衛星技術在體育行業的應用

文|劉泳慶

國家體育總局體育科學研究所

2020年12月，嫦娥五號探測器實現了我國首次地外天體采樣返回。與此同時，探測器上還搭載了體育的元素，包括國際奧委會和國際殘奧委會會旗、北京冬奧會和冬殘奧會會旗、會徽等。這是航天與體育在文化上的一次重要融合。但事實上，衛星應用早已走入了體育領域，滲透至體育行業的方方面面。本文針對衛星技術在體育行業的應用，從通信衛星、導航衛星和遙感衛星在體育運動領域應用的角度進行了概述，并提出了未來衛星技術在體育行業的進一步發展方向。

一、衛星通信技術提升賽事轉播質量，保障戶外賽事安全

衛星通信技術具有覆蓋面大、頻帶寬、容量大、性能穩定可靠、機動靈活、不受地理條件限制、成本與通信距離無關等特點，適用于多種業務，包括固定衛星業務、衛星廣播業務、移動衛星業務、中繼衛星業務等領域。在體育行業，衛星通信技術在賽事轉播和應急通信中已有廣泛的應用基礎。

1.衛星通信技術的發展不斷提升電視觀眾觀賽體驗

衛星通信技術可以覆蓋全球，且不受地形限制，因此在體育賽事轉播中可以為全球觀眾帶來身臨其境的觀看體驗。1964年的第18屆東京奧運會首次通過衛星實現全球直播（圖1），通過衛星信號傳輸，使奧運會的觀眾從10萬計增加到數以億計，人們可以在第一時間了解比賽進程和實況。

圖1 首次通過衛星全球直播的1964年東京奧運會開幕式

在2021年7月舉行的第32屆東京奧運會中，中國衛通中星6A、中星6B、中星6C和中星9號等衛星共同承擔了奧運比賽節目在中國的傳輸任務，為電視觀眾帶來奧運會盛況，全國人民共同見證了奧林匹克精神和中國奧運健兒風采。隨著通信衛星技術的飛速發展，奧運轉播也從最初的黑白信號發展到了如今的8K高清直播，更高的分辨率與視覺沖擊力能夠展現出更多的比賽細節，增強觀眾體驗。在2021年東京奧運會的轉播中，中央廣播電視總臺啟動了“5G+4K/8K超高清制播示范平臺”項目，應用了4K/8K超高清轉播系統等新技術。圖2為中央廣播電視總臺轉播東京奧運會的8K超高清轉播車。2021年9月9日成功發射的中星9B衛星特別設計了專門用于開展直播業務的轉發器，支持4K、8K高清視頻節目傳輸，具備為北京2022年冬奧會等大型活動或體育賽事提供高質量直播傳輸服務的能力。

圖2 中央廣播電視總臺轉播東京奧運會的8K超高清轉播車

2.衛星通信技術保障戶外賽事安全

許多戶外賽事，如越野賽、游艇賽和汽車拉力賽等競賽會在偏遠地區和惡劣氣候條件下進行，通常的移動通信技術難以滿足此類需求。衛星通信技術可覆蓋全球且不受環境影響，通過提供穩定的網絡以保障賽事的安全，是移動通信網絡無法覆蓋區域的最佳解決方案，可為參賽者提供至關重要的互聯服務、安全通信和定位服務，以確保發生任何緊急情況，賽事主辦方都能為參賽者提供及時的應對措施和解決方案。

以航海運動為例，在近海可以通過海岸電臺和陸地進行通信交流，可是茫茫無際的大洋遠超出了海岸電臺的通信距離，只有通過海事衛星才能和外界進行溝通。航行過程中的天氣變幻莫測，需要隨時保持與后方氣象專家的聯系，獲取天氣、冰期、洋流等信息，才可能順利完成航行。海事通信衛星對于航海運動的安全起到了決定性的作用。圖3為翟墨1號帆船上配置的海事衛星通信設備。

圖3 翟墨1號帆船上配置的海事衛星通信設備

二、衛星導航技術助力運動表現提升，保障賽事和基建服務

全球導航衛星系統（GNSS）是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統。目前，全球四大衛星導航系統包括：美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的全球衛星導航系統（GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo）、中國的北斗衛星導航系統（BDS）；區域系統有日本的準天頂系統（QZSS）、印度區域導航衛星系統（NAVIC）。衛星導航技術在體育領域的應用最為普遍，幾乎所有的智能手表都會利用GNSS技術來對用戶運動的軌跡進行監控。

