数据通信微小卫星星座系统的发展及应用

宗可 曹桂兴 闫忠文

(1 中国空间技术研究院,北京 100094)

(2 中国东方红卫星股份有限公司,北京 100081)

1 引言

数据微小卫星星座系统以其独特的优势及广阔的发展前景,在国家新兴战略产业中将扮演无法替代的重要角色。首先,数据微小卫星星座集采集、传输、传感器为一体,为政府、行业以及个人提供灾害预警、灾情评估、实时信息查询以及指挥决策咨询;其次,数据微小卫星星座系统可以实现低成本、小型化终端、大地域实时信息感知,应用于对地遥感(实现高精度对地观测量的监控)、位置监控等方面。根据信息获取的方式,可以将对地遥感分为直接感知和间接感知两种,目前所有对地遥感卫星都属于间接感知,而直接感知又叫原位探测,是在目标点上放置传感器,直接采集监测点的状态信息,其信息的精确程度和实时性都优于间接感知。目前可以用于对地观测的状态量几乎包罗万象,从大类上可以分为物理、化学、生物、人文等,这些大类里又包括诸如长度、高度、质量、时间、位置、速度、加速度、颗粒度、反射率、折射率、温度、压力、湿度、浓度、剂量、频率、幅度、密度及个数等状态量。上述状态量的传感器市场上已很完善,有现成的商品可利用。主要问题是缺少广地域实时的数据传输手段,数据微小卫星星座系统以其低廉的价格、广域的覆盖、小型化的终端为特点,是实现上述需求的有效和唯一手段。

数据微小卫星星座系统是以安装在地面的传感器获得的信息为数据来源,利用微小卫星星座实现广地域的实时、快速监测和预警,满足政府、行业以及个人对突发危险部位的快速预报,从而减少灾害给国家和人民生命财产的损失。

与地面传输手段相比,基于卫星的数据采集和传输业务具有以下优势:

1)覆盖广域性:可以实现大地域、空域和海域的无缝覆盖;

2)业务完存性:不受地理环境、地质灾害、天气灾害等限制;

3)应用灵活性:实现单点对多点、多点对多点的实时数据传输;

4)运营高效和低建设成本:微小卫星星座成本相对较低,地面监控设备简单,系统维护和管理成本低。

此外数据微小卫星系统在军事领域的应用也独具特色。

除了具有以上所述的优点以外,还具有突发通信,隐蔽性强,终端体积小,可到达手持终端级别,携带方便,装备费用较低等优点。

再者,小卫星定型后生产周期短,系统在战时可以临时部署,机动性强,省去了在轨维护和战备耗损。此外,还可以有多种发射方式,便于快速部署,并节约成本。

由此可见,数据微小卫星星座系统在灾害监测、环境保护、商业和军事等应用等领域可以发挥地面手段无法替代的作用。目前国外已经有多个数据小卫星星座投入运营。本文结合国外相关系统发展情况分析了发展国内类似系统的意义和需求,提出了发展目标和建设内容以及一些具体的方案设想。

2 国外发展情况

2.1 “轨道通信”系统[1]

“轨道通信”(O RBCOMM)系统是美国ORBCOM M 公司拥有的全球数据通信卫星系统。ORBCOM M系统是专门针对双向短数据传输的商业化低轨卫星星座,1997年投入使用。由美国轨道通信公司和加拿大Teleglobe 公司合伙经营。星座由36颗星组成,轨道高度825km ,单星重量43kg。

用户段主要有两种类型:一种是用于偏远地区的固定点的数据采集和传输;另一种用于移动载体的双向数据通信。

ORBCOM M 业务包括传输管道、仓库和建筑设备的监测,跟踪拖车、铁路火车、集装箱运输船等移动设备,以及娱乐、商业、军事和移动市场的双向数据通信。例如:美国法律规定在偏远地区的传输管道每20km 就必须设置一个监测腐蚀和连接的传感器,为了满足要求,管理部门可以通过付费卫星系统随时进行监测。ORBCOM M 卫星与地基传感/发射系统相结合,可跟踪移动设备,监视作业条件并且传播短数据、高优先级的用户信息。

2.2 “高级研究与全球观测卫星”系统

“高级研究与全球观测卫星”(Argos)系统是法国和美国联合建立的,利用低轨卫星传送各种环境监测数据,并对测量仪器的运载体进行定位(见图1)。为高纬度地区的水文、气象监测仪器提供了一种很好的通信手段。我国从1985年开始利用Argos系统传送海洋水文气象观测数据和定位。随后进行了Argos 卫星发射平台(简称PTT)的研制,现已在极区浮标、中国ARGO 剖面浮标、海表面漂流浮标等方面获得应用,并取得了很好的应用效果[2]。目前Argos系统已经发展到第三代[3],Argos-2可以传送32～256bit 的用户数据,而Argos-3可以传送512～4 608bit 的用户数据。

