水利卫星通信网的建设和管理
1李钢，2李鹏，3高金华
（1水利部水利信息中心，北京 100053；2新疆水利厅头屯河管理处，新疆昌吉 831100；3北京北排水务设计研究院有限公司，北京 100038）
作者简介：李钢 男，高级工程师，主要从事水利卫星通信设计及应用。
摘要：水利卫星通信网是一个覆盖全国的大型专用通信网络。近年来得到了快速发展，目前卫星小站数量已超过800座，在水雨情数据传输、视频图像采集传输、应急抢险指挥等方面发挥了巨大的作用。随着国家对防汛抗旱指挥调度工作的日益重视，水利卫星通信网可以完善水情测报体系，尤其适合偏远地区的洪水监测及非河道地区大范围的监测。本文介绍了水利卫星通信网的建设发展与设计规划。根据卫星通信行业的最新的发展，结合水利行业实际业务需求，分析了水利卫星通信网未来的发展。
关键词：水利卫星通信网 建设管理
1 引言
水利卫星通信网是由水利部水利信息中心负责规划设计、建设运维的专业卫星通信网络。经过20年的建设，系统网络覆盖全国，支持话音、高速数据传输、数据广播等综合业务，在水雨情数据传输、视频图像采集传输、应急抢险指挥等方面发挥了巨大的作用。
2010年新一代水利卫星通信系统正式建成服役，新一代卫星通信系统基于DVB-S2标准，在提高了系统性能的同时大幅度降低了设备成本，尤其在公网通信覆盖不佳的偏远地区，卫星通信是唯一手段。2012年，北京“7.21”大雨期间，房山受灾地区公网通信中断，在雨情最危急的4h内，水利卫星系统发回了宝贵的2000多条水雨情数据，为北京市防办了解现场灾情、进行防汛指挥起到了关键性作用。
在各级领导的支持下，水利卫星网得到了快速发展，目前水利卫星小站已经突破800个，网络规模在全国居于前三，发挥了巨大的经济效益和社会效益。
2 水利卫星通信网的发展历程
水利卫星通信网始建于1994年，在20多年的建设发展过程中，卫星通信具有的覆盖范围广、组网机动灵活、抗水毁能力强等优点，成为了解决水利信息传输和应急抢险机动通信的主要手段，也是地面通信网的重要补充和备份通信手段。
水利卫星通信网的发展经历了两个阶段，第一个阶段，从1994年到2009年，水利部卫星主站主要由美国休斯（HUGES）公司的TES—PES系统，以色列吉莱特（GILAT）公司的SSAⅠ—SSAⅡ系统，美国康讯益达COMTECH SDM300A为典型代表，通信卫星为亚洲二号卫星K7转发器资源（1/2个转发器，带宽27MHz）。经过10多年的建设，初步建成一个由水利部卫星通信主站（北京）和582个卫星通信小站组成，可实现语音、数据、图像传输的防汛通信卫星网，承担着水雨情数据报汛、防汛异地会商、应急抢险机动通信、云图和遥感数据广播等重要防汛通信任务，在历年的防汛抗旱、水资源管理等工作中，发挥了十分重要的作用。这一阶段的卫星通信系统受技术及材料工艺限制，每套卫星通信系统功能单一，不同系统之间互不兼容，系统建设及运维成本较高。第二个阶段从2009年至今，2008年随着亚洲二号卫星设计寿命到期，水利部启动了防汛通信卫星转发器更替项目，通过该项目水利卫星通信网更换了最新的亚洲五号卫星Ku波段转发器资源，并且增加了抗雨衰能力更好的C波段转发器资源，卫星通信系统选用了美国Idirect公司的DVB-S2系统。新一代水利卫星通信系统卫星转发器资源性能高，技术先进，稳定性和可靠性高，小站建设成本和运行维护成本低，适用于水利信息传输，尤其适合水文测报、应急通信、数据广播、互联网接入、视频监视等业务的应用。
3 制度建设和行业管理
