通信世界网消息（CWW）近年来，除火山活动以外，地震、森林火灾以及因极端天气引发的暴雨、洪涝、泥石流、雨雪冰冻等各类自然灾害屡屡发生。重大自然灾害的发生，在损害人民群众生命和财产安全的同时，也会对受灾区域通信设备造成严重损坏，导致灾区大面积、长时间通信中断，给当地政府部门组织开展抢险救灾工作带来极大挑战。
当今社会，通信对于人们的生活而言，如同水和空气一样重要。而面对自然灾害，传统的地面应急通信车和设备抢修难以满足受灾区域人民群众对通信的需求。为配合灾后救援，快速恢复灾区通信，需要一种可以快速部署、长时间保持并且大面积覆盖的应急通信方案，临时替代地面通信网络，确保灾后重要救援工作的通信网络通畅。
2022年2月，国务院印发了《“十四五”国家应急体系规划》，共规划五大类17项重点工程。其中，在完善卫星应急通信保障能力、促进“5G+应急通信”广泛应用、推动北斗系统在应急领域深层次应用等多方面均明确提出了发展目标。
本文主要介绍空天地一体化技术在应急通信领域的应用，以及未来多种灵活的通信应用配置方式，提高灾区核心区域快速恢复通信服务的能力，同时配合实现无线信号快速切换和覆盖，解决突发事件处置现场“通信孤岛”问题，构建天地融合的应急通信保障体系。
空天地一体网络体系
地面蜂窝网络已成为人民群众日常生活刚需，但其覆盖范围仍然有限，飞机/船舶/偏远山区等场景仍无法实现高速互联网接入；且蜂窝网络受地面环境影响较大，水灾、地震等突发灾害造成通信、道路中断后，难以依靠传统地面应急通信手段，单一的应急通信方案也无法满足不同场景的保障需求。为应对自然灾害造成的通信中断，应在原有的地基蜂窝通信网络基础上叠加天基、空基等能力，为地面通信提供空中备份网络，形成分层的空天地一体化应急保障体系。
天基应急通信
天基应急通信网络主要指高、中、低轨卫星通信网络，利用天基部署的卫星资源实现不间断通信服务。如图1所示，卫星通信网络具备覆盖广、容灾性高等优势，现有相关理论表明，3颗同步轨道卫星即可覆盖除南北两极外的全球绝大部分区域，而中轨和低轨星座构建完成后，也具备全球覆盖能力。天基卫星通过与地面网络能力叠加，将实现网络能力升维，提供备份通信链路，提升链路可靠性、安全性。
图1 同步轨道通信卫星覆盖地面
空基应急通信
空基应急通信主要指利用临近空间层的高空基站（HAPS/HIBS）和低空飞行器（UAV）提供应急通信。
如图2所示，利用浮空飞艇或无人机搭载临近空间层高空基站，以提供通信覆盖。可采用现有蜂窝通信协议（如4G、5G），为覆盖区域提供话音和互联网接入服务。该方案与卫星方案相似，可长期提供不间断的通信服务，单个临近空间平台（升空20000米）可支持超过一万平方千米的大范围覆盖能力。
低空飞行器应急通信目前主要利用无人机快速部署能力，通过搭载基站设备为通信中断区域提供应急补盲，如自然灾害导致区域通信中断后，可利用无人机基站暂时保障网络通信畅通。
图2 空基应急网络
地基应急通信
地基应急通信是传统应急的主要手段，采用应急通信车通信保障方式和部署超级基站方式。应急通信车内集成蜂窝通信基站、卫星/微波/光纤回传设备、油机电源等装置，可提供长时间的应急通信保障能力，利用其高集成度与灵活部署能力，可按需应用于大型活动场所热点容量补充和通信中断区域的应急保障。
此外，部署超级基站也是防灾减灾的有效方式。与普通基站相比，超级基站采用高抗震要求的土建、额外油机供电资源，以及自适应卫星传输备份链路等，以提升蜂窝网络应对突发灾害的能力。超级基站如图3所示。
图3 超级基站
现阶段国内主流无人机应急通信方案
现阶段，需要部署灾前预防与灾后救援两方面措施，提升应急通信保障能力，构建覆盖范围广、环境适应强、应急通信恢复快速的应急通信保障系统。在灾害多发区域部署超级基站提升蜂窝网络抗灾能力，灾害发生导致电力、通信中断时，自动切换至利用备用发电机延长供电以及卫星备份链路维持通信。
此外，洪水、地震等自然灾害通常会造成道路中断，传统地面应急车难以快速到达灾区中心区域，可利用空天地相结合的应急方案，如采用空无人机、蜂窝设备、卫星链路组成无人机应急通信系统。目前，无人机应急通信方案主要包含两种，即系留式低空无人机应急通信方案和非系留高空无人机应急方案。
系留式低空无人机应急通信方案
