張濤 索香林 張云昌 張?zhí)祛?朱笑然 趙文強(qiáng)

我國幅員遼闊，地震、地質(zhì)等自然災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全[1][2]。1976年的唐山大地震共造成24.2萬人死亡，16.4萬人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失 54億元；2008年汶川大地震造成8.7150萬人死亡，37.4643萬人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失8452億元；2010年玉樹地震造成了2290人遇難，20 多萬受災(zāi)群眾需要安置和救援[3]。

重特大自然災(zāi)害極易造成當(dāng)?shù)氐耐ㄐ胖袛?，對?zāi)后信息的向外傳遞帶來了極大的困難，從而形成信息孤島[4]。以汶川地震為例，在有線傳輸方面，傳輸光纜有10960皮長公里遭到破壞，交換中繼站有616個遭到破壞；無線傳輸方面，無線基站有16507個遭到破壞，中國移動的三個交換中心網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器因突發(fā)的巨大通信量造成過載癱瘓，中國網(wǎng)通有2條2.5G、1條155M以太網(wǎng)線路中斷[5]。7個重災(zāi)縣，直到147小時后才恢復(fù)基本通信[6]，加之震后道路破壞和次生災(zāi)害，車輛很難抵達(dá)災(zāi)區(qū)，救援隊員僅能攜帶有限裝備，依靠徒步形式快速抵達(dá)現(xiàn)場爭取在黃金救援時間快速實施救援[7]。因此，高帶寬衛(wèi)星通信技術(shù)和單兵小型化通信裝備成為當(dāng)前應(yīng)急通信發(fā)展的重要方向，為災(zāi)害救援提供了巨大的技術(shù)保障。

中國地震應(yīng)急搜救中心作為中國國際救援隊和中國救援隊重要的技術(shù)支撐和裝備保障單位，近年來，結(jié)合多次國內(nèi)外重大救援行動經(jīng)驗，尤其是針對我國災(zāi)害頻發(fā)且自然條件復(fù)雜的西部地區(qū)救援行動中，面臨的地形起伏較大、晝夜溫差大、大氣壓低、空氣密度低、含氧量少、氣候干燥、太陽輻射強(qiáng)、風(fēng)沙大、地勢復(fù)雜等現(xiàn)場工作特點，開展了裝備極端條件測試研究。于2018年，在黑龍江黑河測試場地成功完成了通信裝備和保障裝備的高寒測試，取得了較好的測試結(jié)果[8]。2019年，莫桑比克國際救援行動歸來后，迅速組織開展了應(yīng)急通信衛(wèi)星裝備的高海拔極端環(huán)境測試。本次測試?yán)脴O端條件測試和對比測試等方法開展相關(guān)衛(wèi)星應(yīng)急通信裝備野外現(xiàn)場測試研究，為各級救援力量國內(nèi)外重特大自然災(zāi)害和突發(fā)事件應(yīng)急救援通信保障能力的提高提供了重要借鑒，對專業(yè)救援隊發(fā)展中的裝備采購、技術(shù)儲備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定具有重要意義。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)及裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于自身覆蓋范圍大、通信距離遠(yuǎn)、機(jī)動性良好、通信容量大、傳輸質(zhì)量高的特點，成為當(dāng)前應(yīng)急通信保障的重要手段之一[9][10]。其裝備形式主要有單兵隨行式、地面便攜站式和車載等移動平臺式。主要業(yè)務(wù)服務(wù)形式為語音、視頻和數(shù)據(jù)三種。目前，各級救援隊伍常備的衛(wèi)星通信系統(tǒng)及裝備，主要有銥星通信系統(tǒng)、海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)四種。

銥星通信系統(tǒng)由72顆衛(wèi)星（6顆備用）圍繞6個極圓軌道運行，每個軌道平均分布11顆在軌運行的衛(wèi)星和一顆備用衛(wèi)星，覆蓋全球（包括南極和北極），是迄今全球覆蓋最廣的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。2017年銥星公司一次性發(fā)射10顆二代通信衛(wèi)星，最高速率可達(dá)1.4Mbps。目前，銥星手持機(jī)是應(yīng)急救援行動，尤其是國際救援行動中最基本的語音業(yè)務(wù)保障裝備。

海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由國際海事組織經(jīng)營的全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，其目前運營的四代和五代系統(tǒng)，通過在軌6顆地球同步軌道衛(wèi)星組網(wǎng)形成衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，除南北緯 72°以外的區(qū)域，實現(xiàn)全球85%面積的覆蓋。目前，第五代衛(wèi)星正式進(jìn)入全球商業(yè)運營階段，可以實現(xiàn)高達(dá)50MB/s速度的衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)服務(wù)，已經(jīng)成為現(xiàn)場指揮部和各類救援隊國內(nèi)外現(xiàn)場救援通信保障的優(yōu)選裝備。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，支持雙向短報文通信功能，可用于窄帶數(shù)據(jù)傳輸。2000年，北斗一號系統(tǒng)建成，實現(xiàn)我國區(qū)域的服務(wù)應(yīng)用。2012年，北斗二號系統(tǒng)建設(shè)完成，實現(xiàn)亞太地區(qū)服務(wù)覆蓋。隨著2020年3月9日，北斗第54顆衛(wèi)星發(fā)射的升空，目前已開始面向全球應(yīng)用的北斗三號系統(tǒng)的建設(shè)。相對于國外廠商裝備，北斗衛(wèi)星裝備憑借其通信費用低廉、穩(wěn)定性、可靠性和安全性較好，成為災(zāi)害現(xiàn)場定位、文字和災(zāi)情監(jiān)控等窄帶數(shù)據(jù)流通信裝備，但無法滿足視頻和大規(guī)模語音互聯(lián)互通。因此，通常不作為隊伍常規(guī)應(yīng)急通信保障裝備。