2.3 Aprize系统

阿派斯(Aprize)系统为美国AprizeGlobal 公司所有,为全球范围的行业公司和交通运输部门提供移动和固定监控终端的窄带数据传输业务。该公司利用商业化小卫星星座,运行AprizeStar 网络,开发用户设备,包括传感器、通信机以及增值服务,推广行业应用,例如集装箱、油罐、化学品库等现场实时跟踪和监测,车辆的行驶路线跟踪。AprizeStar卫星重10kg,轨道高度650km,首星于2002年发射,次年投入商业运营,它采用低成本的系统架构和搭载发射,大大降低用户设备成本和服务费。

图1 Argos系统中的极轨环境卫星(POES)Fig.1 Polar-Orbiting Environmental Satellite of Argos system

以上介绍了三个国外的典型系统,其中O RBCOMM 和Argos 已经有十年以上的成熟运营经验,前者在2009年全年利润将近40 000 000 美元,较之投入,产出可观。能够取得如此成绩很重要的一点是由于其市场调研充分,定位准确。整个系统的设计面向数据通信用户,并严格按照应用需求进行设计,以较小的投入,服务于更广泛的用户群体。Aprize系统与ORBCOM M 类似,属于商业卫星系统。运营商着重考虑费效比因素,从卫星的设计、制造、发射到运营每一个环节都非常重视控制成本,加之有效的市场开拓,使得用户会用并且用得起,因而很大程度上降低了整个项目的投资风险。

从国外类似系统的成功经验中可以得到一定的启示,简要来说,就是充分调研,量体裁衣,控制成本,拓展市场。在此基础上,可以充分发掘系统的应用潜力,使得其不仅在商业上能够获得较为丰厚的效益,还可以在公益事业和科学研究方面发挥一定的作用。

除了以上介绍的几个系统以外,还有为数不少的类似带有数据业务功能的系统,正在建设或已经投入运营,表1给出了国外部分已建成或计划中带有数据业务的低轨小卫星星座的相关资料。

表1 国外部分数据低轨小卫星系统相关资料[4-6]Table1 Overseas LEO data communication small-satellite(DCSS)systems

3 应用需求

根据应用对象不同,可以将应用需求分为民用需求和军用需求两种。

3.1 民用需求

其中,数据微小卫星系统在民用方面的用途非常广泛,可以将其分为3 大类,其中包括灾害监测、环境保护和商业应用等(见表2)。

表2 数据小卫星星座部分民用需求分类Table2 Categories of civil demands for DCSS system

3.2 军用需求

数据通信在军事方面的应用非常广泛,概括来说,就是在传感器、决策管理者、作战人员以及支援设施这几个军事要素之间交换信息,这里简单列举部分应用如下:

1)给养指令的传递;

2)地理位置报告;

3)战场态势报告;

4)救援与求救信号;

5)伤亡人员状态查询;

6)特种小队的联络;

7)坦克、火炮、飞弹等武器装备状态报告;

8)军火库中武器装备的实时管理状态;

9)联合作战时的敌我识别及状态情报共享。

通过以上应用,并在设计时充分考虑系统兼容性,可将微小卫星星座数据系统纳入到战术数据链中,进而完善作战指挥网,使得信息从单一的“树”形传递模式向新型的网络传递转变,并促进数据链的微型化、单兵化发展。

实际上,微小卫星在军事战术数据通信上已得到应用。例如美国在海湾战争与对南空袭期间,紧急发射具有储存转发和多址通信功能的小卫星——“多址通信卫星”(MACSAT)[7],用来交换给养指令及与美国总部联络等后勤信息,在保证多国部队的军事行动中具有上佳表现。美国已将其列入国防发展重点之一,目前已研制成定型小卫星供军方使用,8h 内可完成小卫星的发射和应用。

因此,基于微小卫星的数据通信系统可以与现有地面通信、静止卫星通信系统结合在一起,在现代军事通信系统中发挥重要作用,微小卫星系统同时也可应用于新闻、安全、公安、消防等部门的特种数据通信。

4 业务模式与系统组成

根据需求可以将数据微小卫星系统的业务模式分为储存转发(save and forw ard)模式[8]和实时转发模式。

储存转发模式一般应用于由一颗或者几颗卫星组成的非实时通信系统,不存在星际链路。当信源站(或者应用终端)与信宿站不在同一卫星波束覆盖区内时,信源站发出的信息被储存在卫星存储器内,当卫星掠过信宿站的区域上空时,卫星将存储的信息发出供信宿站接收。

