數據通信微小衛星星座系統的發展及應用

宗可 曹桂興 閆忠文

(1 中國空間技術研究院,北京 100094)

(2 中國東方紅衛星股份有限公司,北京 100081)

1 引言

數據微小衛星星座系統以其獨特的優勢及廣闊的發展前景,在國家新興戰略產業中將扮演無法替代的重要角色。首先,數據微小衛星星座集采集、傳輸、傳感器為一體,為政府、行業以及個人提供災害預警、災情評估、實時信息查詢以及指揮決策咨詢;其次,數據微小衛星星座系統可以實現低成本、小型化終端、大地域實時信息感知,應用于對地遙感(實現高精度對地觀測量的監控)、位置監控等方面。根據信息獲取的方式,可以將對地遙感分為直接感知和間接感知兩種,目前所有對地遙感衛星都屬于間接感知,而直接感知又叫原位探測,是在目標點上放置傳感器,直接采集監測點的狀態信息,其信息的精確程度和實時性都優于間接感知。目前可以用于對地觀測的狀態量幾乎包羅萬象,從大類上可以分為物理、化學、生物、人文等,這些大類里又包括諸如長度、高度、質量、時間、位置、速度、加速度、顆粒度、反射率、折射率、溫度、壓力、濕度、濃度、劑量、頻率、幅度、密度及個數等狀態量。上述狀態量的傳感器市場上已很完善,有現成的商品可利用。主要問題是缺少廣地域實時的數據傳輸手段,數據微小衛星星座系統以其低廉的價格、廣域的覆蓋、小型化的終端為特點,是實現上述需求的有效和唯一手段。

數據微小衛星星座系統是以安裝在地面的傳感器獲得的信息為數據來源,利用微小衛星星座實現廣地域的實時、快速監測和預警,滿足政府、行業以及個人對突發危險部位的快速預報,從而減少災害給國家和人民生命財產的損失。

與地面傳輸手段相比,基于衛星的數據采集和傳輸業務具有以下優勢:

1)覆蓋廣域性:可以實現大地域、空域和海域的無縫覆蓋;

2)業務完存性:不受地理環境、地質災害、天氣災害等限制;

3)應用靈活性:實現單點對多點、多點對多點的實時數據傳輸;

4)運營高效和低建設成本:微小衛星星座成本相對較低,地面監控設備簡單,系統維護和管理成本低。

此外數據微小衛星系統在軍事領域的應用也獨具特色。

除了具有以上所述的優點以外,還具有突發通信,隱蔽性強,終端體積小,可到達手持終端級別,攜帶方便,裝備費用較低等優點。

再者,小衛星定型后生產周期短,系統在戰時可以臨時部署,機動性強,省去了在軌維護和戰備耗損。此外,還可以有多種發射方式,便于快速部署,并節約成本。

由此可見,數據微小衛星星座系統在災害監測、環境保護、商業和軍事等應用等領域可以發揮地面手段無法替代的作用。目前國外已經有多個數據小衛星星座投入運營。本文結合國外相關系統發展情況分析了發展國內類似系統的意義和需求,提出了發展目標和建設內容以及一些具體的方案設想。

2 國外發展情況

2.1 “軌道通信”系統[1]

“軌道通信”(O RBCOMM)系統是美國ORBCOM M 公司擁有的全球數據通信衛星系統。ORBCOM M系統是專門針對雙向短數據傳輸的商業化低軌衛星星座,1997年投入使用。由美國軌道通信公司和加拿大Teleglobe 公司合伙經營。星座由36顆星組成,軌道高度825km ,單星重量43kg。

用戶段主要有兩種類型:一種是用于偏遠地區的固定點的數據采集和傳輸;另一種用于移動載體的雙向數據通信。

ORBCOM M 業務包括傳輸管道、倉庫和建筑設備的監測,跟蹤拖車、鐵路火車、集裝箱運輸船等移動設備,以及娛樂、商業、軍事和移動市場的雙向數據通信。例如:美國法律規定在偏遠地區的傳輸管道每20km 就必須設置一個監測腐蝕和連接的傳感器,為了滿足要求,管理部門可以通過付費衛星系統隨時進行監測。ORBCOM M 衛星與地基傳感/發射系統相結合,可跟蹤移動設備,監視作業條件并且傳播短數據、高優先級的用戶信息。

