宗可 曹桂興 閆忠文

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)

(2 中國(guó)東方紅衛(wèi)星股份有限公司,北京 100081)

1 引言

數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)及廣闊的發(fā)展前景,在國(guó)家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中將扮演無法替代的重要角色。首先,數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座集采集、傳輸、傳感器為一體,為政府、行業(yè)以及個(gè)人提供災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)情評(píng)估、實(shí)時(shí)信息查詢以及指揮決策咨詢;其次,數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低成本、小型化終端、大地域?qū)崟r(shí)信息感知,應(yīng)用于對(duì)地遙感(實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)地觀測(cè)量的監(jiān)控)、位置監(jiān)控等方面。根據(jù)信息獲取的方式,可以將對(duì)地遙感分為直接感知和間接感知兩種,目前所有對(duì)地遙感衛(wèi)星都屬于間接感知,而直接感知又叫原位探測(cè),是在目標(biāo)點(diǎn)上放置傳感器,直接采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)信息,其信息的精確程度和實(shí)時(shí)性都優(yōu)于間接感知。目前可以用于對(duì)地觀測(cè)的狀態(tài)量幾乎包羅萬象,從大類上可以分為物理、化學(xué)、生物、人文等,這些大類里又包括諸如長(zhǎng)度、高度、質(zhì)量、時(shí)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(gè)數(shù)等狀態(tài)量。上述狀態(tài)量的傳感器市場(chǎng)上已很完善,有現(xiàn)成的商品可利用。主要問題是缺少?gòu)V地域?qū)崟r(shí)的數(shù)據(jù)傳輸手段,數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)以其低廉的價(jià)格、廣域的覆蓋、小型化的終端為特點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)上述需求的有效和唯一手段。

數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)是以安裝在地面的傳感器獲得的信息為數(shù)據(jù)來源,利用微小衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)廣地域的實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測(cè)和預(yù)警,滿足政府、行業(yè)以及個(gè)人對(duì)突發(fā)危險(xiǎn)部位的快速預(yù)報(bào),從而減少災(zāi)害給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。

與地面?zhèn)鬏斒侄蜗啾?基于衛(wèi)星的數(shù)據(jù)采集和傳輸業(yè)務(wù)具有以下優(yōu)勢(shì):

1)覆蓋廣域性:可以實(shí)現(xiàn)大地域、空域和海域的無縫覆蓋;

2)業(yè)務(wù)完存性:不受地理環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、天氣災(zāi)害等限制;

3)應(yīng)用靈活性:實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸;

4)運(yùn)營(yíng)高效和低建設(shè)成本:微小衛(wèi)星星座成本相對(duì)較低,地面監(jiān)控設(shè)備簡(jiǎn)單,系統(tǒng)維護(hù)和管理成本低。

此外數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也獨(dú)具特色。

除了具有以上所述的優(yōu)點(diǎn)以外,還具有突發(fā)通信,隱蔽性強(qiáng),終端體積小,可到達(dá)手持終端級(jí)別,攜帶方便,裝備費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。

再者,小衛(wèi)星定型后生產(chǎn)周期短,系統(tǒng)在戰(zhàn)時(shí)可以臨時(shí)部署,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),省去了在軌維護(hù)和戰(zhàn)備耗損。此外,還可以有多種發(fā)射方式,便于快速部署,并節(jié)約成本。

由此可見,數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、商業(yè)和軍事等應(yīng)用等領(lǐng)域可以發(fā)揮地面手段無法替代的作用。目前國(guó)外已經(jīng)有多個(gè)數(shù)據(jù)小衛(wèi)星星座投入運(yùn)營(yíng)。本文結(jié)合國(guó)外相關(guān)系統(tǒng)發(fā)展情況分析了發(fā)展國(guó)內(nèi)類似系統(tǒng)的意義和需求,提出了發(fā)展目標(biāo)和建設(shè)內(nèi)容以及一些具體的方案設(shè)想。

2 國(guó)外發(fā)展情況

2.1 “軌道通信”系統(tǒng)[1]

“軌道通信”(O RBCOMM)系統(tǒng)是美國(guó)ORBCOM M 公司擁有的全球數(shù)據(jù)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。ORBCOM M系統(tǒng)是專門針對(duì)雙向短數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳虡I(yè)化低軌衛(wèi)星星座,1997年投入使用。由美國(guó)軌道通信公司和加拿大Teleglobe 公司合伙經(jīng)營(yíng)。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(yuǎn)地區(qū)的固定點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸;另一種用于移動(dòng)載體的雙向數(shù)據(jù)通信。

