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1、卫星通信具有覆盖范围广、组网机动灵活、抗水毁能力强等优点，是解决偏远及公网覆盖能力不足地区水利信息传输和应急 抢险机动通信的主要手段，也是地面通信网的重要补充和备份通 信手段。充分利用现有防汛通信卫星网资源，更替防汛通信卫星 转发器，完成卫星主站部分系统的配套改造，保障现有重要防汛 通信业务的顺利进行，构建防汛应急通信平台，确保防汛抗旱指 挥调度的通信畅通，满足水利新业务的需要。丁军 水利部信息中心水利卫星通信系统存在问题与需求分析文_丁军 高广利 张为 水利部信息中心为提高防御水患的能力，保障防汛抗旱指挥调度指令的传递，提高防汛抗 旱信息传输自动化水平，1994年11月水 利部一次性购买了亚
2、洲2号卫星半个K7 转发器资源（带宽27MHz）的全寿命使 用权，用于防汛通信卫星网的建设。亚 洲2号卫星于1995年11月发射升空，其 设计寿命为13年，按合同规定，2008年11月该卫星设计寿命到期后，将被推出 轨道由新的亚洲5号卫星接替原有的轨 道运行。经过10多年的建设，水利部卫星 通信主站（北京）拥有6.1m Ku波段 天线，配有350W TWT高功放射频单 元和上下变频器，其中：6.1m天线配 备自动伺服和融雪系统，射频单元的高 功放、上下变频器均为1:1备份。已建 设包括TES话音网及PES和GILAT数据 网、图像视频和移动通信子系统，各业务子系统通过70M中频接入天馈系统。目
3、前初步建成一个由水利部卫星 通信主站（北京）和600个卫星通信小 站组成，可实现语音、数据、图像传输 的防汛通信卫星网，承担着水雨情数据 报汛、防汛异地会商、应急抢险机动通 信、云图和遥感数据广播等重要防汛通 信任务，在历年的防汛抗旱、水资源管 理等工作中，发挥了十分重要的作用。 由于卫星通信具有覆盖范围广、抗水毁 能力强、组网机动灵活等优点，防汛通 信卫星网已经成为水利信息通信网的重 要组成部分。新的水利卫星通信系统的建设项目 是在这样的背景下提出与设计的。的技术水平限制，Ku波段的波束中心向偏离到了华南一带。表1 卫星参数在中国的西北和东北地区的EIRP和G/T值（如表1所示）很差，而正是
4、 这些地区是偏远与落后地区，水利系统 在这些地区的单位公网的覆盖不好，急 需要用卫星通信手段来解决通信保障问 题。由于在这些地区的卫星参数不好， 在建设过程中需用较大尺寸的天线和大 功率的ODU，导致了工程造价高，限制 了水利卫星通信在这些地区的发展。1 卫星参数问题水利部采用的亚洲2号卫星制造于90年代初，由于当时卫星发射控制技术城市名EIRP(dBW)G/T(dB/K)1武汉48.72.72广州50.233乌鲁木齐34.2-11.84喀什33.5-12.45哈尔滨35-10.32 Ku波段的雨衰影响当电波在传输过程中穿过强降雨区 域时，雨滴会对电波产生吸收和散射从 而造成衰减，即雨衰。衰减
5、的大小与雨 滴半径和波长的比值有关，由于C波段 波长大于雨滴半径而Ku波段波长与雨滴 大小相近，所以强降雨时发生的雨衰对 Ku波段影响比对C波段大。对于K u波段而言，卫星在晴天和 雨天的传输条件是完全不同的。根据 CCIR的有关资料，在Ku波段，当降雨 强 度 为 16m m / h时 ， 衰 减 量 约 为 1d B / km，当降雨强度为100mm/h时，衰减 量约为8dB/km；在雨区有效长度达到 一定的距离时，则降雨衰耗分别约为 5dB和28dB。无论系统储备的功率有多 少，发生传输中断是不可避免的。由于水利部卫星通信网现采用的工 作频段为Ku波段，即上行使用14GHz、下行使用12
