衛(wèi)星通信系統(tǒng)在地震監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)應(yīng)用范文

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一、衛(wèi)星通信系統(tǒng)在我國(guó)地震行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)通信技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅猛，尤其在地面光纖通信和3G、4G等移動(dòng)通信系統(tǒng)等方面，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷升級(jí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和時(shí)延都有了極大提高，網(wǎng)絡(luò)可靠性也已達(dá)到很高水平，因此，越來(lái)越多的客戶都會(huì)優(yōu)先選用這些高效穩(wěn)定的通信方式作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。在我國(guó)地震行業(yè)中，也同樣廣泛采用地面專線和移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸?shù)卣鹋_(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)。但同時(shí)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在地震行業(yè)中仍然擔(dān)負(fù)著重要的作用，與地面專線和移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，不依賴地面基站和地面專線接入點(diǎn)位置的限制等，能夠?yàn)榈孛婢W(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供可靠便利的通信網(wǎng)絡(luò)。目前，我國(guó)地震系統(tǒng)建有多套衛(wèi)星通信系統(tǒng)，分別服務(wù)于偏遠(yuǎn)地區(qū)地震臺(tái)站、國(guó)家地震臺(tái)站地面線路備份、周邊援建地震臺(tái)站和應(yīng)急通信保障系統(tǒng)等。其中，地震監(jiān)測(cè)衛(wèi)星站點(diǎn)有60多個(gè)，主要分布在新疆、西藏等較偏遠(yuǎn)地區(qū)，衛(wèi)星站運(yùn)行狀態(tài)良好，帶寬和時(shí)延等技術(shù)指標(biāo)均滿足地震速報(bào)要求。

二、援尼泊爾地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

（一）尼泊爾地區(qū)通信方式的選擇2015年4月25日，尼泊爾地區(qū)發(fā)生特大地震后，中國(guó)政府快速反應(yīng)，派遣救援隊(duì)伍，援助救援物資，同時(shí)，除物資援助外，也在不斷推進(jìn)地震監(jiān)測(cè)技術(shù)合作項(xiàng)目。2016年10月，我國(guó)政府啟動(dòng)“援尼泊爾地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)”項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2018年年底移交。根據(jù)兩國(guó)協(xié)議，由中國(guó)政府無(wú)償援建尼泊爾10個(gè)集甚寬頻帶測(cè)震、GNSS和強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)為一體的地震觀測(cè)臺(tái)站并裝備2個(gè)數(shù)據(jù)中心。尼泊爾緊鄰我國(guó)西南邊境，地形復(fù)雜，多屬丘陵地帶，援建地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的地震臺(tái)站多選址在偏遠(yuǎn)地區(qū)等環(huán)境噪聲小的位置，基本沒(méi)有地面網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)是援建地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的首選通信解決方案。結(jié)合我國(guó)地震系統(tǒng)目前在用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，所租用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)可完全覆蓋尼泊爾全境，滿足援尼泊爾地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)地震臺(tái)站衛(wèi)星站的建設(shè)要求，因此，援建臺(tái)網(wǎng)選用衛(wèi)星通信方式進(jìn)行組網(wǎng)，與我國(guó)共用一套地震監(jiān)測(cè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，地震臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星專網(wǎng)實(shí)時(shí)回傳至北京中心和尼泊爾2個(gè)數(shù)據(jù)中心。

（二）衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用1.系統(tǒng)概述援尼泊爾地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)依托現(xiàn)有iDirect測(cè)震衛(wèi)星通信系統(tǒng)，共用北京中心站，通信頻段使用Ku頻率，載波采用TDM/TDMA技術(shù)體制，從底層設(shè)計(jì)支持IP（純IP）。主站下行（出向）的大廣播載波采用DVB-S2封裝技術(shù)，衛(wèi)星遠(yuǎn)端站上行載波使用確定性TDMA訪問(wèn)方案（D-TDMADeterministic-TDMA），以帶寬高效利用的方式來(lái)快速響應(yīng)小站的帶寬分配請(qǐng)求。援尼泊爾地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)中，每個(gè)地震臺(tái)站回傳GNSS基準(zhǔn)測(cè)量和地震監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率不低于50kbps。每個(gè)衛(wèi)星遠(yuǎn)端站傳輸兩路數(shù)據(jù)，一路數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)奖本┲行暮筮M(jìn)入地震行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，供中國(guó)地震局使用，另一路數(shù)據(jù)通過(guò)中心站轉(zhuǎn)發(fā)至加德滿都及比蘭德拉2個(gè)數(shù)據(jù)中心。我方和尼泊爾兩個(gè)中心站均可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有10個(gè)衛(wèi)星遠(yuǎn)端站的控制，中心站對(duì)每個(gè)遠(yuǎn)端站控制信息的帶寬速率不低于5kbps。圖1援尼泊爾地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流程圖2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)業(yè)務(wù)需求和租用帶寬情況，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上下行載波進(jìn)行了完善設(shè)計(jì)：主站下行載波：共享現(xiàn)有的主站出境載波，即符號(hào)率1Msps，DVB-S2廣播，ACMQPSK調(diào)制，3/5FEC，載波解調(diào)門限2dB。遠(yuǎn)端小站上行載波：10個(gè)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站動(dòng)態(tài)共享1個(gè)TDMA載波，考慮充足的帶寬余量，上行載波傳輸速率800ksps，QPSK調(diào)制，3/4FEC，載波解調(diào)門限4.2dB。衛(wèi)星通信系統(tǒng)租用的通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為亞洲衛(wèi)星4號(hào)Ku頻段資源（現(xiàn)已由亞洲9號(hào)替換），通過(guò)衛(wèi)星鏈路計(jì)算，以確定衛(wèi)星中心站和衛(wèi)星遠(yuǎn)端站的硬件配置和鏈路可用度等。中心站及衛(wèi)星遠(yuǎn)端站的射頻參數(shù)為：北京中心站：4.5米天線和16W功放（現(xiàn)有設(shè)備）；衛(wèi)星遠(yuǎn)端站：2.4米天線和4W功放。按照功帶平衡原則計(jì)算，系統(tǒng)鏈路可用度達(dá)99.6％。

