[doc格式] 航空航天技術(shù)和一體化遠程通信網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)難監(jiān)控和緩解中的應(yīng)用

1、航空航天技術(shù)和一體化遠程通信網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)難監(jiān)控和緩解中的應(yīng)用2008年第6期電子工程信息33航空航天技術(shù)和一體化遠程通信網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)難監(jiān)控和緩解中的應(yīng)用吳琨譯(南京電子技術(shù)研究所)摘要空間技術(shù)和新型一體化遠程通信網(wǎng)絡(luò)如何緩解自然災(zāi)害和人為災(zāi)難的影響.本文的目標(biāo)是設(shè)計一種前景誘人的新型遠程通信體系結(jié)構(gòu),以此更好地管理災(zāi)難事件.本文還將對提出的應(yīng)急和恢復(fù)用空基遠程通信體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和弱點作一概述,分別闡述災(zāi)害中對最優(yōu)信息提供和空間服務(wù)訪問的需求.引言近年來,自然災(zāi)害和人為災(zāi)難正不斷地影響著越來越多的人,造成了巨大的社會和經(jīng)濟損失(圖1)1.這種上升趨勢的主因在于世界人口越來越圖1全世界自然和人為災(zāi)難造成的

2、損失總合(1900-2004)2004年美元價格.數(shù)據(jù)來源1脆弱,這可歸因于若干因素,包括人口壓力,資源基礎(chǔ)下滑和環(huán)境惡化.一般來說,通過減少各種脆弱性因素可以限制災(zāi)難事件的發(fā)生.但是,降低災(zāi)害影響的有效策略一定需要考慮大范圍應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù).特別是,空間技術(shù)的應(yīng)用在災(zāi)難事件的所有階段都扮演著重要的基礎(chǔ)角色.事實上,為緩解因災(zāi)害造成的人口和經(jīng)濟損失,地球觀測衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星是信息收集必不可少的工具.另外,對于應(yīng)急響應(yīng)和恢復(fù)中發(fā)生的大部分通信和數(shù)據(jù)交換,衛(wèi)星通信系統(tǒng)還僅僅是其它可用陸基系統(tǒng)的一個補充.而且,對于公共應(yīng)急服務(wù)和國家政府,災(zāi)害事件仍是最危急最嚴酷的挑戰(zhàn).題為”用于災(zāi)害和其它應(yīng)急情況的通信

3、系統(tǒng)”的章節(jié)闡明了受災(zāi)時需要有效的通信系統(tǒng),同時概述了由歐洲和美國空間局提議并贊助的一些研究項目.題為”未來趨勢和遠程通信體系結(jié)構(gòu)”的章節(jié)提出了新穎的用于應(yīng)急和恢復(fù)階段的基于空間的遠程通信體系結(jié)構(gòu),并概括介紹了其優(yōu)點和弱點.接下來的章節(jié)對實現(xiàn)提出的監(jiān)控和恢復(fù)方案進行了成本效用分析.最后給出結(jié)論.用于災(zāi)害和其它應(yīng)急情況的通信系統(tǒng)災(zāi)害中,遠程通信基礎(chǔ)設(shè)施的故障原因不同2.過去l5年以來對大規(guī)模城鎮(zhèn)災(zāi)害中通信故障的調(diào)查研究揭示了以下三類主要原因:?網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組件的物理毀壞,?網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支撐中斷,和?網(wǎng)絡(luò)擁堵.在應(yīng)急或危機時刻提供寬帶通信能力總是必要電子工程信息2008年第6期的,但卻很困難.通常,

4、在災(zāi)區(qū)交換的大量數(shù)據(jù)重要且緊急(后勤信息,醫(yī)療數(shù)據(jù),等等),而地面通信網(wǎng)絡(luò)卻不是完全可用:要么已被毀壞要么已經(jīng)飽和,有時在偏遠地區(qū)甚至不存在這樣的網(wǎng)絡(luò).人們十分重視災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的可用性,快速部署能力和可靠性,因為人們的生命和財產(chǎn)通常已受到威脅.在危急時刻的各項事務(wù)中,衛(wèi)星扮演著至關(guān)重要的角色,例如災(zāi)害和應(yīng)急消息的收集和分發(fā),發(fā)出警報,為政府工作和商業(yè)活動的持續(xù)提供備用通信,遠程傳感器的數(shù)據(jù)傳輸.然而,用衛(wèi)星恢復(fù)災(zāi)區(qū)通信來進行援救協(xié)調(diào)和人口支援還是近期才考慮的方案.在重大自然災(zāi)害和人為災(zāi)難中,地面移動網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)絡(luò)在面臨災(zāi)害時的脆弱性已經(jīng)暴露.現(xiàn)代社會更加依賴于強大而有效的通信手段.通信設(shè)施

