天地空融合通信在消防应急通信中的应用研究

　　摘要：随着我国城市化和工业化的不断推进，在提升人们物质生活水平的同时也使得消防救援面临极为严峻的形势，救援的难度不断增加。同时我国幅员辽阔，地形地势多样，发生自然灾害的概率较大，一旦出现灾害，须立即投入救援才能最大限度地降低损失，保证人民生命财产安全不受损失。而在开展应急救援的过程中，通信顺畅可保障救援有序开展，提升救援效率。随着我国科学技术水平的不断提高，我国已经搭建出天地空融合通信系统，极大地提升了消防应急通信能力。本文分析天地空融合通信的含义，并提出天地空融合通信系统搭建策略，以期为今后开展相关研究提供参考。

　　引言

　　天地空融合通信技术相较于传统通信技术来说，其在具体应用的过程中受外界因素影响较小，通信保障能力较好，可将救援现场的信息及时有效地进行传输，属于立体通信系统，可以极大地提升我国消防应急救援能力。

　　1. 天地空融合通信概述

　　1.1 天地空融合通信含义

　　在开展消防救援的过程中，保障通信能力可及时将救援现场情况传递给指挥部，便于更好地制定救援计划，更可以根据实际情况灵活调整救援计划，来提升救援效率。但在部分救援现场中，由于受到多种因素影响，如缺乏通信基础设备设施或由于灾害导致通信系统受到破坏等，都会导致其丧失通信保障能力，影响救援工作的顺利开展。随着我国科学技术水平的不断提高，我国开始组建天地空融合通信系统，来保障消防应急救援工作的顺利进行。从含义来看，其指的是在救援现场打造出现场应急通信的网络，该网络需全面覆盖救援现场，并具有一定的灵活性和机动性。而在天地空融合通信中，由各种轨道卫星来打造出的天基网络，由各种飞行器打造出的空基网络，再结合传统地面通信设备而形成的融合消防应急通信网络，立体性极强。在地基网络中，还包括蜂窝无线网络、卫星地面基站、移动卫星终端和地面数据与处理中心等[1]。

　　相较于传统地面通信网络，天地空融合通信在开展救援的过程中可根据实际情况，来布置空置网络，灵活设置飞行器，整合传统地面通信技术的优势以及空基网络技术的优势，更好地保障地面救援顺利进行，满足其对通信保障的更高要求。与此同时，由于天地空融合通信系统在通信路径上较多，即使地面的通信基站由于灾情而受到破坏，也可立即启动空基网络和天基网络来继续保障通信，利用其中的发射装置以及接收装置来进行信息数据的传输，降低由灾害所导致的通信受阻情况，保障救援顺利进行[2]。

　　1.2 天地空融合通信系统构建思路

　　天地空融合通信系统属于综合性较强的一种通信保障系统之一，各个系统之间需保持同步通信才能最大限度地发挥其积极作用。从构建思路来看，需要做好天层、地层以及空层三个方面的构建工作，来适应当下复杂的救援形势给消防应急通信所提出的更高要求。

　　1.2.1 天层

　　在当下开展消防救援的过程中，无人机的普及率不断增加，在情况较为复杂且危险程度较高的救援现场，无人机可为救援任务提供数据和图像上的传输工作，操作简单，使用效果好。与常规无人机相比，运用在消防救援过程中的无人机，在构成上以动力系统、飞行系统、大数据系统、发射平台、回收平台以及机身构成。无人机在使用优势上具有便捷、操作简单且灵活性强的特点，在复杂救援现场中可发挥至关重要的作用[3]。

　　在天地空融合通信过程中，无人机属于天层的重要组成部分，由于其搭载的动态监测设备以及传感器，可及时升空来拍摄完整的救援现场，并将现场的图像信息以及数据信息及时进行回传，便于指挥部门及时制定符合要求的救援计划，并且无人机该可搭载音响设备，可及时在救援现场播报信息，发挥其传播信息的功能。而在具体应用的过程中，需在无人机的设置上根据所划分出的片区的不同，合理配置无人机数量，在无人机升空之后，需在飞行高度上有所差别，防止无人机之间互相碰撞导致无人机损坏。无人机在直播推流上分辨率需较高，一般需在1080P左右，并为无人机配备充足的电池，尽量保障其工作时间在9小时左右，来更好地为指挥部门提供视频以及图像数据等素材[4]。如图1所示。

