卫星技术在体育行业的应用

文|刘泳庆

国家体育总局体育科学研究所

2020年12月，嫦娥五号探测器实现了我国首次地外天体采样返回。与此同时，探测器上还搭载了体育的元素，包括国际奥委会和国际残奥委会会旗、北京冬奥会和冬残奥会会旗、会徽等。这是航天与体育在文化上的一次重要融合。但事实上，卫星应用早已走入了体育领域，渗透至体育行业的方方面面。本文针对卫星技术在体育行业的应用，从通信卫星、导航卫星和遥感卫星在体育运动领域应用的角度进行了概述，并提出了未来卫星技术在体育行业的进一步发展方向。

一、卫星通信技术提升赛事转播质量，保障户外赛事安全

卫星通信技术具有覆盖面大、频带宽、容量大、性能稳定可靠、机动灵活、不受地理条件限制、成本与通信距离无关等特点，适用于多种业务，包括固定卫星业务、卫星广播业务、移动卫星业务、中继卫星业务等领域。在体育行业，卫星通信技术在赛事转播和应急通信中已有广泛的应用基础。

1.卫星通信技术的发展不断提升电视观众观赛体验

卫星通信技术可以覆盖全球，且不受地形限制，因此在体育赛事转播中可以为全球观众带来身临其境的观看体验。1964年的第18届东京奥运会首次通过卫星实现全球直播（图1），通过卫星信号传输，使奥运会的观众从10万计增加到数以亿计，人们可以在第一时间了解比赛进程和实况。

图1 首次通过卫星全球直播的1964年东京奥运会开幕式

在2021年7月举行的第32届东京奥运会中，中国卫通中星6A、中星6B、中星6C和中星9号等卫星共同承担了奥运比赛节目在中国的传输任务，为电视观众带来奥运会盛况，全国人民共同见证了奥林匹克精神和中国奥运健儿风采。随着通信卫星技术的飞速发展，奥运转播也从最初的黑白信号发展到了如今的8K高清直播，更高的分辨率与视觉冲击力能够展现出更多的比赛细节，增强观众体验。在2021年东京奥运会的转播中，中央广播电视总台启动了“5G+4K/8K超高清制播示范平台”项目，应用了4K/8K超高清转播系统等新技术。图2为中央广播电视总台转播东京奥运会的8K超高清转播车。2021年9月9日成功发射的中星9B卫星特别设计了专门用于开展直播业务的转发器，支持4K、8K高清视频节目传输，具备为北京2022年冬奥会等大型活动或体育赛事提供高质量直播传输服务的能力。

图2 中央广播电视总台转播东京奥运会的8K超高清转播车

2.卫星通信技术保障户外赛事安全

许多户外赛事，如越野赛、游艇赛和汽车拉力赛等竞赛会在偏远地区和恶劣气候条件下进行，通常的移动通信技术难以满足此类需求。卫星通信技术可覆盖全球且不受环境影响，通过提供稳定的网络以保障赛事的安全，是移动通信网络无法覆盖区域的最佳解决方案，可为参赛者提供至关重要的互联服务、安全通信和定位服务，以确保发生任何紧急情况，赛事主办方都能为参赛者提供及时的应对措施和解决方案。

以航海运动为例，在近海可以通过海岸电台和陆地进行通信交流，可是茫茫无际的大洋远超出了海岸电台的通信距离，只有通过海事卫星才能和外界进行沟通。航行过程中的天气变幻莫测，需要随时保持与后方气象专家的联系，获取天气、冰期、洋流等信息，才可能顺利完成航行。海事通信卫星对于航海运动的安全起到了决定性的作用。图3为翟墨1号帆船上配置的海事卫星通信设备。

图3 翟墨1号帆船上配置的海事卫星通信设备

二、卫星导航技术助力运动表现提升，保障赛事和基建服务

全球导航卫星系统（GNSS）是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。目前，全球四大卫星导航系统包括：美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo）、中国的北斗卫星导航系统（BDS）；区域系统有日本的准天顶系统（QZSS）、印度区域导航卫星系统（NAVIC）。卫星导航技术在体育领域的应用最为普遍，几乎所有的智能手表都会利用GNSS技术来对用户运动的轨迹进行监控。