5、中包括特定的通信鏈路,用來在一般空間系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)獲取衛(wèi)星和地面站之間進行信息傳遞,以及對于自然災(zāi)害評估至關(guān)重要的數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的信息傳遞.衛(wèi)星信息有助于辨識出受到災(zāi)害威脅的區(qū)域,這使得我們可以提前采取行動以減少災(zāi)害可能造成的傷害.幾個研究項目由各空間局(即ESA,NASA)支持的特定計劃和研究項目的目標(biāo)是將空間技術(shù)的使用融進全球災(zāi)害管理計劃之中.通過將空間技術(shù)現(xiàn)有用戶與那些發(fā)展中國家負責(zé)災(zāi)害管理和空間技術(shù)的人聚到一起,可以實現(xiàn)此目標(biāo).相關(guān)活動包括人員訓(xùn)練項目和飛行員項目,可以培訓(xùn)災(zāi)害管理人員和決策人員,使之了解空間技術(shù)的好處.總的說來,空間技術(shù)在應(yīng)急管理中的潛在應(yīng)用被人們所認識已經(jīng)有很長時間了

6、.國家和國際上的計劃也有很多.歐洲的項目:衛(wèi)星通信應(yīng)急管理(EMERGSAT)3和衛(wèi)星實時應(yīng)急管理(REMSAT)3是兩個使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行應(yīng)急預(yù)測和管理的好例子.EMERGSAT中的工作將為民生保護機構(gòu)近實時地提供現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)的遙感圖像,用于風(fēng)險管理.該項目包括樣機開發(fā),技術(shù)驗證和一種基于衛(wèi)星的通信系統(tǒng)的有效性驗證,此衛(wèi)星系統(tǒng)用于應(yīng)急管理并涉及到地球觀測技術(shù)的運用.該項目應(yīng)使此衛(wèi)星通信平臺成為一個成本有效的模塊化系統(tǒng),用來在不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和不同的服務(wù)水平需求中近實時地分發(fā)數(shù)據(jù).REMSAT工作的目標(biāo)是,通過涉及最終用戶并最大程度運用現(xiàn)有技術(shù)的飛行員演示,對應(yīng)急中的實時衛(wèi)星通信,定位,地

7、球觀測和氣象服務(wù)的運用進行驗證.REMSAT系統(tǒng)為外場工作人員提供及時信息,輔助決策.它集成了衛(wèi)星技術(shù)最近的一些進展,提高了提供即時的,空間精確的數(shù)字和硬拷貝測繪結(jié)果的能力,這些測繪結(jié)果被用于簡要匯報,向外場人員分發(fā)和支援計劃制定.這包括飛機,設(shè)備和人員所有這些資源的實時位置和狀態(tài)信息的發(fā)送.另外,該系統(tǒng)可以提供地球靜止軌道(GEO)和低地軌道(LEO)通信服務(wù),數(shù)字測繪圖像,地球觀測(EO)產(chǎn)品和服務(wù).未來趨勢和遠程通信的體系結(jié)構(gòu)移動通信有助于協(xié)調(diào)災(zāi)區(qū)的援救工作,架起災(zāi)區(qū)和世界的橋梁,提供新聞,后勤和醫(yī)療支援.無線方案可以解決”最后一里”的問題,也就是,直接將服務(wù)交付用戶手中,提供高帶寬服務(wù)

8、而不依賴固定的基礎(chǔ)設(shè)施.無線通信問題的一個潛在方案在于航空平臺,這種平臺可以承載通信中繼載荷并在高達22公里的準(zhǔn)靜止位置工作.而且,因高空平臺(HAP)的移動導(dǎo)致的殘留定向誤差被認為可以通過適當(dāng)?shù)恼竟潭C制進行補償4.這種平臺可以是飛機或飛艇,可以有人駕駛或自主控制無人駕駛或地面遙控.人們主要的興趣在于平流層工作的飛行器,典型高度為l7至22公里.這被稱為高空平臺(HAP)5,6j.HAP可在災(zāi)害事件(如地震,洪水)中快速部署,作為現(xiàn)有服務(wù)的補充,或在核心網(wǎng)絡(luò)故障后,用作災(zāi)后恢復(fù).特別是,這些平臺可以以不同方式有效地集成或替代陸地和衛(wèi)星系統(tǒng):例如,這些平臺可以被快速部署以即時覆蓋受災(zāi)區(qū)域,或者

