高通量卫星在消防救援中的应用
第20卷第7期2022年7月
Vol.20，No.7
Jul.，2022太赫兹科学与电子信息学报
Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology
陈国清
(广东省消防救援总队，广东广州510640)
卡孔
摘要：目前广东省消防的卫星通信系统主要使用Ku频段的卫星，而Ku频段卫星频率资源缺乏，卫星链路带宽低，在灾害发生时，后方指挥部和指挥中心能从前方指挥部获取的信息量十分有限，没有多余的带宽提供给前线其他应急通信设备使用。本文分析了当前消防卫星系统所存 在的问题和需求，提出使用高通量Ka频段卫星通信系统，满足当前消防应急救援通信需求。
关键词：高通量卫星；便携式卫星站；消防应用
中图分类号：TN927+.2文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2020227
Applications of high-throughput satellites in fire protection
CHEN Guoqing
(Fire and Rescue Corps of Guangdong Province，Guangzhou Guangdong510640，China)
Abstract
Abstract：：At present,Ku-band satellites are mainly adopted in fire protection in Guangdong province.However,the frequency resources of Ku-band satellite are tight and the link bandwidth is low.
Therefore,when the disaster occurs,the information that the rear command and command center can
obtain from the front is very limited,and there is no extra bandwidth for other emergency communication
equipment on the front line.The problems and requirements of the current firefighting satellite system
are analyzed,and the high-throughput Ka-band satellite communication system is proposed to put on
use,which can effectively solve the problem of low bandwidth and limited transmission of information
resources in the current firefighting satellite system.
Keywords
Keywords：：high-throughput satellite；portable satellite station；application in fire rescue 当重大自然灾害来临时，往往会面临着断电、断网、断路“三断”的应急通信难题，灾害前线将成为通信盲区，失去通信能力，这对消防救援人员展开救援救灾行动非常不利。
重大自然灾害和重大事故发生的地点和规模无法预估，卫星应急通信系统则可以满足各种应急情况下的需求。在恶劣的灾害现场中只需在看得见天空的环境下，便可通过卫星系统建立起通信网络，对消防应急至关重要。
1卫星通信系统
卫星通信的原理是由发射的人造卫星作为一个中继站，将地球表面发射的无线电信号进行转发发射，从而实现多个地球站之间相互通信[1]。其中人造卫星作为中继站，与地球站之间以电磁波作为载体来
进行传输。150MHz~300GHz是卫星通信常用的频率范围，通常划分为L,S,C,X,Ku和Ka等频段[2]，目前卫星通信主要使用Ku频段和Ka频段。卫星通信具有大范围的无缝覆盖，且不受地形条件限制的特点。地面卫星设备具有相对独立且灵活普遍的特点[3]。
卫星通信的流程如图1所示，点对点通信中，音视频信号通过编码器将模拟信号进行编码，转化成数字信号发送给调制器，经调制器调制后发送给变频器进行上变频，再通过功放进行信号放大，调制放大后的信号经过馈源头汇聚，通过天线发射出去，人造卫星转发器接收到信号则对其进行转发。一个通信点通过天线面接收到人造卫星转发器转发的电磁波，再汇聚到馈源头，转换成电信号后由低噪声下变频器(Low Noise Block downconverter，LNB)进行下变频，再通过解调器解调、编解码器解码，将数字信号还原成模拟信号，最终以感官能感受到的音视频形式输出。
文章编号：2095-4980（2022）07-0669-04
收稿日期：2020-05-24；修回日期：2020-08-11