1.卫星导航技术为科学化的运动表现分析提供数据基础

全球导航卫星系统应用于体育领域已经有二十多年的时间，涉及的运动项目主要包括：足球、沙滩足球、橄榄球、澳式足球、滑轮运动、田径、马拉松、越野定向运动、板球、网棒球、曲棍球、高尔夫球、冲浪、风筝冲浪、自行车、越野滑雪、高山滑雪、皮划艇、帆船和赛艇、赛马、游泳、摩托车等。位置和速度数据是卫星导航系统可直接获取的物理量数据，基于GNSS针对运动员、运动器械等在运动中获取的位置和速度数据，进一步可分析并评估用户的运动轨迹、位移、运动距离、运动位置分布、速度区间分布、冲刺速度、重复冲刺速度、瞬时速度、加速度、步态（包括步频、步速、步长等）、跳跃性能（包括跳跃水平距离、垂直高度、落差、跳跃空中时间等）、碰撞检测、变向次数等，再结合运动学理论即可对运动员的体能情况、移动模式、技战术、高强度运动的量化评估以及对能耗情况开展分析，还可以在运动负荷、比赛需求、运动训练监控、伤病预防和康复、选材、青训等方面起到重要作用。图4为足球运动员佩戴基于GNSS的可穿戴设备进行训练的场景。

图4 基于GNSS的可穿戴设备

首都体育学院的科研团队基于国家重点研发计划“主动健康和老龄化科技应对”重点专项中的全民健身场景，研制了“北斗+UWB可穿戴定位终端”。该系统可直接应用于北京冬奥会备战，以高山滑雪场景为例，通过高精度北斗定位技术、快速运动中的实时定位与速度、加速度解算算法，实现对运动员的运动轨迹测量、运动速度与加速度分析，达到辅助运动员训练、提高运动成绩的目的。

2.卫星导航技术保障赛事顺利举行

利用卫星导航技术，赛事举办方可以实现对参赛人员、车辆、船舶的实时定位和远程监控，追踪赛场中的各种实时状态，结合数据的后台处理为赛事顺利举办提供保障。在马拉松赛事中，利用高精度GNSS定位技术，可以对领跑员、存包车、救护车、收容车实时跟踪定位，参赛运动员可随时随地了解参赛信息、赛事指引、起终点位置、赛道补给等一系列赛事相关信息。另外，在部分赛事中，卫星导航终端可以作为裁判的辅助工具，利用运动员、车辆、船只的运行轨迹、平均时速等数据，辅助裁判的精确评判。卫星导航技术还被运用到赛场内外保障、运动员服务、应急救援、观众观赛、安保监测等多个方面。

3.卫星导航技术为重大赛事基建提供服务

卫星导航技术对于赛事的基建具有重要作用，事实上，针对赛事的基建服务是卫星导航系统的二次应用。以北斗卫星导航系统助力北京冬奥会顺利举办为例，基于北斗高精度定位技术的自动驾驶车辆包括无人驾驶MINI清扫车、无人驾驶MINI配送车、无人驾驶中型巴士、无人驾驶大型清扫车、无人驾驶共享轿车等已经在冬奥会首钢园区内开展示范应用。延庆—崇礼高速公路作为冬奥会延庆赛场与张家口崇礼赛场的直达高速通道，其路段安装了北斗隧道定位信号扩展系统，为隧道内行驶的各种车辆提供定位和导航服务，实现了北斗卫星导航信号在隧道内的全覆盖，保障奥运会期间的安全。另外，北斗卫星和地理信息系统技术为冬奥会重要交通基础设施的京张高铁建设、运营、调度、维护、应急全流程提供了智能化服务。图5为在首钢园展出的智能巡检无人车。

图5 在首钢园展出的智能巡检无人车

三、卫星遥感技术为重大赛事和赛事的气象提供保障

卫星遥感技术的发展改变了人类获取地球系统数据和对地球系统的认知方式，主要用于国土普查、地形测绘、城市规划、水利和环境资源变化监测、服务防灾减灾等。在体育行业，卫星遥感技术主要应用在重大赛事保障和气象保障等领域。

1.卫星遥感技术为重大赛事提供安全保障

随着卫星遥感影像的分辨率越来越高，实时获取赛场周边环境的高清影像就可以为重大赛事提供保障。具有中高分辨率双遥感器的对地观测小卫星北京一号在2008年北京奥运会时，对奥运场馆和比赛道路周边市容环境情况进行监测，为保障奥运期间环境卫生和城市运行提供大量的数据支持。2021年6月发射的北京三号卫星与在轨运行的北京二号遥感卫星星座系统协同工作，为北京冬奥会的重大工程建设提供重要支撑。图6为北京三号卫星A星于2021年9月22日拍摄的北京冬奥村。