3.1 制度建设
为了更好地管理和使用水利卫星资源，2013年水利信息中心组织了相关专家对水利卫星通信网多年来的建设、运维经验进行分析、总结。编制了《水利卫星管理办法》，该办法第一次明确阐明了水利卫星通信网的相关政策和内容，明确了责任主体，有力的推动力水利卫星通信网的快速发展。
在《水利卫星管理办法》中首次明确了以下重点内容：
（1）水利部水利信息中心是水利卫星通信网的主管单位，负责水利卫星通信网的发展规划，中央地球站系统的运行管理，水利卫星通信资源的使用调配，水利卫星通信网的技术咨询和服务，组织有关的技术培训和交流；
（2）水利卫星通信网是由水利卫星通信资源和远端地球站组成的，用于保障防汛减灾、应急抢险、水资源管理、水环境保护等各类水利信息传输的专用网络。水利卫星通信资源是指水利部拥有的卫星转发器带宽和水利部中央地球站系统；有关单位在建设卫星通信系统时，应优先考虑使用水利卫星通信资源；
（3）有关单位在建设卫星通信系统时，应优先考虑使用水利卫星通信资源；用于水利业务的通信应用免除入网费和频率使用费；
（4）水利卫星通信网实行入网许可制度。需要加入的单位，应按水利卫星通信业务申办流程提出申请并提交技术方案，经主管单位审批后办理入网使用事宜。已入网用户单位如需对关键设备进行变更的，应提出申请，经主管单位审批，入网测试合格后可继续使用水利卫星通信资源。
（5）应急情况下需要使用水利卫星通信资源的，用户单位应提前2h向主管单位提出申请。经审批后，主管单位应及时为用户单位提供相应水利卫星通信资源。用户单位应在2个工作日内按有关规定补办手续。开展测试、演练或其他临时业务需要使用水利卫星通信资源的，用户单位应提前2个工作日向主管单位提出书面申请。在卫星通信资源有限的情况下，将优先保障应急抢险业务使用。
（6）用户单位不得有下列行为：
①未经批准擅自占用水利卫星通信资源；
②未经批准随意变更频率、极化、发射功率等参数和功放、天线等发射设备；
③利用水利卫星通信资源发送、接收和传播违背国家法律法规所禁止的各类信息。
3.2 行业管理
由于卫星通信属于较难掌握的高新技术学科，为了保证卫星小站的可靠运行，水利卫星网坚持以流域为骨干、重点省份（直辖市）为龙头、有步骤的快速发展。目前水利卫星通信网内的卫星小站主要以七大直属流域机构为主，约占总数的70%，通过一系列的项目建设和技术培训，七大流域机构的相关单位提高了自身的技术水平、锻炼了技术人员队伍，在2014年鲁甸应急通信保障任务中，长委网信中心、长委水文局、海委通信中心携带各自的卫星便携站紧急奔赴灾区现场，圆满完成了前线指挥部的应急通信保障任务，得到了部领导、国家防总的高度赞扬。
为了提高水利卫星通信网所属主要单位完成应急突发任务的能力，水利信息中心发挥行业管理的优势，从2014年开始每年组织卫星应急演练。2014年4月，组织实施了全国第一次水利卫星应急演练，演练分为两个阶段，第一阶段为各流域自测，第二阶段为系统联调，所有流域单位的卫星便携站均经过了严格的测试演练。通过本次应急演练，相关单位及时总结经验，对暴露出的设备问题、人员技术问题等进行了专项加强，为随后的鲁甸应急通信保障任务的顺利实施起到了关键性作用。2015年4月，水利信息中心组织实施了全国第二次水利卫星应急演练，在2014年第一次演练的基础上突出了以流域为假设任务，以海委、北京市防办、河北省防办、天津防办、水利部卫星主站组成了海河流域卫星应急演练，通过本次演练收获了宝贵的全流域卫星应急突发保障能力，检验了系统的可靠性并锻炼了技术队伍。在流域自测阶段，黄委信息中心第一次将无人机的视频图像接入到水利卫星通信系统并在异地会商系统中得到了成功应用。
