天地一体化公安卫星通信网的构建与应用

张倩 尹军祖

（中国人民公安大学 北京市 100038）

公安机关作为政府和社会的一个特殊职能部门，维护社会公共秩序和社会稳定，当出现突发紧急事件后，要求公安机关及时出警，为了提高公安人员处理工作的高效性，通信必须分布在全市各个公安机构，通过公安卫星通信网络准确快速知道事态的发展，并且能在最短时间内实现搭建集数据、语音、图像传输为一体的现场指挥调度平台，防止事态往更严重的方向发展。优秀的公安卫星通信网需要具备数字化通信能力、多媒体通信能力、安全防护能力、快速组网和互联互通能力。将天地一体网络与公安卫星通信结合，可以为公安卫星通信网络提供技术支撑。

目前公安卫星通信网络一般使用的是高轨卫星，但高轨卫星通信具有终端体积大、可移动性差、设备易老化，加密措施少的缺点，并且在地形复杂的情况下，与偏远地区互联互通较为困难，存在一些安全隐患，为解决此环境下的信息传输问题，需要发展以低轨卫星为主的天地一体化下公安卫星通信网络。

1.1 现有公安卫星通信网分析

公安卫星通信网是公安部组建，公安部科技信息化局负责运行管理的网络，是采用卫星通信技术建设的实现音频、视频和数据双向信息传输的是公安专用卫星通信网络，由公安部卫星主站、各级公安机关固定地球站及移动站组成。现有的公安卫星通信网是通过地球同步静止通信卫星将事件现场的各类信息连接到各个地球站，将事故现场实时传输到指挥中心和实时远程图像监控指挥功能。

公安卫星通信网络一般采用FDMA和DAMA技术体制，工作频段为Ku波段；
公安卫星通信网的网管系统在多转发器上按需分配频率资源，同时对卫星通信链路、设备参数及运行状态进行实时监控和控制；
公安卫星通信网采用数据加密，不仅具备在业务信道下的语音、图像及数据的加密，而且具备在控制信道下的网管系统的加密，从而实现公安卫星通信网使用过程中的全流程加密。

近年来，我国已经跻身世界第二大经济体，国际政治经济交往越来越频繁，随着 “一带一路”国家战略的稳步推进，2022年3月中国与所罗门群岛等南太平洋国家签订了警务合作协议标志着国际间警务合作也正在向“一带一路”沿线国家和地区逐步推进，也需要保护境外中国公民的人身财产安全，打击境外恐怖分子各类犯罪活动，这些反映出公安业务对发展新一代卫星通信技术的迫切需求，而现有的公安通信网络使用的是静止轨道卫星，在一些偏远或者高纬度地区并不能实现全面覆盖，在全球覆盖方面也存在缺陷，其他也存在传输速率不够快，传输时延高等缺点，因此基于天地一体化信息网络的公安卫星通信网可以满足全覆盖、传输速率快，时延低等公安通信需求。

1.2 天地一体化信息网络的组成

天地一体化信息网络以低轨卫星星座作为宽带接入网络，在技术上进一步实现了更低时延、更低成本、更高带宽的卫星通信连接，在终端形态上也更能满足小型化、低功耗的需求，天地一体化是宽带互联网的设计理念，以地面网络作为基础[1]、天基网络作为延伸，天基网络利用高轨卫星作为天基骨干节点，构建低轨卫星星座，实现天基信息网、地面互联网和移动通信网之间的互联互通[2]。天基骨干网由6颗高轨卫星组成，通过KA频段可以为地面公安网提供宽带接入服务，实现遥感、中继、接入公安卫星通信网固定地球站以及移动地球站等一系列功能[3]；
天基接入网由120颗低轨卫星和无人机等空中飞行器组成，低轨卫星星座轨道构型为12×10，天基接入网采用星上透明转发模式，单波束最高速率为300Mbps，单星容量最高可达到5Gps，用户容量单波束最多可以支持60个用户，可以为地面提供移动通信、导航增强等业务服务，天基接入网与天基骨干网均可以满足实现中国境内和境外公安业务涉及地区如“一带一路”等地区的全覆盖；
临近空间网由高空平台组成，高空平台主要设置在应急救援等区域，使得目标区域内的通信、导航、遥感增强，各个高空平台间以及高空平台与地面卫星节点之间可以通过微波或激光链路实现相互间的信息交换，空间通信网络通过天基骨干网和地基骨干网双骨干方式覆盖中国境内和境外公安业务涉及地区，并且天基骨干网和天基接入网接入公安卫星通信网固定地球站和移动地球站[4]；
地基节点网由分布在地面的15个地基节点组成，通过地面光缆组网，同时预留与地面互联网、移动通信网互联的接口，接收天基网络的信号数据，具有一体化的安全防护和运维管控能力。

