天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展設(shè)想

時(shí)間：2016-11-26　來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)　作者：網(wǎng)絡(luò)　點(diǎn)擊：次

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作者：柳罡、陸洲、周彬、胡金暉、秦鵬、秦智超（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院專家），發(fā)表于《中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》第10卷第6期

一、引言

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟定義，物聯(lián)網(wǎng)是解決物品與物品，人與物品，人與人之間的互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。天基物聯(lián)網(wǎng)是以天基通信網(wǎng)絡(luò)為核心和基礎(chǔ)，并融合了天基導(dǎo)航、遙感等服務(wù)，為物品與物品，人與物品，人與人提供無(wú)障礙交互的綜合信息系統(tǒng)。

鑒于天基信息系統(tǒng)的特點(diǎn)，天基物聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)增加了許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

1) 通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域廣，可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，傳感器的布設(shè)幾乎不受空間限制。

2) 幾乎不受天氣、氣候影響，全天時(shí)全天候工作。

3) 系統(tǒng)抗毀性強(qiáng)，自然災(zāi)害、突發(fā)事件等應(yīng)急情況下依舊能夠正常工作。

物聯(lián)網(wǎng)從1999年提出至今，已經(jīng)形成了完整的概念，依托地面網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸發(fā)展成熟，但在一些大范圍、跨地域、惡劣環(huán)境等數(shù)據(jù)收集的領(lǐng)域，由于空間、環(huán)境等限制，地面物聯(lián)網(wǎng)無(wú)能為力，出現(xiàn)了服務(wù)能力與需求失配的現(xiàn)象。這些領(lǐng)域包括：

1) 海洋、森林、礦產(chǎn)等資源的監(jiān)視與管理

2) 森林、山體、河流、海洋等地區(qū)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)

3) 深海、遠(yuǎn)海的海洋監(jiān)測(cè)管理，海上浮標(biāo)、海上救生等

4) 交通、物流、輸油管道、電網(wǎng)等監(jiān)控管理

5) 野外環(huán)境下珍稀動(dòng)物的跟蹤監(jiān)測(cè)

6) 軍事的無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、車輛的協(xié)同控制

利用天基信息網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)天基物聯(lián)網(wǎng)載荷和終端設(shè)備，將復(fù)雜環(huán)境下的傳感器連入天基物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)信息的跨地域傳輸，是解決目前地面物聯(lián)網(wǎng)短板的有效途徑。隨著我國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，天基物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景充滿潛力。

二、發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)明確提出天基物聯(lián)網(wǎng)的概念，但是基于天基信息系統(tǒng)開(kāi)展的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)及控制等在某些領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，這些應(yīng)用本質(zhì)上都屬于天基物聯(lián)網(wǎng)的范疇。比較典型有國(guó)外的Orbcomm系統(tǒng)，Argos系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)基于北斗系統(tǒng)的輸變電設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及軍事上的衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈等。

1.1 Orbcomm系統(tǒng)

“軌道通信”(ORBCOMM)系統(tǒng)是美國(guó)ORB-COMM公司擁有的全球數(shù)據(jù)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。ORB-COMM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。Orbcomm地面段包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制中心和一定數(shù)量的關(guān)口站。整個(gè)Orbcomm系統(tǒng)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制中心負(fù)責(zé)運(yùn)行管理。關(guān)口站的主要任務(wù)是在一定的服務(wù)區(qū)內(nèi)提供報(bào)文處理和對(duì)用戶進(jìn)行管理。Orbcomm系統(tǒng)用戶終端使用的是較低成本的VHF電子設(shè)備，這種設(shè)備天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝靈活、功耗低，可由長(zhǎng)壽命電池供電。

利用Orbcomm衛(wèi)星系統(tǒng), 用戶可以開(kāi)展包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)控、車輛船舶及移動(dòng)設(shè)施的跟蹤定位、短信息報(bào)文的傳遞、收發(fā)電子郵件等方面的應(yīng)用。ORBCOMM 系統(tǒng)的應(yīng)用涉及多工業(yè)領(lǐng)域, 諸如交通運(yùn)輸、油氣田、水利、環(huán)保、漁船和消防報(bào)警等方面。