4 项目建设
水利部水利信息中心充分发挥行业管理及卫星通信建设方面的经验优势，依托防汛抗旱指挥系统二期、小基建等多个重大项目支持，使得水利卫星通信网的综合性能和站点规模得到大幅度提高。
4.1 防汛卫星转发器更替项目
2007年随着上一代水利卫星通信系统的服役期满，水利部水利信息中心组织实施了《防汛卫星转发器更替项目》，通过该项目重点解决了水利卫星通信网的空间频谱带宽资源和水利部卫星主站建设两个核心问题。目前水利卫星通信网现有亚洲五号卫星Ku转发器22.2MHz转发器带宽和亚太六号卫星C转发器5MHz带宽；在水利部防总楼部署了1副6.1m主用射频天线和1副4.5m备用射频天线；水利卫星主站采用了美国Idirect公司的DVB-S2系统。
4.2 防汛抗旱指挥系统二期
国家防汛抗旱指挥系统工程的建设是国家防灾减灾系统工程的重要组成部分，是针对防洪抗旱形势出现的新变化和经济社会发展对水利工作的新要求而实施的建设项目。应急移动指挥平台建设项目，着重解决全国水利部门普遍缺乏应急抢险机动通信及指挥手段，在洪涝灾害发生时，常规的通信手段被毁坏，又难以恢复，造成现场指挥通信和应急处理能力不够的问题。本项目的重点内容是在水利系统建设统一的移动应急指挥平台，有效提高各地区应急抢险通信保障能力，实现实时采集灾害现场图像等综合信息，指挥现场抢险等功能，及时转移灾区群众，减少人民生命财产损失，为工程抢险、防汛现场指挥提供保障。
4.3 小型基础建设项目
水利部水利信息中心大力推动水利卫星在水利行业的发展与应用。2011年，组织实施了“水利卫星通信应用系统建设项目”，该项目在七个流域建设了179个卫星小站和7套卫星便携站，2013年通过竣工验收，在防汛等工作中发挥了重要作用，得到各级部门的肯定。2014年年初，部水利信息中心根据有关流域机构的迫切需求，向部申报“流域偏远水文站信息传输卫星通信小站建设项目”，该项目建设110个卫星小站和6套卫星便携站以及卫星主站的综合网管系统开发。
4.4 北京防办自筹项目
北京市防办是最早使用水利卫星通信系统进行水雨情传输的单位，积累了大量的宝贵经验，在1996年就建成了利用水利卫星通信网吉莱特GILAT SSAI系统传输水雨情信息，该系统一直运行到2008年奥运会结束，该系统也成为吉莱特该型系统全球可靠运行时间最长的系统，2009年北京防办利用《官厅山峡防汛卫星雨水情遥测系统改造》项目更换了最新的Idirect水利卫星通信系统，该系统在“7.21”大水中发挥了决定性作用，产生了巨大的社会价值和经济价值。
5 成功案例
5.1 北京“7.21”大雨通信保障
卫星通信具有抗水毁能力强、不受地面通信管网限制、不受限于公网通信制约的独特优点。2012年北京“7.21”大雨期间，房山受灾地区遭受特大暴雨，泥石流摧毁了公网通信基站和通信光缆，致使当地的公网通信完全中断，此时传统GSM水雨情传输系统和电话、传真、互联网等通信全部失效，在雨情最危急的4h内，水利卫星系统发回了宝贵的2000多条水雨情数据，北京市防办由此了解到了现场的真实灾情并及时进行了防汛指挥和抢险救援。此次通信保障发挥了卫星通信在应急保障及抗水毁能力上的独一无二的作用。
5.2 鲁甸应急通信保障
