学术：天基物联网如何架构？功能组成、应用模式都有哪些？

原创 2016-11-23 ☞ 学术plus

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今日荐文的作者为中国电子科技集团公司电子科学研究院专家柳罡，陆洲，周彬，胡金晖，秦鹏，秦智超。本篇节选自论文《天基物联网发展设想》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第6期。下面和小编一起开始学习吧~

0 引言

根据国际电信联盟定义，物联网是解决物品与物品，人与物品，人与人之间的互联互通的网络。天基物联网是以天基通信网络为核心和基础，并融合了天基导航、遥感等服务，为物品与物品，人与物品，人与人提供无障碍交互的综合信息系统。

鉴于天基信息系统的特点，天基物联网相比传统物联网增加了许多独特的优势：

1) 通信网络覆盖地域广，可实现全球覆盖，传感器的布设几乎不受空间限制。

2) 几乎不受天气、气候影响，全天时全天候工作。

3) 系统抗毁性强，自然灾害、突发事件等应急情况下依旧能够正常工作。

物联网从1999年提出至今，已经形成了完整的概念，依托地面网络的物联网应用逐渐发展成熟，但在一些大范围、跨地域、恶劣环境等数据收集的领域，由于空间、环境等限制，地面物联网无能为力，出现了服务能力与需求失配的现象。这些领域包括：

1) 海洋、森林、矿产等资源的监视与管理

2) 森林、山体、河流、海洋等地区灾害的监测、预报

3) 深海、远海的海洋监测管理，海上浮标、海上救生等

4) 交通、物流、输油管道、电网等监控管理

5) 野外环境下珍稀动物的跟踪监测

6) 军事的无人机、导弹、舰船、车辆的协同控制

利用天基信息网络的优势，通过天基物联网载荷和终端设备，将复杂环境下的传感器连入天基物联网，实现物联信息的跨地域传输，是解决目前地面物联网短板的有效途径。随着我国天地一体化信息网络技术的不断发展，天基物联网的应用前景充满潜力。

1 发展现状

目前国内外并没有相关文献明确提出天基物联网的概念，但是基于天基信息系统开展的数据采集、监测及控制等在某些领域已经发展的较为成熟，这些应用本质上都属于天基物联网的范畴。比较典型有国外的Orbcomm系统，Argos系统，国内基于北斗系统的输变电设施远程监控，以及军事上的卫星数据链等。

1.1 Orbcomm系统

“轨道通信”(ORBCOMM)系统是美国ORB-COMM公司拥有的全球数据通信卫星系统。ORB-COMM系统是专门针对双向短数据传输的商业化低轨卫星星座，1997年投入使用。由美国轨道通信公司和加拿大Teleglobe公司合伙经营。星座由36颗星组成，轨道高度825km，单星重量43kg。Orbcomm地面段包括一个网络控制中心和一定数量的关口站。整个Orbcomm系统由一个网络控制中心负责运行管理。关口站的主要任务是在一定的服务区内提供报文处理和对用户进行管理。Orbcomm系统用户终端使用的是较低成本的VHF电子设备，这种设备天线设计简单、结构紧凑、安装灵活、功耗低，可由长寿命电池供电。

利用Orbcomm卫星系统, 用户可以开展包括远程数据采集、系统监控、车辆船舶及移动设施的跟踪定位、短信息报文的传递、收发电子邮件等方面的应用。ORBCOMM 系统的应用涉及多工业领域, 诸如交通运输、油气田、水利、环保、渔船和消防报警等方面。

1.2 ARGO系统

“高级研究与全球观测卫星”(Argos)系统是由法国和美国联合建立，该系统利用低轨卫星传送各种环境监测数据，并对测量仪器的运载体进行定位，为高纬度地区的水文、气象监测仪器提供了一种很好的通信手段。

ARGO全球海洋实时观测计划在全球大洋中每隔300km布放一个由卫星跟踪的剖面漂流浮标，总计为3000个，组成一个庞大的ARGO全球海洋实时观测网。ARGO计划是一个典型的利用天基信息网络将人、平台和传感器互联的天基物联系统，能快速、准确、大范围地收集全球海洋0~2000ｍ的海水温度和盐度剖面资料，有助于更细致地了解大尺度实时海洋的变化，提高气候和海洋预报的精度，有效防御全球日益严重的气候和海洋灾害（如飓风、台风、龙卷风、冰暴、洪水和干旱，以及风暴潮、赤潮等）给人类造成的威胁。

