空地协同网络在森林防火应急通信中的设想

杨 洸，宋 旭

（1.保利科技有限公司，北京 100010；2.中国新时代科技有限公司，北京 100010）

1 当前森林防火应急通信现状

近年来，在全国各区森林防火应急救援行动中，消防员牺牲现象时有发生。其中，有林场面积大、火势蔓延快且无规律以及现场风、水和烟雾影响视线等原因，但关键问题是森林应急救援现场通信不畅导致指挥中心与现场人员交互困难。我国林区大多位于偏远的山林地带，不仅面临交通不便、设备落后以及人员组织分散等问题，且大面积的林区覆盖使得手机等日常通信设备无法发挥作用[1]，从而导致严重后果。首先，指挥中心无法确保第一时间将火情蔓延态势告知现场救援小队并下达指令；其次，森林对无线信号屏蔽较为严重，现场救援人员无法获取指挥中心对火情的遥感信息和自身位置信息，进而无法准确判断行进线路；最后，空中救援力量受林火、烟雾影响，难以观测地面情况，而精准抵达需获取救援坐标。以上问题大幅降低了现场救援人员的安全保障。

目前，森林消防救援队员在现场配置了便携式卫星、北斗以及超短波/短波电台等单兵装备，同时国家在部分林场也建设了超短波网实现无线话音调度。但是，受林场植被影响，以上手段均无法做到救援人员在林场内随时对地接入，导致救援小队深入林场内部时，无法及时获取火情信息并上报位置信息。

因此，需要探索一种基于空地协同的通信网络，针对林场面积大、固定设施部署成本高、植被厚度对无线信号遮挡严重等特点，利用卫星、低空无线覆盖以及无线中继网络相组合的方式，为救援人员提供了一种可保障其随时连通的机动宽带数据网络，从而在火情发生时能够快速部署并可靠接入，并能够即时获取火情态势和位置信息，同时能够建立与指挥中心的连接。

2 空地协同网络设想

2.1 空地协同网络在森林防火应急通信中的应用模型

空地协同网络设计通过地空通信、自组网中继以及卫星通信，将指挥中心与救援直升机、单兵侦察无人机以及救援人员之间进行连通，使其能够构建一个宽带数据通道，实现以上救援力量之间的数据协同，并提供位置信息、数据信息以及话音信息的共享服务，应用模型如图1所示。

图1 空地协同网络在森林防火应急通信的应用模型

在网络设计上，空地协同网络一方面可以通过救援直升机解决森林火场面积大、固定通信设施难以全面覆盖的问题，另一方面通过侦查无人机挂载无线自组网设备，在救援人员头顶展开低空飞行，并与救援直升机进行网络中继，以解决森林植被茂密对无线信号遮挡较大的问题。当地面救援北斗位置服务失效时，可通过其升空的无人机进行位置回传，从而准确掌握救援人员的实施位置。

在应用设计上，空地协同网络可实现指挥中心、救援直升机与地面救援人员之间火情态势信息共享，便于救援力量实时掌握宏观火情信息，同时可实现位置信息共享，便于指挥中心综合调度所有救援力量。

2.2 应用场景设计

在森林防火应急通信场景中，火场较为分散且地形复杂，限制了车辆和大型装备的进入。通常，森林消防员需要徒步5～6 h才能到达火场。在此过程中，由于植被遮挡和区域偏远的因素，现有通信设施无法随时与指挥中心保持通信，且由于地貌影响使得位置上报时断时续。空地协同网络的建立，能够在救援人员通过常规手段无法与指挥中心联系时即时搭建一套通信链路，实现现场与指挥中心之间的话音、数据以及位置等信息的交互。

如图2所示，空地协同网络在地面救援人员定位装备失效时可升起无人机，由无人机提供定位数据或短报文发送。指挥中心能够获取地面人员和空中救援直升机位置信息，便于调度。

如图3所示，当地面救援人员与公网通信失效时，空地协同网络将由救援直升机和无人机组成的中继平台，实现指挥中心与各救援力量的数据调度链路。

2.3 关键技术的选择

空地协同网络的关键技术在于保证指挥中心与救援直升机之间的低空宽带无线通信技术，以及救援直升机、侦查无人机与救援人员之间的动态无中心宽带自组网。

图2 空地协同网络数据采集流程

图3 空地协同网络态势及话音调度流程

对于低空宽带无线通信技术而言，目前民航飞机主要使用的是ACARS（飞机通信寻址与报告系统）和ADS-B（广播式自动相关监视系统）[2-3]。其中，ACARS体制主要实现报文服务，其最大支持2.4 kb/s的传输速率；ADS-B体制主要提供飞行参数回传服务，最大支持1 Mb/s的传输速率；两者均无法满足宽带数据传输的要求。空地协同网络选用基于TD-LTE技术的地空通信思路进行设计。

对于无中心宽带自组网技术，随着OFDM-MIMO宽带技术的成熟，基于OFDM技术的无线宽带自组网得到了广泛应用。目前，该技术最大可支持32个节点，节点移动速度支持300 km/h以上，同时点对点的通信速率可达到50 Mb/s，能够满足空地协同网络中继覆盖的要求。

基于TD-LTE技术的地空通信技术使用场景验证。地空通信的主要难点在于救援直升机位于低空飞行，由于常规天线设计考虑水平波束较宽，垂直波束较窄，地面基站对空覆盖难以满足实际应用需要，需要对TD-LTE基站天线进行低空覆盖优化，增强上旁瓣。它的主瓣3 dB水平宽度120°，俯仰面仰角30°以内增益大于4 dB，大仰角时增益大于-1 dB。大仰角时，飞机距离基站较近，链路衰减较小。针对以上优化进行直升机低空飞行测试，选用频段600 MHz，基站功率20 W，机载终端1 W，基站接收灵敏度为-105 dB，直升机飞行高度500 m。

如图4所示，以基站为中心100 km2范围内，直升机水平飞行速度在200 km/h以上，机载终端接收97%区域的RSRP值在-105 dB以内，能够满足最小接收灵敏度的需要。同时，通过码流测试，终端与基站边缘速率能够达到2 Mb/s以上，能够满足地空通信宽带数据的承载需要。

图4 TD-LTE地空通信测试数据

3 结 论

综上所述，空地协同网络对森林防火应急通信能够快速建立一条可靠的宽带网络通道，有效解决救援人员位置传输、地面与空中救援单位以及指挥中心之间的宽带数据通信的问题，同时部署方便、投资较小，能够为复杂环境下救援抢险通信提供稳定保障。分析空地协同网络通信在森林防火救援场景下的应用流程，对基于TD-LTE的低空通信技术进行测试验证，能够满足消防部队救援直升机在低空飞行过程中与地面宽带通信的需求。同时，空地协同网络在实际森林防火应急通信中的实战应用还需进行多方面考虑，包括侦察无人机的使用时间、针对森林场景起飞所需要的形态适应性改造以及针对此网络所形成新的空地指挥体系及相关应用等。