2.2 “高級研究與全球觀測衛星”系統

“高級研究與全球觀測衛星”(Argos)系統是法國和美國聯合建立的,利用低軌衛星傳送各種環境監測數據,并對測量儀器的運載體進行定位(見圖1)。為高緯度地區的水文、氣象監測儀器提供了一種很好的通信手段。我國從1985年開始利用Argos系統傳送海洋水文氣象觀測數據和定位。隨后進行了Argos 衛星發射平臺(簡稱PTT)的研制,現已在極區浮標、中國ARGO 剖面浮標、海表面漂流浮標等方面獲得應用,并取得了很好的應用效果[2]。目前Argos系統已經發展到第三代[3],Argos-2可以傳送32～256bit 的用戶數據,而Argos-3可以傳送512～4 608bit 的用戶數據。

2.3 Aprize系統

阿派斯(Aprize)系統為美國AprizeGlobal 公司所有,為全球范圍的行業公司和交通運輸部門提供移動和固定監控終端的窄帶數據傳輸業務。該公司利用商業化小衛星星座,運行AprizeStar 網絡,開發用戶設備,包括傳感器、通信機以及增值服務,推廣行業應用,例如集裝箱、油罐、化學品庫等現場實時跟蹤和監測,車輛的行駛路線跟蹤。AprizeStar衛星重10kg,軌道高度650km,首星于2002年發射,次年投入商業運營,它采用低成本的系統架構和搭載發射,大大降低用戶設備成本和服務費。

圖1 Argos系統中的極軌環境衛星(POES)Fig.1 Polar-Orbiting Environmental Satellite of Argos system

以上介紹了三個國外的典型系統,其中O RBCOMM 和Argos 已經有十年以上的成熟運營經驗,前者在2009年全年利潤將近40 000 000 美元,較之投入,產出可觀。能夠取得如此成績很重要的一點是由于其市場調研充分,定位準確。整個系統的設計面向數據通信用戶,并嚴格按照應用需求進行設計,以較小的投入,服務于更廣泛的用戶群體。Aprize系統與ORBCOM M 類似,屬于商業衛星系統。運營商著重考慮費效比因素,從衛星的設計、制造、發射到運營每一個環節都非常重視控制成本,加之有效的市場開拓,使得用戶會用并且用得起,因而很大程度上降低了整個項目的投資風險。

從國外類似系統的成功經驗中可以得到一定的啟示,簡要來說,就是充分調研,量體裁衣,控制成本,拓展市場。在此基礎上,可以充分發掘系統的應用潛力,使得其不僅在商業上能夠獲得較為豐厚的效益,還可以在公益事業和科學研究方面發揮一定的作用。

除了以上介紹的幾個系統以外,還有為數不少的類似帶有數據業務功能的系統,正在建設或已經投入運營,表1給出了國外部分已建成或計劃中帶有數據業務的低軌小衛星星座的相關資料。

表1 國外部分數據低軌小衛星系統相關資料[4-6]Table1 Overseas LEO data communication small-satellite(DCSS)systems

3 應用需求

根據應用對象不同,可以將應用需求分為民用需求和軍用需求兩種。

3.1 民用需求

其中,數據微小衛星系統在民用方面的用途非常廣泛,可以將其分為3 大類,其中包括災害監測、環境保護和商業應用等(見表2)。

表2 數據小衛星星座部分民用需求分類Table2 Categories of civil demands for DCSS system

3.2 軍用需求

數據通信在軍事方面的應用非常廣泛,概括來說,就是在傳感器、決策管理者、作戰人員以及支援設施這幾個軍事要素之間交換信息,這里簡單列舉部分應用如下:

1)給養指令的傳遞;

2)地理位置報告;

3)戰場態勢報告;

4)救援與求救信號;

5)傷亡人員狀態查詢;

6)特種小隊的聯絡;

7)坦克、火炮、飛彈等武器裝備狀態報告;

8)軍火庫中武器裝備的實時管理狀態;

9)聯合作戰時的敵我識別及狀態情報共享。

通過以上應用,并在設計時充分考慮系統兼容性,可將微小衛星星座數據系統納入到戰術數據鏈中,進而完善作戰指揮網,使得信息從單一的“樹”形傳遞模式向新型的網絡傳遞轉變,并促進數據鏈的微型化、單兵化發展。

實際上,微小衛星在軍事戰術數據通信上已得到應用。例如美國在海灣戰爭與對南空襲期間,緊急發射具有儲存轉發和多址通信功能的小衛星——“多址通信衛星”(MACSAT)[7],用來交換給養指令及與美國總部聯絡等后勤信息,在保證多國部隊的軍事行動中具有上佳表現。美國已將其列入國防發展重點之一,目前已研制成定型小衛星供軍方使用,8h 內可完成小衛星的發射和應用。