Argos系统的应用非常广泛，包括气候变化监测、海洋与气象监测、生物多样性保护、水资源监控、海上资源管理和保护等。

1.3 北斗物联网应用

我国在广西电网玉林变电站对基于卫星物联网的输变电设施远程监控系统进行试点应用。在变电站现场，监控终端包括主变监控终端、母线监控终端、断路器监控终端等，这些监控终端将采用卫星接入机、卫星小站、无线数据发射模块等与北斗卫星组成双向通信线路。位于南宁的广西电网设备监测与评估中心，可以通过卫星信道向监测终端发送数据采集周期、监测装置重启、监测装置自检、时间同步与校准等命令。另一方面，也可以接收监测终端发送来的监测数据，通过纵向分析、横向比对等方式判断被监测的输变电设施的健康状态。通过北斗物联网在玉林站的应用，有效提高了该站输变电设施的运维效率，降低设施的运维成本，提高了设施的供电可靠性，每年节支增收超过500 万元。因此，基于天基物联网的输变电设施远程监控系统具有非常高的经济效益和推广前景。

1.4 卫星数据链

除了在民用方面，在军事上天基物联网也具备巨大的应用价值，最典型的应用当属卫星数据链。它按照统一规定的消息格式和通信协议，在广域范围内支持天基和空基传感器网络、指控系统、情报处理中心、武器平台之间的直接链接，从而有效减少信息处理环节，提高系统应用时效性。

目前国际上正在研究或装备使用的卫星数据链主要有三种，英国皇家海军卫星战术数据链(STDL)、美国海军的卫星战术数据信息链路J（S-TADIL J）、美国空军的JTIDS延伸（JRE）。卫星数据链目前被广泛的用于大范围、超视距指挥控制、大范围战场情报实时获取、广域态势共享、多军种战术级协同、跨区域多个异构数据链网络互连、全球快速精确打击等领域。

2 应用分类

从上面可以看出，天基物联网的应用领域十分广泛，不同应用领域的用户数量、数据大小以及对实时性的要求存在较大差异，这些差异给天基物联网的设计带来了挑战，根据这些数据信息的特征差异，可以将适合天基物联网的应用对象分为几个大类：

1）数据采集类：又分为两个子类：

a、参数采集类：例如布设在运输车辆、输油管道，输电线路，浮标、原始森林的监测传感器等。此类数据由于内容主要是一些格式固定的参数信息，数据量小，通常在比特量级。因此，对传输带宽、传输速率要求不高，对硬件要求不高，终端容易做到小型化，适合大范围布设，用户数量比较多。在实时性方面，一般采用存储转发的机制，不需要像实时语音那样的苛刻要求，采集的间隔根据不同的应用从几分钟到数小时不等。可采用低轨卫星接入，用户链路速率设计在Kbps量级，馈电链路几十Kbps即可满足要求，如orbcomm系统。

b、图像/视频采集类：例如无人侦察机、弹载侦察设备、浮空设备等。此类应用产生的数据主要是图像和视频，数据量较大，单位时间内产生的数据量从数十KB到数百MB不等，例如美国全球鹰无人侦察机每秒数据在百MB量级。且在一些特定任务下有比较高的实时性要求，例如实时指挥无人机战术打击。此类应用一般采用宽带卫星接入，设计传输速率要达到数十乃至上百MB/s。该类应用对天基信息系统的传输性能提出了较高要求。

2）数据广播类：广域，宽/窄带信息。主要对象包括各类传感节点、控制节点、作战单元、应急信息、天气信息、交通状况等。广播类的数据类型繁多，从数据量较小的指令参数到数据量大的高清视频都可以通过卫星广播实现。在某些应用下对实时性有一定的要求，例如电视直播和战区同意行动指令的下达。卫星系统的设计以高轨宽带为主，星上硬件配置较高，天线具有较大阵面。地面终端类型根据业务不同，种类较多，大小不一。数据广播类的应用目前较为成熟，这里不做过多分析，但其对天基物联网的整体建设至关重要，是一种不可或缺的业务组成和手段。

3）控制类：数据率较低、实时性高、信道专用、高可靠保障。主要对象包括车辆、飞机、船只、导弹、无人机、无人车、临近空间飞行器等。该类应用传输的信息主要是控制指令和实时状态，例如在军用上空中行动的引导指挥、无人装备的指挥控制、战情的报告、请示等。民用上主要是一些超视距、无人机器或值守战行动指令的下达，例如野外无人值守电力站控制、外星环境探测器控制等。由于传输的数据以控制类信息为主，数据量较小，Kbps量级甚至是bps量级通信链路即可没满足速率要求。但是由于控制指令至关重要，容错性低，该应用对信息传输的安全性、可靠性要求十分高，系统设计时在安全保密、抗干扰、编译码纠错等方面要进行重点考虑。同时由于控制目标的状态可能实时改变，该类应用对实时性的要求非常高。

