摘要：本文根据黄河水文应急测报业务的特点，分析了黄河流域应急监测通讯需求，阐述了便携卫星通讯在水文应急测报中的作用；介绍了水文应急测报北方总队的水利卫星便携设备及演习情况；分析了水利卫星便携小站在黄河应急测报业务实际中存在的问题；建议提高设备的集成度，减少设备重量、精简功能，并对卫星通讯在应急领域的发展做出了展望。
关键词：水利卫星；便携小站；应急通信；黄河
1 引言
便携卫星通信具有覆盖面广、部署灵活等优势，在应急通信领域发挥着其它通信手段不可替代的作用，是近年来应急通信系统建设的热点。黄河是中国第二长河，流经青海等九省区，与其他江河不同，黄河流域上中游地区的面积占总面积的97%，不少偏远地区公共通讯设施不发达，加之洪涝灾害发生时，公共能源或通信设施易被毁坏，且短时间内难以恢复，常造成通信中断[1]。因此，便携卫星应急通讯是黄河应急水文测报的必然选择。
2 黄河流域应急监测通讯需求
历史上的黄河水患灾害主要影响下游悬河段，但新中国成立之后，随着上中游水利工程的逐步建设完成，下游堤防及导控工程的修筑和加固，下游防洪措施已相当完备。同时，黄河下游流经省会城市郑州、济南，且沿线经济较上中游区发达，配套的交通和通信基础设施也较完备。因此，虽然自上世纪80年代后，黄河下游也发生过较大洪水，但对应急通讯的需求并不高。
从上中游雨洪实例来看，1989年十大孔兑、1998年西柳沟、2003年黑赖沟、2012年清水川、2016年孤山川等等多次对人民群众生产生活造成显著影响的洪水均发生在黄河上中游区。此外，黄河宁蒙和段和中游区上段的凌灾的主要区域，如2008年内蒙古杭锦旗凌灾溃堤，2009年凌灾致壶口瀑布景区淹没，2016年万家寨库尾冰塞致村庄淹没[2]。黄河上游大洪水的降雨特点是：雨区范围大、强度小，持续时间长，往往10天以上，而且多由数个降雨过程组成，且容易出现小范围局地暴雨。黄河中游是黄河流域的主要暴雨区。影响黄河中游降水的天气系统既有西风带系统，也有副热带和热带天气系统，在各系统相互作用下，极易产生区域性的暴雨或大暴雨[3]。
可见，黄河流域的应急监测需求主要为上中游区。而相对于局地暴雨洪水和凌情灾害的较大危害，黄河上中游区流域面积广大、支流众多、地广人稀、水文监测站点密度小、公共交通和通信设施相对落后的现状，使得水文应急监测的难度增大。
3 便携卫星站应急通讯的主要方面
当前水文应急测报中的通讯需求主要有语音通话，数据传输，视频会商三个方面[4]。
（1）语音通话。无论水文应急测报还是前线测报指挥，均需要快速建立稳定可靠的语音通信链路，这对第一时间整理汇报河道及洪水情况和获取外部支援至关重要。应急水文测报中的语音通信又分为集群通信和对外长距离话音通信两类。集群通信主要用于前线测报人员之间的联系，各个部门之间的工作协调。对外长距离通话，主要用于前线与后方指挥部之间的联络。语音交流有互动性，对流畅性要求高，使用场景最为广泛，是便携卫星通信最常用、最实用的功能；
（2）数据传输。水文应急测报除了现场查勘河道、测量断面、测量堰塞体之外，还有一项工作是持续采集各项雨洪要素并纳入报汛通讯体系，这是应急指挥和洪水预报工作的重要数据支撑。其实现需要依靠便携站系统的宽带综合接入。卫星网络只解决远程通信通道问题，在水文应急测报现场一方面还需要通过MESH、图传等手段完成以卫星便携站为中心的区域通信覆盖，另外一方面也需要接入面向具体应用的各种设备和计算机（运行信息采集传输的软件）。
（3）视频会商。从应急工作的效率角度考虑，测报工作前线与后方指挥部之间进行音视频同步直播、在线会商是极其重要的应急通信应用。后方指挥部需要第一时间获悉现场详实、准确、全面的第一手资料，前方现场也需要实时接收后方指挥部发出的各种命令。同时，视频质量越高越有利于现场资料的收集，但由于水利卫星带宽资源有限，天气对卫星信号的制约因素，需要与单兵或者其它视频采集设备协同使用等原因，视频会商在水文应急测报中的应用并不广泛。
表1 便携卫星站应急支持能力对比
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4 目前应急监测北方总队卫星通信系统
目前黄委水文局组建有水文应急监测北方总队，其中郑州总队、兰州支队、三门峡支队、山东支队配备有便携卫星小站。
