卫星通信在“三江源”生态监测中的应用

龙 珂，王熹微，李昌华

（中国空间技术研究院，北京　100094）

1　三江源全国生态地位

青海省是三江之源，是我国淡水资源的重要补给区和水源最重要涵养区，是国家青藏高原生态安全屏障的重要组成部分，是我国“三屏两带”生态安全格局的重要组成部分；同时是全球气候变化的启动区，是全球气候变化的最敏感区，省内的三江源、祁连山、青海湖等生态功能区对我国西北地区有重要的生态调节作用。

三江源地区具有独特而典型的高寒植被系统，是全球气候变化的最敏感区，在全球气候变化及植被对气候变化响应研究中具有重要地位，同时，也是我国重要的珍稀物种繁衍中心和最重要的生物基因库之一。在过去几十年内，三江源生态系统表现出草地退化、土地荒漠化、农牧业产量下降等方面的趋势。

二〇一六年八月二十二日至二十四日，习近平总书记在青海考察时强调：“生态环境保护和生态文明建设是我国持续发展最为重要的基础。青海最大的价值在生态，最大的责任也在生态，最大的潜力也在生态，必须把生态文明建设放在突出位置来抓，尊重自然、顺应自然、保护自然，筑牢国家生态安全保护屏障，实现经济效益、社会效益、生态效益相统一”，同时指出，“‘中华水塔’是国家的生命之源，保护好三江源，对中华民族发展至关重要”。青海生态气候环境地位的重要性和特殊性就在这个评价里。

2　三江源生态监测系统现状

2.1　建成了覆盖重点生态区域的监测体系

基于青海省环保部门开展的生态监测工作的积累，已初步完成了青海省三江源区及青海湖流域生态监测站点体系建设、监测仪器设备购置、人员培训等能力建设；开展了包括草地、湿地、森林、沙化土地、水文水资源、水土保持、环境质量、气象要素与气候灾害等地面监测、重点区域社会经济补充调查和区域生态环境状况遥感监测，初步构建了覆盖三江源区域与青海湖流域的“天地一体化”生态监测体系；

2.2　建成了生态监测地面传输网络

网络系统依托国家、省电子政务外网，青海省建成了上联环保部、下联市（州）、县（区、市、行委）三级环保局的环境保护业务专网，实现了省厅与各市（州）、县（区、市、行委）环保局之间的网络连通和数据传输。内网方面：省厅与大部分市（州）环保局均已建成局域网，并实现了与同级党政机关电子政务网的联接。外网方面：全省各级环保局均开通了带宽不等的互联网线路。目前州（市）环保局到省环保厅是6M，西宁、海东和海北的县到州（市）是2M，其余县到州（市）为1M带宽。

2.3　研发了多个生态监测数据服务系统

整合了三江源生态监测数据服务平台、青海湖生态监测数据服务平台、青海省重点生态功能区县域生态环境质量考核工作平台、三江源生态监测站网管理系统、青海省生物多样性数据服务平台等，建立了青海省生态监测数据服务平台，开展并完成的省重点污染源自动监控系统、排污费全程信息化系统、污染源信息直报系统、污染源工况监控系统、重点监控企业信息发布平台、环境保护电子政务信息交换平台、环境保护信访信息管理系统等二十余个业务信息系统。

3　三江源生态监测通信需求

3.1　监测站点间固定通信

三江源国家公园管理局各监测站点位于保护区内各个乡镇，位置分散且距离较远。为了提升管委会各监测站点的日常管理效能，需要为其建立通信手段，满足各监测站点与管委会、各监测站点之间的双向通信，支持文件、语音、视频等业务传输，满足保护区日常管理和生活需求。