　　1.2.2 地层

　　在天地空融合通信系统中，传统的地面通信设备仍旧占据重要组成部分，其可承担接收信息并接收救援计划的重要职能，为开展天层中的无人机通信保障以及空层中的卫星指明运行状态和运行方向。在具体的天地空融合系统中，地面通信设备一般包括地面信息发射装备、地面对讲装备以及终端显示设备等。从具体的设备功能来看，终端显示设备可将空层中的卫星以及天层中的无人机所回传的现场信息以及图像数据资料等清晰展示给指挥人员，便于指挥人员根据现场实际情况来制定救援计划。而地面对讲装备中的主要设备为数字对讲机，可实现不同位置的救援人员及时开展交流，其延时较少，且效率较高，在清晰度上也较高，可实现现场救援人员的互联互通，更好地进行救援情况的交流工作。地面发射装备中的主要设备是为救援人员配备的移动通信设备，救援人员可借助这种移动通信设备来接收与发射信号，并利用空层中的卫星来实时传递信号。与此同时，移动通信设备还可将图像利用专门网络即时进行传输，其传输速度较快且效率较高，可有效降低传统救援过程中的信息延迟等情况的发生概率，提升救援效率[5]。

　　而在具体应用上，地面设备一般包括Go-Pro结合稳定器、4G图传以及350M对讲机等通信设备。Go-Pro结合稳定器可在救援人员的头盔上进行安装，利用无线网络来与现场中的CPE设备来进行连接，开展视频直播的推流工作，视频分辨率为1080P，并配备稳定器，实现一边充电一边使用，工作时间可延长到12小时，而视频也可在直播的服务器中保存。4G图传可架设在救援现场的制高点上，利用一键开机的形式启动，并利用专网将图像直接进行回传，全过程可自动完成，无需配备专门的工作人员，同时图像的处理也可由指挥人员进行，极大地降低了前线人员的工作压力。350M数字对讲机在应急救援中十分常用，其便携性、稳定性较好，且待机时间较长，受外界影响较少，在当下的应急救援中十分普及[6]。

　　1.2.3 空层

　　随着我国通信技术在近年来的不断发展，空中卫星数量在不断增加，在类型上也得到了大幅度的增加，极大地提升了我国消防应急救援的通信能力。并且卫星具有天然的广播性，可以在很大的地理范围内向大量终端广播数据，节省传输带宽，并且各终端之间收到广播信息的时延差较小。卫星的覆盖受地形地势限制较小，大面积覆盖所需投入的成本较小。而随着我国救援难度的不断增加，在卫星基站的搭建上也出现了专门为消防应急救援通信保障而设置的卫星便携基站。这种专门为消防应急通信所设计的卫星装备在频带上更宽，天线的性能更好，可更好地满足消防应急救援中对于数据传输以及音视频传输的更高要求。并且这种卫星设备的兼容性较好，可直接与无人机等通信装备进行接入，来对不同距离的图像进行拍摄并将信息及时回传。在空层设备中，除卫星便携站之外，卫星平板以及卫星电话等也较多，这些卫星装备在功能上有着一定的不同之处，不仅可保障音视频信息以及数据图片的即时传输，在通话能力以及交互能力上也较好，在救援现场原来配备的通信网络出现瘫痪之后，可将其作为备用系统来保障通信正常进行[7]。

　　在具体的应用中，卫星便携基站选用KU频段，卫星的选择上选用亚洲9号，其可增益较高，频带较宽，可满足实时数据采集回传以及实时音视频采集回传的更高要求。在视频的接入口上，一般由有HDMI、GNC，前端视频采集终端可以接入带HDMI输出的无人以及无线网络版本的DV，可以很好地解决终端图像拉远拍摄中存在的问题。卫星电话采取天通卫星和海事卫星共同使用，若公网瘫痪，可立即启用进行通信。卫星平板可将一些数据量较小的图片和视频进行传输，由于其体积、 重量较小，便携性较好[8]。

　　在设计天地空融合通信的过程中，由于救援现场较为复杂，经常出现网络瘫痪的问题，在设计时，还需针对不同公网状态进行天地空融合系统的设计工作。一方面，当通信网络还能正常使用时，可利用4G图传、无人机、Go-Pro等设备将音视频通过图像综合管理平台和直播平台回传，指挥部门可直接利用终端显示设备进行观看；另一方面，若通信网络出现瘫痪，可搭建卫星便携站以及卫星平板来作为传输渠道，利用无人机以及无线DV音视频采集终端来进行通信，保障在通信网络瘫痪的情况下也可实现信息接收与回传[9]。

　　2. 天地空融合通信在消防应急通信中的应用

　　为保障天地空融合通信系统的顺利构建，最大限度发挥其积极作用，需在进行设计的过程中结合当下实际情况以及不同救援场景对于通信的不同要求，来全面开展设计工作，提升其适用性。因此在接下来的研究中，需加大研究力度，提升其通信能力。在具体的实施过程中，可从以下几个方面进行。

