基于北斗的应急通信技术研究及系统设计

杨 明，王雪峰，褚映红，苏从兵

基于北斗的应急通信技术研究及系统设计

杨 明，王雪峰，褚映红，苏从兵

（中电科西北集团有限公司西安分公司，西安 710068）

基于对卫星通信的应急通信技术的分析，结合中国拥有完整知识产权的北斗卫星导航系统的应用，设计并实现了一套基于北斗卫星导航技术的应急通信系统，由北斗卫星、信息采集终端、信息运行中心和控制中心等组成，集定位、导航、短报文通信功能于一体，为抢险救灾中的应急通信提供了一种技术保障手段。

应急通信；卫星通信；北斗；应急通信系统

0 引言

近年来，在经济飞速发展的过程中屡次发生的自然灾害事件，不仅严重制约了我国社会经济的快速发展，同时也严重地危害着国家人民的生命安全，因此对灾害发生时落实稳定、便捷的应急通信尤为重要。当今时代，我国科学技术水平发展的增长趋势愈发显著，随之而来的，通信技术发展与应用也愈发迅速与广泛，得益于卫星导航系统信号的广域覆盖，在面对灾害发生后的极端环境中通信困难的情况时，通过卫星通信技术仍可以搭建信息的互通渠道，迅速开展部署救援工作，因此基于卫星通信技术的应急通信系统，已经成为最优方案[1]。

1 应急通信技术现状

现代应急通信是一种暂时性的特殊通信机制，在通常情况下，是指在发生人为或自然的突发紧急情况下，或者通信使用需求急剧增加的情况下，通过使用多种方法与资源有效地实现与保障通信业务[1]。在发生人为或自然的突发事件时，可能会对传统通信手段造成严重影响，包括电力系统、通信链路以及多种常规通信设施设备，无法及时通信会严重阻碍救援部署工作的迅速开展，造成国民安全、经济发展等严重损害。

根据传输载体与介质来划分种类，应急通信可以被分成无线与有线两种。传统有线应急通信主要有Internet与公用电话网络，依赖光纤、同轴电缆以及双绞线等传统有线载体来进行通信，是目前应用非常广泛的通信技术，但此种铺设在地面且高度依赖地理环境的通信网络，在遇到人为或自然的突发事件时，极易遭到破坏，且很难迅速恢复正常运转，无法发挥信息互通的基本功能，此时无线应急通信技术更易发挥其技术优势，来保障稳定、畅通的应急通信通道。无线应急通信技术手段主要包括集群、无线电台、蜂窝及卫星通信等，它们通过发送电磁波信号来进行消息互通，不完全依赖传统的实物传输介质来进行数据输送，具有很高的抗破坏特性、安装机动灵活且覆盖范围大等技术特点[2]。

集群通信指的是集群移动通信，是基于无线电调度技术的一种较为灵活与经济的通信系统，综合利用系统内所有可用的无线信道为系统内所有用户提供服务，具有动态、迅速、智能优化分配和频率资源利用率高等特点。通常使用的终端设备为对讲机，包括便携式、车载式与手持式等，可以实现点对点，以及一点对多点的通信。

无线电台可以有多种分类方法，包括业务种类与工作频段。按照业务种类来划分，可将无线电台划分为气象业务、广播业务、时间信号、标准频率业务、水上业务、陆地移动业务和航空业务等；按照频段区间划分，无线电台的工作频段覆盖范围为30 kHz～300 GHz，具体包括以下五个种类：

1）微波（300 MHz～300 GHz）；

2）超短波（30～300 MHz）；

3）短波（3～30 MHz）；

4）中波（300～3000 kHz）；

5）长波（30～300 kHz）。

蜂窝移动通信使用蜂窝无线组网技术，利用移动交换系统与基站系统搭建无线通信渠道，以此来实现用户之间的语音、图像、视频以及数据信息的通信业务，具有通信容量大、终端设备可移动、可跨区通信、自适应漫游等技术特点，是目前应用非常广泛的无线通信技术。