ORBCOM M 業(yè)務(wù)包括傳輸管道、倉(cāng)庫(kù)和建筑設(shè)備的監(jiān)測(cè),跟蹤拖車、鐵路火車、集裝箱運(yùn)輸船等移動(dòng)設(shè)備,以及娛樂、商業(yè)、軍事和移動(dòng)市場(chǎng)的雙向數(shù)據(jù)通信。例如:美國(guó)法律規(guī)定在偏遠(yuǎn)地區(qū)的傳輸管道每20km 就必須設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)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(fèi)衛(wèi)星系統(tǒng)隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。ORBCOM M 衛(wèi)星與地基傳感/發(fā)射系統(tǒng)相結(jié)合,可跟蹤移動(dòng)設(shè)備,監(jiān)視作業(yè)條件并且傳播短數(shù)據(jù)、高優(yōu)先級(jí)的用戶信息。

2.2 “高級(jí)研究與全球觀測(cè)衛(wèi)星”系統(tǒng)

“高級(jí)研究與全球觀測(cè)衛(wèi)星”(Argos)系統(tǒng)是法國(guó)和美國(guó)聯(lián)合建立的,利用低軌衛(wèi)星傳送各種環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并對(duì)測(cè)量?jī)x器的運(yùn)載體進(jìn)行定位(見圖1)。為高緯度地區(qū)的水文、氣象監(jiān)測(cè)儀器提供了一種很好的通信手段。我國(guó)從1985年開始利用Argos系統(tǒng)傳送海洋水文氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和定位。隨后進(jìn)行了Argos 衛(wèi)星發(fā)射平臺(tái)(簡(jiǎn)稱PTT)的研制,現(xiàn)已在極區(qū)浮標(biāo)、中國(guó)ARGO 剖面浮標(biāo)、海表面漂流浮標(biāo)等方面獲得應(yīng)用,并取得了很好的應(yīng)用效果[2]。目前Argos系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代[3],Argos-2可以傳送32～256bit 的用戶數(shù)據(jù),而Argos-3可以傳送512～4 608bit 的用戶數(shù)據(jù)。

2.3 Aprize系統(tǒng)

阿派斯(Aprize)系統(tǒng)為美國(guó)AprizeGlobal 公司所有,為全球范圍的行業(yè)公司和交通運(yùn)輸部門提供移動(dòng)和固定監(jiān)控終端的窄帶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。該公司利用商業(yè)化小衛(wèi)星星座,運(yùn)行AprizeStar 網(wǎng)絡(luò),開發(fā)用戶設(shè)備,包括傳感器、通信機(jī)以及增值服務(wù),推廣行業(yè)應(yīng)用,例如集裝箱、油罐、化學(xué)品庫(kù)等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)測(cè),車輛的行駛路線跟蹤。AprizeStar衛(wèi)星重10kg,軌道高度650km,首星于2002年發(fā)射,次年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng),它采用低成本的系統(tǒng)架構(gòu)和搭載發(fā)射,大大降低用戶設(shè)備成本和服務(wù)費(fèi)。

圖1 Argos系統(tǒng)中的極軌環(huán)境衛(wèi)星(POES)Fig.1 Polar-Orbiting Environmental Satellite of Argos system

以上介紹了三個(gè)國(guó)外的典型系統(tǒng),其中O RBCOMM 和Argos 已經(jīng)有十年以上的成熟運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),前者在2009年全年利潤(rùn)將近40 000 000 美元,較之投入,產(chǎn)出可觀。能夠取得如此成績(jī)很重要的一點(diǎn)是由于其市場(chǎng)調(diào)研充分,定位準(zhǔn)確。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面向數(shù)據(jù)通信用戶,并嚴(yán)格按照應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì),以較小的投入,服務(wù)于更廣泛的用戶群體。Aprize系統(tǒng)與ORBCOM M 類似,屬于商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)。運(yùn)營(yíng)商著重考慮費(fèi)效比因素,從衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、制造、發(fā)射到運(yùn)營(yíng)每一個(gè)環(huán)節(jié)都非常重視控制成本,加之有效的市場(chǎng)開拓,使得用戶會(huì)用并且用得起,因而很大程度上降低了整個(gè)項(xiàng)目的投資風(fēng)險(xiǎn)。

