主頁（http://www.130131.com）：空天地一體化技術在應急通信領域的應用與展望

近年來，除火山活動以外，地震、森林火災以及因極端天氣引發的暴雨、洪澇、泥石流、雨雪冰凍等各類自然災害屢屢發生。重大自然災害的發生，在損害人民群眾生命和財產安全的同時，也會對受災區域通信設備造成嚴重損壞，導致災區大面積、長時間通信中斷，給當地政府部門組織開展搶險救災工作帶來極大挑戰。

當今社會，通信對于人們的生活而言，如同水和空氣一樣重要。而面對自然災害，傳統的地面應急通信車和設備搶修難以滿足受災區域人民群眾對通信的需求。為配合災后救援，快速恢復災區通信，需要一種可以快速部署、長時間保持并且大面積覆蓋的應急通信方案，臨時替代地面通信網絡，確保災后重要救援工作的通信網絡通暢。

2022年2月，國務院印發了《“十四五”國家應急體系規劃》，共規劃五大類17項重點工程。其中，在完善衛星應急通信保障能力、促進“5G+應急通信”廣泛應用、推動北斗系統在應急領域深層次應用等多方面均明確提出了發展目標。

本文主要介紹空天地一體化技術在應急通信領域的應用，以及未來多種靈活的通信應用配置方式，提高災區核心區域快速恢復通信服務的能力，同時配合實現無線信號快速切換和覆蓋，解決突發事件處置現場“通信孤島”問題，構建天地融合的應急通信保障體系。

空天地一體網絡體系

地面蜂窩網絡已成為人民群眾日常生活剛需，但其覆蓋范圍仍然有限，飛機/船舶/偏遠山區等場景仍無法實現高速互聯網接入；且蜂窩網絡受地面環境影響較大，水災、地震等突發災害造成通信、道路中斷后，難以依靠傳統地面應急通信手段，單一的應急通信方案也無法滿足不同場景的保障需求。為應對自然災害造成的通信中斷，應在原有的地基蜂窩通信網絡基礎上疊加天基、空基等能力，為地面通信提供空中備份網絡，形成分層的空天地一體化應急保障體系。

天基應急通信

天基應急通信網絡主要指高、中、低軌衛星通信網絡，利用天基部署的衛星資源實現不間斷通信服務。如圖1所示，衛星通信網絡具備覆蓋廣、容災性高等優勢，現有相關理論表明，3顆同步軌道衛星即可覆蓋除南北兩極外的全球絕大部分區域，而中軌和低軌星座構建完成后，也具備全球覆蓋能力。天基衛星通過與地面網絡能力疊加，將實現網絡能力升維，提供備份通信鏈路，提升鏈路可靠性、安全性。

圖1 同步軌道通信衛星覆蓋地面 

空基應急通信

空基應急通信主要指利用臨近空間層的高空基站（HAPS/HIBS）和低空飛行器（UAV）提供應急通信。

如圖2所示，利用浮空飛艇或無人機搭載臨近空間層高空基站，以提供通信覆蓋�？刹捎矛F有蜂窩通信協議（如4G、5G），為覆蓋區域提供話音和互聯網接入服務。該方案與衛星方案相似，可長期提供不間斷的通信服務，單個臨近空間平臺（升空20000米）可支持超過一萬平方千米的大范圍覆蓋能力。

低空飛行器應急通信目前主要利用無人機快速部署能力，通過搭載基站設備為通信中斷區域提供應急補盲，如自然災害導致區域通信中斷后，可利用無人機基站暫時保障網絡通信暢通。

圖2 空基應急網絡

地基應急通信

地基應急通信是傳統應急的主要手段，采用應急通信車通信保障方式和部署超級基站方式。應急通信車內集成蜂窩通信基站、衛星/微波/光纖回傳設備、油機電源等裝置，可提供長時間的應急通信保障能力，利用其高集成度與靈活部署能力，可按需應用于大型活動場所熱點容量補充和通信中斷區域的應急保障。