卫星应急通信利用各卫星之间建立的有效通信渠道进行无线电波的跳转与传输，卫星可以放大、变频与转播无线电波信号，不受气候条件、地面环境以及时间等方面的限制，目前已在C频段、Ku频段以及Ka等多个工作频段使用，可以满足广域覆盖范围内的多种通信业务需求，并且在面对灾害发生后的极端环境中通信困难的情况时，具有很高的抗损坏性能。

2 基于卫星的应急通信技术

2.1 卫星通信技术

卫星通信，通常情况下指的是通过使用人造卫星，使其成为无线电波信号的中转站来完成信号跳转与传输，从而实现两个或多个地面或低层者大气中的无线电通信站点之间的通信。环绕地球轨道大约运行着2000颗卫星，卫星通信技术可综合利用各卫星之间建立的有效通信渠道，合理传播数据，接收全球广域范围内的音频、视像与数据信息，通过解算得到基本数据，以便后续决策与判断[3]，这使得在全球电信领域中，卫星通信技术有着巨大的应用价值与前景。

卫星通信的技术特征包括以下六个方面[4]：

1）信号传输距离长，覆盖范围广泛。在人造卫星发送的无线电波涵盖的区域内，任意两点之间均可以实现信息交互；

2）相比于其他常规通信技术的建设与运营成本与距离成正相关，卫星通信不会额外增加距离成本，更适用于远距离通信；

3）卫星通信主要通过太空中人造卫星之间无线电波的传输，通信链路相对稳定，基本不会被地球大气层相关气候变化以及地质灾害影响，所以受到的干扰更低，从而更好地保障了各点之间通信的质量，可靠性更高；

4）卫星通信的工作频段及可用带宽发展迅速，涵盖范围越来越广，使得通信的容量也随之增大，适用于高容量的通信业务需求；

5）地面设备安装方式更为灵活，随着技术水平的发展，用于卫星通信的使用终端体积越来越小，可根据用户的使用需求，灵活地安装在各类交通工具乃至手持终端中，在其他通信系统设备与系统网络不宜安装的地面环境下，例如山区、海面等地理环境中，安装更为机动与灵活；

6）卫星通信的一条信道，可以供多个区间及方向使用，只要是信号覆盖范围内的各个终端或地面站，均可接收通信数据，可以更为经济地实现多址通信与联接。

2.2 基于北斗的应急通信技术

根据卫星导航技术的技术特点，以及在国防科技、社会经济、日常民生等各个领域的巨大应用前景，近年来我国逐步加大卫星导航技术的科学技术研究力度，不断提升中国卫星导航技术水平，成功研制出了北斗卫星导航系统。它能够提供定位、通信与高精度授时服务，可以在公共安全、交通运输、通信行业、电力系统、环境勘探、应急抢险，以及其他国民日常生活等各个领域得到广泛的应用。除了更加方便人们的生活与工作之外，北斗卫星导航系统提供的定位服务与短报文通信服务，基本不受制于恶劣环境的影响，以及信号覆盖范围的广泛，在抢险救灾中可以发挥非常重要的作用，可以快速部署指挥调度工作，实现广域范围内的抢险救灾、及时上报灾情数据、保障指挥中心与一线搜救人员之间畅通的通信渠道，极大地提高了紧急救援的效率，在决策、部署、搜寻及救助等方面，都有着决定性的意义[5]。

利用北斗卫星导航系统的技术特点实现的应急通信系统通常由空间与地面两大领域来提供核心技术功能，其中空间部分指的就是北斗通信卫星，北斗通信卫星可以提供导航信息及空间通信链路；地面部分指的是应急通信地面系统，通常情况下由控制中心、指挥中心及各客户端组成。控制中心一般位于固定的楼宇中，主要用于查看现场数据，发布决策指令。指挥中心可以是固定式，也可以是更加灵活的车载或便携式，作为通信服务中心，负责信息的采集、汇总、分发，实现空间与地面两个系统之间的信息交互，并将各客户端上传的灾情信息传送给控制中心以供决策。客户端主要指的是配备下属注册卡的用户终端，以供一线抢险救灾人员上报灾情与接收救灾指令使用。

