天基物联网技术
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2.4 天基物联网的发展现状

卫星通信具有覆盖广、全天候工作及抗毁性强等优点,国外已经开始建设基于天基节点的物联网,并在数据采集、监控、跟踪定位、报文传递等方面展现出了良好的应用前景。

2.4.1 国外天基物联网发展现状

1.低轨天基物联网系统[17—20]

相比于采用对地静止轨道(GEO)卫星节点,采用低轨(LEO)卫星节点实现的天基物联网能够降低传播时延,提高消息的时效性;减小传输损耗,有助于终端的小型化;通过多颗LEO卫星构成卫星星座可以实现全球无缝覆盖(含两极),提高物联网的覆盖范围,解决特定地形(如GEO卫星视线受限的城市、峡谷、山区、丛林等)通信效果不佳的问题;缓解GEO卫星轨道位置和频率协调难度大的问题。

近20年来,LEO卫星系统得到了快速发展。目前,能够提供全球物联网服务的代表性LEO卫星系统是铱星系统和Orbcomm(轨道通信)系统。

1)铱星系统

铱星系统是世界上第一个LEO全球卫星移动通信系统。第一代铱星系统于1998年投入运行,其初衷是通过LEO通信卫星提供一种全球无缝覆盖的通信方式,以解决地面蜂窝网的局限性。2019年1月,第二代铱星系统完成了全部新卫星发射任务,它不仅可以提供语音、传真和寻呼等通信服务,还可以提供对地观测、航空器监视和海洋船舶识别等物联网服务,以及导航定位增强服务。

铱星系统由4部分组成:空间段、系统控制段(SCS)、信关站(按照天基物联网架构划分,SCS和信关站也可称为地面段)及用户段,如图2-5所示。

(1)空间段:66颗LEO卫星节点部署在6个极地圆轨道平面上,每个轨道平面上的卫星均匀分布,每颗卫星具有4条星间链路(ISL),其中,2条用来与左右相邻轨道的卫星相连,另外2条用来与同轨道平面前后的卫星相连,进而组成一个网状LEO卫星星座。该LEO卫星星座能够提供全球无缝覆盖的通信与物联网服务。另外,铱星系统中的卫星节点具有星上处理和信息交换功能,可以在星上进行信息的处理、转发和存储等功能,支持全球任意地方、任意两点之间的通信,从而构成了一个不依赖于地面网络而能独立运行的LEO全球卫星移动通信系统。铱星系统的单星覆盖面积约为1600万km2,其用户链路可以在地面形成48个直径约为400km的点波束。

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图2-5 铱星系统组成示意图

(2)SCS:SCS是铱星系统的网络控制中心,负责整个卫星星座的运行控制,包括卫星平台的轨道和姿态控制,以及卫星载荷的功能与性能控制等。SCS包括2个系统控制设备(SCF)、1个卫星操作控制中心(SOCC),以及3个遥测、跟踪和控制站(TTAC),它们之间通过运行支撑网连接。2个SCF负责卫星星座控制,其中,主控SCF设在华盛顿,备用SCF设在意大利罗马。

(3)信关站:负责连接地面网和卫星星座,完成铱星系统中用户移动通信的呼叫建立、呼叫控制、呼叫释放及计费支持等功能。铱星系统在全球范围内共建立了12个信关站。信关站对上与卫星星座的连接是通过工作在Ka频段的馈电链路实现的,信关站与地面网的连接是通过系统控制段经国际交换中心(ISC)的中继线实现的。

(4)用户段:负责向用户提供业务,包括手持机、车载终端、机载终端、船载终端和可搬移式终端(如移动交换单元、太阳能电话亭)等。

在铱星系统中,用户终端通过L频段的用户链路与卫星星座进行通信,信关站和系统控制段通过Ka频段的馈电链路与卫星星座进行通信,卫星星座内部利用Ka频段的星间链路实现卫星之间的互联。

2)Orbcomm系统

Orbcomm 系统是美国轨道科学公司和加拿大Teleglobe公司共同打造的一个采用LEO卫星构成的全球低速数据通信系统,目前已经发展到第二代,它广泛应用于航海、环境保护、资源勘探、工业物联网等领域。Orbcomm系统工作在频率为137~150MHz的甚高频(VHF)频段,Orbcomm系统中的每个卫星都有一个速率为 4800bps 的下行链路发射机和多个速率为2400bps的上行链路接收机。

Orbcomm系统由地面段、空间段及用户段组成,如图2-6所示。馈电链路和用户链路均工作在 VHF 频段,上行链路的工作频率为 148~150.05MHz,下行链路的工作频率为137~138MHz,馈电链路采用的调制方式为OQPSK,用户链路采用的调制方式为SDPSK。

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图2-6 Orbcomm系统组成图

(1)空间段:第一代Orbcomm卫星星座由A、B、C、D、E、F、G共7个轨道平面组成,A、B、C这3个轨道平面的倾角为45°,间隔为120°,轨道高度为835km,每个轨道平面上有6颗卫星。D轨道平面为赤道轨道,轨道高度为1000km,有6颗卫星。E轨道平面的倾角为70°,F轨道平面的倾角为108°,其轨道高度均为740km,每个轨道平面有2颗卫星。为了加强南北纬25°~55°的覆盖范围,系统增加了G轨道平面,G轨道平面的倾角为45°,G轨道平面与A轨道平面的间隔为20°,轨道高度为835km,有7颗卫星。整个星座共有35颗小卫星,卫星的平均质量为43kg,均采用星上处理方式,具有存储能力,能把用户的消息存储在卫星上,但各卫星间没有星间链路,每颗卫星的覆盖区域的平均直径为5100km。目前,第二代Orbcomm系统已经发射了17颗卫星。