1.2 ARGO系統(tǒng)

“高級(jí)研究與全球觀測(cè)衛(wèi)星”(Argos)系統(tǒng)是由法國(guó)和美國(guó)聯(lián)合建立，該系統(tǒng)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，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。

ARGO全球海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)計(jì)劃在全球大洋中每隔300km布放一個(gè)由衛(wèi)星跟蹤的剖面漂流浮標(biāo)，總計(jì)為3000個(gè)，組成一個(gè)龐大的ARGO全球海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)。ARGO計(jì)劃是一個(gè)典型的利用天基信息網(wǎng)絡(luò)將人、平臺(tái)和傳感器互聯(lián)的天基物聯(lián)系統(tǒng)，能快速、準(zhǔn)確、大范圍地收集全球海洋0~2000ｍ的海水溫度和鹽度剖面資料，有助于更細(xì)致地了解大尺度實(shí)時(shí)海洋的變化，提高氣候和海洋預(yù)報(bào)的精度，有效防御全球日益嚴(yán)重的氣候和海洋災(zāi)害（如颶風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、冰暴、洪水和干旱，以及風(fēng)暴潮、赤潮等）給人類造成的威脅。

Argos系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，包括氣候變化監(jiān)測(cè)、海洋與氣象監(jiān)測(cè)、生物多樣性保護(hù)、水資源監(jiān)控、海上資源管理和保護(hù)等。

1.3 北斗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

我國(guó)在廣西電網(wǎng)玉林變電站對(duì)基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。在變電站現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)控終端包括主變監(jiān)控終端、母線監(jiān)控終端、斷路器監(jiān)控終端等，這些監(jiān)控終端將采用衛(wèi)星接入機(jī)、衛(wèi)星小站、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊等與北斗衛(wèi)星組成雙向通信線路。位于南寧的廣西電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)與評(píng)估中心，可以通過(guò)衛(wèi)星信道向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)采集周期、監(jiān)測(cè)裝置重啟、監(jiān)測(cè)裝置自檢、時(shí)間同步與校準(zhǔn)等命令。另一方面，也可以接收監(jiān)測(cè)終端發(fā)送來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)縱向分析、橫向比對(duì)等方式判斷被監(jiān)測(cè)的輸變電設(shè)施的健康狀態(tài)。通過(guò)北斗物聯(lián)網(wǎng)在玉林站的應(yīng)用，有效提高了該站輸變電設(shè)施的運(yùn)維效率，降低設(shè)施的運(yùn)維成本，提高了設(shè)施的供電可靠性，每年節(jié)支增收超過(guò)500 萬(wàn)元。因此，基于天基物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有非常高的經(jīng)濟(jì)效益和推廣前景。

1.4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈

除了在民用方面，在軍事上天基物聯(lián)網(wǎng)也具備巨大的應(yīng)用價(jià)值，最典型的應(yīng)用當(dāng)屬衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈。它按照統(tǒng)一規(guī)定的消息格式和通信協(xié)議，在廣域范圍內(nèi)支持天基和空基傳感器網(wǎng)絡(luò)、指控系統(tǒng)、情報(bào)處理中心、武器平臺(tái)之間的直接鏈接，從而有效減少信息處理環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)效性。

目前國(guó)際上正在研究或裝備使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈主要有三種，英國(guó)皇家海軍衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈(STDL)、美國(guó)海軍的衛(wèi)星戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息鏈路J（S-TADIL J）、美國(guó)空軍的JTIDS延伸（JRE）。衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈目前被廣泛的用于大范圍、超視距指揮控制、大范圍戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)實(shí)時(shí)獲取、廣域態(tài)勢(shì)共享、多軍種戰(zhàn)術(shù)級(jí)協(xié)同、跨區(qū)域多個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)互連、全球快速精確打擊等領(lǐng)域。

三、應(yīng)用分類

從上面可以看出，天基物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，不同應(yīng)用領(lǐng)域的用戶數(shù)量、數(shù)據(jù)大小以及對(duì)實(shí)時(shí)性的要求存在較大差異，這些差異給天基物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息的特征差異，可以將適合天基物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)象分為幾個(gè)大類：