系留式无人机应急高空基站主要包括携带蜂窝射频单元的多旋翼无人机、地面数据、卫星回传3部分，如图4所示。可通过空投或背负方式进入灾区，与卫星便携站配合使用，实现灾区交通中断情况下的快速部署。系留式无人机应急基站也可以与应急通信车配合使用，充分利用应急通信车的供电及传输资源。该方案利用无人机升空和长时间滞空能力，提供大范围应急覆盖，2020年在雄安外场实测覆盖半径可达6.5千米，远超普通应急通信车覆盖能力。该方案具有资金投入少、组织部署快、现场操作易等特点，理论上具有长时间滞空维持应急通信能力，为灾后“黄金救援时段”提供稳定的通信保障。
图4 系留无人机应急通信保障方案
非系留高空无人机应急通信方案
非系留式无人机通常采用大型固定翼长续航无人机，在机内集成蜂窝通信设备、卫星动中通天线等整套应急保障设备，如图5所示，通过远程遥控无人机飞抵受灾地区并在空中盘旋提供对地覆盖。
图5 大型固定翼无人机应急保障方案
据报道，2021年河南遭受水灾，通信部门利用固定翼无人机为灾区50平方千米范围内提供了5小时的蜂窝信号覆盖，为灾区人民搭建对外通信的桥梁。大型固定翼无人机具有高集成度、反应快捷、受地形影响小等特点，在地震、洪水、山体滑坡、泥石流等造成大面积道路损毁的场景下，具有明显的优势。
随着无人机应急通信技术的发展，下一代无人机将集成边缘云及自适应链路回传能力，在无人机或地面车载平台上部署边缘服务器，提供应急广播、智能导引功能，助力灾区救援指挥；根据环境特征和业务需求自适应选择最优回传方式，包括利用微波回传、Relay回传以及卫星回传等，提升应急网络性能和部署效率。
我国卫星通信技术发展现状
卫星通信技术依靠覆盖区域广阔、不过度依赖外部环境、可快速部署、操作性强等特点，在救灾过程中对救援指挥调度、应急通信保障、信息报送、数据采集等起到重要作用，是当今应急通信领域中必不可少的核心技术。
党的十九大做出建设网络强国、数字中国和智慧社会的战略部署，2020年卫星互联网正式纳入新型信息基础设施范畴，并成为其重要组成部分。国家在“十三五”期间全面布局空间民用基础设施的基础上，又在“十四五”开局阶段提出了加快布局卫星通信，构建覆盖全球、天地一体的信息网络，为陆海空天各类用户提供全球信息网络服务的发展规划。国家战略的系统谋划为卫星互联网的建设发展指出了明确方向。
国内三大运营商卫星互联网部署现状
在5G加速商用的同时，三大运营商也在积极推进卫星互联网的部署工作。
2020年1月，中国电信正式商用天通卫星通信服务，为应急管理、海上作业、航空通信等领域的用户提供优质安全的通信服务。当月，中国移动顺利完成卫星通信网第十二期工程招标，随着工程的有序推进，偏远地区4G基站接入、应急通信车辆通信保障等业务能力进一步增强。
2020年4月，中国联通所属联通航美公司发布了四大卫星系列产品，为政府企业用户展示了“天地海一体化”的应急通信服务能力。同年6月，中国联通在北京与华为签署了空天地一体化战略合作协议，双方将在低轨卫星与5G网络融合技术方面展开合作，共同构建基于空地联合的卫星车联组、物联网等应用的产业生态。
我国高轨高通量卫星建设现状
2017年，我国首颗高通量卫星——中星16号成功发射，单星通信总容量达到20G，下载速率最高达到150Mbit/s，回传速率最高达到12Mbit/s，与地面关口站系统、卫星宽带通信系统和业务运营支撑系统，形成了完全自主可控的星地一体化卫星宽带网络运营平台，标志着我国静止轨道高通量卫星互联网进入实质性应用阶段。2020年，我国首颗采用Ku/Ka体系的高轨高通量卫星——亚太6D成功发射，该星可以为中国全境及亚太地区用户提供高质量的话音、数据通信服务。
我国低轨星座项目建设现状
2021年4月底，中国卫星网络集团有限公司正式挂牌成立，主要承担我国卫星互联网的统筹发展，以及低轨互联网星座的规划、建设、运营等任务，这是我国卫星互联网产业在被纳入“新基建”范畴之后的重大举措。
此外，作为中国民营企业中第一个有实质性进展的卫星互联网计划，银河Galaxy卫星星座首颗卫星已于2020年1月16日发射入轨。该星座基于5G标准，由650颗低轨通信卫星组成覆盖全球的天地融合5G卫星通信网络，让用户能够高速灵活地接入5G网络。
另外，星网宇达、和德宇航、欧科微、国电高科等公司也公布了低轨卫星计划，其中国电高科已发射6颗卫星，欧科微也发射了1颗。
空天地一体化应急通信保障典型应用实例
河南郑州“7・20”特大暴雨灾害应急通信保障
2021年7月19日，河南省遭遇极端强降雨，省内多个城市发生严重内涝。其中，郑州市下辖巩义市米河镇因市电停电等原因造成通信全阻。受道路中断影响，到达米河镇的河南移动应急通信局、河南联通机动通信局两支国家应急通信一类保障队伍，以及河南电信应急抢修队伍暂无法进入现场开展应急抢修工作，当地通信短时难以恢复。