因此,基于微小衛星的數據通信系統可以與現有地面通信、靜止衛星通信系統結合在一起,在現代軍事通信系統中發揮重要作用,微小衛星系統同時也可應用于新聞、安全、公安、消防等部門的特種數據通信。

4 業務模式與系統組成

根據需求可以將數據微小衛星系統的業務模式分為儲存轉發(save and forw ard)模式[8]和實時轉發模式。

儲存轉發模式一般應用于由一顆或者幾顆衛星組成的非實時通信系統,不存在星際鏈路。當信源站(或者應用終端)與信宿站不在同一衛星波束覆蓋區內時,信源站發出的信息被儲存在衛星存儲器內,當衛星掠過信宿站的區域上空時,衛星將存儲的信息發出供信宿站接收。

而實時轉發模式可以由兩種途徑實現,較為復雜的是通過設有星間鏈路的實時通信系統完成,但星間鏈路耗費大量星上資源,并且維護復雜,對于目的是降低成本且重量很輕的小衛星,甚至微小衛星系統來講,實現比較困難。因此我們可以退而求其次,即在信宿站周邊一定范圍內實現實時轉發。當信源和信宿站在同一衛星的波束覆蓋區內時,由信源發出的信息就可以立即被轉發至信宿站。

參考國外相關系統的系統構成,可將數據微小衛星星座系統分為數據微小衛星星座(空間段)、業務管理和控制地面站(地面運控段)以及用戶終端(應用段)三部分,如圖2所示。

數據微小衛星系統可以為固定、移動用戶提供低速的數據服務。衛星采用存儲轉發或實時傳輸的工作模式,具體情況可視市場調研情況而定,關鍵是要兼顧系統的成本與效能,盡量降低用戶的使用成本和系統運營成本。系統可根據項目的發展階段不同和業務的需求,在初期發射數顆衛星并能夠完成區域性基本業務的基礎上逐步完善,若系統運營狀況良好,可逐步開拓國內外市場,最終達到空間段由30顆左右的小衛星組成的全球運營不間斷通信系統的目標,如圖3所示。

圖2 數據微小衛星星座系統組成Fig.2 Composition of DCSS system

同時,運控段部分的建設內容可包括如下幾個方面:在地面設置1～2個主站(雙站可互為備份),負責系統的運行管理和數據的分發,用戶部門根據需要也可以設置若干單收站。地面主站負責整個微小衛星網絡的運行控制和業務管理,還兼有單收站功能,單收站提供給業務歸口的主管部門(見圖4)。

數據微小衛星星座系統可以支持手持式、嵌入式應用終端。終端采用小型鋰電池、鈕扣電池或太陽電池等供電。工作方式采用間歇式工作,按需發送數據,不必連續發送,這樣既節省終端用電量,又延長使用時間,還可以節省衛星存儲容量,為更多的用戶提供接入,提高系統可用度。

對于散戶終端可開展多種業務,比如可將數據匯入地面移動通信網,提供衛星短消息業務或利用系統主控手機或E-mail 發送至用戶郵箱。

圖3 系統空間段波束覆蓋示意圖Fig.3 Map of system space segment beam coverage

圖4 數據微小衛星網絡控制架構Fig.4 Network control f rame of DCS system

5 結束語

未來,數據微小衛星星座系統的應用前景廣闊。首先,在關系國計民生的政府公益性應用領域,衛星數據應用可以提升社會效益,快速處理突發公共事件的能力。例如在環境保護、防災減災、安全生產監控、遇險搜救、弱勢群體關懷、動植物保護等方面都將發揮重要的作用。其次,根據需要各類終端上都可以嵌入衛星導航芯片,藉此可以帶動衛星導航芯片的快速發展,以及產品化、規模化的生產和應用。此外,數據微小衛星星座系統的應用不僅可以促進衛星制造業的發展,更重要的是可以帶動數據運營業、終端產品制造業以及數據服務業更加快速和規模化的發展,并且在推動相關產業鏈的延伸和拓展,落實大力發展物聯網相關產業的政策方面都有更加積極的作用。

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]張少永,林玉池,熊焰.Argos 衛星發射平臺研究與Argos 通訊系統應用[J].海洋技術,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,楊根慶,梁旭文.現代小衛星技術與應用[M].上海:上海科學普及出版社,2004

[6]張更新,張杭.通信工程叢書——衛星移動通信系統[M].北京:人民郵電出版社,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