1）數(shù)據(jù)采集類：又分為兩個(gè)子類：

a、參數(shù)采集類：例如布設(shè)在運(yùn)輸車輛、輸油管道，輸電線路，浮標(biāo)、原始森林的監(jiān)測(cè)傳感器等。此類數(shù)據(jù)由于內(nèi)容主要是一些格式固定的參數(shù)信息，數(shù)據(jù)量小，通常在比特量級(jí)。因此，對(duì)傳輸帶寬、傳輸速率要求不高，對(duì)硬件要求不高，終端容易做到小型化，適合大范圍布設(shè)，用戶數(shù)量比較多。在實(shí)時(shí)性方面，一般采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制，不需要像實(shí)時(shí)語(yǔ)音那樣的苛刻要求，采集的間隔根據(jù)不同的應(yīng)用從幾分鐘到數(shù)小時(shí)不等�？刹捎玫蛙壭l(wèi)星接入，用戶鏈路速率設(shè)計(jì)在Kbps量級(jí)，饋電鏈路幾十Kbps即可滿足要求，如orbcomm系統(tǒng)。

b、圖像/視頻采集類：例如無(wú)人偵察機(jī)、彈載偵察設(shè)備、浮空設(shè)備等。此類應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要是圖像和視頻，數(shù)據(jù)量較大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量從數(shù)十KB到數(shù)百M(fèi)B不等，例如美國(guó)全球鷹無(wú)人偵察機(jī)每秒數(shù)據(jù)在百M(fèi)B量級(jí)。且在一些特定任務(wù)下有比較高的實(shí)時(shí)性要求，例如實(shí)時(shí)指揮無(wú)人機(jī)戰(zhàn)術(shù)打擊。此類應(yīng)用一般采用寬帶衛(wèi)星接入，設(shè)計(jì)傳輸速率要達(dá)到數(shù)十乃至上百M(fèi)B/s。該類應(yīng)用對(duì)天基信息系統(tǒng)的傳輸性能提出了較高要求。

2）數(shù)據(jù)廣播類：廣域，寬/窄帶信息。主要對(duì)象包括各類傳感節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、作戰(zhàn)單元、應(yīng)急信息、天氣信息、交通狀況等。廣播類的數(shù)據(jù)類型繁多，從數(shù)據(jù)量較小的指令參數(shù)到數(shù)據(jù)量大的高清視頻都可以通過(guò)衛(wèi)星廣播實(shí)現(xiàn)。在某些應(yīng)用下對(duì)實(shí)時(shí)性有一定的要求，例如電視直播和戰(zhàn)區(qū)同意行動(dòng)指令的下達(dá)。衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以高軌寬帶為主，星上硬件配置較高，天線具有較大陣面。地面終端類型根據(jù)業(yè)務(wù)不同，種類較多，大小不一。數(shù)據(jù)廣播類的應(yīng)用目前較為成熟，這里不做過(guò)多分析，但其對(duì)天基物聯(lián)網(wǎng)的整體建設(shè)至關(guān)重要，是一種不可或缺的業(yè)務(wù)組成和手段。

3）控制類：數(shù)據(jù)率較低、實(shí)時(shí)性高、信道專用、高可靠保障。主要對(duì)象包括車輛、飛機(jī)、船只、導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、臨近空間飛行器等。該類應(yīng)用傳輸?shù)男畔⒅饕强刂浦噶詈蛯?shí)時(shí)狀態(tài)，例如在軍用上空中行動(dòng)的引導(dǎo)指揮、無(wú)人裝備的指揮控制、戰(zhàn)情的報(bào)告、請(qǐng)示等。民用上主要是一些超視距、無(wú)人機(jī)器或值守戰(zhàn)行動(dòng)指令的下達(dá)，例如野外無(wú)人值守電力站控制、外星環(huán)境探測(cè)器控制等。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以控制類信息為主，數(shù)據(jù)量較小，Kbps量級(jí)甚至是bps量級(jí)通信鏈路即可沒(méi)滿足速率要求。但是由于控制指令至關(guān)重要，容錯(cuò)性低，該應(yīng)用對(duì)信息傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃砸笫指�，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在安全保密、抗干擾、編譯碼糾錯(cuò)等方面要進(jìn)行重點(diǎn)考慮。同時(shí)由于控制目標(biāo)的狀態(tài)可能實(shí)時(shí)改變，該類應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求非常高。