(2)地面段:Orbcomm系统的地面段包括一个网络控制中心(NCC)和多个信关站。NCC设在美国弗吉尼亚州,负责整个Orbcomm系统的管理与控制:一方面控制整个星座系统的正常运作;另一方面,它也是美国国内的信关控制中心(GCC),负责管理和控制美国国内的通信业务。Orbcomm系统的信关站包括信关控制中心和信关地球站(GES)两部分。其中,信关控制中心负责Orbcomm系统与地面通信网之间的连接,信关地球站负责连接Orbcomm系统的空间段和地面段。

(3)用户段:Orbcomm系统的用户段包括各类用户通信器(SC),用户通信器根据用途可分为两大类型,一类是支持双向信息传输的便携式或手持式移动终端;另一类是用于偏远地区数据采集的固定终端,可采用电池或太阳能供电。

3)分析与比较

作为两个典型的LEO系统,铱系统和Orbcomm系统的定位不同,因此,其架构也有所不同。首先,铱系统定位于语音服务,主要解决全球范围内实时无缝语音和数据通信业务的问题;Orbcomm系统主要提供全球范围内非实时的短数据业务。其次,铱系统定位于建立一个不依赖地面通信网的全球卫星通信系统,采用星上处理、星上交换和星间通信等技术,系统复杂,成本高;而Orbcomm系统定位于提供一个廉价的全球数据采集系统,其卫星具有星上处理和存储能力,没有星间通信能力,也没有实时性要求,系统较简单,成本低。最后,由于Orbcomm系统工作在VHF频段,便于终端小型化和低成本化。铱系统和Orbcomm系统主要参数的对比如表2-2所示,从中可以看到,这两个系统分别是针对两类不同的业务需求设计的,铱系统的技术相对复杂,但两者均有各自的应用领域。

表2-2 铱系统和Orbcomm系统主要参数的对比

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4)国外建设中的其他低轨卫星物联网系统

加拿大HeliosWire公司计划发射30颗卫星构建天基物联网,利用S频段30MHz带宽,支持50亿个传感器的数据采集。

美国开普勒通信公司(Kepler Communications)计划在2023年完成由140颗纳卫星构成的天基物联网部署[16],极地圆轨道的高度为575km,其卫星采用3U立方体星结构,工作在Ku频段(下行10.7~12.7GHz,上行14~14.5GHz),卫星载荷采用可重新配置的软件定义无线电架构,实现了卫星通信载荷的灵活配置。例如,配置成单载波工作模式,可以实现用500Mbps的数据传输速率与一个地面站进行通信;配置成多载波工作模式,最多可以通过软件定义配置10个载波,分别以1Mbps的传输速率同时与10个地面物联网业务汇聚节点进行通信。

澳大利亚舰队空间技术公司(Fleet Space Technologies)计划发射100颗以上的纳卫星,通过构建天基物联网星座帮助全球物联网设备实现低带宽连接,预计到2025年,能为全球750亿部物联网设备提供免费的线上链接服务。

2.基于高轨通信卫星的LoRaWAN系统[21]

国际海事卫星组织(Inmarsat)于2017年1月公布了与低功耗广域物联网设备制造商Actility公司共同开发的基于高轨通信卫星的LoRaWAN系统,用于实现Inmarsat将物联网引进全球每个角落的发展战略。该系统利用天基物联网解决方案为偏远地区的企业提高生产效率、降低成本、创造新收益,其服务涵盖物流与资产追踪、农业生产与经营、石油和天然气管道监测等多个领域。

LoRaWAN系统是首个基于高轨通信卫星的全球性的天基物联网系统,由Actility ThingPark LPWA平台提供支持。借助基于LoRaWAN的地面网络连接和卫星连接的骨干网,LoRaWAN系统可以帮助用户及合作伙伴以经济有效的方式在全球各地交付物联网解决方案。该集成式平台可将广域分布的用户站点特定的数据传至云端,并根据应用需求对数据进行分析处理,提供不同行业实时运行的相关信息,支持制定生产与经营的准确决策,从而为终端用户创造价值。

2.4.2 国内天基物联网发展现状

目前,国内还没有专门用于物联网的卫星通信系统,但基于现有通信卫星和设施已开展了物联网应用的研究与探索,如基于“北斗”卫星系统的输变电设施的远程监控和卫星数据链等应用。

我国在广西电网玉林变电站对基于天基物联网的输变电设施远程监控系统进行了试点应用。在变电站现场,监控终端包括主变监控终端、母线监控终端、断路器监控终端等,这些监控终端采用卫星接入设备、卫星小站、无线数据发射模块等,与北斗卫星组成双向通信线路。位于南宁的广西电网设备监测与评估中心可以通过卫星信道向监测终端发送数据采集周期、监测装置重启、监测装置自检、时间同步与校准等命令;也可以接收监测终端发送来的监测数据,通过纵向分析、横向比对等方式判断被监测的输变电设施的运行状态。“北斗”物联网在广西电网玉林变电站的应用试验,有效提高了该变电站输变电设施的运维效率,降低了输变电设施的运维成本,提高了输变电设施供电的可靠性。

目前,国内已安排了利用“天通一号”移动卫星通信系统进行物联网信息传输的计划,也制订了利用低轨通信卫星星座实现物联网应用的相关计划。国内已经有机构和企业发射了一些用于物联网的低轨通信试验卫星,但尚不能开展规模化的商业应用。

综上所述,国内外已经掀起了研究和建设天基物联网的高潮,主要基于卫星通信系统实现物联网应用,其重点仍是通信链路和传输通道的设计和建设,关于天基物联网的研究有待进一步深入。