太赫兹科学与电子信息学报第20卷
防暴叉1.1高通量通信卫星
目前高通量卫星主要适用于Ka 频段，Ku 频
<
段Ipstar 卫星属于高通量卫星。多点波束技术和 频率复用技术是高通量卫星特有的核心技术[4]。
1.1.1多点波束技术
波束的宽度对天线增益有一定影响，波束的
宽度越窄则天线的增益越高[5]，高通量卫星采用
较窄的点波束覆盖，多点波束技术有利于提高天
线的发射/接收增益，并为频率复用打下基础。
与C 频段和Ku 频段的卫星波束相比，点波束的
覆盖范围较小，对同一个大范围的区域进行覆
盖，Ka 频段的高通量卫星则需要采用大量的点
波束进行大范围覆盖，如图2所示。
在覆盖大范围区域的情况下，Ka 频段的高通
量卫星多采用单馈源单波束天线。单馈源单波束
天线，即一个馈源头对应一个点波束，根据覆盖的区域所需的
点波束数量在人造卫星上安装排列相应数量的馈源头，如图3
所示。
1.1.2频率复用技术
高通量卫星在使用多点波束的基础上能够实现频率的复用，
多点波束能够有效地提高天线的增益，用户可以使用高阶的调
制编码方案，频谱利用效率和数据传输速率得以提高。天线的
增益提高10倍则卫星系统的容量可以提高4倍。
由于高通量卫星多点波束的覆盖，在相隔较远的波束内可
以同时使用同一段频率，从而达到频率复用，提高卫星系统通
量。高通量卫星对我国的覆盖情况如图4所示。2Ku 频段卫星与Ka 频段卫星的区别
目前广东省各地方消防支队大部分使用Ku 频段的卫星通信
系统，其中以布局卫星和高通量Ipstar 卫星为主。
Ku 频段：下行频段10.7~12.75GHz ；上行频段12.75~18.1GHz ；
Ka 频段：26.5~40GHz ；目前Ku 频段的频率资源比较紧张，例
如消防使用的布局卫星，上线需要打电话申请链路，申请的链
路一般是上行1M 带宽。Ka 卫星登录中国卫通帐号即可使用互
联网，Ka 频段高通量卫星采用点波束天线技术，可以提高天线的发送/接收增益，并能实现频率复用，速率可以
达到上行12M ，下行150M 。
高通量卫星采用多点波束技术，Ka 频段高通量卫星转发器的等效全向辐射功率(Effective Isotropic
Radiated Fig.1Flow chart of satellite communication
图1
卫星通信流程图
Fig.2Diagram of spot beam coverage 图2
点波束覆盖示意图
Fig.3Diagram of high-throughput satellite single-beam antenna with single-fed 图3高通量卫星单馈源单波束天线示意图670
第7期陈国清：高通量卫星在消防救援中的应用Power ，EIRP)值和G/T 值高于Ku 频段转发器的EIRP 值和G/T
值，Ka 频段天线可以使用更小口径的天线面，Ka 频段卫星天
线质量相对Ku 频段卫星天线更轻，携带更加便捷。高通量卫
星采用点波束技术的缺点在于实施远距离跨省救援时，Ka 频
段高通量卫星和Ku 频段高通量卫星离开了它原注册的波束范
围，在同一卫星下需要进行转波束处理。而Ku 频段传统卫星
的波束覆盖面积很大，Ku 频段传统卫星在远距离跨省救援时，
在大波束范围内同一卫星下无需更改参数仍能使用。
从抗雨衰方面来看，雨水对无线电波的能量有衰减的负面
影响，并且随着频率的增大而加大[6]，Ku 频段卫星抗雨衰的
能力比Ka 频段卫星抗雨衰的能力稍强[7]。不过Ku 频段及其以
上的频段，雨衰的影响不容忽视。
从运营方式上看，Ku 频段传统卫星公司一般是租用频率
的模式，Ku 频段传统卫星使用时需要申请频率，通过调制解
调器设置频率互发来进行通信；而Ka 频段高通量卫星公司是
租用流量的模式，向中国卫通购买帐号流量包，类似于平常用
的手机卡的模式。点波束可以波束复用，带宽使用率增加，Ka 频段的单位带宽成本比较低，在卫星通信资费上
Ka 频段高通量卫星相对比较实惠。
卫星便携站主要由馈源头、天线面和调制解调器3大部分组成，从3个方面对Ku 频段传统卫星便携站和Ka 频段高通量卫星便携站进行对比。目前市场上实用性较高的Ku 频段和Ka 频段卫星便携站参数如表1所示。
97ssw由表1可知，Ka 频段高通量卫星便携站
比Ku 频段传统卫星便携站更轻，更便携。从
功放、功率方面分析，Ka 频段高通量卫星采
用多点波束，提高了天线的发射/接收增益，
Ka 频段高通量卫星便携站可以搭配功率较低
的功放，Ku 频段传统卫星便携站需要搭配高
功率功放才能达到通信要求。
从卫星链路带宽方面分析，Ku 频段卫星能够提供高带宽，需要配备功率更大的功放或者更大的天线面，天线面和功率越大意味着卫星天线体积更大，质量更大，高功率功放需要额外的供电系统支持其
运行，能提供高带宽的Ku 频段传统卫星系统，质量将达到Ka 频段高通量卫星5倍以上，毫无便携性可言。
为保证实战应急救援卫星通信的稳定性和持续性，应急救援前线卫星通信系统需要达到以下要求：
带宽为12Mbps ，工作时间为8h ，卫星链路通信信噪比(中雨可用)为13dB 。