6、GHz频率。在该波段上，强降雨时是会产生一定的衰耗。尤其是在 防汛期间，降雨的强度和频率比平时要 高许多，而同时对通信的可用度要求比 平时也是要高许多，所以采用一定的方 式弥补雨衰造成的影响是水利卫星传输 中的突出问题。造成系统稳定性、可靠性逐步弱化。由于是1 0多年前设备，原厂商早已经停 止生产旧型号的设备，同时也无法提供 备品备件，尤其值得注意的是，主站所 有系统的基带设备（如话音系统、数据 系统、图像系统、云图广播系统），都 通过这套射频系统进行接收和发射，如 果射频系统的设备故障隐患不能及时解 决，一旦出现问题，将造成防汛卫星通 信全网瘫痪。因此，为了确保全国防汛 通信卫星网的正常运行
7、，这些设备亟待 改造。3 系统故障在通常情况下，射频系统的TWT 行波管功率放大器的平均无故障时间只 在5万h左右。而水利防汛通信卫星网主 站自1996年初建成，连续运行至今已有13年，目前射频高频功放系统已经进入 故障频发期，部分设备已处于“带病” 运行状态，射频部分核心设备相继出现 了不同程度的故障。随着时间的推移， 公用信道部分设备各项性能指标均有所 下降，调制频率出现漂移，增益下降，4 设备价格瓶颈90 年 代 初 期 ， 卫 星 通 信 还 是 处 在 “阳春白雪”的状况，在通信行业内属 于“贵族”，无论从卫星资源还是天 线、高功放、室内单元和主站网管等价 格，都是现在的几倍甚至是1
8、 0倍，建 设一个话音小站的工程成本都在30万人民币左右，还不算物价上涨率和通货膨 胀，以当时的工程造价，想使卫星通信 规模化、大众化是不可能的事。装和运行维护，功能扩展性好，可以有效解决中小河流和中小型水库的防汛通 信预警问题，满足其水雨情测报、预警 和指挥调度，部分地区和重点险工险段 的工程视频等的通信需求。对于一些地 处山区、位置偏僻的中小型水库，卫星 通信是解决其通信预警的唯一手段。因 此，采用卫星通信的方式可以有效解决 中小河流和中小型水库的防汛通信预警 问题。水重大的公共事件中，具有涉及面广、影响大的特点，为最大限度地减少灾害 损失，其首脑部门的决策指挥需要应急 抢险机动通信调度系
9、统的支撑。卫星通 信具有机动灵活，建站快的特点，适用 于防汛抢险指挥调度。卫星地面站设备 轻便，天线口径小，安装、调试的时间 短。便携式卫星地面站设备可以随时拉 到事发现场进行应急通信，实现现场调 度指挥。卫星通信设备还可以安装在移 动通信车上，用于防洪抢险现场指挥调 度。卫星通信已经成为防汛应急抢险通 信的重要手段。虽然目前公网可以提供应急机动通 信服务，但是不能完全满足防汛救灾的 需求。主要不足包括缺乏统一的防汛应 急指挥平台，由于公网应急通信系统是 多家运营，地域分隔，不同系统之间互 联互通困难，不能提供统一指挥和通畅 高效的应急通信指挥平台；公网应急通 信分区分片，大多重点防洪地区没有
10、公 网应急机动通信系统，遇险时还需从其 他地区调用，往往贻误了抢险救灾的最 佳时机；公网应急机动通信系统直接接 入水利系统指挥调度中心困难；租用公5 新时期水利业务对水利卫星通信网需求迫切5.1 “两小（中小河流、中小水库）” 通信预警对防汛通信卫星网的需求我国中小河流、中小水库防洪标准低、病险库多，导致灾害频繁已成为防 洪减灾的薄弱环节。近50年来，我国共 有3000多座小型水库垮坝失事，历史 上曾有过沉重的教训。“两小”分布区 域面积广大、地理位置偏僻、地面通信 线路不发达且易遭水毁。而“两小”通 信手段薄弱，信息不能及时传送是造成 灾害损失较大的主要原因之一。因此， “两小”治理是今后水
