长庆卫星应急通信保障系统技术设想

油气生产属于高风险性行业, 在应对重大突发事件时, 应急通信保障系统是高效开展抢险指挥、应急救援等工作的必备手段。长庆油田生产作业区域横跨陕、甘、宁、蒙、新五省区。勘探开发的总面积达37万平方公里。业务主要内容包括油气生产、储运、油气勘探、开发、工程技术服务等。涉及钻井录井、油气勘探、油气集输、地面建设等多种行业。生产区域极度分散, 施工作业队伍遍及油田的每个角落。星通信具有组网灵活、建设周期短、不受地理条件限制、费用与通信距离无关的优点, 可以支持综合数据业务 (数字图像传输、话音及数据传输) , 特别适合不具备通信条件的野外作业使用。整个网络运行和监控可交由主站网管完成, 各远端站的卫星通信设备无需设置参数, 开机即可联网工作。作为应急通信保障系统, 要求机动性强、开通快、可靠性高, 并能够实现一些现场应急指挥辅助功能。目前卫星车载天线系统, 天线自动化程度高, 操作简单, 配有GPS、电子罗盘、卫星信标跟踪接收机, 天线定位、找星、跟踪可在3~5分钟内完成, 已大量装备部队、中国移动及公安、抢险指挥等系统。根据上述特点, 采用车载卫星通信系统作为我局应急通信保障主要手段, 是一种切合实际的办法。

1 卫星应急通信车应该具有的功能、作用

(1) 卫星应急通信车通信范围必须包括陕、甘、宁、晋、蒙等油气勘探开发作业区域, 西北方向最好能够覆盖到新疆。

(2) 通过卫星, 实现指挥部和前方现场的音、视频双向互连互通。通过转发, 可将前方音、视频信号传送到指挥部。

(3) 装备单兵图像传输系统, 可将危险现场视频传递到卫星通信车内, 再通过卫星转发。

(4) 通过卫星, 实现后方指挥部和前方现场之间的专网电话通信、传真通信。

(5) 在前方公共网络繁忙, 手机打不通的情况下, 实现前方指挥员和外界的卫星电话联系, 进行人力调用和部署。

(6) 具有现场通话系统, 外围手持通信终端采用防爆装置, 通过车内系统可以方便的和分布于现场各个方位的通信员通话, 采集所需的信息。

(7) 可将主通信平台的电脑接入INTER NET网。

(8) 具有语音综合调度平台, 实现各种语音信号的调度, 同时车载电话不仅可以打油田内线, 还要可以方便的打外线。

(9) 系统具有可扩展性, 主通信平台预留有语音、图象、数据接口, 可将信号引到其他的车辆或会议室等需要的场所和装置。

(10) 系统配置广播指挥警报系统。

(11) 系统具有优秀的防电磁干扰 (EMC) 设计。

(12) 系统配置发电机及配电装置, 保证自用电及现场应急指挥用电。

(13) 其他功能:与现场无人侦察机实现图象的接收与转发。

2 方案设计

2.1 概述

2.1.1 系统组成

(1) 系统由4.5米K u波段中心站, 1.2米静中通卫星通信车组成。

(2) 卫星转发器平台:“亚洲三号”卫星或其它可用卫星。

2.1.2 系统工作频段

上行:14~14.5 GHz;

下行:12.25~12.75 GHz。

2.1.3 组网方式

组网方式为点对点双向通信方式。

2.1.4 业务能力

(1) 中心站、移动站均具有数据、话音、传真、图像等业务能力;

(2) 最大传输速率为4Mbps;

(3) 其中:单向图像:38 4 K b/s;2M b/s;

(4) 单向话音:3 84 K b/s;6 4K b/s;

(5) 各主要业务的传输速率具有自适应调节功能。

2.1.5 通信体制

F D M A/M C PC。

2.1.6 主要技术要求

(1) 传输总速率:4Mb/s, 可扩充至20Mb/s;

(2) 中频频率:950MHz~1750MHz;

(3) 卫星通信系统可用度99.9%, 其中上、下行均为99.95%;

2.2 卫星通信分系统方案设计

2.2.1 项目需求

通信车系统以“静中通”技术为核心, 以网络通信技术为依托, 利用多种通信手段, 采用当前可靠的电子通信设备和辅助保障设备组成一个技术领先、功能齐全的移动通信系统。

通信指挥车系统的卫星通信采用Ku波段, 利用原来4.5米天线的卫星通信中心站和1.2米静中通天线的车载移动站, 实现通信车和指挥中心之间双向2Mbps以上速率的卫星通信。

