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警用安全卫星终端技术

2019/9/20 9:21:00   中国安防行业网     关键字:警用 安全 卫星 终端技术  浏览量:

摘要:随着国产天通卫星的应用发展,天通卫星终端将逐步应用于各行各业。其中,在公安行业的反恐、应急、安保等各种特殊任务中,天通卫星终端的应用将发挥重要作用。本文简要介绍了卫星终端的常见设备形态,终端的基本架构,以及与PDT系统互通的基本方案和安全加密策略。
  引言
  随着我国政治、军事、经济和社会的发展,拥有自主可控的卫星移动通信系统成为保障我国信息安全和经济安全、保护国家政治经济及军事利益、提高国家应急通信和军事外交等特殊领域通信保障水平、增强救灾减灾和维稳反恐能力的当努之急。卫星移动通信业务的显著特点在于可提供不受地理环境、气候条件限制的通信服务,适用于地面通信网络覆盖不完善、通信质量无法保证、甚至无法提供服务的海洋、山区、灾区、航空和偏远地区,是地面蜂窝系统和地面固定网覆盖的补充和延伸;卫星移动通信系统是国家的战略性通信资源,应成为国家社会发展中发挥不可替代作用的重要通信保障手段。
  随着卫星移动通信业努应用范围的不断扩大,安全加密技术在卫星移动通信中的重要性日益明显。在重大活动保障、反恐处突、维稳安保等实际应用场景中,如何确保通信内容安全不被窃听、截取、假冒、重放成为了重中之重。
  基于这样的需求,我们在国产天通一号卫星通信系统的基础上,结合警用安全加密技术,研制了警用安全卫星终端,实现在卫星移动通信系统下各种警务应用,包括语音、短信、数据的保密传输,利用警用NVOC声码器实现卫星通信与PDT集群通信两种不同通信体制间端到端加密语音通信,解决在边远地区、山区、沙漠、海岛、戈壁、大草原等地区通信无法得到保证的问题,实现按需接入、快速部署,有效解决处置反恐处突、维稳安保、抢险救灾等任务的警务人员的通信保障问题,保障信息传输安全,进一步推动各种公安无线通信技术和装备的融合应用。
  1设备形态
  1.1背夹终端
  该形态的设备可以工作在卫星移动通信状态下,也可以工作在地面移动全网通状态下。卫星移动通信主要功能包括天通语音通信、天通短信、定位等,支持SOS一键求救、加密等增值功能。与背夹终端配合的全网通终端目前主要是华为MATE9和MATE10,如图1所示。
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图1背夹终端
    1.2功能机

    该形态的设备主要功能包括天通语音通信、天通短信、定位等,支持SOS一键求救。该终端采用全键盘操作,防护等级高,环境适应能力强,整机功耗较低,续航能力较长,如图2所示。
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图2功能机
    1.3壁挂终端

    该形态的设备主要功能包括天通语音通信、天通短信、天通数据传输、定位等,支持SOS一键求救。该终端采用全键盘操作,外观形态类似固定电话,能够固定在墙体等垂直平面上,具备外部电源接口,能够提供长时间通信服务,适合安置于室内或办公场所使用,如图3所示。
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图3壁挂终端
    2设备架构

    警用安全卫星终端的研发基于现有的卫星移动通信手持机终端。通过改造卫星移动通信手持机终端中的声码器、平台驱动、协议栈通信流程和对外接口等模块,研发满足警用安全需求的卫星终端。警用安全卫星终端硬件主要由天线、射频、晶振、保密卡、传感器、射频收发器、应用处理器芯片、音频处理、电源管理、存储器等组成,终端软件采用分层结构,在架构上分为四层,包括界面展现层、应用业务层、系统服务层和通信协议层。
    1)应用处理器芯片

    应用处理器芯片基于软件无线电架构,主要实现多模通信协议栈平台应用软件的运行和通道控制的相关功能,以及与应用处理器进行数据通信、USIM卡的信息读取和管理,通过相关功能的运行处理实现多模数据通信,如图4所示。
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图4处理器结构
    2)外围模块

