卫星通信系统在地震监测的设计应用范文

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一、卫星通信系统在我国地震行业的应用现状

我国通信技术近年来发展迅猛，尤其在地面光纤通信和3G、4G等移动通信系统等方面，基础设施建设不断升级，网络传输带宽和时延都有了极大提高，网络可靠性也已达到很高水平，因此，越来越多的客户都会优先选用这些高效稳定的通信方式作为数据传输的通信系统。在我国地震行业中，也同样广泛采用地面专线和移动通信系统传输地震台站的观测数据。但同时，卫星通信系统在地震行业中仍然担负着重要的作用，与地面专线和移动通信系统相比，卫星通信系统具有其独特优势，网络覆盖范围广，不依赖地面基站和地面专线接入点位置的限制等，能够为地面网络无法覆盖的偏远地区提供可靠便利的通信网络。目前，我国地震系统建有多套卫星通信系统，分别服务于偏远地区地震台站、国家地震台站地面线路备份、周边援建地震台站和应急通信保障系统等。其中，地震监测卫星站点有60多个，主要分布在新疆、西藏等较偏远地区，卫星站运行状态良好，带宽和时延等技术指标均满足地震速报要求。

二、援尼泊尔地震监测台网卫星通信系统设计和应用

（一）尼泊尔地区通信方式的选择2015年4月25日，尼泊尔地区发生特大地震后，中国政府快速反应，派遣救援队伍，援助救援物资，同时，除物资援助外，也在不断推进地震监测技术合作项目。2016年10月，我国政府启动“援尼泊尔地震监测台网”项目，预计2018年年底移交。根据两国协议，由中国政府无偿援建尼泊尔10个集甚宽频带测震、GNSS和强震动观测为一体的地震观测台站并装备2个数据中心。尼泊尔紧邻我国西南边境，地形复杂，多属丘陵地带，援建地震监测台网的地震台站多选址在偏远地区等环境噪声小的位置，基本没有地面网络和移动通信网络覆盖，因此，卫星通信系统是援建地震监测台网的首选通信解决方案。结合我国地震系统目前在用的卫星通信系统，所租用通信卫星转发器信号可完全覆盖尼泊尔全境，满足援尼泊尔地震监测台网地震台站卫星站的建设要求，因此，援建台网选用卫星通信方式进行组网，与我国共用一套地震监测卫星通信系统，地震台站观测数据通过卫星专网实时回传至北京中心和尼泊尔2个数据中心。

（二）卫星通信系统的设计和应用1.系统概述援尼泊尔地震监测台网通信网络依托现有iDirect测震卫星通信系统，共用北京中心站，通信频段使用Ku频率，载波采用TDM/TDMA技术体制，从底层设计支持IP（纯IP）。主站下行（出向）的大广播载波采用DVB-S2封装技术，卫星远端站上行载波使用确定性TDMA访问方案（D-TDMADeterministic-TDMA），以带宽高效利用的方式来快速响应小站的带宽分配请求。援尼泊尔地震监测台网中，每个地震台站回传GNSS基准测量和地震监测实时数据，数据速率不低于50kbps。每个卫星远端站传输两路数据，一路数据通过卫星链路传输到北京中心后进入地震行业数据服务器，供中国地震局使用，另一路数据通过中心站转发至加德满都及比兰德拉2个数据中心。我方和尼泊尔两个中心站均可实现对所有10个卫星远端站的控制，中心站对每个远端站控制信息的带宽速率不低于5kbps。图1援尼泊尔地震监测台网卫星通信系统结构及数据流程图2.系统设计根据业务需求和租用带宽情况，对卫星通信系统的上下行载波进行了完善设计：主站下行载波：共享现有的主站出境载波，即符号率1Msps，DVB-S2广播，ACMQPSK调制，3/5FEC，载波解调门限2dB。远端小站上行载波：10个地震监测台站动态共享1个TDMA载波，考虑充足的带宽余量，上行载波传输速率800ksps，QPSK调制，3/4FEC，载波解调门限4.2dB。卫星通信系统租用的通信卫星转发器为亚洲卫星4号Ku频段资源（现已由亚洲9号替换），通过卫星链路计算，以确定卫星中心站和卫星远端站的硬件配置和链路可用度等。中心站及卫星远端站的射频参数为：北京中心站：4.5米天线和16W功放（现有设备）；卫星远端站：2.4米天线和4W功放。按照功带平衡原则计算，系统链路可用度达99.6％。

（三）iDirect卫星通信系统的技术特点援尼泊尔地震监测台网所使用的iDirect卫星通信系统是我国地震行业近年新建卫星通信系统，较原有系统在技术架构、调制解调技术、编解码技术、硬件参数、设备功耗、网络管理维护等方面都有了很大提升，能够在提高网络性能的同时，有效降低建设成本。iDirect卫星通信系统的一些新技术特点使得在尼泊尔地震监测台网的应用中获得了良好的性能提升和经济效益：（1）单出向载波速率高达45Msps（156Mb/sIP速率），较原有系统有了很大提升，能够支持大带宽的应用需求；（2）支持回传TDMA或SCPC体制，可根据观测台站的数据量大小自有选择载波体制；（3）系统内置双向TCP/IP协议加速，有效提高带宽利用率；（4）系统带宽按需分配（BOD）处理，动态调整卫星带宽占用，某些地震台站的观测数据受观测对象的变化影响，数据量不断变化，如甚宽频带测震数据在记录到地震波时数据量会成倍增加，动态的带宽调整可以高效的使用有限的共享带宽资源，节约带宽成本；（5）图形化的网络管理系统，为用户提供直观、实时的各种网络参数显示，便于系统管理和故障判断。同时，网管系统采用Windows界面模式进行操作；（6）单一主站支持多星、多网络，主站设备为模块化设计，方便系统扩容。在尼泊尔的应用就是从现有网络系统中进行扩容，不影响现有的业务数据传输。（7）远端站集成度较高，整体功耗小。远端站路由器在小体积的机箱内集成了卫星调制/解调器、IP路由器、TCP加速器和QoS/优先级保证等功能。支持100～240交流供电和24V直流供电。较以往卫星Modem等产品，设备功耗有了很大程度的降低，在使用4W功放和LNB工作时，功耗小于60W，可以有效降低一些偏远地区台站太阳能供电的功率要求，减少建设成本。

三、卫星通信系统在援外地震监测中的发展前景

在我国十多年的国际地震监测台网援建项目中，卫星通信技术都发挥了重要作用，例如援建印度尼西亚和援建巴基斯坦的地震监测台网援建项目中，以及老挝、缅甸等国家的地震监测台站建设中，均使用了卫星通信系统作为地震台站的数据传输网络系统，系统带宽、传输时延，链路可用度等指标完全能够满足地震观测数据实时传输的要求，并且更加适合类似国家和地区的基础通信条件，不受当地地面网络和移动通信网络信号覆盖的制约。近几年，随着地面网络和移动通信网络的迅速发展，我国很多地震观测台站已取消了原有的卫星通信系统或作为备份线路使用。但在很多偏远地区以及周边国家的地震台站合作建设中，卫星通信仍然是不可替代的通信网络资源。随着“一带一路”的发展建设，中国地震局与周边国家在地震监测方面的技术合作日益增多，在后续的援外地震观测台网的建设中，参考尼泊尔卫星通信系统的应用模式未尝不是一个好的选择。

作者：李璐彬 单位：中国地震台网中心