天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是我國規(guī)劃的軍民兩用衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)?！疤焱ㄒ惶枴毙l(wèi)星在設(shè)計上利用109個蜂窩點波束覆蓋我國國土及第一島鏈，利用 2個海域區(qū)域波束覆蓋印度洋和二島鏈。該系統(tǒng)能夠提供話音、中低速數(shù)據(jù)(2.4kbps～384kbps)、短消息、傳真、視頻回傳、數(shù)據(jù)采集等業(yè)務(wù)。目前，由于自主研發(fā)設(shè)備的安全性和可靠性，該系統(tǒng)的手持機(jī)和平板天線逐漸受到國內(nèi)應(yīng)急救援力量的關(guān)注，但目前單波束下最高384kbps的呼叫速率，難以應(yīng)對高清視頻呼叫的使用場景，尤其是大災(zāi)應(yīng)急中的用戶激增，如何優(yōu)化信道需要進(jìn)一步實際考驗。此外，該系統(tǒng)覆蓋范圍，目前無法支持跨國救援行動。

2 測試的線路選擇和主要工作內(nèi)容設(shè)計

目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)及裝備是各級救援力量尤其是國際救援隊行動的標(biāo)準(zhǔn)通信裝備配置。在實際配置和使用時，通常需要結(jié)合各系統(tǒng)特性，充分考慮作業(yè)區(qū)域、災(zāi)害類型、運輸條件和隊伍規(guī)模來進(jìn)行合理化選擇。但是，在玉樹地震救援和莫桑比克過救援行動中，高原高寒、高溫高濕和暴曬暴雨等極端氣候條件，對裝備及操作人員現(xiàn)場實際使用效率又提出了重要考驗。因此，定期開展裝備各項極端條件下的通信測試和人員拉練，可以在有效驗證裝備的可靠性的同時，提高通信保障人員的綜合保障能力。

2.1 測試路線

本次測試路線以北京為起點，自東向西隨地形不斷爬升，最終到達(dá)青藏高原東部，橫穿“晉冀蒙”和“甘青川”兩大地震高發(fā)危險區(qū)。測線水平長度約3000公里，可以有效測試衛(wèi)星通信裝備在我國東部、中部和部分西部地區(qū)的中高緯度通信使用情況。同時，測點的海拔落差較大，起伏相對平穩(wěn)，實現(xiàn)了通信裝備1000米～4000米的不同海拔的使用測試。此外，測線還覆蓋了我國最活躍的地震帶和歷史地震較多的地區(qū)，包括華北地震帶、南北地震帶、西北地震帶和青藏高原地震帶，該線路上先后發(fā)生過玉樹、門源等破壞性地震，實際意義和對比度高，具體圖路線和測量點，如圖1中綠色三角標(biāo)識所示：

圖1 測點及測線分布圖

表1 測試裝備清單

2.2 測試裝備

本次測試攜帶裝備包括：海事衛(wèi)星第五代進(jìn)口Ka便攜站和國產(chǎn)Ka便攜站、國產(chǎn)Ku衛(wèi)星便攜站、海事衛(wèi)星平板天線、天通平板天線、天通手持機(jī)、VSAT動中通衛(wèi)星車以及相關(guān)配套通信及保障裝備，具體裝備和型號如表1所示。

2.3 測試現(xiàn)場主要工作

(1)高帶寬衛(wèi)星通信鏈路技術(shù)和裝備

開展無人區(qū)和公網(wǎng)覆蓋差等典型環(huán)境下的高帶寬衛(wèi)星視頻通信技術(shù)和裝備測試。尤其是針對未來國內(nèi)重大災(zāi)害公網(wǎng)通信中斷，以及莫桑比克等國際救援行動的衛(wèi)星視頻調(diào)度等實戰(zhàn)情況進(jìn)行模擬測試。

(2)單兵小型化裝備的實用性測試

開展小型便攜站、平板天線和手持機(jī)等新型小型化單兵通信設(shè)備的野外實戰(zhàn)性測試，從便攜性和現(xiàn)場展開性等方面測試裝備的使用效果。為下一步裝備改進(jìn)和相關(guān)科研工作奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖2 測點海拔分布圖