此外，部署超級基站也是防災減災的有效方式。與普通基站相比，超級基站采用高抗震要求的土建、額外油機供電資源，以及自適應衛星傳輸備份鏈路等，以提升蜂窩網絡應對突發災害的能力。超級基站如圖3所示。

圖3 超級基站

現階段國內主流無人機應急通信方案

現階段，需要部署災前預防與災后救援兩方面措施，提升應急通信保障能力，構建覆蓋范圍廣、環境適應強、應急通信恢復快速的應急通信保障系統。在災害多發區域部署超級基站提升蜂窩網絡抗災能力，災害發生導致電力、通信中斷時，自動切換至利用備用發電機延長供電以及衛星備份鏈路維持通信。

此外，洪水、地震等自然災害通常會造成道路中斷，傳統地面應急車難以快速到達災區中心區域，可利用空天地相結合的應急方案，如采用空無人機、蜂窩設備、衛星鏈路組成無人機應急通信系統。目前，無人機應急通信方案主要包含兩種，即系留式低空無人機應急通信方案和非系留高空無人機應急方案。

 系留式低空無人機應急通信方案

系留式無人機應急高空基站主要包括攜帶蜂窩射頻單元的多旋翼無人機、地面數據、衛星回傳3部分，如圖4所示�？赏ㄟ^空投或背負方式進入災區，與衛星便攜站配合使用，實現災區交通中斷情況下的快速部署。系留式無人機應急基站也可以與應急通信車配合使用，充分利用應急通信車的供電及傳輸資源。該方案利用無人機升空和長時間滯空能力，提供大范圍應急覆蓋，2020年在雄安外場實測覆蓋半徑可達6.5千米，遠超普通應急通信車覆蓋能力。該方案具有資金投入少、組織部署快、現場操作易等特點，理論上具有長時間滯空維持應急通信能力，為災后“黃金救援時段”提供穩定的通信保障。

圖4 系留無人機應急通信保障方案

非系留高空無人機應急通信方案

非系留式無人機通常采用大型固定翼長續航無人機，在機內集成蜂窩通信設備、衛星動中通天線等整套應急保障設備，如圖5所示，通過遠程遙控無人機飛抵受災地區并在空中盤旋提供對地覆蓋。

圖5 大型固定翼無人機應急保障方案

據報道，2021年河南遭受水災，通信部門利用固定翼無人機為災區50平方千米范圍內提供了5小時的蜂窩信號覆蓋，為災區人民搭建對外通信的橋梁。大型固定翼無人機具有高集成度、反應快捷、受地形影響小等特點，在地震、洪水、山體滑坡、泥石流等造成大面積道路損毀的場景下，具有明顯的優勢。

隨著無人機應急通信技術的發展，下一代無人機將集成邊緣云及自適應鏈路回傳能力，在無人機或地面車載平臺上部署邊緣服務器，提供應急廣播、智能導引功能，助力災區救援指揮；根據環境特征和業務需求自適應選擇最優回傳方式，包括利用微波回傳、Relay回傳以及衛星回傳等，提升應急網絡性能和部署效率。

我國衛星通信技術發展現狀

衛星通信技術依靠覆蓋區域廣闊、不過度依賴外部環境、可快速部署、操作性強等特點，在救災過程中對救援指揮調度、應急通信保障、信息報送、數據采集等起到重要作用，是當今應急通信領域中必不可少的核心技術。

黨的十九大做出建設網絡強國、數字中國和智慧社會的戰略部署，2020年衛星互聯網正式納入新型信息基礎設施范疇，并成為其重要組成部分。國家在“十三五”期間全面布局空間民用基礎設施的基礎上，又在“十四五”開局階段提出了加快布局衛星通信，構建覆蓋全球、天地一體的信息網絡，為陸海空天各類用戶提供全球信息網絡服務的發展規劃。國家戰略的系統謀劃為衛星互聯網的建設發展指出了明確方向。

國內三大運營商衛星互聯網部署現狀

在5G加速商用的同時，三大運營商也在積極推進衛星互聯網的部署工作。

2020年1月，中國電信正式商用天通衛星通信服務，為應急管理、海上作業、航空通信等領域的用戶提供優質安全的通信服務。當月，中國移動順利完成衛星通信網第十二期工程招標，隨著工程的有序推進，偏遠地區4G基站接入、應急通信車輛通信保障等業務能力進一步增強。

