地震应急卫星通信指挥车通信系统设计*

付荣国,章熙海,肖 飞,刘鹏飞

(江苏省地震局,江苏南京210014)

地震应急卫星通信指挥车通信系统设计*

付荣国,章熙海,肖 飞,刘鹏飞

(江苏省地震局,江苏南京210014)

“十五”期间,江苏省地震局完成了应急指挥技术系统的建设,江苏地震现场也配置了箱式应急卫星通信系统,这些都有力的提升了地震现场应急的通信保障能力。针对该箱式系统存在的缺点,利用移动通信车的优点,在简述地震应急卫星通信指挥车通信系统需要实现的功能基础上,详细介绍了江苏省地震现场应急卫星通信指挥车通信系统设计,对实际应用中出现的问题进行了总结,并提出了解决方案,最后对通信指挥车今后的应用前景进行了说明。

地震现场 应急通信 卫星通信 通信指挥车

0 引 言

破坏性地震往往使基础通信设施遭到严重破坏甚至损毁,需要建立一种应急通信平台[1-2]来保障前方与后方的通信通畅,实时传递灾区信息。卫星通信[3]具有不受地域限制、抗毁能力强、建立通信链路快的特点,越来越成为地震等灾害时应急通信的首要选择。

在国家“十五”重点项目“中国数字地震观测网络”[4]-江苏部分和江苏省“十五”重点项目“江苏省防灾减灾应急预警信息系统一期工程”-地震部分的建设过程中,江苏省地震局地震现场工作队配置了箱式地震现场应急卫星通信系统,该系统除具有卫星通信的特点外,还具有通信距离远、音视频传输等特点,但在实际使用过程中存在以下缺点:①设备数量多且零散,导致系统组装时间长;②卫星对星需要预先判定卫星大致角度,且过程缓慢;③网络设备较少,现场网络种类及覆盖差;④箱体体积大、重量沉,搬运困难,需要保障人员多。

以车辆为载体的移动通信系统具有较强的通信功能和良好的机动性[5]。为了解决上述缺陷,在省专项资金支持下,选用中型客车依维柯对该箱式现场应急卫星通信系统进行了应急卫星通信指挥车集成改装,并增加了一些网络设备。

1 系统主要功能

卫星通信指挥车通信系统主要用于应急业务,具有很强的机动性,系统需要实现以下功能:

1)卫星通信:当灾区基础公共通信设施遭到严重破坏的情况下,能够建立基于VSAT卫星的通信链路。

2)视频会议:通信链路建立后,通过视频会议系统,可将事件现场的情况实时音视频传输至后方指挥中心;后方指挥中心根据传回的现场情况,实现对现场的远程救援指挥与调度。

3)数据传输:可实现基于IP的数据传输功能,使基于IP技术的其他应用方式可以方便的应用在基于IP的卫星通信系统上,将现场的文字、图像等数据信息实时传回指挥中心。

4)语音传输:利用卫星平台建立基于IP的网络,车载电话设备可建立卫星电话系统,实现网络电话功能;且通过在系统内布设的语音网关,可实现与普通的电话、手机建立通话。

5)现场音视频调度:系统需配置对讲系统、无线图传单兵电台,与卫星网组合后,解决网络通信中“最后一公里”问题,实现“网络无处不在”。

6)灵活组网:地震系统内的任意卫星通信指挥车可以相互之间组网通信,按IP地址呼叫。

7)信息加解密:系统要能对信息传输过程进行加密处理及安全认证。

8)其他:系统能提供文字处理、传真、复印、打印、扫描等现场后勤保障工作。

2 系统设计实施

卫星通信指挥车以卫星通信系统为通信主干,以常规通信系统为补充,加以多媒体等应用系统,组成一个多种手段、反应及时、决策快捷的现场“数字化移动通信指挥中心”,其通信系统的设计主要包括卫星通信系统、视频会议系统、无线网络传输系统、电话系统、音频系统、对讲系统、视频采集与传输系统、信息处理系统等,系统的组成与连接关系如图1所示。

图1 系统组成与连接关系Fig.1 System components and connection relation

2.1 卫星通信系统

整个卫星通信系统使用基于亚洲四号同步卫星(122.2E)Ku波段的国家地震应急卫星通信网络平台,主站设在国家地震局,远端小站为车载站,主要包括卫星通信机、下变频信号放大器(LNB变频器)、上变频功率放大器(BUC功放)、卫星天线系统等。