9、用新的有效載荷擴展,升級并移動這些平臺,以此降低傳統(tǒng)衛(wèi)星具有的典型的過時風(fēng)險7.系統(tǒng)的靈活性不僅在于有效載荷可以重新配置,還在于可以改變平臺需求并按需配置系統(tǒng).目前,在全世界的一些項目中,HAP正處于活躍的開發(fā)之中,近期這些研究活動的涌現(xiàn)既反映了對無線服務(wù)的需求也反映了平臺技術(shù)的進展,如材料,太陽能電池以及能量存儲.HAP通信的優(yōu)點HAP通信具有一些潛在優(yōu)勢,概述如下:2008年第6期電子工程信息35?大范圍覆蓋(與陸地系統(tǒng)相比).HAP部署的幾何形式意味著HAP遠程鏈路比起陸地鏈路,在距離相同的情況下,經(jīng)歷的雨水衰減相對較小,原因是其經(jīng)過大氣的斜徑較短.使用較短的毫米波波段,這可以在大蜂窩范

10、圍內(nèi)節(jié)省很大的鏈路預(yù)算.?對通信需求的靈活響應(yīng).對于提供中心化可調(diào)整資源分配,HAP是十分理想的.這種資源分配是指靈活的應(yīng)答式頻率重用方式和蜂窩尺寸,它們不受基站物理位置的限制.比起目前的固定式陸地方案或衛(wèi)星系統(tǒng),這種近乎實時的調(diào)整應(yīng)能大大提高系統(tǒng)的整體性能.?低成本.比起地球同步衛(wèi)星或LEO衛(wèi)星群,一個小型HAP集群應(yīng)具有低得多的實現(xiàn)和發(fā)射成本.一個HAP網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)比擁有大量基站的陸地網(wǎng)絡(luò)具有更低的部署成本.?漸增部署.服務(wù)最初可能僅有單一平臺,隨著覆蓋需求和/或性能需求的增加網(wǎng)絡(luò)逐漸擴大.這與LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相反,它需要大量衛(wèi)星來獲得連續(xù)覆蓋;陸地網(wǎng)絡(luò)也可能需要在具備一定數(shù)量的基站之后才可被認

11、為具有了全面功能.?快速部署.若有合適平臺可用,應(yīng)有可能相對較快地設(shè)計,實現(xiàn)和部署一個新的基于HAP的服務(wù).另一方面,衛(wèi)星從最初采購經(jīng)過發(fā)射到在站工作通常需要幾年時間,其有效載荷在發(fā)射時通常已經(jīng)過時.同樣,陸地網(wǎng)絡(luò)的部署可能涉及耗時的計劃制定過程和土建工作.這樣,HAP可以使那些急于在競爭開始以前就投人工作的供應(yīng)商快速地公開其服務(wù)產(chǎn)品.?平臺和有效載荷的升級.HAP可能在站工作很長時間,其支持者聲稱可以長達五年或更久.但因有效載荷的維護和升級,這一時間可以縮短,這是優(yōu)點,系統(tǒng)可以不斷更新,適應(yīng)未來發(fā)展.?環(huán)保.HAP以太陽光作為其能量供應(yīng),無需載油運載工具.HAP是環(huán)保可重用飛行器,它還有另一

12、個潛在優(yōu)勢不需要大量的地上塔,桿和相關(guān)設(shè)施.表l概括性地比較了寬帶服務(wù)的陸地,HAP和衛(wèi)星傳輸.HAP因其高度較低,具有比衛(wèi)星更好的鏈接預(yù)算;但是HAP的覆蓋范圍被限制在直徑200km級以內(nèi);因而它被認為主要提供區(qū)域服務(wù).因此,必須清楚地理解陸地,空間,平流層三者協(xié)同的潛在優(yōu)勢.表1陸地一HAP一衛(wèi)星系統(tǒng)的比較針對上述所有考慮,為了闡明應(yīng)急情況下一體化基礎(chǔ)設(shè)施的作用,我們設(shè)計了以下三種部署方案.用于科學(xué)數(shù)據(jù)檢索和分發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)第一種方案定義了應(yīng)急情況下能夠提供寬帶服務(wù)的通信系統(tǒng).災(zāi)害地區(qū)交換的數(shù)據(jù)通常數(shù)量很大且十分重要,緊急(后勤保障,醫(yī)療,環(huán)境,地理位置數(shù)據(jù)).在這些地區(qū),通信網(wǎng)絡(luò)可能因損毀