2020年4月，中國聯通所屬聯通航美公司發布了四大衛星系列產品，為政府企業用戶展示了“天地海一體化”的應急通信服務能力。同年6月，中國聯通在北京與華為簽署了空天地一體化戰略合作協議，雙方將在低軌衛星與5G網絡融合技術方面展開合作，共同構建基于空地聯合的衛星車聯組、物聯網等應用的產業生態。

我國高軌高通量衛星建設現狀

2017年，我國首顆高通量衛星——中星16號成功發射，單星通信總容量達到20G，下載速率最高達到150Mbit/s，回傳速率最高達到12Mbit/s，與地面關口站系統、衛星寬帶通信系統和業務運營支撐系統，形成了完全自主可控的星地一體化衛星寬帶網絡運營平臺，標志著我國靜止軌道高通量衛星互聯網進入實質性應用階段。2020年，我國首顆采用Ku/Ka體系的高軌高通量衛星——亞太6D成功發射，該星可以為中國全境及亞太地區用戶提供高質量的話音、數據通信服務。

我國低軌星座項目建設現狀

2021年4月底，中國衛星網絡集團有限公司正式掛牌成立，主要承擔我國衛星互聯網的統籌發展，以及低軌互聯網星座的規劃、建設、運營等任務，這是我國衛星互聯網產業在被納入“新基建”范疇之后的重大舉措。

此外，作為中國民營企業中第一個有實質性進展的衛星互聯網計劃，銀河Galaxy衛星星座首顆衛星已于2020年1月16日發射入軌。該星座基于5G標準，由650顆低軌通信衛星組成覆蓋全球的天地融合5G衛星通信網絡，讓用戶能夠高速靈活地接入5G網絡。

另外，星網宇達、和德宇航、歐科微、國電高科等公司也公布了低軌衛星計劃，其中國電高科已發射6顆衛星，歐科微也發射了1顆。 

空天地一體化應急通信保障典型應用實例

河南鄭州“7・20”特大暴雨災害應急通信保障

2021年7月19日，河南省遭遇極端強降雨，省內多個城市發生嚴重內澇。其中，鄭州市下轄鞏義市米河鎮因市電停電等原因造成通信全阻。受道路中斷影響，到達米河鎮的河南移動應急通信局、河南聯通機動通信局兩支國家應急通信一類保障隊伍，以及河南電信應急搶修隊伍暫無法進入現場開展應急搶修工作，當地通信短時難以恢復。

7月21日，面對米河鎮“斷路、斷電、斷網”的困境，應急管理部提出相關工作要求，工業和信息化部統籌通信業各方保障力量，迅速調派在貴州省的“翼龍-2H”無人機從安順機場出發，歷經4.5個小時、近1200千米飛行，跨越貴、渝、湘等多個省市，順利懸停在河南省米河鎮上空，利用自身空中應急通信平臺搭載的移動公網基站，為當地約50平方千米范圍內2572名翼龍注冊用戶，提供了5個小時不間斷的穩定可靠手機通信服務。

7月22日13時36分，在工業和信息化部的統一指揮下，應前線應急管理部門救援需求，剛剛返回貴州基地不久的“翼龍-2H”無人機再度從安順機場出發，趕赴鄭州市中牟縣阜外華中心血管病醫院，為現場防汛救災工作提供了強有力的應急通信保障。

在河南鄭州“7・20”特大暴雨災害應急通信保障任務中，“翼龍-2H”應急救災型無人機依靠攜帶的移動通信基站和裝配的衛星通信天線，通過衛星回傳鏈路建立起與移動通信主站之間的連接，運用空中組網、高點中繼等技術，發揮數字化、網絡化、智能化優勢，實現了數據、語音、圖像的互聯互通。同時，無人機還利用CCD航測相機、EO光電設備和SAR合成孔徑雷達，圖文監測嚴重受災地區情況，并實時回傳，為指揮中心開展應急救援工作提供有效支撐。