3 基于北斗的应急通信系统设计

本文设计了一种基于北斗的应急通信系统，主要由北斗卫星、信息采集终端、信息运行中心和控制中心组成。系统架构图如图1所示。

基于北斗的应急通信系统采用双向通信，各通信流程为：

1）信息采集终端向控制中心发送数据流程

移动手持终端通过蓝牙连接北斗信标终端模块，在手持终端编辑消息，选择目的地址（中心或其他终端），通过北斗终端模块将信息发送给卫星，卫星会根据所填写的地址，发送给地面北斗指挥机，北斗指挥机在接收到通信信息后，经由串口发送给通信网关服务器，通信网关服务器将其进行格式转化，再通过网络发送给控制中心；

2）控制中心各客户端向移动手持终端发送数据流程

客户端首先要通过控制中心与通信网关服务器建立通信链路，客户端编辑完成通信信息后，通过控制中心发送至通信网关服务器，通信网关服务器会将该报文内容转化，经由串口发送给北斗指挥机，北斗指挥机会根据报文指定的用户地址，通过卫星将该信息发送给相应北斗终端模块，显示在移动手持终端设备上。

3.1 北斗卫星

中国自主运营和建设的北斗卫星导航系统具备通信及定位功能的独有技术优势，近年来随着技术水平的提高，已逐步发展为可提供全球数据通信与定位服务的卫星导航系统，特别适用于自然灾害发生后的应急环境。北斗卫星导航系统主要包括用户段、地面段以及空间段[6]。

北斗卫星导航系统的通信主要指的是双向数据通信，存在于各用户之间以及主控系统与各用户之间，得益于北斗卫星系统的全球覆盖，且通信数据的安全加密传输，使得在地面环境恶劣的情况下，仍可完成通信信息的交互。基于北斗的应急通信系统主要使用北斗指挥机完成地面段与空间段之间的通信，配置主卡的北斗指挥机与各下属注册卡所在的北斗信标终端之间的通信，可以监听各北斗信标终端位置信息与通信信息，同时北斗指挥机可以根据用户需求，向下属任意北斗信标终端发送命令，并与其进行信息交互。其通信方式包括以下两类[6]：

1）点对点双向通信

北斗卫星导航系统可以实现点对点的双向数据信息传输的功能；

2）多点对一点通信

采用配备主卡的北斗指挥机与配备下属注册卡的信息采集终端的方式，在空、地间进行北斗短报文的数据传输，实现多点对一点的双向数据通信。

3.2 信息采集终端

信息采集终端主要包括一部移动手持终端和北斗信标终端两个设备。

移动手持终端即装有定制APP的智能手机，用户利用智能手机预装的APP专用软件将灾情信息通过蓝牙方式送入北斗信标终端，包括终端位置信息以及用户上报的其他通信信息，北斗信标终端将收到的信息按照卫星无线电定位系统（Radio Determination Satellite System，RDSS）技术体制调制后，通过北斗卫星送往信息运行中心，由信息运行中心发送至控制中心的指定用户客户端上。

3.3 信息运行中心

信息运行中心主要包括一部北斗指挥机（含天线）和通信网关服务器两部分。

北斗指挥机将收到的信息采集终端上报信息解析处理后，以北斗RDSS标准协议和格式送往网关服务器，由通信网关服务器进行解码、提取、指令分发以及存储，供控制中心以C/S方式进行访问。

3.3.1 北斗指挥机

北斗指挥机是用于上级指挥机关通过北斗卫星定位导航系统，对其下属用户进行指挥、监控的北斗用户机设备。北斗指挥机除可以监听下属注册卡的通信信息、位置信息之外，还可以按照用户需求，向指定下属注册卡组播或通播用户指令信息，同时还具备时间校验功能。

3.3.2 通信网关服务器

通信网关服务器主要起到数据中转作用，架设在北斗指挥机与网络客户端之间，负责两端通信消息的相互转化及转发。通信网关服务器软件主要包括系统管理、数据通信、数据存储、数据处理及界面显示等功能模块，组成如图2所示。

