數據采集衛星系統的設計規劃及海洋應用設想

· 文 |航天恒星科技有限公司 陳寧宇 羅冠辰 李亞平

數據采集衛星系統的設計規劃及海洋應用設想

· 文 |航天恒星科技有限公司 陳寧宇 羅冠辰 李亞平

數據采集衛星系統（Data Collection Satellite System， DCSS）由低軌道DCS衛星星座、地面關口站、形式多樣的終端組成，以廣域分散的地面傳感器獲得的信息為數據來源，利用DCS衛星星座實現大地域高靈敏度信息感知。系統能夠對數據進行采集、匯聚、處理、分發，通過對地面狀態信息直接感知，實現對地高精度原位探測，具有地域覆蓋性廣、終端體積小、功耗低等特點，非常適用于解決遠海數據近實時回傳問題，具有巨大的應用潛力。DCSS星座系統作為海洋環境立體監測的重要技術和數據傳輸的必要手段，它的研究發展對提升海洋立體監測能力具有關鍵作用。

黨的“十八大”報告明確指出高度關注海洋、太空、網絡空間安全，積極運籌和平時期軍事力量運用，不斷拓展和深化軍事斗爭準備，提高以打贏信息化條件下局部戰爭能力為核心的多樣化軍事任務能力；同時，還指出要優化國土空間開發格局，提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。因此，DCSS系統的建設符合黨和國家的戰略方針和發展目標。

一、DCSS系統設計規劃

DCSS衛星的軌道高度低，飛行高度小于1000千米，具有傳輸延時短、路徑損耗小等特點，由一定數量的多顆低軌小衛星組成的星座可以實現真正的全球覆蓋。我國發展DCSS系統，可利用低軌小衛星對地球信息數據進行采集、傳輸、匯聚、處理和分發，實現地球狀態信息的直接感知，為用戶提供短數據通信和廣播，以及數據采集服務。

1.系統組成

參考通信衛星以及國外星座系統的設計方案，我國DCSS星座系統由地面段、空間段和用戶段三部分組成，如圖1所示。

圖1　DCSS星座系統組成

空間段由數十顆低軌小衛星組成衛星星座。衛星可搭載DCS（Data Collection System）載荷，實現DCS數據的接收和轉發。數十顆小衛星按照一定的星座構型進行全球部署，系統建成后可實現近實時的全球覆蓋。

地面段包括網關站和中心站，衛星數據收發、衛星測控、數據分發和處理以及網絡管理等基本功能，可實現與衛星間饋電鏈路的連接，終端接入鑒權、信道管理等運行控制，以及系統的運行管理維護。中心站除具備網關站功能外，還建有衛星操作中心、網絡管控中心、數據處理中心，共同組成地面運控系統。

用戶段主要由多種形式的數據采集終端組成，其根據不同的應用場景可分為微小終端、固定終端、移動終端、手持終端、拋撒終端等。終端集成了傳感器和通信模塊的功能，可將采集數據上傳至過頂的衛星，同時可以接收業務廣播數據和管理控制數據等信息。

由于衛星軌道高度低，傳輸損耗小，因此用戶終端支持小型化、低功耗設計。

2.信息流程

首先由部署在各處的數據采集終端通過傳感器采集海洋、地震、森林、水文等監測數據，實現數據編碼、調制和組幀。當衛星經過采集終端覆蓋區域上空時，通過用戶上行鏈路發送給衛星。終端同時具備鏈路層的功能，即按照某種機制自主選擇接入信道。衛星根據終端ID對終端上傳數據進行確認，實現數據的接收和數據格式的重新封裝等功能。當衛星進入地面站的可視范圍時將采集數據下傳給地面站。地面站實現業務數據接收、分類和處理功能，通過行業專網、互聯網（Internet）、移動通信網（PLMN）分發給行業、商業及大眾用戶。

此外，地面站還能將控制信息、數據接收確認信息、特殊廣播信息進行匯聚處理上注衛星，數據由衛星推送至覆蓋范圍內的應用終端，實現雙向通信功能。

3.業務特點

我國建設DCSS星座系統，具有大容量、全球覆蓋以及終端小型化、低功耗等特點。系統建成后，可支持千萬量級的用戶接入，為全球范圍的用戶提供近實時的數據采集和通信服務。系統支持短報文、語音數據包和圖片等多種數據類型，通信速率可根據用戶需求和傳輸數據類型分為高速、中速和低速通信三檔，以低速短報文通信為主。通信模式分為單項和雙向，用戶可根據自身業務特點選擇定時通信和不定時通信。

4.建設方案

我國目前尚無低軌通信衛星星座系統。參考國外成型系統的建設情況來看，由于DCSS系統由多顆小衛星及地面配套設備組成，結構復雜，系統建設工作量巨大，成本較高，因此應選擇循序漸進的方式，根據市場調研情況，兼顧系統的成本與效能，進行分階段建設。