1.衛星導航技術為科學化的運動表現分析提供數據基礎

全球導航衛星系統應用于體育領域已經有二十多年的時間，涉及的運動項目主要包括：足球、沙灘足球、橄欖球、澳式足球、滑輪運動、田徑、馬拉松、越野定向運動、板球、網棒球、曲棍球、高爾夫球、沖浪、風箏沖浪、自行車、越野滑雪、高山滑雪、皮劃艇、帆船和賽艇、賽馬、游泳、摩托車等。位置和速度數據是衛星導航系統可直接獲取的物理量數據，基于GNSS針對運動員、運動器械等在運動中獲取的位置和速度數據，進一步可分析并評估用戶的運動軌跡、位移、運動距離、運動位置分布、速度區間分布、沖刺速度、重復沖刺速度、瞬時速度、加速度、步態（包括步頻、步速、步長等）、跳躍性能（包括跳躍水平距離、垂直高度、落差、跳躍空中時間等）、碰撞檢測、變向次數等，再結合運動學理論即可對運動員的體能情況、移動模式、技戰術、高強度運動的量化評估以及對能耗情況開展分析，還可以在運動負荷、比賽需求、運動訓練監控、傷病預防和康復、選材、青訓等方面起到重要作用。圖4為足球運動員佩戴基于GNSS的可穿戴設備進行訓練的場景。

圖4 基于GNSS的可穿戴設備

首都體育學院的科研團隊基于國家重點研發計劃“主動健康和老齡化科技應對”重點專項中的全民健身場景，研制了“北斗+UWB可穿戴定位終端”。該系統可直接應用于北京冬奧會備戰，以高山滑雪場景為例，通過高精度北斗定位技術、快速運動中的實時定位與速度、加速度解算算法，實現對運動員的運動軌跡測量、運動速度與加速度分析，達到輔助運動員訓練、提高運動成績的目的。

2.衛星導航技術保障賽事順利舉行

利用衛星導航技術，賽事舉辦方可以實現對參賽人員、車輛、船舶的實時定位和遠程監控，追蹤賽場中的各種實時狀態，結合數據的后臺處理為賽事順利舉辦提供保障。在馬拉松賽事中，利用高精度GNSS定位技術，可以對領跑員、存包車、救護車、收容車實時跟蹤定位，參賽運動員可隨時隨地了解參賽信息、賽事指引、起終點位置、賽道補給等一系列賽事相關信息。另外，在部分賽事中，衛星導航終端可以作為裁判的輔助工具，利用運動員、車輛、船只的運行軌跡、平均時速等數據，輔助裁判的精確評判。衛星導航技術還被運用到賽場內外保障、運動員服務、應急救援、觀眾觀賽、安保監測等多個方面。

3.衛星導航技術為重大賽事基建提供服務

衛星導航技術對于賽事的基建具有重要作用，事實上，針對賽事的基建服務是衛星導航系統的二次應用。以北斗衛星導航系統助力北京冬奧會順利舉辦為例，基于北斗高精度定位技術的自動駕駛車輛包括無人駕駛MINI清掃車、無人駕駛MINI配送車、無人駕駛中型巴士、無人駕駛大型清掃車、無人駕駛共享轎車等已經在冬奧會首鋼園區內開展示范應用。延慶—崇禮高速公路作為冬奧會延慶賽場與張家口崇禮賽場的直達高速通道，其路段安裝了北斗隧道定位信號擴展系統，為隧道內行駛的各種車輛提供定位和導航服務，實現了北斗衛星導航信號在隧道內的全覆蓋，保障奧運會期間的安全。另外，北斗衛星和地理信息系統技術為冬奧會重要交通基礎設施的京張高鐵建設、運營、調度、維護、應急全流程提供了智能化服務。圖5為在首鋼園展出的智能巡檢無人車。

圖5 在首鋼園展出的智能巡檢無人車

三、衛星遙感技術為重大賽事和賽事的氣象提供保障

衛星遙感技術的發展改變了人類獲取地球系統數據和對地球系統的認知方式，主要用于國土普查、地形測繪、城市規劃、水利和環境資源變化監測、服務防災減災等。在體育行業，衛星遙感技術主要應用在重大賽事保障和氣象保障等領域。

1.衛星遙感技術為重大賽事提供安全保障

隨著衛星遙感影像的分辨率越來越高，實時獲取賽場周邊環境的高清影像就可以為重大賽事提供保障。具有中高分辨率雙遙感器的對地觀測小衛星北京一號在2008年北京奧運會時，對奧運場館和比賽道路周邊市容環境情況進行監測，為保障奧運期間環境衛生和城市運行提供大量的數據支持。2021年6月發射的北京三號衛星與在軌運行的北京二號遙感衛星星座系統協同工作，為北京冬奧會的重大工程建設提供重要支撐。圖6為北京三號衛星A星于2021年9月22日拍攝的北京冬奧村。