通信车主要提供通信功能, 可以通过卫星通信或其它通信手段与中心站连接, 接入勘探局原有的通信系统;中心站为通信车提供地面接入点, 使通信车能够通过卫星等通信系统与指挥中心相连。根据需求, 卫星通信手段是指挥现场和指挥中心的主要远程通信手段。

系统方案设计提供基于点对点F D M A/M C P C体制的静中通解决方案。卫星通信分系统是基于卫星通信技术设计和建设的静中通移动通信车系统。

卫星通信技术具有覆盖范围广, 不受地域限制, 灵活方便等诸多优点, 同时结合车载静中通天线和伺服技术, 能极大增强无线通信的应用范围, 适应能力, 性能和灵活性, 可做为应急通信保障的重要手段。

2.2.2 通信体制和空间载波配置

卫星通信分系统建设一个固定中心站和一个静中通车载站。方案设计考虑了良好的扩展性和系统升级能力, 在后续的扩容和车改中可参考实施。

为保证中心站和静中通车载站的双向2Mbps的实时通信能力, 系统载波按点对点双向FDMA/MCPC配置。即为中心站和通信车配置一对支持2Mbps的载波, 两载波中心频率不同, 位于频率轴的不同位置, 互不重叠。设定第一个载波为F1, 第二个载波为F2, 那么通过中心站发射F1载波, 锁定接收F2载波, 通信车发射F2载波, 锁定接收F1载波的方式建立双向通信链路。这就是频分多址接入 (FDMA) 的多址接入方式。

传统的模拟卫星通信中, 每载波单独传送一路模拟话或数据时称为每载波单路 (SCPC) , 发展到数字通信, 每载波的数据流中复用着话音、网络和视频等多路信息, 称为每载波多路 (MCPC) 。指挥通信车采用了FD MA/MC PC体制。

根据项目需求, 中心站至远端站和远端站至中心站的单向通信速率都是2Mbps, 保证中心站指挥中心和通信车现场指挥信息的双向实时传输。系统也可以支持双向非平衡链路配置, 用户可以对链路速率参数进行自主配置。

2.2.3 网络拓扑结构

采用FDMA/MCPC通信体制可以方便地构建星状、网状或者混合拓扑结构的网络, 不同的网络拓扑结构适用于不同的用户业务和应用需求。在本项目中, 用户的业务网需求是点对点双向平衡链路, 远端静中通车载终端和中心站之间通过卫星建立一跳连接, 固定中心站为网络中心节点, 静中通车载终端站为远端节点。

2.2.4 静中通通信车设计

静中通通信车车载卫星通信分系统由1.2米Ku静中通车载天线及其伺服控制系统, 室外射频BUC分系统、低噪声放大器分系统, Ku/L波段下变频器BDC分系统、调制解调器分系统、综合业务同步复用器, 编码器等卫星设备组成。

静中通通信车的装车设备除了1.2米K u静中通车载天线及其伺服控制系统以外, 其它设备选型与中心站相似, 工作原理亦无差别。

2.3 前端图像采集系统

采用MV2000无线高清晰度移动视频实时传输系统, 前端图像采集可配备车载系统和单兵系统, 在一辆现场指挥车上配备相应接收设备, 将前端采集到的音视频集中接收到现场指挥车上, 实现一路图像和伴音的单向上传。同时, 在指挥车上配备一套转发设备, 卫星通信车上对应的配备一套接收设备, 通过该系统传将输到卫星通信车上的一路图像和伴音通过卫星链路传到西安应急指挥中心。但在指挥车与通信车之间无法实现电话的双向通信。

2.3.1 前端采集设备

(1) 车载系统。由MV2000发射机、天馈、摄像机组成, 实现向指挥车单向上传一路图像、一路伴音的功能。

(2) 单兵系统。由发射机、滤波放大器、全向天线、单兵摄像头、单兵背负配件、单兵电池电源系统、单兵集成箱组成, 实现向指挥车单向上传一路图像、一路伴音的功能。

2.3.2 中心接收设备

由MV2000接收机、天馈、滤波器组成, 实现一部指挥车接收4路前端发回的信号功能。

3 通信车车体改装方案

3.1 概述

通信车车体主要集成静中通卫星等系统, 构成综合一体的通信一体平台。车辆改装完成后保持原有相对比较好的越野性、平稳性和安全性。

在车体改装设计上, 要使整车不仅满足机动灵活, 性能可靠, 同时还要考虑到达现场后没有任何建筑物及通信设备的条件下, 此车即要成为通信中心。

为了适应各种道路环境, 同时有效地保证车上安装的各系统设备在恶劣的路况下的安全性, 对安装系统设备用的机架要进行特殊的减振处理, 使设备机柜全部采用减振簧减振, 达到吸收振能的功能。