通過(guò)對(duì)天基物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行分類，可以針對(duì)性開(kāi)展天基物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如針對(duì)數(shù)據(jù)采集類的應(yīng)用，由于用戶數(shù)量眾多、信息量較少，對(duì)應(yīng)的終端設(shè)備易采取小型化的設(shè)計(jì)，利用低軌數(shù)據(jù)采集星座可以很好的滿足此類用戶的需求；針對(duì)數(shù)據(jù)廣播類的用戶，分布較廣，對(duì)信息的需求基本一致，采用高軌廣播的方式較為合適；對(duì)控制類的應(yīng)用，實(shí)時(shí)性要求較高，宜通過(guò)低軌通信系統(tǒng)進(jìn)行連接，且要建立固定信道，保障信息及指令的實(shí)時(shí)傳輸。

四、體系架構(gòu)

以天基信息網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，參照物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)天基物聯(lián)網(wǎng)體系如下。主要包括三個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層，其中標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)信息安全貫穿三層之中。

圖1 天基物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

感知層主要用于采集、定位物理世界中發(fā)生的事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、標(biāo)識(shí)、圖像、音頻、視頻等。該層包含兩個(gè)主要部分，一是傳統(tǒng)地基物聯(lián)網(wǎng)感知信息的天基物聯(lián)網(wǎng)接入，通過(guò)增加衛(wèi)星地面收發(fā)系統(tǒng)，將地面的局域傳感網(wǎng)絡(luò)與天基網(wǎng)絡(luò)互連，建立天地鏈路，實(shí)現(xiàn)天基物聯(lián)。二是天基感知信息的天基物聯(lián)網(wǎng)接入，如衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星定位以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的感知信息，此類衛(wèi)星的感知數(shù)據(jù)可直接進(jìn)入天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)相應(yīng)處理提供信息服務(wù)，如在衛(wèi)星遙感圖像中提取地形、地貌、地質(zhì)、空間環(huán)境、地面目標(biāo)的特征、災(zāi)害面積、災(zāi)害程度等信息，結(jié)合衛(wèi)星定位，并在應(yīng)用層與地面?zhèn)鞲衅髟O(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，獲取更精準(zhǔn)、透徹的地面信息。

網(wǎng)絡(luò)層主要由接入單元、天基傳輸網(wǎng)絡(luò)和云架構(gòu)的空間/地面處理平臺(tái)組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。接入單元主要是星載物聯(lián)網(wǎng)載荷設(shè)備，是天基物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。傳輸網(wǎng)絡(luò)包含信息獲取網(wǎng)、信息傳輸網(wǎng)、時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)和地面站網(wǎng)。信息獲取網(wǎng)主要指衛(wèi)星遙感系統(tǒng)和小衛(wèi)星采集星座系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)；信息傳輸網(wǎng)包括高軌的骨干通信網(wǎng)、低軌的移動(dòng)通信網(wǎng)以及高低軌之間的星間網(wǎng)絡(luò)鏈路；時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)；地面站網(wǎng)指衛(wèi)星的地面接收站、處理中心、測(cè)控中心組成的衛(wèi)星系統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)。

這四個(gè)部分互通互聯(lián)共同形成天基物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將構(gòu)建在融合基礎(chǔ)（云）設(shè)施之上，天基物聯(lián)網(wǎng)也不例外。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生、分析和管理的數(shù)據(jù)將是海量的，需要可擴(kuò)展的巨量計(jì)算資源予以支持，而云計(jì)算能夠提供彈性、無(wú)限可擴(kuò)展、價(jià)格低廉的計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)，滿足物聯(lián)網(wǎng)需求。隨著未來(lái)天基信息系統(tǒng)的發(fā)展，空間載荷能力的提升，利用空間資源開(kāi)展空間云平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)空間計(jì)算、存儲(chǔ)資源的高效利用成為未來(lái)天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢(shì)。地面應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)引入云計(jì)算，構(gòu)建地面數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，在此不予贅述。

應(yīng)用層是天基物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，如智能物流、智能軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能電力等。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是天基物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的保障。各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是一個(gè)多設(shè)備、多網(wǎng)絡(luò)、多應(yīng)用、互聯(lián)互融的超大網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通和全網(wǎng)共享，所有的接口、協(xié)議、標(biāo)識(shí)、信息交互及運(yùn)行機(jī)制等，都必須有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作指引。一方面，具備空間信息網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、信息共享的網(wǎng)絡(luò)接口、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，具備支撐天基物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行并提供服務(wù)數(shù)據(jù)的本行業(yè)或領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)、信息、傳感器及其管理標(biāo)準(zhǔn)。