1）系统管理模块

在通信网关服务器软件的系统架构中，系统管理模块是负责顶层调度协调的核心模块，其功能主要包括数据通信、数据存储、数据处理及界面显示各部分的控制协调，同时组织各数据的流入流出，使得上述各功能模块实现松耦合，并可独立运行，互不影响；

2）数据通信模块

在通信网关服务器软件的系统架构中，数据通信模块主要负责通信链路的维护、通信数据的接收与发送以及数据打包与解析。按照通信方式来规划，该模块主要包括串口与网络两种通信模式，其中串口通信主要应用于网关服务器与北斗指挥机之间的信息交互，包括信息采集终端的定位信息、通信信息以及中心用户下发的指挥指令信息，其报文格式严格遵守北斗短报文相关数据协议要求。网络通信主要用于通信网关服务器与控制中心内各客户终端之间的信息交互，包括TCP与UDP两种通信链路，传输的信息同样也是信息采集终端的定位信息、通信信息以及中心用户下发的指挥指令信息，但数据格式与串口通信不同，北斗短报文由于卫星通信链路要求，播发频次与单条数据容量均有严格限制，而网络通信则更加灵活，且各客户终端独立运行，无法预知其他客户终端的操作时间，故数据通信模块允许客户终端灵活发送指令数据，由数据发送模块统一协调验证并控制向北斗指挥机发送数据的频次，并为客户终端发送回执信息；

3）数据存储模块

网络通信、串口通信、北斗用户地址相关参数存储于配置文件中；发至通信网关服务器软件的网络数据及串口数据均存储于数据库文件中；

4）数据处理模块

数据处理模块负责网络数据与串口数据之间的格式转化；

5）界面显示模块

界面显示模块主要包括显示通信网关服务器软件实时接收的通信数据及控制中心客户端数据列表显示，数据库中历史数据显示（可根据条件查询）及用户提供系统配置信息设置功能。

3.4 控制中心

控制中心通过TCP/IP协议从信息运行中心实时获取整个应急系统的实时运行状态，以供决策使用。控制中心内部用户可以通过内部有线/无线网络使用电脑、手机、Pad等各种设备授权访问相关信息。

4 结论

近几年来自然灾害的频繁出现，使国民的生命安全受到极大的威胁，应急通信对于抢险救灾至关重要。本文介绍的基于北斗的应急通信系统由北斗卫星、信息采集终端、信息运行中心和控制中心等组成，集定位、导航、短报文通信功能于一体，可为受灾地区与外界及时获得联系并合理制定救灾措施提供一种通信保障手段。

[1] 李志伟，李合金. 卫星应急通信特点及体制分析研究[J]. 数字通信世界，2021（5）：86-87.

[2] 周洋. 应急通信技术现状及趋势[J]. 电子世界，2021（6）：87-89．

[3] 骆乐，高恒伟，包少彬，等. 卫星通信在应急通信中的应用阐述[J]. 电子世界，2021（3）：5-6.

[4] 孟晖，宋俊海. 卫星通信在应急通信中的应用及发展[J]. 科技导报，2018，36（6）：40-46.

[5] 王华东. 北斗卫星导航应急通信应用研究[J]. 卫星与网络，2013（12）：66-70.

[6] 岳智勇，田永忠，范淑琴，等. 北斗卫星通信技术在航标遥测遥控系统中的应用思考[J]. 中国水运·航道科技，2021（5）：74-79.

Research and System Design of Emergency Communication Technology Based on Beidou

YANG Ming, WANG Xuefeng, CHU Yinghong, SU Congbing

The emergency communication technology is analyzed based on satellite communication, depending the application of Beidou navigation system, an architecture of emergency communication system based on Beidou is designed which consists of Beidou satellite, information acquisition terminal, information operation center and control center, integrating positioning, navigation and short message communication functions, a technical guarantee means for emergency communication in rescue and disaster relief is provided.

Emergency Communication; Satellite Communications; Beidou; Emergency Communication System

TN927

A

1674-7976-(2022)-02-097-05

2022-03-21。杨明（1979.04—），陕西西安人，硕士，高级工程师，主要研究方向为民用航空空中交通管理。