從國(guó)外類似系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)中可以得到一定的啟示,簡(jiǎn)要來說,就是充分調(diào)研,量體裁衣,控制成本,拓展市場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上,可以充分發(fā)掘系統(tǒng)的應(yīng)用潛力,使得其不僅在商業(yè)上能夠獲得較為豐厚的效益,還可以在公益事業(yè)和科學(xué)研究方面發(fā)揮一定的作用。

除了以上介紹的幾個(gè)系統(tǒng)以外,還有為數(shù)不少的類似帶有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能的系統(tǒng),正在建設(shè)或已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng),表1給出了國(guó)外部分已建成或計(jì)劃中帶有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的低軌小衛(wèi)星星座的相關(guān)資料。

表1 國(guó)外部分?jǐn)?shù)據(jù)低軌小衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)資料[4-6]Table1 Overseas LEO data communication small-satellite(DCSS)systems

3 應(yīng)用需求

根據(jù)應(yīng)用對(duì)象不同,可以將應(yīng)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(shù)據(jù)微小衛(wèi)星系統(tǒng)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(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)和商業(yè)應(yīng)用等(見表2)。

表2 數(shù)據(jù)小衛(wèi)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(shù)據(jù)通信在軍事方面的應(yīng)用非常廣泛,概括來說,就是在傳感器、決策管理者、作戰(zhàn)人員以及支援設(shè)施這幾個(gè)軍事要素之間交換信息,這里簡(jiǎn)單列舉部分應(yīng)用如下:

1)給養(yǎng)指令的傳遞;

2)地理位置報(bào)告;

3)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)報(bào)告;

4)救援與求救信號(hào);

5)傷亡人員狀態(tài)查詢;

6)特種小隊(duì)的聯(lián)絡(luò);

7)坦克、火炮、飛彈等武器裝備狀態(tài)報(bào)告;

8)軍火庫(kù)中武器裝備的實(shí)時(shí)管理狀態(tài);

9)聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)的敵我識(shí)別及狀態(tài)情報(bào)共享。

通過以上應(yīng)用,并在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮系統(tǒng)兼容性,可將微小衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)系統(tǒng)納入到戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中,進(jìn)而完善作戰(zhàn)指揮網(wǎng),使得信息從單一的“樹”形傳遞模式向新型的網(wǎng)絡(luò)傳遞轉(zhuǎn)變,并促進(jìn)數(shù)據(jù)鏈的微型化、單兵化發(fā)展。

實(shí)際上,微小衛(wèi)星在軍事戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信上已得到應(yīng)用。例如美國(guó)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)與對(duì)南空襲期間,緊急發(fā)射具有儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)和多址通信功能的小衛(wèi)星——“多址通信衛(wèi)星”(MACSAT)[7],用來交換給養(yǎng)指令及與美國(guó)總部聯(lián)絡(luò)等后勤信息,在保證多國(guó)部隊(duì)的軍事行動(dòng)中具有上佳表現(xiàn)。美國(guó)已將其列入國(guó)防發(fā)展重點(diǎn)之一,目前已研制成定型小衛(wèi)星供軍方使用,8h 內(nèi)可完成小衛(wèi)星的發(fā)射和應(yīng)用。

因此,基于微小衛(wèi)星的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以與現(xiàn)有地面通信、靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)合在一起,在現(xiàn)代軍事通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用,微小衛(wèi)星系統(tǒng)同時(shí)也可應(yīng)用于新聞、安全、公安、消防等部門的特種數(shù)據(jù)通信。

4 業(yè)務(wù)模式與系統(tǒng)組成

根據(jù)需求可以將數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模式分為儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)(save and forw ard)模式[8]和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)模式。

儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)模式一般應(yīng)用于由一顆或者幾顆衛(wèi)星組成的非實(shí)時(shí)通信系統(tǒng),不存在星際鏈路。當(dāng)信源站(或者應(yīng)用終端)與信宿站不在同一衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)內(nèi)時(shí),信源站發(fā)出的信息被儲(chǔ)存在衛(wèi)星存儲(chǔ)器內(nèi),當(dāng)衛(wèi)星掠過信宿站的區(qū)域上空時(shí),衛(wèi)星將存儲(chǔ)的信息發(fā)出供信宿站接收。