13、和擁堵而不可用,也可能完全沒有(鄉(xiāng)村地區(qū)).對于應(yīng)急情況下的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,立即可用,快速部署和可靠性是幾個關(guān)鍵因素.例如,移動專用網(wǎng)絡(luò)(MANET)可在災(zāi)害地區(qū)快速實現(xiàn).救援隊可以配備緊湊,便攜,易用的終端設(shè)備.MANET可以以對等網(wǎng)絡(luò)方式互連所有的操作人員.現(xiàn)在問題在于:操作人員如何與世界其它地區(qū)互連.操作員終端對電源,尺寸和重量有嚴格要求,因此直接與衛(wèi)星系統(tǒng)相連不是很容易做到.典型的HAP覆蓋區(qū)域被限制在200km級半徑范圍內(nèi),考慮最小仰角為l5.8時,最大高度約為22km并且HAP部署同MANET一樣快.因此,對于為低功率終端快速提供區(qū)域服務(wù),HAP是最佳選擇.在與世界各地越來越快速相通

14、的危急地區(qū),一體化的衛(wèi)星一HAP.MANET基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(見圖2)應(yīng)能提供寬帶服務(wù)(Intemet,email,視頻通信,遠程醫(yī)療).可以使用HAP一衛(wèi)星段作為一個不可見隧道將操作員的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至公共Intemet.應(yīng)急情況下移動通信的恢復(fù)危機使人們產(chǎn)生強烈的通信需求,這些通信用以協(xié)調(diào)各種危機反應(yīng),傳遞受影響的團體和個人的36電子工程信息2008年第6期圖2MANET-HAP.HAP?衛(wèi)星和衛(wèi)星-lnternet通信新聞和信息,并應(yīng)對危機中的恐慌.從歷史上看,重大災(zāi)難事件是產(chǎn)生遠程通信的主因,由此洶涌而來的通信需求可以阻塞即使管理最好的網(wǎng)絡(luò).另外,出于經(jīng)濟原因,大多數(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的工程設(shè)計中,最大負

15、載水平遠遠低于災(zāi)難事件中的需求.HAP可以提供寬范圍服務(wù),這些服務(wù),在現(xiàn)有地面基礎(chǔ)設(shè)施缺失或故障時,可能特別有用.特殊設(shè)計的載有通信載荷(見圖3)的HAP可以在受災(zāi)發(fā)生后快速起飛并在災(zāi)難區(qū)域上空高空盤旋.其通信載荷配有一個無線電收發(fā)基站(BTS)(3G,GSM)和一個衛(wèi)星終端.BTS天線將指向災(zāi)難區(qū)域并收發(fā)移動電話信號.HAP上的這些”機載BTS”及其相應(yīng)系統(tǒng)對災(zāi)難緩解將有重大益處,因為它們可以在第一時間快速恢復(fù)中斷的通信.應(yīng)急情況下用于移動通信短期恢復(fù)的HAP還可提供其它服務(wù),例如,災(zāi)區(qū)的Tv/FM廣播服務(wù),可以向人們發(fā)出警報并提供早期安全信息,災(zāi)區(qū)的遙感服務(wù),可以為援救組織提供數(shù)據(jù)和圖像(

16、光學(xué),紅外或RF圖像,氣象數(shù)據(jù)).這些服務(wù)在應(yīng)急情況下十分有用.鋤.,-圖3無線3G-HAP衛(wèi)星,衛(wèi)星-Internet通信用于災(zāi)區(qū)監(jiān)控的一體化衛(wèi)星多媒體系統(tǒng)高危險地帶或災(zāi)害破壞地區(qū)需要深度監(jiān)視.最近使用的Ka波段帶寬較寬,允許使用小孔徑天線,用來建造專門用于IP數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)檢索和廣播的衛(wèi)星系統(tǒng),十分有競爭力.地球觀測衛(wèi)星主要位于低地球軌道(LEO),通常距離地球表面小于1000km,地球觀測衛(wèi)星具有下載海量數(shù)據(jù)的特點,數(shù)據(jù)由衛(wèi)星上的儀器生成,白天存儲在衛(wèi)星上.地球觀測衛(wèi)星的發(fā)展趨向于百/千Mb/s數(shù)據(jù)生成能力的新型傳感器.最近十年,為提高衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸能力進行了大量工作.目前,有兩種數(shù)據(jù)下載方

17、式:?數(shù)據(jù)直接下載至地面(主要在x波段);?通過GEO數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā).當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力的限制主要是因為LEO衛(wèi)星與按上述第一種方式收集數(shù)據(jù)的地面站之間的可見期時間短,或受限于第二種方式的GEO數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的傳輸能力.例如,GEO衛(wèi)星ARTEMIS允許的Ka波段通信最高僅為100Mb/s.用于數(shù)據(jù)中繼通信的一體化HAP一衛(wèi)星方案由兩種不同鏈路組成,LEO和HAP之間的光學(xué)鏈路,和HAP和地面站之間的x波段或V波段鏈路.HAP和地面之間的數(shù)據(jù)中繼可以通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)完成.這一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)比起傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)延時基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有多方面優(yōu)勢,特別是:?地球觀測衛(wèi)星和HAP之間的可見期比LEO衛(wèi)星長.