11、利建设的重点， 解决“两小”的通信难题，建设安全可 靠的通信保障和通信预警体系也是防汛 通信的工作重点。“两小”的通信需求一般包括水雨 情测报、预警和指挥调度，部分地区和 重点险工险段的工程视频需求。要确保 水雨情信息、防洪调度指令和预警预报 等信息的通信畅通。为了加强重点中小 水库和重点险工险段安全运行管理、增 强工程安全观测能力，部分地点需要把 工程视频图像传输到上级防汛抗旱指挥 部门，这就需要具有一定视频传输能力 的防汛通信系统。针对“两小”分布区 域面积广大、地理位置偏僻、地面通信 线路不发达且易遭水毁的特点，需建设 一套与传统公众通信系统并行的、基于 无线传输技术的防汛通信系统。卫星
12、通信不受地形影响，不需建中 继站，信道稳定、通信质量高、便于安5.2应急抢险机动通信对防汛通信卫星网的需求为了加强应急管理，提高预防和 处置突发公共事件的能力，国务院应急 管理办公室正在组织国家应急平台体系 建设，明确要求各地各部门大力加强专 业应急平台建设，完善应急平台的通信 网络条件，实现与国家应急平台的互联 互通，而卫星通信手段是水利专业应急 平台不可或缺的重要组成部分，不可削 弱，也不可替代。在突发性的洪水灾害、水污染事 件以及有计划的分蓄洪和特大旱灾等涉为确保防汛通信卫星网平稳过渡，提高防汛减灾和应急处理能力，保障水利通信新老业务的 顺利进行，对防汛通信卫星网的卫星转发器进行 更替，
13、完成水利卫星通信系统的更新与建设迫在 眉睫。安、气象、地震、武警、银行、证券 等，在充分利用公网资源的基础上都建 有独立自管的卫星通信网。在地域上，卫星通信覆盖范围广， 可作为地面通信网难以覆盖的偏远地区 的重要补充；在传输方式上，卫星通信 具有广播的特性，可以弥补地面通信网 在广播方面的缺陷；在业务种类方面， 卫星通信除了能完成传统的话音、数据 传输外，更适合气象云图广播、防汛异 地会商、远程教育、卫星遥感等。由于防汛抢险具有准军事化特点， 对通信保障的可靠性提出了极高的要 求。按照水利部有关重点防洪地区防汛 通信网的建设原则，为确保防大汛、抗 大洪、抢大险时的通信畅通，重点防洪 地区的防汛
14、指挥部门应当采用一主一备 的通信方式。目前，全国大部分重点防 洪地区均以地面通信线路作为常规通信 方式，但作为汛期的备份通信手段，防 汛通信卫星网是必不可少的。6卫星转发器选择作为通信通道的提供者卫星转发 器，对卫星通信系统的通信质量、工程 造价和建设规模起着极其重要的作用， 所以对卫星转发器的选择须格外的谨慎 和严格。好的卫星转发器又可以促进水 利卫星通信各项业务发展与提高，如视 频业务应急业务等，形成良性的循环。网应急机动通信协调时间长，需要较高的租用费。灾的一个主要原因，利用卫星通信的气象云图广播系统可以及时有效地发布台 风信息，提高台风的监测预报能力。5.3 山洪、台风灾害的监测和通信
15、预警对防汛通信卫星网的需求5.4 防汛通信卫星网是地面通信网的重要补充和备份手段由于山洪灾害多发生在偏远山区，交通闭塞，通信手段落后，致灾因素复 杂，预报难、防御难的问题十分突出， 群死群伤事件时有发生，死亡人数和财 产损失居高不下，成为防汛工作的薄弱 环节，卫星通信可以有效提高这些地区 的通信预警能力；防台风工作方面，监 测预报体系不够完善是沿海地区台风成6.1卫星转发器的波段选择虽然现在光纤网发展迅速，但一 方面它有天生的脆弱性，发生灾害易中 断，修复时间也较长；另一方面，电信 运营商均已市场化管理，对经济效益不 好的地区，业务建设和保障常常相对较 差，不能满足很多部门的需要，因此与 公共