通过对天基物联网的应用对象进行分类，可以针对性开展天基物联网架构设计，如针对数据采集类的应用，由于用户数量众多、信息量较少，对应的终端设备易采取小型化的设计，利用低轨数据采集星座可以很好的满足此类用户的需求；针对数据广播类的用户，分布较广，对信息的需求基本一致，采用高轨广播的方式较为合适；对控制类的应用，实时性要求较高，宜通过低轨通信系统进行连接，且要建立固定信道，保障信息及指令的实时传输。

3 体系架构

以天基信息网络特点为基础，参照物联网的体系架构，设计天基物联网体系如下。主要包括三个层面：感知层、网络层以及应用层，其中标准规范和网络信息安全贯穿三层之中。

图1 天基物联网体系架构

感知层主要用于采集、定位物理世界中发生的事件和数据，包括各类物理量、标识、图像、音频、视频等。该层包含两个主要部分，一是传统地基物联网感知信息的天基物联网接入，通过增加卫星地面收发系统，将地面的局域传感网络与天基网络互连，建立天地链路，实现天基物联。二是天基感知信息的天基物联网接入，如卫星遥感、卫星定位以及卫星数据采集系统的感知信息，此类卫星的感知数据可直接进入天基物联网系统，通过相应处理提供信息服务，如在卫星遥感图像中提取地形、地貌、地质、空间环境、地面目标的特征、灾害面积、灾害程度等信息，结合卫星定位，并在应用层与地面传感器设备采集的数据进行融合处理，获取更精准、透彻的地面信息。

网络层主要由接入单元、天基传输网络和云架构的空间/地面处理平台组成，负责传递和处理感知层获取的信息。接入单元主要是星载物联网载荷设备，是天基物联网的网关。传输网络包含信息获取网、信息传输网、时空基准网和地面站网。信息获取网主要指卫星遥感系统和小卫星采集星座系统组成的网络；信息传输网包括高轨的骨干通信网、低轨的移动通信网以及高低轨之间的星间网络链路；时空基准网是卫星导航定位系统组成的网络；地面站网指卫星的地面接收站、处理中心、测控中心组成的卫星系统地面网络。

这四个部分互通互联共同形成天基物联网传输网络。未来的物联网业务将构建在融合基础（云）设施之上，天基物联网也不例外。物联网产生、分析和管理的数据将是海量的，需要可扩展的巨量计算资源予以支持，而云计算能够提供弹性、无限可扩展、价格低廉的计算和存储服务，满足物联网需求。随着未来天基信息系统的发展，空间载荷能力的提升，利用空间资源开展空间云平台的搭建，实现空间计算、存储资源的高效利用成为未来天基物联网发展的重要趋势。地面应用系统通过引入云计算，构建地面数据处理云平台的技术已经相对比较成熟，在此不予赘述。

应用层是天基物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用，如智能物流、智能军事、环境监测、智能电力等。

标准规范是天基物联网构建的保障。各个行业和领域的物联网应用是一个多设备、多网络、多应用、互联互融的超大网络，为实现信息的互联互通和全网共享，所有的接口、协议、标识、信息交互及运行机制等，都必须有统一的标准规范作指引。一方面，具备空间信息网络与物联网实现互联互通、信息共享的网络接口、协议标准；另一方面，具备支撑天基物联网络运行并提供服务数据的本行业或领域内的数据、信息、传感器及其管理标准。

除了以上内容，由于天基物联网是通过天基信息网络实现 M2M 智能相连的，因此，天基物联网的网络及信息安全问题是贯穿三层的另一重要保障。

4 功能组成

根据天基信息网络中GEO、MEO、LEO卫星系统的分布特点和优势，结合国内外天基物联网系统的发展，通过合理规划布局，突破空间云计算、星间组网、激光通信、数据采集、小型化终端等关键技术，建立能够满足不同行业领域物联需求的天基物联网总体架构。

图2 天基物联网组成架构

天基物联网架构中包含地面段、空间段和用户端。各段的主要组成如下：

1) 空间段：天基通信系统（包括高轨通信系统、低轨DCS系统）、导航定位系统、遥感探测系统、虚拟空间信息处理中心。

2) 地面段：管理服务平台、数据处理中心、接收站网和运控中心

3) 用户端：微小型终端、固定终端和移动终端

4.1 空间段

天基物联网的空间段充分利用高轨卫星广域覆盖，低轨卫星低时延、高增益以及遥感卫星广域感知，导航卫星精确定位等特点，由高中低轨配合的天基通信、导航、遥感卫星系统互联互通形成。通过空间资源虚拟化技术，搭建空间处理的云平台，实现空间信息处理，该设计将大大增加数据的利用率。