1)Ka 高通量卫星：0.75m 口径天线质量10kg ，一个4W 功放(质量为1kg)，供电8h 需配置250Wh 的锂电池(质量为1kg)，整机最大功耗为60W 。便携可用系数μ=B (宽带)/P (天线质量+功放重质+电池质量)，µ=12/(10+1+1)，µ=1。
2)Ku 传统卫星：若需达到12Mbps 带宽，需要120W 功放(质量为12kg)，0.8m 口径天线(质量13kg)，供电8h 需配置7500Wh 的锂电池(质量为30kg)，整机最大功耗为1800W 。便携可用系数μ=B (宽带)/P (天线质量+功放质量+电池质量)，µ=12/(12+13+30)，µ≈0.22。
根据应急通信遂行单人背负质量标准，单人遂行背负质量小于20kg 。带宽达到12Mbps ，若使用Ka 高通量卫星的整套便携站(12kg)，只需单人背负。带宽达到12Mbps ，若使用Ku 传统卫星的整套便携站(55kg)，则需3人背负。
Ka 频段高通量卫星系统的便携可用系数是Ku 频段传统卫星系统的数倍。Ka 频段高通量卫星便携站更
适用于消防应急救援。3高通量卫星在消防中的使用
消防应急方案如图5所示，当发生重大自然灾害面临“三断”的情况下，“三断”指断电、断网、断路，断电、断网会导致附近瘫痪无法正常运行，救援现场无公网信号；断路导致消防通信车无法前往救援现场，因此，要求应急通信设备足够便携。
在“三断”情况下，前线救援现场需要携带便携式应急通信设备进入救援前线，快速搭建起救援应急通信系统，
Fig.4Coverage map of high-throughput satellite in China 图4我国高通量卫星覆盖图表1Ku 频段与Ka 频段便携站基本参数对比Table1Basic parameters comparison of Ka-band and Ku-band portable stations item amplifier power/W reflector/m modem weight/kg amplifier weight/kg Ku band flyaway antenna 20.000.803.301.70Ka band flyaway antenna 4.000.750.551.05671
太赫兹科学与电子信息学报第20卷保证前线救援人员能够实现互联互通，前线指挥部
能够与后方指挥部进行高清音视频传输。
前线救援人员的语音互联互通可使用便携式
专业数字集(Professional Digital Trunking ，PDT)
对前线救援现场进行PDT 信号覆盖，通过
mesh(无线网格网络)作为节点扩大PDT 信号覆盖
范围，救援人员配备手持式PDT 终端进行语音互
联互通。前线可搭建便携式长期演进(Long Term
Evolution ，LTE)，对救援现场进行一定范围
的LTE 信号覆盖，前线救援人员可手持LTE 终端进
行音视频通信，LTE 信号覆盖范围比PDT 信号覆盖
范围小。便携式PDT 和便携式LTE 的正常
运行都需要接入外网，多台手持式PDT 终端的互联
互通需要一定的带宽，一台LTE 终端传输一路音视
频需要1Mbps 的带宽，假若救援现场配备3台LTE 终端，则需要卫星提供至少3Mbps 带宽给LTE 使用。Ku 频段的传统卫星无法满足前线救援现场应急通信设备所需的带宽要求，而Ka 频段的高通量卫星能够满足其要求。
Ka 频段的高通量卫星便携站，不仅可以给前线应急通信设备提供足够带宽的外网，而且前线可以围绕Ka 频段的高通量卫星便携站搭建前线指挥部，通过Ka 频段的高通量卫星链路，与后方指挥部进行高
清画质的音视频通信。由此可见，一台Ka 频段的高通量卫星便携站所提供的卫星网络，能够解决前线救援现场断网问题，在应急救援中起到不可或缺、贯穿全局的作用。4高通量卫星应用于消防的发展
近年来，卫星通信技术作为消防应急通信体系最为稳健的通信手段，伴随着消防应急通信体系需求越来越高，卫星通信技术不断发展。消防应急通信体系正在从C/Ku 频段向Ku/Ka 频段甚至全Ka 频段卫星通信系统发展。高通量卫星网络与其他应急通信设备的联系更加紧密，在消防应急通信体系中起到不可或缺、贯穿全局的作用。今后，消防对于应急通信系统的要求会越来越高，在消防应急救援中，卫星通信、背负式信号覆盖和高带宽传输数据的性能都必不可少。如今卫星通信系统已然是消防应急保障体系中不可或缺的一部分，Ka 频段带宽卫星通信系统作为空中信息高速公路有着广阔的发展前景。
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陈国清(1982-)，男，硕士，主要研究方向为消防信息化、应急通信.email:*************
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Fig.5Plan of fire emergency 图5消防应急方案
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