3.2　野外作业点临时通信

受保护区自然环境影响，野外作业人员的考察环境往往处在无人区，几乎没有地面通信网络覆盖，对作业人员的工作及人生安全造成巨大的影响和隐患。为了提升野外作业人员的工作效能，需为野外作业点建立临时通信手段，以满足作业人员与管委会之间的语音、文件、数据等通信传输；同时，还可在野外作业遇上危险或者具有特殊发现时，及时与管委会建立联系，汇报情况或求助。

3.3　监测执法通信

三江源是我国面积最大的自然保护区，在这样大范围的土地面积内进行执法监测，国家公园管理局可以配备监测执法车辆。可以在监测执法车辆上配备卫星通信设备，使车辆保护区进行野外监测执法作业时能够与管委会通连，及时传输数据，支持远程双向视频会商，提升监测执法效果。

4　卫星通信在三江源生态监测中的应用

4.1　系统组成

结合三江源的通信需求，以及卫星通信系统的优势，给出三江源卫星通信总体设计。该系统工作在Ku频段，选择中星10号（东经110.5°）卫星，可覆盖三江源地区。该系统由主控站、固定站、便携站、背负站、动中通、静中通以及北斗系统组成，通过卫星链路提供文件、语音、视频等业务传输，支持远程双向视频会商及互联网接入服务，可有效提升三江源管理局对各监测站点的日常管理效能，提升监测执法效果，满足三江源的通信需求及生态环境大数据中心的数据共享需求。系统总体设计架构如图1所示。

图1　系统总体设计架构图

系统采用国产化自主研发的卫星通信系统，自主可控，安全性强，技术体制成熟，遵循DVB-S2/DVB-RCS2标准，采用TDM/MF-TDMA体制，支持混合组网。系统指标先进，信道资源利用率高，具有自适应功率控制、自适应载波调整、自适应编码调制相结合的抗雨衰技术，支持多种资源分配方式和基于优先级的分配策略，系统具有全IP接口，支持多种地面网和移动网络互连。系统组成如下：

（1）主控站。主控站是整个通信系统的核心，是系统的数据交换和控制中心。依托已有的主控站，进行三江源各监测站点管理和数据接入工作，并配置地面光纤，以专线形式完成从主控站到三江源管理局的数据接入工作。同时在三江源管理局建设固定站，作为地面光纤的备份通信手段。

部署在主控站的网管系统是全网最高级别的管理者，负责对全网内所有固定站、便携站、动中通、静中通以及背负站进行管理，并协调全网资源和设备的分配，使整个网络正常运行，保障管理局与各监测站点之间业务数据互联互通。同时，网管系统可对三江源管理局开放相应的操作权限，通过部署卫星通信系统网络管理平台软件，使管理局能够参与载波划分、资源分配等管理操作。

（2）固定站。三江源国家公园各监测站点位于区域内各个乡镇，位置分散且距离较远。为了提升管理局各监测站点的日常管理效能，建立卫星通信固定站，满足各监测站点与管理局、各监测站点之间的双向通信，满足重点监控区域和环境应急情况下的通信传输保障，支持文件、语音、视频等综合业务传输，提供互联网接入服务，满足监测站点日常管理和生活需求。

（3）便携站。受保护区自然环境影响，野外作业人员的考察环境往往处在无人区，几乎没有地面通信网络覆盖，对作业人员的工作及人生安全造成巨大的影响和隐患。为了提升野外作业人员的工作效能，为外出作业的越野车及作业人员配备便携式卫星通信站，能够在野外作业点快速建立临时的卫星通信网络，满足作业人员与管理局之间的语音、文件、数据等通信传输。

（4）背负站。由于三江源国家公园的地形复杂，在外出作业的越野车无法到达的区域，为野外作业人员配发轻便、操作简单的卫星通信背负终端，可以在野外无通信覆盖区域内，提供远程互联网接入，及时传输数据、话音等重要外场作业信息。同时，在野外作业遇上危险或者有特殊发现时，及时与管理局建立联系，汇报情况或求助。