系統建設初期主要為系統設計和試驗驗證階段。該階段發射數顆衛星，可支持區域性和非實時性的業務應用，驗證系統設計的可行性，評估系統應用效能，為整個系統建設打好基礎。

初期建設目標達成后，則進入星座部署和交付運營階段。該階段將繼續發射剩余幾十顆衛星，完成整個星座部署，實現全球覆蓋并交付運營，為用戶提供服務。

二、DCSS的海洋應用設想

1.應用領域

DCSS可為遠海數據的近實時回傳提供有效通信手段，在海洋水文氣象監測、生態環境監測和海島保護監測等方面有巨大應用潛力。

（1）水文氣象監測

由廣泛部署于遠海海域的數據采集終端對海洋水深、水溫、鹽度、海流、波浪、水色、透明度、海冰、海發光、潮位等水文監測要素進行監測，采集數據通過定時模式，每10分鐘至半小時向衛星發送一次數據。所有海洋環境監測數據都將通過衛星發送至地面站，最終分發給行業用戶進行數據處理，便于及時掌握遠海環境狀況，同時也有利于海洋科學研究。

此外，系統也可進行臺風、風暴潮、海嘯、海冰等海洋氣象災害監測，此時工作模式為不定時突發模式。

（2）生態環境監測

生態環境監測要素主要有電導率、溶解氧、酸度、化學耗氧量、生化需氧量、放射性物質、特殊離子、溢油等，宏觀上講主要針對赤潮、滸苔等生態災害防御、漁業災害、核災、油災等監測。數據采集終端以定時或隨機的方式進行數據采集，一旦指標高于預警值，則通過突發模式將數據上傳至衛星。由DCSS系統將信息傳輸至海洋部門進行災害預警和救援。

（3）海島保護與監測

由部署在遠離大陸的海島和島礁的終端，監測海水潮位、島上氣候等信息，支持海島無人值守和現場勘查等工作。也可為登島人員提供位置數據和短報文數據通信服務，提高海洋部門對我國海島的保護和管理能力，支撐我國南海建設以及“一帶一路”戰略發展。海島保護及監測應用如圖2所示。

圖2　海島保護及監測應用

2.應用模式

根據海洋應用業務類型和用戶的不同需求，DCSS系統可為海洋領域提供的應用模式主要由三種：傳輸通道模式、原始數據模式和增值服務模式。

（1）傳輸通道模式

作為地面網絡的有效補充，DCSS系統為廣域信息感知和數據傳輸提供了高可靠的數據傳輸通道。DCSS可與海洋浮標等現有終端設備良好兼容，海洋行業部門可直接租用衛星數據傳送通道，由海洋衛星應用中心或海洋行業信息化專管部門負責衛星數據的接收、存儲、處理、分發及應用。

（2）原始數據模式

DCSS可實現數據采集和分發，為海洋行業部門提供采集數據。監測數據經衛星傳輸后由DCSS中的地面站子系統負責接收，再通過網絡管控中心子系統將原始數據分發至海洋行業內部專網。

（3）增值服務模式

DCSS還可為海洋領域的企業和大眾用戶提供增值服務。數據落地后由DCSS數據處理中心子系統進行數據處理。數據可接入地面移動通信網或互聯網，用戶所需的信息將通過短信、email等形式發送給用戶，用戶也可登陸應用服務平臺查看信息。

3.應用優勢

基于DCSS系統的自身特點，在海洋應用中系統具有如下優勢：

（1）系統容量大

整個星座由幾十顆低軌衛星組成，時間分辨率高，除兩極地區外均可保證信息的實時回傳。系統可容納千萬量級的用戶，單星可支持數百個終端同時接入，可滿足數據采集浮標和考察船、監測船等數據傳輸需求。

（2）覆蓋范圍廣

DCSS星座可實現全球范圍覆蓋，作為地面網絡和近岸系統的有效補充，DCSS將彌補在遠海信息采集方面通信手段的不足，在遠海數據回傳方面應用潛力巨大。

（3）安全性高

DCSS采用我國自行設計的通信體制，由我國自主開發并負責運營，衛星數據落地由我國自行接收和處理，極大保障了信息的安全性。

（4）終端小型化

DCSS衛星軌道高度較低，通信鏈路長度較短，信號衰減小，終端無需配備較大增益的發射天線，有利于海洋浮標和監測船艦載終端的小型化低功耗設計。

三、結論與建議

黨的十八大報告指出，要優化國土空間開發格局，提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。作為遠海環境監測和數據通信的必要手段，DCSS具有大容量、全球覆蓋以及終端小型化、低功耗等特點，在海洋應用中有著巨大的應用潛力。從國家戰略的角度出發，建議盡快啟動DCSS星座系統建設，填補國內空白，為保護海洋生態環境、維護國家海洋權益、建設海洋強國做出應有貢獻。

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