（三）iDirect衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)援尼泊爾地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)所使用的iDirect衛(wèi)星通信系統(tǒng)是我國(guó)地震行業(yè)近年新建衛(wèi)星通信系統(tǒng)，較原有系統(tǒng)在技術(shù)架構(gòu)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、編解碼技術(shù)、硬件參數(shù)、設(shè)備功耗、網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)等方面都有了很大提升，能夠在提高網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，有效降低建設(shè)成本。iDirect衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一些新技術(shù)特點(diǎn)使得在尼泊爾地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的應(yīng)用中獲得了良好的性能提升和經(jīng)濟(jì)效益：（1）單出向載波速率高達(dá)45Msps（156Mb/sIP速率），較原有系統(tǒng)有了很大提升，能夠支持大帶寬的應(yīng)用需求；（2）支持回傳TDMA或SCPC體制，可根據(jù)觀測(cè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)量大小自有選擇載波體制；（3）系統(tǒng)內(nèi)置雙向TCP/IP協(xié)議加速，有效提高帶寬利用率；（4）系統(tǒng)帶寬按需分配（BOD）處理，動(dòng)態(tài)調(diào)整衛(wèi)星帶寬占用，某些地震臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)受觀測(cè)對(duì)象的變化影響，數(shù)據(jù)量不斷變化，如甚寬頻帶測(cè)震數(shù)據(jù)在記錄到地震波時(shí)數(shù)據(jù)量會(huì)成倍增加，動(dòng)態(tài)的帶寬調(diào)整可以高效的使用有限的共享帶寬資源，節(jié)約帶寬成本；（5）圖形化的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，為用戶提供直觀、實(shí)時(shí)的各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)顯示，便于系統(tǒng)管理和故障判斷。同時(shí)，網(wǎng)管系統(tǒng)采用Windows界面模式進(jìn)行操作；（6）單一主站支持多星、多網(wǎng)絡(luò)，主站設(shè)備為模塊化設(shè)計(jì)，方便系統(tǒng)擴(kuò)容。在尼泊爾的應(yīng)用就是從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)容，不影響現(xiàn)有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。（7）遠(yuǎn)端站集成度較高，整體功耗小。遠(yuǎn)端站路由器在小體積的機(jī)箱內(nèi)集成了衛(wèi)星調(diào)制/解調(diào)器、IP路由器、TCP加速器和QoS/優(yōu)先級(jí)保證等功能。支持100～240交流供電和24V直流供電。較以往衛(wèi)星Modem等產(chǎn)品，設(shè)備功耗有了很大程度的降低，在使用4W功放和LNB工作時(shí)，功耗小于60W，可以有效降低一些偏遠(yuǎn)地區(qū)臺(tái)站太陽(yáng)能供電的功率要求，減少建設(shè)成本。

三、衛(wèi)星通信系統(tǒng)在援外地震監(jiān)測(cè)中的發(fā)展前景

在我國(guó)十多年的國(guó)際地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)援建項(xiàng)目中，衛(wèi)星通信技術(shù)都發(fā)揮了重要作用，例如援建印度尼西亞和援建巴基斯坦的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)援建項(xiàng)目中，以及老撾、緬甸等國(guó)家的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站建設(shè)中，均使用了衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為地震臺(tái)站的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)帶寬、傳輸時(shí)延，鏈路可用度等指標(biāo)完全能夠滿足地震觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊螅⑶腋舆m合類似國(guó)家和地區(qū)的基礎(chǔ)通信條件，不受當(dāng)?shù)氐孛婢W(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的制約。近幾年，隨著地面網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，我國(guó)很多地震觀測(cè)臺(tái)站已取消了原有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)或作為備份線路使用。但在很多偏遠(yuǎn)地區(qū)以及周邊國(guó)家的地震臺(tái)站合作建設(shè)中，衛(wèi)星通信仍然是不可替代的通信網(wǎng)絡(luò)資源。隨著“一帶一路”的發(fā)展建設(shè)，中國(guó)地震局與周邊國(guó)家在地震監(jiān)測(cè)方面的技術(shù)合作日益增多，在后續(xù)的援外地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)中，參考尼泊爾衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用模式未嘗不是一個(gè)好的選擇。

作者：李璐彬 單位：中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心