“8.8”九寨溝地震應急通信保障

2017年8月8日21時19分46秒，四川省北部阿壩州九寨溝縣發生7.0級地震，震源深度20千米。地震發生后，工業和信息化部立即與四川省通信管理局和各基礎電信企業集團公司、四川省公司、一線救援隊伍建立視頻連線，組織當地通信行業第一時間啟動應急預案，開展應急通信保障工作。

應急通信保障期間，中國移動出動了1套無人機高空基站，于8月11日10時20分在九寨溝景區荷葉寨緊急升空，為方圓30多平方千米受災區域持續提供移動通信信號。據統計，在本次保障中無人機搭載的基站共接入4G用戶超500人，VoLTE呼叫接通率達98.79%，CSFB呼叫接通率達95.08%，提供數據業務總流量15000Mb以上，有效補充了常規應急通信保障信號覆蓋效果，助力搶險救災和公眾通信應急保障。

空天地網絡在應急通信應用前景展望

衛星通信具有覆蓋范圍廣、受環境影響小、容災能力強等特點，可作為地面網絡補充，增強地面通信鏈路的可靠性及安全性，為災害導致地面移動通信系統中斷的應急救災場景提供通信保障，使應急小區與遠程指揮中心可以進行數據、語音和視頻等通信交互，為應急搶險工作提供高效可靠的信息傳輸通道。

利用衛星通信實現應急救援，國內外已有應用，如國際海事衛星、國內的“天通一號”等，均支持手機形態的衛星終端，可提供包括話音業務在內的窄帶數據業務。這類終端便攜性較強，在地面蜂窩通信因發生自然災害造成中斷時可用于應急通信，但衛星通信用戶規模較小，流量成本、終端成本偏高，難以面向公眾用戶推廣。

2021年，3GPP R17開展蜂窩協議用于衛星通信場景的標準化研究，針對上行同步、時序關系、HARQ、波束管理等方面進行了協議優化，完成了衛星透明轉發模式下的通信協議設計，計劃于2022年凍結并發布標準化協議。

結合國內高低軌衛星的實際建設情況，未來5年衛星互聯網仍然以高軌衛星為主，隨著低軌星座的建設和后期發展，高低軌衛星互聯網將與地面網充分融合，構成天地一體化信息網絡。

隨著未來高中低軌衛星協同組網，空天地一體技術將進一步深度融合，地面蜂窩產業賦能衛星通信，利用蜂窩通信產業規模效應，大幅降低衛星通信成本；成本可接受的衛星通信設備與服務在公眾用戶中推廣，提供不間斷衛星通信保障，徹底解決應急通信恢復速度慢、覆蓋范圍有限等問題。

面對自然災害多發易發的現實狀況，以及應急管理能力現代化新形勢對應急通信提出的新要求，應急通信領域的發展應滿足突發事件通信保障的客觀需求，適應應急管理發展需要，強化極端情況下通信保障能力建設，推動極端條件下的應急通信裝備研發。各地方政府和企業應推動全地形車、兩棲車、大型固定翼無人機等在應急通信隊伍中的裝備，加強天通、北斗等自主終端在基層的配備，尤其是加大災害頻發地區的鄉鎮衛星電話等設備的預置數量，以便形成多位一體、協同合作的新格局。

空天地一體化技術擁有顯著的大范圍通信優勢，可不受地面限制向空、天、地、海等多維空間擴展，已在近年的自然災害應急通信保障中發揮了至關重要的作用。隨著未來空天地技術深度融合，進一步突破技術壁壘、實現產業融通，構建跨地域、跨空域、跨海域的空天地海一體化網絡，構筑衛星、無人機、地面應急車、4G/5G超級基站整體應急通信保障體系，將可全面滿足應急通信領域發展需求，實現空天地資源優勢互補，提升國家應急通信保障能力。

作者：工業和信息化部應急通信保障中心 岳鸝 中鐵云網信息科技有限公司 曹雅春 天際互通（北京）信息科技有限責任公司 扈巖 王璠