图6 北京三号卫星A星于2021年9月22日拍摄的北京冬奥村

2.卫星遥感技术为竞技运动提供赛时气象数据

气象保障主要包括两个层面，其一是赛事举办方基于办赛期间的气象情况做好赛事的气象预案；其二是参赛运动员、教练员团队在赛前训练、备战和比赛时针对气象情况制定训练计划和比赛技战术。

气象保障是重大赛事举办的关键环节之一。我国1990年发射的风云一号B星（FY-1B）和2008年发射的风云三号A星（FY-3A）分别为北京亚运会和北京奥运会的气象保障提供了数据支撑。为确保2008北京奥运会、残奥会期间的空气质量，国家卫星气象中心利用荷兰空间计划署和芬兰气象研究院合作开发完成的装载在美国国家航空航天局（NASA）地球观测系统AURA卫星上的OMI/AURA仪器，观测并定量分析了对流层二氧化氮总量和气溶胶光学厚度的情况。

另外，许多户外运动项目受气象状况影响很大，比如短跑项目在顺风和逆风的情况下，成绩就会有很大的差异。运动员需要根据不同的气象情况调整技战术安排。因此，教练团队和科技保障团队会为运动员有针对性地准备比赛时的气象报告。如在越野滑雪和冬季两项等雪上冬季项目中，可根据场地往年风速风向的参数来预测比赛时的风参数，进而制定相应的战术来有效利用和应对气象。国家体育总局体育科学研究所于2020年6月编制了《高温环境的训练与比赛指导手册》，通过对近四十年奥运会同期东京的气候特征、国内与东京气候相近地区的比较、奥运会期间东京的气候趋势情况进行分析，针对可能出现的高温天气问题进行探讨与总结，总结应对策略与具体措施。

在第32届东京奥运会中，中国气象局首次成立奥运会气象服务保障专家组，全程为前方在东京、札幌、神奈川和静冈等四个主要比赛城市的中国代表团提供精细化气象服务保障。在这次保障中，针对气象信息的预报，首次尝试检验使用卫星数据同化后的资料。在缺少全球观测资料的情况下，卫星反演资料未来可成为一种重要的补充手段。

2021年9月第十四届全国运动会在西安举行。仍处于在轨测试阶段的风云四号B星（FY-4B）和风云三号E星（FY-3E）边测试、边应用，采用精细度可达250m的快速成像技术，结合高精度光学微波组合大气温湿度垂直分布探测，实现天气系统内在结构的精确刻画，为全运会圣火采集仪式、火炬传递、开闭幕式及赛场、赛事服务提供了重要保障。气象保障团队针对各赛区、各赛场的天气进行逐小时分析，为比赛提供应对建议，为恢复比赛提供气象依据。在9月5日的垒球比赛、24日的高尔夫球比赛和25日的公路自行车赛中，由于受降雨的影响，赛事组委会参考气象部门的建议综合研判，对赛道路线和竞赛日程进行了及时的调整，保证了各项赛事活动顺利进行。图7为9月16日FY-4B卫星监测西安奥体中心体育场的气象数据。

图7 FY-4B卫星9月16日监测西安奥体中心体育场的气象数据

四、卫星技术综合应用参与共同保障

在实际的体育应用中，往往会有多类卫星参与共同保障。以2020年中国登山队登顶珠峰为例。2020年5月27日上午11时整，珠峰高程测量登山队攻顶队员成功登顶珠峰！中国卫通中星6A卫星从拉萨市到5200m珠峰大本营、再到海拔约6500m的前进营地都提供了不间断的保障服务，中途实况画面均通过卫星传回。而在登顶之后，首次应用北斗卫星导航系统针对珠峰高程进行了测量。另外，此次气象监测则由风云四号等气象卫星提供支持。图8为2020年5月27日珠峰高程测量登山队在峰顶使用北斗高精度定位设备对珠峰高程进行测量。

图8 测量登山队员在峰顶使用北斗高精度定位设备

五、结束语

当今新冠疫情仍在世界范围内扩散，很难满足观众在现场观看比赛的需求，结合卫星通信与虚拟现实、AI等技术可以提升电视观众的体验，是最近一段时期的发展趋势。而我国北斗卫星导航系统已经开通全球化服务，借助北斗卫星导航系统所特有的北斗短报文功能，可以在移动网络覆盖不到的户外极限赛事中，提供紧急救援，提升赛事的安全性。另外，卫星导航高精度应用目前在体育领域的应用还较少，未来可在此方向上进一步挖掘，探寻可行的应用方向。卫星技术看似与体育运动并不相关，但实际上卫星技术早已应用到体育各个领域，在未来结合各类技术为体育行业提供科技助力，卫星+体育将大有可为。