　　2.1 加大消防应急救援通信保障系统的演练力度

　　天地空融合通信属于理论层面或者说技术层面上的内容，在当下尚未形成固定的发展模式。并且由于消防救援形势较为复杂，救援难度在当下也在不断提高，救援现场的情况变化也较快，使得天地空融合通信系统在实际运用的过程中难度较大。针对于此，为最大限度地发挥其积极作用，需在搭建天地空融合系统之后，针对不同的救援场景，加大演习力度，可模拟救援现场来实现演练工作，促使天地空融合系统的配合度不断提升。与此同时，由于实际救援现场中出现突发状况概率较大，在开展演练的过程中，还需将各种可能出现的突发情况全面纳入到演练范围中，及时捕捉突发状况，并对其进行分析和推测，有针对性地制定应急策略，来为适应应用天地空融合系统提供技术支持以及经验支持。

　　2.2 提升不同类型设备的兼容性

　　在天地空融合通信系统中，由于其属于融合性质的系统，各类通信设备的数量和类型较多，对于各个设备之间的运行配合度上要求较高。但由于设备的类型不同，在生产主体上也存在较大的差异，这使得其在兼容性上经常出现问题，增加通信故障的出现概率。以无人机为例，无人机在具体使用中功能较为齐全，但由于无人机在集成兼容性上经常出现偏差，承载力上也具有对应的负荷，这使得其搭载的通信设备兼容性经常出现问题，无法满足地面通信设备对于兼容性的更高要求。由于兼容性较为复杂，解决难度也较大，除尽量选择统一的设备之外，还需不断提升各个设备之间的兼容性，才能更好地解决设备不兼容的问题。

　　2.3 强化薄弱地区的建设力度

　　从当下天地空融合通信系统的发展状况来看，由于其整体较为复杂，涉及的环节和流程较多，在实际建设的过程中，经济较为发达的地区，消防应急通信装备的基础设施建设水平较高，设备配备较为完善，实现天地空融合通信更为方便。但在部分地区，由于经济发展水平不高，消防应急通信设备的基础设施建设力度不足，一旦出现需要进行救援的情况，极容易出现由于通信功能不完善，使用天地空融合通信系统功能受限的问题，无法最大限度地发挥其积极作用，也在一定程度上影响了消防救援水平的提升。对此，在今后的发展方向上，需在这些经济不发达、消防应急通信保障薄弱的地区加大投入力度，打造以卫星平板和卫星便携站为主要传输渠道，结合无线音视频采集系统以及无人机等为一体的天地空融合通信系统，全面提升其应急通信保障能力带动其消防救援能力的不断提升。

　　结语

　　随着消防救援形势的不断复杂化，传统单一的地面通信设备已经无法满足复杂环境下对于通信的更高要求。对此，我国不断加大对天地空融合通信系统的研究力度，来提升我国消防应急通信能力。由于当下的技术水平尚不成熟，在今后的发展中，须加大研究力度，加大演练力度，提升不同设备的兼容性，强化薄弱地区的通信基础设施建设水平，来最大限度地发挥天地空融合通信的积极作用，提升我国消防救援水平。

　　参考文献：

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　　[2]张玲翠,许瑶冰,李凤华,等.天地一体化信息网络安全动态赋能架构[J].通信学报,2021,42(9):87-95.

　　[3]罗志勇,黄澳,孙韶辉,等.天地融合网络中基于博弈论的分布式卸载算法研究[J].无线电通信技术,2021,47(6):740-745.

　　[4]丁海煜,崔航,程锦霞,等.“空天地”融合技术为应急通信提供有力保障[J].通信世界,2021,(16):12-14.

　　[5]罗志勇,王西提,辛宁,等.基于GRU机器学习的天地融合网络频谱感知技术研究[J].无线电通信技术,2021,47(5):627-632.

　　[6]李凤华,郭云川,耿魁,等.天地一体化信息网络安全动态赋能研究[J].无线电通信技术,2020,46(5):561-570.

　　[7]林彬,张治强,韩晓玲,等.“空天地海”一体化的海上应急通信网络技术综述[J].移动通信,2020,44(9):19-26.

　　[8]张更新,丁晓进,曲至诚.天地一体化物联网体系架构及干扰分析研究[J].天地一体化信息网络,2020,1(2):22-33.

　　[9]徐晖,缪德山,康绍莉,等.面向天地融合的卫星网络架构和传输关键技术[J].天地一体化信息网络,2020,1(2):1-10.

　　作者简介：李鹏飞，研究方向：消防通信。