而實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)模式可以由兩種途徑實(shí)現(xiàn),較為復(fù)雜的是通過設(shè)有星間鏈路的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)完成,但星間鏈路耗費(fèi)大量星上資源,并且維護(hù)復(fù)雜,對(duì)于目的是降低成本且重量很輕的小衛(wèi)星,甚至微小衛(wèi)星系統(tǒng)來講,實(shí)現(xiàn)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(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)信源和信宿站在同一衛(wèi)星的波束覆蓋區(qū)內(nèi)時(shí),由信源發(fā)出的信息就可以立即被轉(zhuǎn)發(fā)至信宿站。

參考國(guó)外相關(guān)系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成,可將數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座(空間段)、業(yè)務(wù)管理和控制地面站(地面運(yùn)控段)以及用戶終端(應(yīng)用段)三部分,如圖2所示。

數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星系統(tǒng)可以為固定、移動(dòng)用戶提供低速的數(shù)據(jù)服務(wù)。衛(wèi)星采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)或?qū)崟r(shí)傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ?具體情況可視市場(chǎng)調(diào)研情況而定,關(guān)鍵是要兼顧系統(tǒng)的成本與效能,盡量降低用戶的使用成本和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本。系統(tǒng)可根據(jù)項(xiàng)目的發(fā)展階段不同和業(yè)務(wù)的需求,在初期發(fā)射數(shù)顆衛(wèi)星并能夠完成區(qū)域性基本業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上逐步完善,若系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀況良好,可逐步開拓國(guó)內(nèi)外市場(chǎng),最終達(dá)到空間段由30顆左右的小衛(wèi)星組成的全球運(yùn)營(yíng)不間斷通信系統(tǒng)的目標(biāo),如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of DCSS system

同時(shí),運(yùn)控段部分的建設(shè)內(nèi)容可包括如下幾個(gè)方面:在地面設(shè)置1～2個(gè)主站(雙站可互為備份),負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行管理和數(shù)據(jù)的分發(fā),用戶部門根據(jù)需要也可以設(shè)置若干單收站。地面主站負(fù)責(zé)整個(gè)微小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行控制和業(yè)務(wù)管理,還兼有單收站功能,單收站提供給業(yè)務(wù)歸口的主管部門(見圖4)。

數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)可以支持手持式、嵌入式應(yīng)用終端。終端采用小型鋰電池、鈕扣電池或太陽(yáng)電池等供電。工作方式采用間歇式工作,按需發(fā)送數(shù)據(jù),不必連續(xù)發(fā)送,這樣既節(jié)省終端用電量,又延長(zhǎng)使用時(shí)間,還可以節(jié)省衛(wèi)星存儲(chǔ)容量,為更多的用戶提供接入,提高系統(tǒng)可用度。

對(duì)于散戶終端可開展多種業(yè)務(wù),比如可將數(shù)據(jù)匯入地面移動(dòng)通信網(wǎng),提供衛(wèi)星短消息業(yè)務(wù)或利用系統(tǒng)主控手機(jī)或E-mail 發(fā)送至用戶郵箱。

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

圖4 數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)Fig.4 Network control f rame of DCS system

5 結(jié)束語

未來,數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊。首先,在關(guān)系國(guó)計(jì)民生的政府公益性應(yīng)用領(lǐng)域,衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用可以提升社會(huì)效益,快速處理突發(fā)公共事件的能力。例如在環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)、安全生產(chǎn)監(jiān)控、遇險(xiǎn)搜救、弱勢(shì)群體關(guān)懷、動(dòng)植物保護(hù)等方面都將發(fā)揮重要的作用。其次,根據(jù)需要各類終端上都可以嵌入衛(wèi)星導(dǎo)航芯片,藉此可以帶動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航芯片的快速發(fā)展,以及產(chǎn)品化、規(guī)?；纳a(chǎn)和應(yīng)用。此外,數(shù)據(jù)微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以促進(jìn)衛(wèi)星制造業(yè)的發(fā)展,更重要的是可以帶動(dòng)數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)業(yè)、終端產(chǎn)品制造業(yè)以及數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)更加快速和規(guī)?；陌l(fā)展,并且在推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸和拓展,落實(shí)大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)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(wèi)星發(fā)射平臺(tái)研究與Argos 通訊系統(tǒng)應(yīng)用[J].海洋技術(shù),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(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)與應(yīng)用[M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社,2004

[6]張更新,張杭.通信工程叢書——衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)[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