（5）动中通/静中通。三江源国家公园是我国面积最大的自然保护区，在这样大范围的土地面积内进行执法监测，为三江源管理局配备监测执法车辆。对监测执法车辆进行改装，配备卫星通信设备，使车辆在国家公园内进行野外监测执法作业时能够与管理局通连，及时传输数据，支持远程双向视频会商，提升监测执法效果。

（6）北斗系统。为方便野外作业人员对重点区域的监测，提高响应能力，为野外作业人员配备北斗手持终端，作业人员可通过使用小型化的手持终端，实现卫星定位、导航及所处地理位置信息的发送，管理局可全局掌控外出作业人员的情况。同时管理局可利用北斗指挥机将地图、位置显示、调配等数据信息下发至北斗终端，方便作业人员对重点区域的监测。

4.2　系统功能

结合三江源的通信需求，卫星通信系统可提供以下功能：

（1）监控录像传送。三江源国家公园各监测站点配置视频采集终端，用以监控外围动态，通过卫星通信系统，采集终端获取的音视频数据可传送至三江源管理局，为上级提供分析数据支持。

当某处监测站点监控到有价值信息（如野生动物活动，可疑人员迹象等），可立即将监控的视频画面实时回传到三江源管理局，便于管理局指挥人员实时获取资源，提高事件的决策和处置效率。也可通过存储设备记录采集设备监控到的视频，在卫星网络业务数据量小时传回三江源管理局，可提高带宽利用率，有效节省卫星资源。

（2）远程语音通信。卫星通信系统不受地理、环境等因素制约，可为三江源国家公园提供全时、全天候、高可靠性的话音通信业务。通过卫星通信系统，管理局与各监测站点之间可进行实时的话音交流，实现监测站点状态反馈。

（3）互联网接入服务。各卫星通信站点均支持互联网接入功能，可为各监测站点、临时监测站点等提供互联网接入、网页浏览、电子邮件等多业务应用，实现IP业务在卫星链路上的传输。

（4）视频会商决策。系统支持视频会议功能，三江源管理局可与各监测站点、便携站、动中通/静中通监测执法车召开视频会议，为远程政务协商、决策商议制定提供可靠通信保障。

（5）监测执法巡逻。为三江源国家公园大面积监测执法巡逻提供支撑，对监测执法车辆进行改装，配备卫星通信设备，使车辆在国家公园内进行野外监测执法作业时能够与管理局通连，及时传输数据，提升监测执法效果。

（6）北斗定位导航。为保障三江源野外作业的时效性及有效性，野外作业人员能够在第一时间，向管理局汇报监测现场情况、周边态势、以及作业人员位置信息，同时管理局可将地图、位置显示、调配等数据信息下发至作业人员，方便作业人员对重点区域的监测。

（7）应急情况的通信保障。在重点监控区域和环境应急情况下，地面光纤可能遭到毁坏，系统可保障在应急情况下管理局也可接收到实时的监控区域资料，提供可靠的通信传输保障。重点监控区域的监测站点可将摄像监控采集到的视频以文件形式通过卫星链路传输至三江源管理局，便于管理局指挥人员获取资源。同时，以具备机动能力的车辆作为装载平台，集成各种通信设备，具备视频会议、IP电话等功能，用于现场视频回传、应急指挥通信等，形成具有突出的机动性、适用性和可全天候运行能力的移动卫星业务终端，满足应急状况下的通信保障。

4.3　应用模式及网络规划

根据三江源的通信需求，卫星通信终端有固定站、便携站、背负站、动中通及静中通，典型业务是视频会商、语音电话、监控视频数据传输、互联网接入以及其他综合业务的传输。

4.4　应用场景

（1）日常模式。在日常模式下，系统可保障各监测站的日常办公，如文电传输、语音通话、互联网接入等，满足监测点工作人员的日常办公需求，同时可支持日常巡逻车辆的执法作业需求，满足野外监测数据的传输。