7月21日，面对米河镇“断路、断电、断网”的困境，应急管理部提出相关工作要求，工业和信息化部统筹通信业各方保障力量，迅速调派在贵州省的“翼龙-2H”无人机从安顺机场出发，历经4.5个小时、近1200千米飞行，跨越贵、渝、湘等多个省市，顺利悬停在河南省米河镇上空，利用自身空中应急通信平台搭载的移动公网基站，为当地约50平方千米范围内2572名翼龙注册用户，提供了5个小时不间断的稳定可靠手机通信服务。
7月22日13时36分，在工业和信息化部的统一指挥下，应前线应急管理部门救援需求，刚刚返回贵州基地不久的“翼龙-2H”无人机再度从安顺机场出发，赶赴郑州市中牟县阜外华中心血管病医院，为现场防汛救灾工作提供了强有力的应急通信保障。
在河南郑州“7・20”特大暴雨灾害应急通信保障任务中，“翼龙-2H”应急救灾型无人机依靠携带的移动通信基站和装配的卫星通信天线，通过卫星回传链路建立起与移动通信主站之间的连接，运用空中组网、高点中继等技术，发挥数字化、网络化、智能化优势，实现了数据、语音、图像的互联互通。同时，无人机还利用CCD航测相机、EO光电设备和SAR合成孔径雷达，图文监测严重受灾地区情况，并实时回传，为指挥中心开展应急救援工作提供有效支撑。
“8.8”九寨沟地震应急通信保障
2017年8月8日21时19分46秒，四川省北部阿坝州九寨沟县发生7.0级地震，震源深度20千米。地震发生后，工业和信息化部立即与四川省通信管理局和各基础电信企业集团公司、四川省公司、一线救援队伍建立视频连线，组织当地通信行业第一时间启动应急预案，开展应急通信保障工作。
应急通信保障期间，中国移动出动了1套无人机高空基站，于8月11日10时20分在九寨沟景区荷叶寨紧急升空，为方圆30多平方千米受灾区域持续提供移动通信信号。据统计，在本次保障中无人机搭载的基站共接入4G用户超500人，VoLTE呼叫接通率达98.79%，CSFB呼叫接通率达95.08%，提供数据业务总流量15000Mb以上，有效补充了常规应急通信保障信号覆盖效果，助力抢险救灾和公众通信应急保障。
空天地网络在应急通信应用前景展望
卫星通信具有覆盖范围广、受环境影响小、容灾能力强等特点，可作为地面网络补充，增强地面通信链路的可靠性及安全性，为灾害导致地面移动通信系统中断的应急救灾场景提供通信保障，使应急小区与远程指挥中心可以进行数据、语音和视频等通信交互，为应急抢险工作提供高效可靠的信息传输通道。
利用卫星通信实现应急救援，国内外已有应用，如国际海事卫星、国内的“天通一号”等，均支持手机形态的卫星终端，可提供包括话音业务在内的窄带数据业务。这类终端便携性较强，在地面蜂窝通信因发生自然灾害造成中断时可用于应急通信，但卫星通信用户规模较小，流量成本、终端成本偏高，难以面向公众用户推广。
2021年，3GPP R17开展蜂窝协议用于卫星通信场景的标准化研究，针对上行同步、时序关系、HARQ、波束管理等方面进行了协议优化，完成了卫星透明转发模式下的通信协议设计，计划于2022年冻结并发布标准化协议。
结合国内高低轨卫星的实际建设情况，未来5年卫星互联网仍然以高轨卫星为主，随着低轨星座的建设和后期发展，高低轨卫星互联网将与地面网充分融合，构成天地一体化信息网络。
随着未来高中低轨卫星协同组网，空天地一体技术将进一步深度融合，地面蜂窝产业赋能卫星通信，利用蜂窝通信产业规模效应，大幅降低卫星通信成本；成本可接受的卫星通信设备与服务在公众用户中推广，提供不间断卫星通信保障，彻底解决应急通信恢复速度慢、覆盖范围有限等问题。
面对自然灾害多发易发的现实状况，以及应急管理能力现代化新形势对应急通信提出的新要求，应急通信领域的发展应满足突发事件通信保障的客观需求，适应应急管理发展需要，强化极端情况下通信保障能力建设，推动极端条件下的应急通信装备研发。各地方政府和企业应推动全地形车、两栖车、大型固定翼无人机等在应急通信队伍中的装备，加强天通、北斗等自主终端在基层的配备，尤其是加大灾害频发地区的乡镇卫星电话等设备的预置数量，以便形成多位一体、协同合作的新格局。
空天地一体化技术拥有显著的大范围通信优势，可不受地面限制向空、天、地、海等多维空间扩展，已在近年的自然灾害应急通信保障中发挥了至关重要的作用。随着未来空天地技术深度融合，进一步突破技术壁垒、实现产业融通，构建跨地域、跨空域、跨海域的空天地海一体化网络，构筑卫星、无人机、地面应急车、4G/5G超级基站整体应急通信保障体系，将可全面满足应急通信领域发展需求，实现空天地资源优势互补，提升国家应急通信保障能力。