1.3 基于天地一体化信息网路的公安卫星通信网

基于天地一体化信息网络的公安卫星通信网，该网具有汇聚公安各类用户终端，建立统一的安全访问通道，满足高并发访问要求；
具备公安部、省、市间数据的高速安全交换和访问需求；
提供跨网的安全接入；
提升公安网络感知能力，为公安大数据业务提供差异化服务；
融合业务专网，强化公安敏感业务数据访问控制需求等显著优势。图1为天地一体化信息网络下的公安卫星通信网络的系统，由天基骨干网、天基接入网、地基节点网互联。天基骨干网一般连接公安部、省、市各级节点，提供各级节点的高速广域网络，综合承载语音、视频、数据等多种公安业务，满足大带宽、高质量的网络需求。天基接入网一般是将各类终端的数据传递至天基骨干网。

图1：天地一体化下的公安卫星通信网

地面网络主要由公安部门卫星主站、省级市级公安部卫星主站以及各个移动站组成，表1为各个卫星终端通信速率。

表1：地基节点与天基骨干网传输速率

1.3.1 公安部卫星主站

公安部卫星主站一般直接接入高轨卫星即天基骨干网，使用100w的6m长左右天线，通信速率一般在622Mbps左右，省市级地面站一般使用50w的4.5m长天线，通信速率在300Mbps左右，满足宽带接入服务，实现与公安卫星通信网内其他地球站视频、音频和数据的双向信息传输；
具备由公安卫星通信网网管系统关闭信号发射的功能；
支持加密通信等功能。

1.3.2 车载卫星终端

警用车载卫星终端一般较小，一般用于动中通卫星通信车和静中通卫星通信车，采用“吸顶式”设计，天线较短，一般为2.4m或者1m，通信速率相比于固定地球站较小，在运动状态下提供10Mbps-150Mbps带宽的通信能力，具备现场图像和声音的采集功能，实现与公安卫星通信网内其他地球站视频、音频和数据的双向信息传输；
具备由公安卫星通信网网管系统关闭信号发射的功能；
支持加密通信和在线单兵终端设备接入；
具备接入公安移动通信网的能力；
实时提供卫星天线的位置、俯仰、方位等数据。

1.3.3 便携式卫星终端

便携式小型卫星终端一般接入低轨卫星即天基接入网，口径较小，表2为小型卫星终端与天基接入网传输速率，采用星上透明转发模式，用于提供话音、短消息等信息传输，优势在于轻巧灵便，可将其带入偏僻地带。当警用巡逻车开至地面网络缺失的地带，可以利用手持便携卫星终端传输信息至低轨卫星，由星间链路将信息传输至高轨卫星，高轨卫星负责将信息传输公安部门接收方。

表2：小型卫星终端与天基接入网通信传输速率

便携式手持卫星终端频带分为L频段移动通信业务和Ka频段宽带业务，L频带移动通信业务提供话音、短消息等信息传输，实现现场警员间的语音通话和指挥中心的远程指挥，并且支持较长时间通话和超长待机，以应付事故现场较为复杂的环境。Ka频带宽带业务有效避免了公网和数字集群通信系统由于长时间高发而导致通信系统失效，重大活动现场，可以利用便携式卫星终端实现重大活动现场的图像回传和双向视频会议功能，实时具备语音通话和视频传输的应急通信的能力。

2.1 安全接入系统

天地一体化信息网络重点突出“网络一体、安全一体、管控一体”理念，在信息安全传输方面，天地一体化信息需要满足公安移动警务的安全性要求，提供安全可靠的认证、访问及隔离技术，满足新一代天地一体化公安卫星通信移动警务宽带业务使用的安全性需求；
提供专用的卫星终端，使用国产声码器并配置安全加密模块，满足未来公安卫星通信的移动警务卫星终端能安全访问警务信息和端到端的语音、图像、数据的保密安全。

图2为公安卫星通信安全接入系统的总体架构，安全接入终端是经过安全加固的由公安定制的安全终端，安全性直接关系到数据传输的安全,乃至公安专网应用系统的安全；
安全通信通道为各种移动终端提供安全的无线通信网络,防止人为恶意窃听、篡改和破坏信息内容；
安全接入平台包括安全接入网关、身份认证系统、虚拟化服务器等。实现移动通信设备安全接入，将移动终端的各种业务请求传递到公安专网的业务访问层,访问专网的应用系统，提供身份验证、安全审计等网络安全服务，确保公安专网应用的安全; 业务访问层依托各类公安专网的应用系统,共同完成各种移动终端业务请求的处理[5]。