圖6 北京三號衛星A星于2021年9月22日拍攝的北京冬奧村

2.衛星遙感技術為競技運動提供賽時氣象數據

氣象保障主要包括兩個層面，其一是賽事舉辦方基于辦賽期間的氣象情況做好賽事的氣象預案；其二是參賽運動員、教練員團隊在賽前訓練、備戰和比賽時針對氣象情況制定訓練計劃和比賽技戰術。

氣象保障是重大賽事舉辦的關鍵環節之一。我國1990年發射的風云一號B星（FY-1B）和2008年發射的風云三號A星（FY-3A）分別為北京亞運會和北京奧運會的氣象保障提供了數據支撐。為確保2008北京奧運會、殘奧會期間的空氣質量，國家衛星氣象中心利用荷蘭空間計劃署和芬蘭氣象研究院合作開發完成的裝載在美國國家航空航天局（NASA）地球觀測系統AURA衛星上的OMI/AURA儀器，觀測并定量分析了對流層二氧化氮總量和氣溶膠光學厚度的情況。

另外，許多戶外運動項目受氣象狀況影響很大，比如短跑項目在順風和逆風的情況下，成績就會有很大的差異。運動員需要根據不同的氣象情況調整技戰術安排。因此，教練團隊和科技保障團隊會為運動員有針對性地準備比賽時的氣象報告。如在越野滑雪和冬季兩項等雪上冬季項目中，可根據場地往年風速風向的參數來預測比賽時的風參數，進而制定相應的戰術來有效利用和應對氣象。國家體育總局體育科學研究所于2020年6月編制了《高溫環境的訓練與比賽指導手冊》，通過對近四十年奧運會同期東京的氣候特征、國內與東京氣候相近地區的比較、奧運會期間東京的氣候趨勢情況進行分析，針對可能出現的高溫天氣問題進行探討與總結，總結應對策略與具體措施。

在第32屆東京奧運會中，中國氣象局首次成立奧運會氣象服務保障專家組，全程為前方在東京、札幌、神奈川和靜岡等四個主要比賽城市的中國代表團提供精細化氣象服務保障。在這次保障中，針對氣象信息的預報，首次嘗試檢驗使用衛星數據同化后的資料。在缺少全球觀測資料的情況下，衛星反演資料未來可成為一種重要的補充手段。

2021年9月第十四屆全國運動會在西安舉行。仍處于在軌測試階段的風云四號B星（FY-4B）和風云三號E星（FY-3E）邊測試、邊應用，采用精細度可達250m的快速成像技術，結合高精度光學微波組合大氣溫濕度垂直分布探測，實現天氣系統內在結構的精確刻畫，為全運會圣火采集儀式、火炬傳遞、開閉幕式及賽場、賽事服務提供了重要保障。氣象保障團隊針對各賽區、各賽場的天氣進行逐小時分析，為比賽提供應對建議，為恢復比賽提供氣象依據。在9月5日的壘球比賽、24日的高爾夫球比賽和25日的公路自行車賽中，由于受降雨的影響，賽事組委會參考氣象部門的建議綜合研判，對賽道路線和競賽日程進行了及時的調整，保證了各項賽事活動順利進行。圖7為9月16日FY-4B衛星監測西安奧體中心體育場的氣象數據。

圖7 FY-4B衛星9月16日監測西安奧體中心體育場的氣象數據

四、衛星技術綜合應用參與共同保障

在實際的體育應用中，往往會有多類衛星參與共同保障。以2020年中國登山隊登頂珠峰為例。2020年5月27日上午11時整，珠峰高程測量登山隊攻頂隊員成功登頂珠峰！中國衛通中星6A衛星從拉薩市到5200m珠峰大本營、再到海拔約6500m的前進營地都提供了不間斷的保障服務，中途實況畫面均通過衛星傳回。而在登頂之后，首次應用北斗衛星導航系統針對珠峰高程進行了測量。另外，此次氣象監測則由風云四號等氣象衛星提供支持。圖8為2020年5月27日珠峰高程測量登山隊在峰頂使用北斗高精度定位設備對珠峰高程進行測量。

圖8 測量登山隊員在峰頂使用北斗高精度定位設備

五、結束語

當今新冠疫情仍在世界范圍內擴散，很難滿足觀眾在現場觀看比賽的需求，結合衛星通信與虛擬現實、AI等技術可以提升電視觀眾的體驗，是最近一段時期的發展趨勢。而我國北斗衛星導航系統已經開通全球化服務，借助北斗衛星導航系統所特有的北斗短報文功能，可以在移動網絡覆蓋不到的戶外極限賽事中，提供緊急救援，提升賽事的安全性。另外，衛星導航高精度應用目前在體育領域的應用還較少，未來可在此方向上進一步挖掘，探尋可行的應用方向。衛星技術看似與體育運動并不相關，但實際上衛星技術早已應用到體育各個領域，在未來結合各類技術為體育行業提供科技助力，衛星+體育將大有可為。