（2）应急模式。在重点监控区域和环境应急情况下，动中通可快速到达事故现场，通过集成各种通信设备，实现管理局和突发事件与灾害现场的话音通信，同时实现现场视频图像和相关数据的传输，业务集语音、数据、视频于一体，超越时间与空间的限制，为应急指挥调度提供支撑。

（3）视频传输模式。当在重点监测区域的监测站点监控到有价值信息（如野生动物活动，可疑人员迹象等），可将监控视频画面采用高清画质回传到三江源管理局指挥大屏，便于指挥人员通过监控画面进行决策及指令下达，提高应急事件的决策和处置效率。同时支持动中通与三江源国家公园管理局标清视频会商的功能。

4.5　业务量估算

三江源国家公园卫星通信系统在工作过程中，主控站将前向业务数据配置到TDM载波中广播发送至所有远端站；动中通数据配置到eSCPC载波中回传给主控站，固定站、便携站、背负站和静中通数据配置到MF-TDMA载波中回传给主控站，主控站再通过光缆专线将业务数据传输至三江源国家公园管理局，进而实现管理局与多个端站间的双向数据链路。管理局与多个端站互通时，载波规划如图2所示。

图2　载波规划示意图

管理局与多个端站互通模式网络规划示意图如图3所示。

图3　网络规划示意图

考虑到三江源国家公园的实际需求，电话业务所需速率为64kb/s，视频会商传输所需速率为2Mb/s，高清监控视频回传所需速率为4Mb/s，还需综合考虑文电传输、封装等业务处理开销，建议固定站、便携站、背负站、静中通共享4Mb/s传输速率，动中通配置2Mb/s传输速率。主控站能实现向端站广播4Mb/s业务传输速率，所有端站向主控站能达到共回传6Mb/s（含开销）业务传输速率。在确保卫星通信链路畅通的情况下，应尽量提高卫星信道带宽的使用效率，结合业务所需的传输数据率，选取主控站前向调制方式为8PSK 2/3，各类型端站回传调制方式为8PSK 2/3。频率带宽需求分析如表1所示：

表1　频率带宽需求分析表

6MHz的卫星信道带宽可满足以下典型业务需求：

⊙ 日常模式下可满足监测固定站点数据传输、语音通话及互联网接入等低速率业务需求，支持7个站点每路580kb/s的并发速率；同时支持监测执法车辆2Mb/s的日常巡逻数据传输需求。

⊙ 应急模式下动中通可快速到达事故现场，支持动中通回传2Mb/s业务，同时支持携带的1套便携站和1套背负站回传各2Mb/s业务。

临时模式下当某处监测站点发现有价值信息时，可保障一路4Mb/s高清监控视频的回传，同时可保障管理局与动中通标清视频会商的进行。

5　结束语

三江源国家公园管理局卫星通信系统，通过对环境影响极小的卫星通信系统的建设，弥补三江源区域各监测分系统联网能力低下的短板，在光纤网络无法覆盖或者故障的情况下，为区域通信提供安全有效 的通道，提高整个通信系统的服务能力和共享水平，实现国产卫星通信链路在三江源区域覆盖。通过信息化建设加强三江源区域生态的保护，贯彻落实中央要求，建设三江源智慧公园，实现智能管理三江源国家公园。

根据此次三江源国家公园卫星通信系统的建设需求，旨在为三江源国家公园建设一套功能齐全、性能可靠、技术领先的以卫星通信为主、其他通信手段为辅的系统，本系统具有数据、话音、视频等多种业务传输能力，安全保护措施齐全，可靠性高，环境适应能力强。该项目通过卫星通信网络的建设，结合当前先进的监测技术手段，集成于系统管理平台，使各站点工作人员可以即时上传数据，对重点保护区域实施监控，还可以获取常年监测数据。在提高保护区的信息化管理水平的同时，满足国家公园生物多样性保护和监测、数据传输、信息共享及日常通信的需要。■

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