天基通信系统是天基物联网的核心，主要包含高轨通信系统和低轨DCS星座，高轨通信系统主要针对数据广播类应用，可以充分利用卫星信道，实现广域的信息分发，如气象信息、突发灾害信息、战场指令等。高轨布设多颗大容量、高性能同步轨道卫星，建立星间激光链路，实现大采集数据应用的高速中继传输；以高轨同步轨道卫星为基础，通过空间组网和空间虚拟化技术，搭建云架构的空间信息处理中心。空间信息处理中心是未来天基信息网络的发展趋势，当前物联网对实时性提出了日益严苛的要求，在空间建立处理中心，将传感器信息如遥感图像信息，在空间直接进行分析处理，提取关键情报，直接下发用户，对提高信息实时性，提高数据利用效率，减小数据传输量，降低卫星信道占用具有重要意义。低轨DCS星座主要针对数据采集类应用和控制类应用，如海洋、森林、矿产监测以及军事指挥控制、武器协同等。卫星遥感是利用卫星上的感知设备，对监测区域和特定设施进行高解析度的监测。卫星遥感数据可作为智能物联网的决策非常重要的辅助数据，在某些应用中，如物流、应急等，遥感信息将发挥至关重要的作用。卫星导航系统可在交通、运输等领域大量应用，具有精度高、覆盖面广、全天候、全天时等优点，可以有效为物流车辆、输变电设施的运维提供可靠的位置、距离、时间等信息。

4.2 地面段

地面段主要由管理服务平台、数据处理中心，运控中心以及接收站网组成，完成对系统卫星的遥测遥控、业务数据收发，终端接入控制、信道资源管理，以及系统内设备管理和监控，以及对终端原始数据进行处理、分发、存储，并对用户提供多种基础业务和部分增值业务。地面应用系统同样引入云计算技术，搭建云平台，通过地面栅格信息网络向用户提供服务。

4.3 用户段

用户终端是用户请求天基物联网服务的接口，天基物联网的终端大致包括两种，一种是具备卫星通信功能的终端，本身含有传感器和控制功能，可独立连接天基物联网进行工作。另外一种是地面收发系统，将周围传统的传感器数据通过互联网或其它地面网络接入，通过地面收发系统连接入天基物联网开展工作，它适用于不具备卫星通信功能的传感器网络或者物联网终端。从具体产品类型上，可以分为微小型终端，如鱼类、鸟类、野生动物监测终端；固定终端，如海洋浮标、电力监测设备、输油管道监测设备、自动气象站等；移动终端，如手持终端、车载终端、船载和机载终端等。

5 应用模式

本文针对天基物联网不同特征对象的应用需求，设计了相应的应用模式。

5.1 采集类应用

采集类应用一般用于森林、矿产、海洋、农业、电力等领域的监测方面。应用时从地面传感器获得各类监测信息，由数据采集终端将环境监测信息发送至低轨DCS卫星星座，一般情况下通过DCS卫星星座将监测信息发送至地面网关站，送至数据处理中心进行数据的解析处理（遥感信息可直接进入通过天基网络，送入处理中心处理），然后通过地面网络将数据发送至用户的监测中心；在特殊模式下（如地面网络出现问题），可直接在空间数据处理中心对监测数据进行处理，然后通过卫星网络直接将数据发送给用户的监测中心。图3给出了天基物联网在采集类应用中的工作模式。

图3 天基物联网采集类应用工作模式

5.2 控制类应用

控制类应用一般应用于军事领域，任务建立时，指挥控制中心可以通过地面和空间网络两条路径接入天基物联网，通过管理服务平台，配置网络资源，建立固定通信信道，保障链路不中断，对飞机、导弹、车辆等进行实时的监视控制。对于对实时性要求比较高的控制，一般建立低轨控制链路，减少网络延迟。

图4 天基物联网控制类应用工作模式

5.3 广播类应用

广播类应用一般用于较大区域内信息的广播分发，如地震、洪水、气象等自然灾害信息的广域分发，以及远程战区的全区作战指令下达。在灾害监测模式下，一般采用定时发送的模式，每天在固定时刻发送监测信息，当传感器采集数据超过预警阈值时，采集终端开启应急模式，立刻将信息（如地震、洪水、火灾等）通过天基物联网直接发送给地面用户。

图5 天基物联网广播类应用工作模式

结语