卫星便携站具有强大的机动能力和快速部署能力，仅需要几个人员就可以建立应急通信保障系统并将灾难现场图像传回指挥基地。2014年8月3日16时30分在云南省昭通市鲁甸县（北纬27.1°，东经103.3°）发生6.5级地震，震源深度12km，余震1335次。地震共造成617人死亡，其中鲁甸县526人、巧家县78人、昭阳区1人、会泽县12人；112人失踪，3143人受伤，22.97万人紧急转移安置。灾害发生后，山体滑坡形成了堰塞湖，直接威胁下游城市的安危，应前线指挥部的要求，长委水文局、长委网信中心、海委通信中心在24h内赶赴堰塞湖现场，建立了由堰塞湖现场到前线指挥部的应急卫星通信信道，并将前方的第一手图像资料传回了指挥部，为防汛指挥决策提供了宝贵的现场资料。卫星通信目前是应急通信领域内最重要最可靠的通信方式，在国内外一系列应急突发事件中，大都通过卫星便携站、车载在等方式将现场的图像、数据传回总部，发挥了无可比拟的应急优势。
6 未来发展
6.1 抓住机遇、整合资源快速发展
水利卫星通信网近年来得到了快速发展，但随着国家对防汛抗旱指挥调度要求的不断提高，对全系统的通信能力、系统可靠性、应急部署能力、复合多业务传输等方面提出了更高的要求。未来下一阶段的工作重点有以下几个方面：
（1）加强水利卫星通信网综合网管能力，提高全系统的运行可靠性。将现有相互独立的卫星通信系统、设备管理系统、射频天馈系统、业务应用系统等融合互通，从而提高整个水利卫星通信网的整体性能和可靠性。
（2）以流域水文机构、通信机构为龙头，带动其他水利行业用户的使用。目前用户单位主要分布在流域机构的水文、通信部门，局限性较大，通过与水利行业其他兄弟单位更多的交流和宣传，找到适合的机会，让水利卫星通信网为更多的水利行业用户服务。
（3）拓宽投资渠道，吸引多元化投资，共同为水利卫星通信网建设服务。目前水利卫星网内小站建设主要依靠中央资金以项目的形式建设，这使得水利卫星小站建设周期较长，站点覆盖面局限，希望未来可以拓宽投资渠道，吸引多元化投资，加快水利卫星网的建设。
6.2 紧跟卫星通信前沿技术，扩展水利卫星业务应用范围
（1）北斗卫星。北斗卫星是我国独立开发的具有定位、导航、数据传输等功能于一体的卫星系统，目前水利行业主要使用其短报文传输功能，相比Idirect的DVB-S2系统，北斗卫星终端具有体积小、土建成本低、安装便捷无需对星等优势，特别适合对通信带宽要求不高的数据传输场合。见表1。
目前水利行业还没有统一的北斗卫星运营和管理机构，广大基层用户依靠不同的代理商进行通信服务，由此带来以下的问题：
①缺乏全国性的统一管理；
②数据分散难以汇总；
③通信服务质量参差不齐；
④缺乏汛期重保措施；
⑤通信价格资费难以下降。
表1 三种主流通信方式对比图
针对以上问题，需要同总参北斗办进行协调沟通，尽早使得水利部水利信息中心具有水利行业北斗卫星的运营资质和行业管理能力。
（2）Ka宽频卫星。Ka宽频卫星通信系统是下一代民用卫星通信系统的发展方向，代表着现阶段卫星通信技术的最高水平，相比Ku频段的通信卫星，Ka宽频卫星提供的通信带宽是Ku的100倍以上，而且卫星小站的天线尺寸可以降低50%，硬件成本和功耗降低30%，更宽的通信带宽，可以为用户提供高清图像传输、大数据传输、宽带接入等业务服务，使得卫星通信可以同地面光纤接入、小区宽带等有线通信方式进行竞争。
参考文献
［1］ 尚林.小型卫星通信地球站用户手册［M］.西安:电子工业出版社，1993:20-22.
［2］ Bernard Sklar.数字通信［M］.北京：电子工业出版社，2000:10-12.
［3］ 张更新.卫星通信［M］.西安：西安电子科技大学出版社,2004:34-36.