圖3 高海拔測試工作過程

(3)極端環(huán)境下通信裝備使用性測試

選取不同海拔的測試環(huán)境，開展前后方呼叫測試，測試裝備可靠性和穩(wěn)定性，以及現(xiàn)場人員的實操性。同時，與歷史地震救援實際視頻會議效果進(jìn)行對比分析，如玉樹地震、門源地震等，進(jìn)行新舊技術(shù)對比。

(4)國產(chǎn)化通信裝備測試

對當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)先、品質(zhì)好的國產(chǎn)化通信設(shè)備進(jìn)行前期設(shè)備調(diào)研，為下一步國產(chǎn)化替換奠定前期工作基礎(chǔ)。

3 測試過程及結(jié)論

本次測試從北京出發(fā)，駕駛通信車輛和保障車輛共計3輛，行程8000公里左右。在16天測試時間內(nèi)，測試人員完成了8個測點的測試工作，橫跨晉、冀、蒙、寧、甘、青的多省區(qū)，實現(xiàn)了1000米～4000米的海拔測試范圍，如圖2所示，最高測點海拔4004米。其中還涵蓋了平原、山地、沙漠、高原戈壁和草地多種現(xiàn)場架設(shè)和使用環(huán)境，如圖3所示。

本次高海拔極端條件衛(wèi)星通信裝備測試取得了較大成功，除了拉動和鍛煉了應(yīng)急通信保障人員，還在通信裝備的實用化、極端環(huán)境適應(yīng)性以及后期重點技術(shù)攻關(guān)研究方向得到了較多新的認(rèn)識和結(jié)論：

3.1 現(xiàn)有衛(wèi)星通信裝備基本滿足高原地區(qū)應(yīng)急救援環(huán)境要求

本次測試從涵蓋了1000米～4000米的海拔范圍，從各類通信裝備的組裝和使用情況分析，未出現(xiàn)由于海拔變化導(dǎo)致的軟硬件和鏈路通信差異，可以應(yīng)對未來不同海拔下現(xiàn)場救援行動的通信保障要求。在測試場地上，本次測試涵蓋了平原、山地、沙漠、高原戈壁和草地多種現(xiàn)場架設(shè)和使用條件。在使用過程中，地形起伏較大地區(qū)需要結(jié)合衛(wèi)星現(xiàn)場對星要求，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱龅匚恢煤驮O(shè)備姿態(tài)調(diào)整。沙漠和戈壁地區(qū)需要注意高溫暴曬和沙塵下設(shè)備的保護(hù)，對于吸熱強(qiáng)、散熱差的通信裝備，建議在不遮擋信號條件下，盡量避免長時間暴曬，可以考慮遮陽和交替使用，對于不需要對星的影音設(shè)備盡量選擇在陰涼通風(fēng)環(huán)境下使用。此外，設(shè)備使用后要及時進(jìn)行沙塵的清理，有條件應(yīng)在裝備帶回庫房后進(jìn)行深度清理，避免沙塵對設(shè)備內(nèi)部原件的破壞。此外，未來裝備購置或定制化時，需對視頻輸出設(shè)備的各類顯示屏需提出高亮要求，視頻采集輸入設(shè)備提出自動白平衡要求，以保證強(qiáng)光下的現(xiàn)場使用效果。

3.2 現(xiàn)有衛(wèi)星通信鏈路在跨區(qū)域行動中鏈路狀況良好

本次采用了橫跨晉、冀、蒙、寧、甘、青的多省區(qū)大跨度通信測試，考驗了多種衛(wèi)星通信波束的覆蓋范圍和通信效果。尤其是高帶寬衛(wèi)星設(shè)備的測試結(jié)果，達(dá)到了2M以上的上下行帶寬，未來可以保證至少高清級別的前后方視頻調(diào)度和現(xiàn)場災(zāi)情信息回傳。但在本次測試中國產(chǎn)Ka設(shè)備在測試地點切換過程中，自動對星功能需要人工后臺錄入修正參數(shù)才能正確對星，相對于完全自動化的進(jìn)口設(shè)備增加了現(xiàn)場架設(shè)的難度，有待進(jìn)一步完善。

4 結(jié)語

通過本次測試工作，我們驗證了現(xiàn)有衛(wèi)星通信裝備的使用和實用化效果。測試結(jié)論的提出，對未來應(yīng)急救援通信裝備的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、發(fā)展定型以及隊伍列裝起到了重要的借鑒意義和推動作用，為應(yīng)急救援裝備現(xiàn)代化工程的開展提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

此外，通過高海拔極端環(huán)境通信裝備測試模式探索，為今后其他類型裝備的高海拔測試工作積累了寶貴現(xiàn)場經(jīng)驗，增強(qiáng)了我們針對下一步國家救援隊面臨的綜合救援挑戰(zhàn)的信心，通過科學(xué)的“測試+拉動”的工作模式，提升了應(yīng)急通信保障人員非應(yīng)急狀態(tài)下的日常工作和科研能力，為真正現(xiàn)場救援行動通信保障效率的提升奠定了重要基礎(chǔ)。