除了以上內(nèi)容，由于天基物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)天基信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) M2M 智能相連的，因此，天基物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)及信息安全問(wèn)題是貫穿三層的另一重要保障。

五、功能組成

根據(jù)天基信息網(wǎng)絡(luò)中GEO、MEO、LEO衛(wèi)星系統(tǒng)的分布特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，通過(guò)合理規(guī)劃布局，突破空間云計(jì)算、星間組網(wǎng)、激光通信、數(shù)據(jù)采集、小型化終端等關(guān)鍵技術(shù)，建立能夠滿足不同行業(yè)領(lǐng)域物聯(lián)需求的天基物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)。

圖2 天基物聯(lián)網(wǎng)組成架構(gòu)

天基物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中包含地面段、空間段和用戶端。各段的主要組成如下：

1) 空間段：天基通信系統(tǒng)（包括高軌通信系統(tǒng)、低軌DCS系統(tǒng)）、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、遙感探測(cè)系統(tǒng)、虛擬空間信息處理中心。

2) 地面段：管理服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理中心、接收站網(wǎng)和運(yùn)控中心

3) 用戶端：微小型終端、固定終端和移動(dòng)終端

4.1 空間段

天基物聯(lián)網(wǎng)的空間段充分利用高軌衛(wèi)星廣域覆蓋，低軌衛(wèi)星低時(shí)延、高增益以及遙感衛(wèi)星廣域感知，導(dǎo)航衛(wèi)星精確定位等特點(diǎn)，由高中低軌配合的天基通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星系統(tǒng)互聯(lián)互通形成。通過(guò)空間資源虛擬化技術(shù)，搭建空間處理的云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空間信息處理，該設(shè)計(jì)將大大增加數(shù)據(jù)的利用率。

天基通信系統(tǒng)是天基物聯(lián)網(wǎng)的核心，主要包含高軌通信系統(tǒng)和低軌DCS星座，高軌通信系統(tǒng)主要針對(duì)數(shù)據(jù)廣播類應(yīng)用，可以充分利用衛(wèi)星信道，實(shí)現(xiàn)廣域的信息分發(fā)，如氣象信息、突發(fā)災(zāi)害信息、戰(zhàn)場(chǎng)指令等。高軌布設(shè)多顆大容量、高性能同步軌道衛(wèi)星，建立星間激光鏈路，實(shí)現(xiàn)大采集數(shù)據(jù)應(yīng)用的高速中繼傳輸；以高軌同步軌道衛(wèi)星為基礎(chǔ)，通過(guò)空間組網(wǎng)和空間虛擬化技術(shù)，搭建云架構(gòu)的空間信息處理中心�？臻g信息處理中心是未來(lái)天基信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性提出了日益嚴(yán)苛的要求，在空間建立處理中心，將傳感器信息如遙感圖像信息，在空間直接進(jìn)行分析處理，提取關(guān)鍵情報(bào)，直接下發(fā)用戶，對(duì)提高信息實(shí)時(shí)性，提高數(shù)據(jù)利用效率，減小數(shù)據(jù)傳輸量，降低衛(wèi)星信道占用具有重要意義。低軌DCS星座主要針對(duì)數(shù)據(jù)采集類應(yīng)用和控制類應(yīng)用，如海洋、森林、礦產(chǎn)監(jiān)測(cè)以及軍事指揮控制、武器協(xié)同等。衛(wèi)星遙感是利用衛(wèi)星上的感知設(shè)備，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域和特定設(shè)施進(jìn)行高解析度的監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可作為智能物聯(lián)網(wǎng)的決策非常重要的輔助數(shù)據(jù)，在某些應(yīng)用中，如物流、應(yīng)急等，遙感信息將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在交通、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域大量應(yīng)用，具有精度高、覆蓋面廣、全天候、全天時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，可以有效為物流車輛、輸變電設(shè)施的運(yùn)維提供可靠的位置、距離、時(shí)間等信息。