2)LNB变频器:为满足将卫星传下来的Ku波段信号(一般频率为10～30 GHz)变成通信设备可处理的L波段频率和可由通信机直接供给18 V直流电源即可工作的特点,系统采用Ku波段的ND RT3000作为LNB变频器。

3)BUC功放:为满足能将卫星调制解调设备发出的L波段信号(频率一般为900～1600 MHz,功率毫瓦级)上变频成Ku波段频率并放大成卫星上的转发器能够接收的信号和可由通信机直接供给24 V直流电源即可工作的特点,系统采用ND RFT5000作为BUC功放。

4)卫星天线系统:从体积小、重量轻、可靠性高、操作简便等方面考虑,天线系统选用南京中网卫星通信有限公司的Spacenet SAC120BF2全自动车载卫星天线系统,包括1.2 m Ku波段玻璃钢(SMC)单反偏馈蝶形天线面、馈源、天线支撑平台及伺服机构、寻星控制系统等,可实现3分钟内全自动一键对星,满足应急通信系统要求。

2.2 视频系统

系统选用多种视频设备来实现系统多路视频信号的接入和控制。

1)AV矩阵:为调度通信指挥车的各路AV图像指向,系统选用一台可将32路视频与音频输入信号切换到16路通道中任一路上的CREATOR AV32* 16矩阵切换器。

2)VGA矩阵:为调度通信指挥车的各路VGA图像,系统选用一台支持4路音频输入4路音频输出的CREATOR VGA0404矩阵切换器。

3)视频会议系统:考虑到设备的兼容性和操作性,系统选用与后方地震应急指挥中心相同的泰德Edge95MXP高清视频会议系统,通过公共网络或卫星链路完成视频会议功能。

4)车顶摄像机:对于车外场景的实时摄取,系统选用Sony D70P摄像机。

5)显示设备:为满足多路AV/VGA图像的输出,系统主显示设备采用夏普LCD-32A33 32寸液晶电视,辅助显示设备采用清华紫光17寸液晶显示器。

6)其他:系统配备先锋DV-310-G DVD播放机来实现视频播放;配备忆志mdr0041四路图像硬盘录像机来完成各路视频信号的录取与调阅。

2.3 无线网络传输系统

无线网络传输系统采用4种方法进行组建,实现将卫星通信指挥车周边区域的各种WiFi设备连接起来,并通过卫星链路接入到应急指挥中心,实现各种基于计算机网络的数据访问与传输。

1)WiMax无线网络:考虑设备的便携性和现场较大范围内的网络覆盖,系统选用美国艾克赛瑞宽带无线通信公司的WiMax无线网络系统,车载配置ExcelMAX Ultralite台式机站,移动终端采用美国Moseley手提箱式用户终端ExcelMAX Portable CPE。

2)WiFi无线网桥:采用原箱式系统配置的奥维通公司的Alvarion BreezeNet B14 5.8 GHz无线网桥,用于计算机局域网络的无限延伸。

3)无线AP接入:为了提供车内和车附近5～10 m范围内无线局域网覆盖,使支持WiFi的终端设备可以最高54 M的速度与指挥车网络相连,并访问与卫星通信互联的所有网络,选用支持802.11a/b/ g标准的Linksys WRT54G 2.4 GHz无线AP。

4)3G网络:为充分利用公共基础网络,选用支持CDMA2000 1X标准的ETPro-555Er EVDO 3G路由器,进行数据透明传输和图像的传输。

2.4 电话系统

系统使用3种接入方式来实现后方应急指挥中心、现场指挥部、卫星通信指挥车之间的话音直接通信。

1)VoIP电话语音网关:为完成VoIP程控电话信令与IP通信协议的转换,实现VoIP电话通过卫星链路接入指挥中心VoIP语音网关,再接入市话网络和移动电话网的功能,系统选用支持4路即插即用FXS/FXO接口的世纪网通CNG800型VoIP语音网关。

2)海事卫星电话:为独立于地面移动公网(手机)和VSAT卫星链路的VoIP电话,并实现移动中的无地面基站支持的通话,系统选用Nera Mini-M车载/便携两用式海事卫星电话,将其接入到车载VoIP网关上(FXO口)后,车上的电话可与公网及卫星移动电话网络相通。

3)GSM固定接入电话:为将地面移动公网(手机)的电话接入到车载的VOIP网关上(FXO口),使车上的电话与移动公网相通,满足语音、传真、数据传输等通信需求,系统选用美国Telular公司的单线GSM固定无线终端SX5E。