而实时转发模式可以由两种途径实现,较为复杂的是通过设有星间链路的实时通信系统完成,但星间链路耗费大量星上资源,并且维护复杂,对于目的是降低成本且重量很轻的小卫星,甚至微小卫星系统来讲,实现比较困难。因此我们可以退而求其次,即在信宿站周边一定范围内实现实时转发。当信源和信宿站在同一卫星的波束覆盖区内时,由信源发出的信息就可以立即被转发至信宿站。

参考国外相关系统的系统构成,可将数据微小卫星星座系统分为数据微小卫星星座(空间段)、业务管理和控制地面站(地面运控段)以及用户终端(应用段)三部分,如图2所示。

数据微小卫星系统可以为固定、移动用户提供低速的数据服务。卫星采用存储转发或实时传输的工作模式,具体情况可视市场调研情况而定,关键是要兼顾系统的成本与效能,尽量降低用户的使用成本和系统运营成本。系统可根据项目的发展阶段不同和业务的需求,在初期发射数颗卫星并能够完成区域性基本业务的基础上逐步完善,若系统运营状况良好,可逐步开拓国内外市场,最终达到空间段由30颗左右的小卫星组成的全球运营不间断通信系统的目标,如图3所示。

图2 数据微小卫星星座系统组成Fig.2 Composition of DCSS system

同时,运控段部分的建设内容可包括如下几个方面:在地面设置1～2个主站(双站可互为备份),负责系统的运行管理和数据的分发,用户部门根据需要也可以设置若干单收站。地面主站负责整个微小卫星网络的运行控制和业务管理,还兼有单收站功能,单收站提供给业务归口的主管部门(见图4)。

数据微小卫星星座系统可以支持手持式、嵌入式应用终端。终端采用小型锂电池、钮扣电池或太阳电池等供电。工作方式采用间歇式工作,按需发送数据,不必连续发送,这样既节省终端用电量,又延长使用时间,还可以节省卫星存储容量,为更多的用户提供接入,提高系统可用度。

对于散户终端可开展多种业务,比如可将数据汇入地面移动通信网,提供卫星短消息业务或利用系统主控手机或E-mail 发送至用户邮箱。

图3 系统空间段波束覆盖示意图Fig.3 Map of system space segment beam coverage

图4 数据微小卫星网络控制架构Fig.4 Network control f rame of DCS system

5 结束语

未来,数据微小卫星星座系统的应用前景广阔。首先,在关系国计民生的政府公益性应用领域,卫星数据应用可以提升社会效益,快速处理突发公共事件的能力。例如在环境保护、防灾减灾、安全生产监控、遇险搜救、弱势群体关怀、动植物保护等方面都将发挥重要的作用。其次,根据需要各类终端上都可以嵌入卫星导航芯片,藉此可以带动卫星导航芯片的快速发展,以及产品化、规模化的生产和应用。此外,数据微小卫星星座系统的应用不仅可以促进卫星制造业的发展,更重要的是可以带动数据运营业、终端产品制造业以及数据服务业更加快速和规模化的发展,并且在推动相关产业链的延伸和拓展,落实大力发展物联网相关产业的政策方面都有更加积极的作用。

References)

[1]Harms Jochen.The orbcomm experience[EB/OL].(2010-08-15)[2010-08-30].h ttp://telecom.esa.int/telecom/media/document/1_ The_ Orbcomm_ Experience.pdf

[2]张少永,林玉池,熊焰.Argos 卫星发射平台研究与Argos 通讯系统应用[J].海洋技术,2005(1):25-28

[3]Vassal C.ARGOS-3 the new generation[EB/OL].(2010-08-10)[2010-08-30].http://www.argos-system.org

[4]Krebs G D.Chronology of space lanches[EB/OL].(2010-08-10)[2010-08-30].http://space.skyrocket.de/chrono.htm

[5]余金培,杨根庆,梁旭文.现代小卫星技术与应用[M].上海:上海科学普及出版社,2004

[6]张更新,张杭.通信工程丛书——卫星移动通信系统[M].北京:人民邮电出版社,2001:746-747

[7]Park S,Kim B J,Kim E E ,et al.MACSAT-a near equatorial observation mission[C]//IEEE.Recent Advances in Space Technologies,RAST' 03.Nov,2003

[8]Addaim A,Kherras A,Zantou B.Design of store and forward data collection low-cost nanosatellite[C]//IEEE Aerospace Conference,AERO' 07.March,2007