    外围模块主要包括显示屏、摄像头、內存和存储、USB接口等子模块。摄像头:摄像头像素大于500万,支持拍照和视频拍摄。內存和存储采用eMMC+ LPDDR3的组合。USB接口支持设备的即插即用和热插拔技术。
    3)射频单元模块

    射频单元主要有射频前端、射频收发器芯片、滤波器和晶振组成。射频前端模块和射频收发器芯片采用本课题支撑的模块和芯片。为了提高终端集成度、减少芯片尺寸,多模式滤波器集成到一个芯片内,如图5所示。
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图5射频单元
    4)电源模块

    电源模块主要功能是提供系统需要的稳定电流电压;主要分为SDR芯片单元和外接通信模块两个部分的电源管理单元,由电池提供的3.7V电源经PMU降压处理后输出1.1V、3.3V、2.5V等多种电源供电给各模块。电源模块还负责对锂电池实行精确的充放电控制,支持充电器充电和USB充电,如图6所示。
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图6电源模块
    5)天线模块

    四臂螺旋天线是目前卫星手机天线的主要形式,不仅可以满足相关规范中所要求的增益、极化、波束宽度等技术指标要求,并且可实现产业化生产。天线主要由TPU外罩、ABS内芯、附带螺旋体的柔性介质板、馈电网络介质板组成,总重量30g
    6)软件分层结构

    终端软件设计将界面、应用业务处理、操作系统和底层通信进行分离,保证了系统中各软件之间的独立性、也使得系统具有更好的扩展性和可维护性,同时使得界面的开发者不需要考虑协议的细节,只需要关心界面的设计与实现,注重用户体验,应用业务层只需要负责应用功能逻辑的设计与实现,应用支撑平台的实现,完成多业务种的融合与协同操作系统层只需要关注系统软硬件资源的管理及底层驱动的设计,完成操作系统与底层通信的适配问题,实现终端的多模式管控;多模式通信协议层只需要关注通信手段及通信协议的设计与实现。
    3 PDT互通关键技术实现

    根据公安工作实际使用通信设备情况,在国产卫星终端平台上,移植NVOC声码器,同时保留卫星电话原有声码器的双声码器方案,便于警用卫星电话实现与PDT等系统的语音互通。如果简单使用原有卫星电话声码器,在系统转换的过程中,语音会出现损失,造成话音质量下降等问题。同时,也无法实现卫星电话与PDT等系统端到端加密通话。
    警用卫星终端选择与警用卫星终端和PDT终端通话时,拨符合PDT編号规则的号码,终端号码表将拨岀的PDT号码与号码表中的卫星电话号码表对应后,进入呼叫过程。此时,终端选择NVOC声码器进行通话。警用卫星电话呼叫PDT终端时,可以通过PDT卫星接入设备或网关与PD终端互通。
    当前,卫星通信系统和终端设备的基本技术参数如下:
    (1)系统支持业务:
    (1)话音: 1.2/2.4/4.0kbps;
    (2)数据业务:1.2kbps-384kbps分档可变;
    (3)视频回传:64-384kbps分档可变;
    (4)短消息:长度小于140字节;
    (5)支持短报文数据广播业务。
    (2)手持终端支持的业务:
    (1)话音业务速率:1.2/2.4/4.0kbps;
    (2)支持短消息短信长度140byte ;
    (3)局域通信:支持WIFi和蓝牙;
    (4)支持GPS和北斗定位功能;
    (5)续航(卫星模式);
    (6)待机时间大于等于24h;
    (7)通话时间大于等于4h。
    4 安全加密关键技术实现

    卫星移动终端等设备采用TF加密卡,主要加密业务为语音加密、短信息加密、数据加密。
    1)语音加密业务

    终端支持的话音业务速率为24kbps和12kbps,加密方式为信源加密。当通话建立时,在上行方向上终端先将从MC采集到的PCM语音数据送入话音编解码模块进行编码,然后再将码流按照保密模块的帧格式要求发送到保密模块中,待保密模块加密完成后,将等长度的加密后的数据输岀,此时再将该加密数据放入缓冲区中,等待卫星协议栈中相应的模块取出该数据并映射到相应的上行物理信道上发出同样在下行方向上,终端将卫星协议栈收到的数据按保密模块的帧格式发送到保密模块中,保密模玦解密完成后将等长旳话音码流输岀,再由话音编解码模块解码输出PCM数据,送入终端的CODEC芯片播放出声音,如图7所示。
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图7语音加密业务流程图
    2)短消息加密业务