2.5 音频系统

系统选用多种音频设备来满足多路音频的连接和操控。

1)调音台:为完善各路声音的调度与优化,选用一台EURORACK PRO RX1202FX的8路机架型调音台。

2)广播系统:为实现车内外的广播功能,系统车内广播功放选用佛山桑达AV299D,并配置2只扬声器作为车内音响,供视讯对话使用;车外广播功放选用迪士普DSPPA MP1500后级广播功放,并配置4个TH-8/TU-80ML全天候扩音喇叭。

3)有线/无线话筒:为实现音频的接入,选用广东千达的AK-G62有线话筒和AK-G610无线麦克风。

2.6 对讲系统

系统采用2套频点不同的对讲系统,卫星通信车到达现场即可通过车载台建立起现场集群网络,直接调度区域内的手台。

1)车载集群对讲系统:转信台选用MOTOROLA GR1225Plus 420 M常规转信台,并配置2副天线,1副增益3.5 dB鞭状天线车辆行进间使用,1副增益7 dB杆状天线在车辆停止时使用;手台选用好易通TC-780。

2)机动对讲系统:采用原国家地震局统一配发的ICOM 350 MHz的集群车台和手台,在出发时临时装车使用。

另外,考虑到驾驶室与会议室也需要对讲功能,选用富顺窗口对讲系统,由汽车电瓶供电,主机安装在会议室,分机安装在驾驶窗现。

2.7 COFDM无线图传系统

为实现“最后1公里”高质量音视频采集与传输,并将所采集信息传输到卫星通信指挥车,再由卫星通信指挥车传输至后方指挥中心,无线图传系统选用北京久华信数字超短波网络电台,该电台分车载式和背负式2种。系统配置车载式2台和背负式1台,2台车载式中1台上车集成,另1台作为移动中继站,从而可以形成单兵与车,或单兵到车,车再转发到另一台车的使用模式,并可与卫星链路和计算机网络互联互通。车载式电台通信机选用机架式JoMobileTM PP1000A,上车集成的配置型号为TABLQ350-10.2dbi和TA-BLQ350-7.8dbi的玻璃钢全向天线各1根,移动中继站的配置1根320 MHz和1根340 MHz共2根天线;单兵背负为JoMobileTM BF2000,自带1根TA-CTQ350-5dbi天线。

2.8 多业务光纤外接系统

系统选用光纤通信的方式扩展指挥车与其它车辆或地面临时指挥部之间的数据、音视频、电话等综合业务的通信。

1)光端机:为实现将1路双向视频+以太网+音频/数据/报警信号在单芯光纤上实时同步、无失真、高质量的传输,选用SEACOWN-SVA1111-2T1E型多业务数字复用光端机。

2)野战光缆:为延伸现场的通信接入,系统配置200 m超轻型单兵背负式野战单模光缆。

2.9 信息处理系统

为完成现场办公与信息处理,配置1台德国控创4U工控机和1台HP LaserJet 3390打印/复印/扫描/传真多功能一体机。

2.10 集中控制系统

为实现对支撑腿收放、升降杆升降、云台转动、摄像机变聚焦、聚光灯开关、卫星天线回收状态探测、AV矩阵和VGA矩阵切换等操控,并具有“一键自动回收”所有展开设备的功能,系统选用DOPA10TCTD集中控制系统。

2.11 其它网络设备

整个通信系统还选用了其他一些设备来满足一些特殊需求:

1)对于现场VPN的建立,系统选用1台QNO FVR9416路由器。

2)对于所有的网络连接,系统选用1台带端口Qos、支持VLAN划分的CISCO2950 24口网络交换机。

3)对于卫星通信链路上的数据传输加密,系统选用了1台Westone SJW04 IP网络密码机。

系统设计中主要的信息流程如图2所示。

图2 主要信息流程Fig.2 Flowchart of main information

经过系统设计实施后,卫星通信指挥车可以在灾区现场建立多种数据信息传输网络,整个应急通信系统的网络连接覆盖图如图3所示。

图3 应急通信系统网络连接覆盖Fig.3 Network connection coverage of emergency communications system

3 存在问题及解决方案

自2010年验收投入使用以来,应急卫星通信指挥车已完成了多次运行测试,并参加了多次重大活动和应急突发事件处置,如每月的指挥中心演练、每年的华东片联动协作区演练、省军区国动委组织的“信联-2010”军地联合地震应急通讯演练和“信联-2011”通信保障军地联合演练、2011年及2012年徐州地震局“5·12”地震应急通信保障演练、2012年扬州高邮宝应交界4.9级地震应急通信保障等。通过这些锻炼,有力提升了我局地震现场应急通信保障能力,但在使用过程中也发现了一些问题需要改进:

1)有时寻星工作不能正常进行,或是卫星链路不能建立。

产生这个现象的原因在于卫星通信使用的是高频无线信号,因此在寻星过程中要特别注意通信指挥车周围有建筑物、树木的枝叶等阻碍,避免造成卫星波速回波反射,或者避开附近有接近卫星通信通信频率的干扰源,如微波通信、发射天线等。

2)音视频设备较多,容易因屏蔽、接地和供电不良等原因造成相互间干扰,使系统运行不太稳定。

针对这种情况,可采用屏蔽线缆并科学的综合布线;对设备根据不同工作频率,按照模拟、数字、射频不同进行区域安装,从而合理的布局;对安全地、信号地及电源地系统分开布设,各机柜的机壳地和信号地分开接设;在发电机控制器内部加装EMI滤波器,对干扰信号电平进行抑制;在车底盘安装泄放链进行静电泄放等。

3)整车配重不合理,表现为集成后车后部过重,影响车辆行驶的平稳性。

解决办法是在保证满足所有功能需求的同时,对车厢设备、车顶设备和后舱设备合理布局;另外可采用对发电机油箱与原车自带油箱“共油箱”设计等。

4)车内的无线通信主要在高频段,传统的短波通信手段较少。

有必要在将来的升级改造过程中增加和丰富短波通信这一通信方式,以实现远距离应急指挥的通信需要,并使各种通信方式能够互相备份[6]。

4 结 语

改装后的江苏地震现场应急卫星通信指挥车具有机动能力好、建立通信链路快、抗毁能力强、集成度高、通信距离远、通信方式多样、功能强大、对地形不是很敏感等特点。当发生地震或其他紧急事件时该通信指挥车能够将应急通信设备带上车并迅速赶到地震现场,既可以利用灾区现场公用网络搭建网络平台,也可以在现场没有任何公共通信手段的情况下,利用卫星通信系统,在最短的时间内构建基于IP的宽带通信网络,实现现场与后方指挥中心的互联互通,将现场的受灾情况以音视频的方式汇报指挥中心,从而帮助领导迅速了解受灾情况,进而进行指挥决策。有理由相信,在今后的地震或其它应急突发事件处置中,现场应急卫星通信指挥车将提供更好的通信保障,从而发挥更大的作用。

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FU Rong-guo(1979-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in the research of seismic information network and emergency communications technology.

章熙海(1968—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为地震应急和信息网络等;

ZHANG Xi-hai(1968-),male,M.Sci.,senior engineer, mainly engaged in the research of earthquake emergency and information network.

肖 飞(1973—),男,工程师,主要研究方向为地震现场通信技术;

XIAO Fei(1973-),male,engineer,mainly engaged in the research of communication technology about earthquake field.

刘鹏飞(1985—),男,学士,工程师,主要研究方向为地震信息网络。

LIU Peng-fei(1985-),male,bachelor,engineer,mainly engaged in the research of seismic information network.

Design on Communication System for Earthquake Emergency Satellite Communications Command Vehicle

FU Rong-guo,ZHANG Xi-hai,XIAO Fei,LIU Peng-fei
(Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing Jiangsu 210014,China)

During“Ten Five-Year”period,Earthquake Administration of Jiangsu Province completed its construction of emergency-command technical system,and the boxed emergency satellite communications system was also deployed in Jiangsu earthquake field,thus effectively improving the emergency communication supports capability in earthquake field.Aiming at the disadvantages of the boxed system and with the advantage of mobile communications vehicle,based on brief description of communication system functions of earthquake emergency satellite communications command vehicle,this paper gives detailed communication system design of Jiangsu earthquake emergency satellite communications command vehicle,summarizes the exiting problems and the solution suggestions in actual application.Finally,the application prospects of the communications command vehicle are forecasted.

earthquake field;emergency communications;satellite communications;communications command vehicle

TN91

A

1002-0802(2014)02-0215-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.019

付荣国(1979—),男,硕士,工程师,主要研究方向为地震信息网络和应急通信技术;

国家“十五”重点项目-“江苏数字地震观测网络”;江苏省“十五”重点项目-“江苏省防灾减灾应急预警信息系统一期工程”。

Foundation Item:National“Fifteen”Key Project“Jiangsu Digital Seismological Observation Network”;Jiangsu Province“Fifteen”Key Project“The First Phase of the Project of Emergency Warning Information System for Jiangsu′s Disaster Prevention and Mitigation”.