4.2 地面段

地面段主要由管理服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理中心，運(yùn)控中心以及接收站網(wǎng)組成，完成對(duì)系統(tǒng)衛(wèi)星的遙測(cè)遙控、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)，終端接入控制、信道資源管理，以及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備管理和監(jiān)控，以及對(duì)終端原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分發(fā)、存儲(chǔ)，并對(duì)用戶提供多種基礎(chǔ)業(yè)務(wù)和部分增值業(yè)務(wù)。地面應(yīng)用系統(tǒng)同樣引入云計(jì)算技術(shù)，搭建云平臺(tái)，通過(guò)地面柵格信息網(wǎng)絡(luò)向用戶提供服務(wù)。

4.3 用戶段

用戶終端是用戶請(qǐng)求天基物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的接口，天基物聯(lián)網(wǎng)的終端大致包括兩種，一種是具備衛(wèi)星通信功能的終端，本身含有傳感器和控制功能，可獨(dú)立連接天基物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行工作。另外一種是地面收發(fā)系統(tǒng)，將周圍傳統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或其它地面網(wǎng)絡(luò)接入，通過(guò)地面收發(fā)系統(tǒng)連接入天基物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展工作，它適用于不具備衛(wèi)星通信功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)或者物聯(lián)網(wǎng)終端。從具體產(chǎn)品類型上，可以分為微小型終端，如魚類、鳥類、野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)終端；固定終端，如海洋浮標(biāo)、電力監(jiān)測(cè)設(shè)備、輸油管道監(jiān)測(cè)設(shè)備、自動(dòng)氣象站等；移動(dòng)終端，如手持終端、車載終端、船載和機(jī)載終端等。

六、應(yīng)用模式

本文針對(duì)天基物聯(lián)網(wǎng)不同特征對(duì)象的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的應(yīng)用模式。

5.1 采集類應(yīng)用

采集類應(yīng)用一般用于森林、礦產(chǎn)、海洋、農(nóng)業(yè)、電力等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)方面。應(yīng)用時(shí)從地面?zhèn)鞲衅鳙@得各類監(jiān)測(cè)信息，由數(shù)據(jù)采集終端將環(huán)境監(jiān)測(cè)信息發(fā)送至低軌DCS衛(wèi)星星座，一般情況下通過(guò)DCS衛(wèi)星星座將監(jiān)測(cè)信息發(fā)送至地面網(wǎng)關(guān)站，送至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析處理（遙感信息可直接進(jìn)入通過(guò)天基網(wǎng)絡(luò)，送入處理中心處理），然后通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶的監(jiān)測(cè)中心；在特殊模式下（如地面網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題），可直接在空間數(shù)據(jù)處理中心對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶的監(jiān)測(cè)中心。圖3給出了天基物聯(lián)網(wǎng)在采集類應(yīng)用中的工作模式。

圖3 天基物聯(lián)網(wǎng)采集類應(yīng)用工作模式

5.2 控制類應(yīng)用

控制類應(yīng)用一般應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，任務(wù)建立時(shí)，指揮控制中心可以通過(guò)地面和空間網(wǎng)絡(luò)兩條路徑接入天基物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)管理服務(wù)平臺(tái)，配置網(wǎng)絡(luò)資源，建立固定通信信道，保障鏈路不中斷，對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈、車輛等進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視控制。對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的控制，一般建立低軌控制鏈路，減少網(wǎng)絡(luò)延遲。

圖4 天基物聯(lián)網(wǎng)控制類應(yīng)用工作模式

5.3 廣播類應(yīng)用

廣播類應(yīng)用一般用于較大區(qū)域內(nèi)信息的廣播分發(fā)，如地震、洪水、氣象等自然災(zāi)害信息的廣域分發(fā)，以及遠(yuǎn)程戰(zhàn)區(qū)的全區(qū)作戰(zhàn)指令下達(dá)。在災(zāi)害監(jiān)測(cè)模式下，一般采用定時(shí)發(fā)送的模式，每天在固定時(shí)刻發(fā)送監(jiān)測(cè)信息，當(dāng)傳感器采集數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)，采集終端開(kāi)啟應(yīng)急模式，立刻將信息（如地震、洪水、火災(zāi)等）通過(guò)天基物聯(lián)網(wǎng)直接發(fā)送給地面用戶。