16、安全、经济命脉有关的部门，如公卫星通信常用的波段包括K u波段 与C波段，都有各自的优点和不足。Ku 波段的优点是Ku波段卫星转发器功率较 大，多采用赋形波束覆盖，卫星EIRP较 大，接收天线效率高于C波段，因此接 收Ku波段卫星信号的天线口径小于C波TDMA的通信体制。TDM/TDMA系统的关键技术之一是时间同步。如果卫星不 稳定，运行的8字窗口和中心位置容易变 化，导致系统的同步误差，使卫星通信系 统不稳定。选择在轨精度高的卫星。由于卫星参数和天线技术的改进， 卫星通信除了常规固定站外，近几年应 急通信车也发展较快，有的地方单位自 建有动中通的卫星小站。动中通的轮廓 天线或相共阵天线对仰角
17、有一定的要 求，如果选择的卫星的在轨位置不合 适，将满足不了天线对仰角的要求，同 时影响前期的投资和今后应急通信业务 的发展。此外还要考虑卫星平台有效载荷、 线性器配带、自动电平控制、转发器备 份、放大器备份、转移特性、线性度、 相位噪声、在轨寿命、极化方式等指标 以及供星商提供完善的用户服务体系等 因素。目前在中国上空的在轨卫星比较 多，但考虑到上述原因，最终选择了比 较适合水利部卫星通信发展的两颗卫 星，即亚洲5号提供22.2MHz的Ku波段 转发器和亚太6号提供5MHz的C波段转 发器资源。段，从而可有效地降低接收成本；Ku波段转发器的功率比C波段转发器功率较 大，其等效全向辐射功率就大
18、，因此Ku 波段的地面场强较高；由于Ku波段频率 高，各种地面电波对它的干扰较小；C 波段卫星遭受地面微波等干扰源的同频 干扰比较严重。Ku波段的不足是强降雨 对高频段电磁波造成的衰减较大，因此 Ku波段的雨衰影响大于C波段。由于水利防汛工作的特殊要求，防 汛通信卫星网必须保证在降雨条件下可 靠工作，所以在防汛通信卫星网络的设 计和建设中必须考虑降雨造成衰落的防 护措施。尽管考虑了降雨造成衰落的防 护措施，但当降雨损耗超过降雨储备余 量时，网路的中断是不可避免的。通过以上分析，Ku波段和C波段均 可满足防汛通信的需求，但由于目前我 部防汛通信卫星网选用Ku波段组网建 设，已具备一定规模，Ku波
19、段的雨衰影 响可采取相应措施降低，为了保护已有 投资最大化利用，保障整个卫星网络的 平稳过渡，防汛通信卫星转发器将主要 采用22.2MHz Ku波段转发器。另外， 为了解决一小部分重点防洪地区由于暴 雨频繁，采用Ku波段卫星通信雨衰较大的问题，将配置5MHz的C波段资源。6.2 资源的选择与其他行业相比，水利系统由于自身的专网的规模和覆盖面比较小，地、 县以下的单位主要是依赖公网。那些边 远与不发达地区特别是西北、东北、西 南及其他公网覆盖薄弱地区，水利单位 点多但人员少，纯属稀路由。选星的重 要指标之一是卫星参数的一致比较好， 覆盖合理，波束覆盖以中国大陆地区为 主。防汛卫星通信网作为偏远地区的重 要通信手段，要求转发器应达到较好的 EIRP和G/T值。由于水利防汛工作的应急事件与重 大事件大多发生在降雨期，对于频繁降 雨和强降雨的地域卫星转发器有覆型设 计，减少强雨衰的影响。好的卫星资源，可以使卫星小站 只需要小的天线尺寸和低的高功放。对 于一个小站而言，天线和高功放占有近70%的工程造价。卫星参数直接影响整 个卫星通信工程的造价和建设规模。水利卫星通信系统的规模有上千个 小站，对于大规模的系统常采用TDM/
