辆在时速300km行驶条件下双向高速数据传输速率。

该天线采用平板相控阵天线技术，体积小、重量轻。特别是其高度小，但安装在车顶时可达到“隐身”的效果。

6 采用SCPC多址通信体制

中心站以SCPC(单路单载波)出向载波将中心站发向车载站的图像、数据和话音复用在一起传输至车载站；与此同时车载站将发向中心站的信息以SCPC入向载波的方式传输到中心站。载波的信息传输速率可在64kb/s至2 048kb/s之间选择(具体可达到的最高速率与所用的功放功率有关)。该卫星网络系统的网络架构示意图如图1所示（图1中载波F2称为SCPC出向载波，F1称为SCPC入向载波）。

7 接口

中心站和车载站可为用户提供下列通信接口：

（1）视讯：分量视频接口、VGA、S-Video。

（2）数据：物理 RJ45，协议 802.3(10/100Base-T)，TCP/IP，UDP/IP。

（3）话音：物理RJ11，FXS或FXO。

系统具备良好的业务扩展性能。出向载波的数量及带宽可根据需要进行扩展。各入向载波的带宽也可根据各站的实际需求进行调整。

频带分配计算

本系统支持非对称传输速率方式，即车载站至中心站的传输速率可不同于中心站至车载站的传输速率。在应急使用情况下，一般要求车载站现场的回传图像质量较高（速率高）。

设车载站向中心站回传的复合数据信息的信息传输速率为512kb/s。若调制方式为QPSK，FEC前向纠错编码为Viterbi 1/2，则该入向载波需占用转发器频带宽度约为 B1=512×（2/1）×（1/2）×1.4=720 kHz[2]。

设中心站向车载站发送的复合数据信息的信息传输速率为256kb/s。若调制方式为QPSK，FEC前向纠错编码为Viterbi 1/2，则该出向载波需占用转发器频带约为B2=256×（2/1）×（1/2）×1.4=360kHz[2]。

于是系统运行时需要占用的转发器频带约为B=B1+B2=1 080kHz。

此时频带规划示意图如图2所示。

图2 频带规划示意图

为了简化操作控制，视频通信所需的转发器带宽占用采用固定预分配方式。当需要进行视频会议时，可随用随通，届时操作人员不需要对卫星通信系统的参数进行调整。

系统工作原理

系统可支持视讯会议、数据和IP话音等通信业务。在中心站设置有一台SMR5000调制解调路由器。该SMR5000一方面发射SCPC载波至车载站，另一方面接收车载站回传的SCPC载波。SMR5000的基带用户接口为 10/100Base-T以太网接口。SMR5000通过以太网交换机与视频会议终端、IP话音网关、路由器等设备连接在一起。

在车载站配置有一台SMR5000L调制解调路由器，其一方面接收中心站发出的SCPC载波，信号经处理转换为基带IP数据包后，送交以太网交换机转发至视讯会议终端或数据、话音终端设备；另一方面发射SCPC载波，将图像、数据或话音调制处理后发向中心站。室外射频收发信机主要有两方面的功能，一方面由LNB（低噪声放大变频模块）接收天线接收到的微弱信号，对其进行放大并下变频至SMR5000L可接收的L波段中频信号；另一方面将SMR5000L要发射的L波段中频信号上变频至KU波段并进行功率放大，最后馈送至天线。

中心站和车载站均为视讯会议终端设备提供10/100Base-T以太网接口。卫星通信设备为视讯会议终端设备构建了一条双向的IP数据链路。数据链路的传输速率可按需在64kb/s至2048kb/s之间进行选择。实际可传输的最大信息速率与天线尺寸、功放的额定功率输出及卫星信能有关[3]。

除视讯会议业务之外，本系统还可支持中心站与车载站之间进行数据通信和话音通信业务。各站可提供10/100Base-T RJ45以太网网络数据接口。

因实际上视频会议图像、数据和话音是复用在同一信道中传输，所以在视频会议进行的同时，数据和话音通信可照常进行。

系统应用案例

当发生突发事件时，当地的通讯设施常常遭到了破坏而无法使用。卫星通信车在第一时间赶到事发现场后，可在10min内搭建起应急通信平台，恢复当地与外界的电话通信。应急指挥中心可通过VSAT应急移动通信系统将受灾现场实况以图像直播方式发送至总部，便于采取相应的救助措施。借助VSAT应急移动通信系统，现场救助人员可以同决策者、专家面对面讨论救助方案。VSAT应急移动通信系统可将社会各界对灾区的关心和帮助传达到灾区。

1 卫星通信车可无障碍到达事发现场

当卫星通信车停在事发现场，随车人员可在10min内开通卫星站，建立与外界的视频、话音和数据的联系。随车人员可手持摄像机（有线）在以车为中心半径15m之内将现场实况通过卫星通信车传至总部，或接受总部对事发现场救援工作的指导。

2 卫星通信车不能靠近事发现场

当卫星车不能靠近事发现场时，而外界想了解事发现场的实况时，随车人员可携带车上的微波摄像机（无线）进入现场取得第一手资料，并通过微波摄像机将现场图像和声音传输至卫星通信车，再经卫星通信车中继实时地传回总部或其他相关部门。微波摄像机的信号传输覆盖半径约为2-6km，如果卫星车（相当于基地台）与微波摄像机之间的通视情况良好，微波摄像机信号传输距离可达几十千米。

3 卫星通信车与事发现场之间被河流相隔

在这种情况下，随车人员可携带微波摄像机（单兵系统）到河对岸，通过微波摄像机将现场实况（包括视频、音频）传给卫星车，通过卫星车将信息传至总部及相关部门。现场与总部间的联系均可以通过这种方式建立。

4 卫星通信车与事发现场之间被山相隔

在这种情况下，车辆无法翻越前方的山坡时，随车人员可携带便携式卫星地面站（箱式）赶到事发现场，建立事发现场与外界的话音、视频、数据通信。通过便携式卫星地面站将事发现场的情况传回到总部或相关部门。

基于SCPC的VSAT应急通信系统是一个综合的，具有多种功能的，能够快速移动的应急指挥工作站，凭借其强大的应急工作能力，灵活的移动指挥，有针对性的系统构成，可靠的通信手段，成为了应急领域信息化的重要手段和执行力量。为决策者快速、准确、科学的应对突发事件提供了有力保障[4]。

[1]陈振国，齐怀亮，林莹.卫星地球站数字通信设备[M].北京：人民邮电出版社，1995.

[2]吕海寰.卫星通信系统（修订本）[M].北京：人民邮电出版社，1994.

[3]杨运年.VSAT卫星通信网[M].北京：人民邮电出版社，1997.

[4]总装备部军事训练教材编辑工作委员会.卫星通信技术[M].北京：国防工业出版社，2000.

With the continuous extension of gas pipeline and the improvement of management capacity to handle the emergency,it is very necessary to set an emergency-aid movable communication system of VSAT.The emergency movable communication system of VSAT consists of three satellite ground stations:two car-charged stations,Xi'an ground station that is located at the Headquarter of Shaanxi Natural Gas Limited Company.This system possesses the strong emergency-aid working capacity,the flexible movable command,and the reliable communication means,and thus providing the strong and solid guarantee for decision makers to handle the emergency quickly,exactly and scientifically.

SCPC;VSAT;natural gas pipeline;emergency-aid movable communication system

宋旭东（1970-），男，硕士研究生，工程师，主要从事天然气生产技术管理工作。

2009-08-31