3.2 车体设计

通信车在总体布局设计上要合理、紧凑、功能齐全, 满足使用要求。车厢内布局分为三部分:驾驶区、操作区、卫星天线区, 见图1。

3.2.1 驾驶区

驾驶区设置驾驶席和副驾驶席各一个。

3.2.2 操作区

如图, 操作区共设置了4组机柜。

机柜处设置翻折操作台一个, 并配备有工作椅

机柜机架由数控机床制作。机架两侧和底部安装螺旋弹簧减震器, 为设备提供良好的减震以适应恶劣的路况。机架周边配装饰木条, 机架与车身的间隙配有堵板。

3.2.3 卫星天线区

卫星区安装卫星天线。

3.2.4 车底设备

在车架上安装2个手动机械支撑平衡腿, 用于驻车工作时支撑调平车体, 保持车体的稳定性。

3.3 配电及照明

3.3.1 配电系统

整车配电系统由交流和直流两大部分构成, 通过配电控制盘 (配电盘) 进行控制和监测。交流部分包括:220V市电、车用取力发电机、UPS (按需选装) ;直流部分由电瓶组成 (按需选装) 。

通过配电盘将设备用电、空调用电、照明用电等分开。

3.3.2 交流供电

交流供电系统是车内设备的主要供电系统。由车用取力发电机为设备提供交流电。驻车时也可使用220V市电。

由于车体空间有限, 可选用美国水牛 (B UFFA LO) 特种车辆机动电源, 5kW取力发电机。此种发电机适用于各类特种车, 用于行进中或在无市电情况下为车上设备供电。

取力发电机主要由重责型发电机和动力输出单元组成。输出5kW的能量只需要V-8汽油发动机提供1300转/分的转速, 对大多数柴油机则只需要提供650转/分~900转/分的转速。

3.3.3 直流供电

直流供电系统主要为车内直流设备提供电力, 并在系统接入市电前, 为照明系统提供应急用电。主要设备为电瓶。

3.3.4 照明系统

整车照明分直流和交流两个部分。

4 基于低成本构造的简易卫星应急通信系统

4.1 方案概述

以低运营成本的IPstar卫星小站组建卫星应急视频会议系统, 不设价格高昂的中心站, 通过公用卫星关口站实现2跳通信。系统建设2个IPstar卫星小站:在西安总部, 采用1.2M固定式卫星站, 配备相应的视频、语音、网络设备;远端外围站根据实际需要来设置地点, 采用1.2M (分片拼装天线) 移动背包卫星站, 配置双ODU (点波束、成型波束各一) 适应不同波束覆盖区域, 配备相应的视频、语音、网络设备及汽油发电机, 不配备自动对星伺服系统, 人工对星;另租用西安NGN交换设备到公用卫星关口局长途2M电路一条, 用于通信组网。本IPSTAR卫星应急视频系统建设只需资金30万元。从减少运行成本角度出发, 应急卫星视频系统选择2M共享带宽包月方式, 同时交纳一定押金, 用于召开应急视频会议时租用固定2M带宽。

4.2 实现的主要功能

通过设在指挥中心楼顶的固定站与安装在应急现场的卫星通信系统通信, 可实现1路实时图像、4路电话、2路数据的传输, 为现场指挥提供通信保障。卫星应急远端便携站具备现场摄录功能、数据话音通信功能、图像传输功能。

5 结语

卫星应急通信车机动性强、设备以改装车辆为平台, 可以根据功能需要灵活配置, 通信采用静中通方式, 到达现场5分钟即可开通。这种方式十分适合油田野外生产突发事件的应急通信保障, 但是也存在设备购置成本较高 (约200万元) , 虽然实际生产中只有很少的几率应用, 但却需要配备日常专业维护操作人员等一些弊端。目前我处鉴于成本考虑, 采用了2个IPstar卫星小站2跳方式组建卫星应急视频会议系统, 需要临时调用车辆运送设备, 到达现场约2小时可开通, 网络独立性较差, 对现场服务人员素质要求高, 附加功能较少。随着油田大规模发展, 卫星应急通信车 (包含静中通以及动中通2中方式) 以及移动卫星小站配合使用, 更能够适应未来油气田应急通信保障需要。

摘要：本文从油田生产实际出发, 提出卫星通信是符合油田应急通信保障要求的通信方式。并阐述了油田通信保障系统的功能要求, 提出卫星通信应急保障组网方案, 重点探讨了卫星通信车的相应配置。

关键词：卫星,应急通信,保障系统