（1）水利卫星通信系统。水利卫星便携小站是水利卫星通信应用系统的一部分，该系统于2011年起由水利部组织建设，覆盖全国多个流域与省区。水利卫星通信系统使用亚洲5号和亚太6号卫星，拥有22.2MHz带宽的Ku波段和5MHz带宽的C波段资源，采用Ku＋C波段组网，共同组建DVB-S2网络[5]，在一定程度上减少了雨衰影响。
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图1 便携卫星系统
（2）便携小站系统。水利卫星便携站系统由卫星通信子系统、无线单兵图传子系统和应急发电机、附属保障设备等四大部分组成。其中，卫星通信子系统由1.2米Ku频段卫通便携天线、功放、低噪声放大器、一体化终端（包括卫星路由器、图像编解码器、语音网关、网络交换机、WIFI模块、分合路器等设备）组成。无线单兵图传子系统由无线调度基站、便携业务台、无线调度手持终端、背负式单兵终端组成，可以快速搭建现场无线应急通信指挥调度系统。
（3）设备集成与装载。卫星通信子系统由3个航空箱组成、其中两个航空箱装载便携天线，一个航空箱装载终端设备；无线调度子系统由3个航空箱组成，分别存放无线调度基站、背负式单兵、手持终端和便携业务台及配件和备件等。当有应急测报任务时，应急救援队伍可以携带航空箱赶赴应急现场，到达现场后展开并组装设备，迅速与后方指挥中心通过卫星链路建立通信。
5 应急测报演习
水文应急监测北方总队自2016年起共进行4次演习，演习地点为潼关或西霞院河段。在演习中，通讯组负责前线队员之间的语音、视频通信，以及前线与后方指挥部的语音及数据通信。演习所使用仪器设备主要包括便携式卫星小站通信系统、无线单兵图传系统两部分。便携式卫星小站通信系统由1.2m或1.0m Ku频段天线、功放、低噪声放大器、一体化终端组成，通过亚洲五号卫星进行业务传输。无线单兵图传系统由PS1002便携式基站、便携业务台、多媒体手持终端组成。各系统采用汽油发电机供电。
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图2 应急通讯现场
5.1卫星通信演练
（1）便携站组装调试。取出天线主机，放置于一个地势较为平坦开阔的场地，将天线前端朝南摆放，确保天线反射面朝向无遮挡，然后展开天线底座风稳支架。之后连接中频、电源等线缆。启动天线，依次完成展开、初始化装瓣、对星、锁定等操作，最后连接终端电源线，打开电源，待设备加电完成启动并自检后开启终端。待系统稳定，观察各指示灯状态，确认收到中心站星状网参考载波后，打开卫星功放开关，等待星状网入网，当STAR RX、TX、NET 绿灯亮，表示星状网入网成功，便携站组装完成，开始进行星状网业务通信。
（2）语音通信。卫星电话的号码段由水利部分配，将话机与卫星终端箱连接后，建立演练现场与后方水情中心的语音实时通信，实现便携卫星电话对其他卫星电话的正常拨打与接听。
（3）数据传输。将前线人员的笔记本电脑、平板电脑进行网络配置后，即通过卫星信道连入水利内网，建立了现场与后方水文局的数据传输。演练期间成功登陆办公自动化及业务查询系统，并通过即时通讯软件向演习指挥员传输了演练现场的照片、视频、测验成果图表等数据。
5.2无线单兵图传演练
（1）无线单兵图传系统搭建
基站设备上电：取出基站主机，安装信号天线、wife天线，将电源线接入便携带系统顶部的电源接口（基站设备采用外接电源供电，通过电源适配器将220V交流电转为28V直流电），打开便携式系统上的电源开关，观察电源指示灯常亮后等待5分钟，观察便携系统运行指示灯，待指示灯状态为闪烁（1Hz），即成功建立小区通信。
多媒体手持终端接入：打开手持终端后，检查手持终端左上角是否出现“注册标志”，右上角是否出现“4G信号”标记，待以上同时满足，则代表手持终端已经正常注册到单兵图传系统系统，开始使用终端业务。
调度台接入：打开便携业务台，接入基站设备wife，配置网络参数后，即连入便携系统小区通信。打开调度台客户端软件，输入用户名密码后，开始使用调度台业务。
（2）语音组呼
手持终端接入基站小区通信后，通过手持终端，进入语音组呼，并开始通话。语音组呼为半双工模式，进入组呼状态后，各终端可进行实时语音通话。演练中，使用语音单呼的方式，将测验组的测验数据报送给200米外水情组卫星小站所在处，并进行编辑、处理和上星传输。