    终端支持对短信业务数据进行加密。短信在终端中的传输是由应用程序通过AT命令的方式将消息内容发送到卫星协议栈中。因此在对短信业务数据加密时,通过解析收到的短信AT命令,将其中的业务数据提取出后送入保密模块进行加密,再将加密后的数据组成新的短消息发送AT命令送入卫星协议栈,即可完成对短信的加密。而当在加密模式下收到短信之后,将短信的内容经保密模块解析后再发送给应用程序,即可实现短信的解密,如图8所示。
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图8短消息加密业务流程图
    3)数据加密业务

    终端支持对分组数据进行信源加密。在非加密模式下,当终端与核心网网元SGSN之间建立PDP上下文并激活时,应用程序将IP数据报发送到卫星协议栈,由协议栈中PDCP层完成IP数据包的压缩使之更适合空口的传输,再由RLC与MAC将数据发送给物理层,并在相应的分组数据信道上进行发送。而在加密模式下,应用程序发送IP数据包后,在进入PDCP之前,将该数据包中的应用数据提取出来,发送至保密模块完成加密后,再组成数据包发送到PDCP,继续执行之后的程序,同样在解密时,终端收到分组数据后,将空口发送过来的分组数据中的应用数据经保密模块解密后,再向上发送给应用程序,如图9所示。
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图9 数据加密业务流程图
    5 应用前景

    天通一号卫星移动通信系统为军民共用系统,其民用系统为政府部门、行业用户和公众提供卫星通信服务。对于公安部门而言,该系统则可以作为公安无线通信专网(PDT)的有益补充,形成基本覆盖全国的公安无线通信网络,保障语音、短消息、基本数据传输需求。作为公安无线通信专网的补充和延伸,需要在民用卫星移动通信终端进行警用适应性改造,达到与PDT能够进行语音和短消息等业务互通、应用互联的要求。
警用安全卫星终端主要可以应用于以下场景:
    1)反恐
    在反恐行动中,后方指挥中心、前线指挥中心、各特警分队通过警用安全卫星电话相连接,实现在复杂环境下的通信指挥调度,对大范围的搜索、侦察、摸排提供通信保障。
    2)应急
    在应对自然灾害、人为事故等紧急状况时,依托警用安全卫星电话建立从公安部指挥中心、省厅指挥中心到一线处置小分队或者单兵的纵向应急指挥体系,同时保证横向互通,支持公安、应急、武警、军队等多部门联动,提供有效的通信保障。
    3)安保
    在针对大型活动、重大会议的安保活动中,依托警用安全卫星电话和PDT系统,建立天地一体、互为补充的立体通信指挥网,为安保活动提供完善的通信支持。
    6 总结

    目前,各级公安机关所用的卫星通信装备主要还是卫星通信车和各种国外卫星,在使用过程中面临多种问题,如在处置突发事件时资源使用不便、在复杂环境下装备使用效果欠佳、使用国外卫星通信系统敏感信息通信安全无法保障、装备价格和使用资费昂贵、卫星通信装备与其他警用通信系统无法互通等,严重限制了各级公安机关大规模应用卫星移动通信系统和装备,迟迟无法建设完善的卫星移动应急通信保障体系。而警用安全卫星终端能够有效的解决上述问题,填补了公共安全行业卫星应用领域的相关空白,推动公共安全行业发展卫星自主应用技术研究发展,符合我国公安工作的需求,将为我国公安通信事业注入一股新的力量。
    参考文献

    [1]纪明星.天通一号卫星移动通信系统市场及应用分析[J].卫星与网络,2018(04).
    [2]王艳君,庄云胜.卫星移动通信终端的低功耗设计小[J].无线电工程,2013(06).
    [3]王晓鸣,张志丽,马欣,骆盼.天通一号卫星移动通信系统在数据采集领城的应用探讨[C].第十三届卫星通信学术年会论文集,2017(03).
文/公安部第一研究所

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