18、配備有光學(xué)載荷的單個HAP可以每天從單個LEO衛(wèi)星接收幾個TB的數(shù)據(jù).光學(xué)獲取和跟蹤的問題并不困難9.?LEO和HAP之間的距離比LEO和GEO之間的距離短,并且鏈路所需功率也較低,因此降低了傳統(tǒng)RF載荷的功率需求.?HAP載荷沒有太空環(huán)境要求,因此,可以使用大型固態(tài)存儲器(如:幾百TB).?數(shù)據(jù)再生之后,HAP可以將數(shù)據(jù)再發(fā)送至地面站,沒有LEO衛(wèi)星的可見周期之類的典型問題.數(shù)據(jù)下載可以通過使用高方向性,高增益x波段或V波段天線以高數(shù)據(jù)率(幾百Mb/s)實現(xiàn).?一個HAP可以通過多個光學(xué)載荷或在不同時段為多個LEO衛(wèi)星提供服務(wù).衛(wèi)星和地面?zhèn)鞲衅饕约肮睮ntemet之間通過HAP實現(xiàn)通信,這

19、可使情況得以改善(見圖4).如果時間要求高,通過使用衛(wèi)星一HAP傳感器網(wǎng)絡(luò)(SHSN)一體化系統(tǒng)可以實現(xiàn)此目標(biāo).傳感器網(wǎng)絡(luò)有功率限制,因此直接從傳感器到衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸蓮電子工程信息圖4使用HAP-衛(wèi)星連接的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)檢索是幾乎不可能的事.HAP或有良好裝備的大貨車可以作為通信收集設(shè)備從傳感器向衛(wèi)星傳遞數(shù)據(jù),并且易于在災(zāi)區(qū)部署.這些系統(tǒng)可以到達邊遠站區(qū)并為技術(shù),醫(yī)療和科學(xué)數(shù)據(jù)的交換提供帶寬.所有的末端設(shè)備都將與一個連接Internet的網(wǎng)關(guān)站點交換數(shù)據(jù).按照客戶機/N務(wù)器機制,從世界各處都可訪問每個邊遠地區(qū)的終端設(shè)備,感謝Internet.成本有效的災(zāi)難監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)監(jiān)控方案的實現(xiàn)成本主要取決

20、于空間段成本,比用于災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)信息發(fā)送和分享的地面?zhèn)鞲衅骱吞厥饩W(wǎng)絡(luò)的成本高.因為系統(tǒng)的整體成本取決于網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星和HAP的數(shù)量,本章將給出一些關(guān)于這些網(wǎng)絡(luò)單元的成本的有用的想法和細節(jié).已經(jīng)證明,使用傳統(tǒng)衛(wèi)星(每個>$100M)來實現(xiàn)專用于災(zāi)難預(yù)報,探測,監(jiān)控和緩解的地球觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的成本過高,因為整個網(wǎng)絡(luò)要花費近$1OOOM來建造和發(fā)射LEO衛(wèi)星.但是,近來微電子學(xué)的進展產(chǎn)生了一類高度復(fù)雜的,計算能力強大的,響應(yīng)迅速的新型現(xiàn)代微型衛(wèi)星(和袖珍衛(wèi)星),使得單個衛(wèi)星的成本降低了一個數(shù)量級還多(見表2).現(xiàn)在,這些”更快,更經(jīng)濟,更好”的微型衛(wèi)星使得災(zāi)難通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)既可行又不昂貴.并且,通過結(jié)合各種小型衛(wèi)星載荷和低成本應(yīng)答式運載工具(如Microcosm的Sprite10),可以提供改進的天氣預(yù)報,實時監(jiān)控災(zāi)區(qū)以及近乎即時地恢復(fù)災(zāi)難緩解所需的通信服務(wù).表2衛(wèi)星分類這些現(xiàn)代的微型:埋和袖珍衛(wèi)星的設(shè)計和建造思想同傳統(tǒng)衛(wèi)星不同,并且提供:?低成本?快速響應(yīng)?定制的任務(wù)和傳感器?高度的操作靈活性(可重新編程)?操作成本低(高度自動化)?直接訪問(低成本終端和Internet)?在軌運行時間長(>10年)這些衛(wèi)星典型的制造時間長度為91