（3）视频单呼、视频组呼
使用手持终端拨打其它终端进行视频通话，接通后可进行视频语音实时通话。视频采集可使用手持终端的前置或后置摄像头。使用便携机的调度台可进行对多台设备的依次呼叫，并以矩阵画面同时监控各手持终端的视频画面。演练中，使用视频单呼和组呼的方式，建立了控制台和多个单兵的视频通信，单兵持手持终端巡视了河道情况和临时测验断面情况。
6 便携卫星在应急测报应用中的问题
（1）设备笨重。需要使用便携卫星进行报汛通信的测报前线，一般为公共通讯设施薄弱的地区，或是因地震、泥石流的灾害导致公共通讯设施瘫痪的情形，往往同时伴随着公共交通设施的薄弱或者毁坏。现役的水利卫星便携小站及无线调度系统将设备集成于6个航空箱中，外加发电机、线缆、其它配套设备，体积约4m³，重量约200KG。实测，在测报前线附近有道路的情况下，需至少两辆大型越野车，3-4名队员，才可完成设备的运输。如果道路距离测报前线过远，人工搬运将遇到较大困难。
（2）雨衰、风力影响。应急水文测报用于应对突发暴雨洪水监测，测报前线大概率降雨。现役的水利卫星便携小站设备已做了一定的防水处理，能够在一定的降雨环境中工作。但由于雨衰的存在，降雨对卫星通信的效果仍有较大影响。通过对固定站（与便携站设备相似）降雨时的通信状况比测，小雨（＜10mm）强度，可保证语音和数据传输，中雨（10mm~20mm）强度下基本可保证数据传输，语音通讯质量下降，中雨以上级别卫星通信质量可能严重下降。由于便携卫星站必须工作于室外空旷的场地上，且便携站没有固定基础，风力可对卫星天线造成较大影响，风力较大时甚至对星困难，通讯质量严重下降。实际应用中，一般采取在卫星天线北面停放大型遮挡物（如车辆）来减少风力影响，有一定效果。
（3）带宽较低。水利卫星便携小站是水利卫星通信应用系统的一部分，与固定站共用带宽。当前水利部购买的卫星带宽仅27.2M（租期即将结束），全国数百处卫星站共同使用，资源十分紧张。在实际业务应用中，数据和语音通讯可以随时保证，但视频通信需要向水利部申请带宽资源，一定程度上限制了视频功能的使用。同时，在管理上，水利卫星通信应用系统采用小站注册入网制度，入网前必须申报所处地点的经纬度，而在应急水文测报中，测报断面位置需要因险情而定，当地公网通讯也可能瘫痪，这为提前准确申报经纬度带来了困难。
7 应用展望
要使便携卫星能更好的应用于水文应急测报，仍要在设备小型化、加大带宽、加大设备集成度几方面继续进步。当前便携卫星已发展出三种集成模式[6]，分别为高集成度卫星便携站、模块化卫星便携站、低集成度卫星便携站。北方应急监测队现役的便携站属于低集成度卫星便携站，体积大、重量大，虽然功能较多，但受限于带宽因素，无法发挥全部效能；而水文测验本身已经需要携带大量的测量仪器；作为应急测报工作整体考虑，选用集成度高的设备、减少重量，强化最实用、保障率最高的功能，将可有效减少车辆和人员，提高应急的整体效率。
表2 不同集成类型便携站特点
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未来，随着我国卫星数量和通讯能力的提升，以及低轨道卫星的建设，卫星通讯效率必将继续提高，设备和资费继续下降，便携卫星应急通讯仍将是水文应急测报通讯发展的大方向。
参考文献：
[1]崔瑞玲，高广利，耿丁蕤，等.便携卫星站在水利系统中的应用[J].水利信息化，2012，1：52-54.
[2]刘吉峰，霍世青，王春青.黄河凌情预报研究与防凌需求[J].中国防汛抗旱，2017，6：10-13.
[3]陈赞廷，王克勤，邓忠孝，等.黄河水文志[M].河南人民出版社：河南，1996.
[4]冯大，健李菲，曲克楠，等.卫星便携终端与突发应急通信[J].数字通信世界，2018，11：72-74.
[5]张建刚，高广利.新一代水利卫星通信应用系统建设[J].水利信息化，2012，1：47-51.
[6]幸雪初.卫星便携站在消防救援应急通信保障中的共性问题研究[J].网络安全与技术应用，2019，1：88-93.
论文作者:虞航1,郝岩浩2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：终端论文; 水文论文; 通信论文; 黄河论文; 卫星通信论文; 通讯论文; 水利论文; 《基层建设》2019年第32期论文;