图2：安全接入系统总体架构

2.2 安全保障措施

在信息传输过程中，必须保证信息的安全性、保证数据机密性，保护公安部门传输信息在合法条件下才能读取，信息在传输出去时具有复杂加密属性，保证保护信息只可在合法条件和授权情况下才能读取，确保非法用户无法窃取到有效信息；
保证数据的完整性，保护信息在未得到授权的情况下进行修改和破坏，检测信息收到未授权的非法人员修改或者删除信息的安全威胁；
确保身份认证，为防止第三方利用任何假冒信息认证通信双方的任何一方身份，需要保证通信双方身份的可信性，双方在建立通信前先鉴权确认身份，确保通信双方的安全性；
防重防攻击，防止受到信息重放的威胁，有效的防重放攻击方法是在传输的信息中加入消息发送流水号或时间戳等具有时效性的安全机制。

天地一体化下公安信息网络的安全保障措施可以利用自建地基节点进行安全保障。自建地基节点可以避开受制于服务方的现象，使得数据控制在公安手中，与公安信息网进行对接时，可以直接利用天地一体化信息网的空中网络部分，发挥其枢纽功能，将现有地面站和便携站组成安全自主可控的信息交互系统。

3.1 在禁毒方面的应用

犯罪分子会选择在隐蔽性强的偏远山区非法种植罂粟类植物，公安机关很难精确侦查到地点，可以利用无人机飞入上空，卫星遥感监测，实现立体化的空中获取地面的情报获取，无人机通过装载卫星通信设备与卫星相连，建立高速数据连接的卫星通信指挥系统，实时发现并传递种植毒品、贩毒的消息，利用卫星遥感监测技术进行后期全覆盖检查，可以有效的遏制种植毒品空间，及时查处种植毒品的行为。

3.2 在侦查方面的应用

在侦查重大案件时，需要严格保密，并且公安网与互联网之间是严格隔离的，带来了诸多不便，而卫星信号具有分布广，传输快等优势，利用卫星组网的应急通信功能，传输相关文件、传输相关数据以及发布指令等行动，天地一体公化信息网络可以给未来的移动警务应用平台，使得公安机关可以安全访问信息和数据上的严格保密，防止信息数据被恶意窃听或者篡改。

3.3 在森林防火的应用

由于森林位置普遍在偏远地区，通讯设备不全，一旦发生火灾，消防和公安可能不能迅速出动，会导致森林火灾的救援不够及时，失去最佳救火时机，造成无法挽回的结果，利用人工智能实时拍摄现场状况，发现火灾后及时报警，并且利用卫星通信技术，将现场发生的信息以及照片发送给公安部门，公安部门可以根据远程视频监控，组织消防和公安人员携带便携式卫星终端前往现场，进行视频监控、遥感、定位导航等信息的传输。

3.4 在应急通信的应用

图3为基于天地一体化的公安应急通信系统，在组网方面构建了集低轨卫星、无人机、高轨卫星、地面异构融合通信系统于一体的空、天、地协同公安卫星通信网络；
在弱覆盖、低穿透等通信中断区域，通过车载、背负、机载卫星终端实现增强覆盖，以无人机中继保证自组网连通性，实现信息实时回传。

图3：基于天地一体化的公安应急通信系统

事故发生时，应急通信车达到事故现场附近，利用卫星、集群、无线等组成应急通信指挥网络，其中后方指挥中心和前方指挥车之间通过卫星链路建立指挥系统，其不同类型卫星终端可对接高轨卫星或低轨卫星；
事故现场可由无人机搭载基站组建现场通信网络。应急处置人员可通过PDT接受指令，单兵智能终端进行数据、视频等宽带信号的传输。天地一体化下的公安应急通信系统相比于传统的公安应急通信系统能更好地实现各平台间的数据和信息共享，提高通信的容量和时效性，增强通信网络的可靠性和抗衰断性。

3.5 在海外警务合作的应用

随着国际警务工作合作的开展，境外打击手段应不断加强，确保通信网络畅通是公安对重大事件反应能力的标志，体现了公安在高科技领域的综合实力，中国警员协助处理国外旅行中国公民和华人安全相关问题，设立专门面向华人的报警热线，并走访当地华人华侨聚集区和中资企业，了解有关安全情况及需求，有效保护了中国在境外游客和华侨的安全。

随着国内卫星通信的飞速发展，天地一体化信息网络是目前卫星通信发展的一个发展机遇，抓住发展机遇对公安卫星通信的发展至关重，可以极大地提升公安信息化应用水平，为保障国家安全发挥重要作用。公安行业可以以目前传统的公安卫星通信为基础，融合天地一体化信息网络，推动我国卫星产业实现高质量发展。天地一体信息下的公安通信的应用前景十分广泛，所以目前的首要任务是要探索更多情形下的天地一体化公安卫星通信的应用模式，推动中国卫星产业快速发展，为突发公共事件提供更加有力的技术支持。

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