天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展設(shè)想

柳 罡，陸 洲，周 彬，胡金暉，秦 鵬，秦智超

工程與應(yīng)用

天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展設(shè)想

柳 罡，陸 洲，周 彬，胡金暉，秦 鵬，秦智超

（中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

隨著天基網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟，如何利用天基網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展應(yīng)用服務(wù)成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。天基物聯(lián)網(wǎng)是天基網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用，研究天基物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)于指導(dǎo)天基網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)具有重要意義。本文在分析了當(dāng)前天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)基礎(chǔ)上，依據(jù)其用戶特性和業(yè)務(wù)特性，提出了基于天基信息網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，組成及功能，并對(duì)其應(yīng)用模式進(jìn)行了探索，為天基物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展提供了思路。

天基物聯(lián)網(wǎng)；云平臺(tái)；天基網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集衛(wèi)星系統(tǒng)

0 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)［1，2］。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［3，4］。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［5］，天基物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景充滿潛力。

1 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)［6］，Argos系統(tǒng)［7，8］，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。

1.1Orbcomm系統(tǒng)

“軌道通信”（ORBCOMM）系統(tǒng)是美國(guó)ORBCOMM公司擁有的全球數(shù)據(jù)通信衛(wèi)星系統(tǒng)。ORBCOMM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825 km，單星重量43 kg。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。

1.2ARGO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300 km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0～2000 m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［9］。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［10］。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。

2 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?、可靠性要求十分高，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。

3 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)體系如圖1所示。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。

4 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)見(jiàn)圖2，其中包含地面段、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(yú)類、鳥(niǎo)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。

5 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)用如圖4所示，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。

5.3廣播類應(yīng)用

廣播類應(yīng)用如圖5所示，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。

圖4 天基物聯(lián)網(wǎng)控制類應(yīng)用工作模式

圖5 天基物聯(lián)網(wǎng)廣播類應(yīng)用工作模式

6 結(jié) 語(yǔ)

天基物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成也是物聯(lián)網(wǎng)的延伸，它擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋面，又有效提高整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性?？梢员粡V泛的應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)、國(guó)家安全、應(yīng)急保障、交通物流、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。隨著我國(guó)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的完善和實(shí)施，天基物聯(lián)網(wǎng)將極大的推動(dòng)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展升級(jí)。

［1］ International Telecommunication Union.Internet Reports 2005：The Internet of Things.Geneva：ITU，2005.

［2］ Jayavardhana Gubbi，Rajkumar Buyyab，etal.Internetof Things（IoT）：A vision，architectural elements，and future directions［J］.Future Generation Computer Systems，2013（29）：1645-1660.

［3］ 呂子平，鄧中亮.物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算時(shí)代的衛(wèi)星通信［J］.國(guó)際太空，2014（1）：32-37.

［4］ 閔士權(quán).發(fā)揮衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)助推物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展［J］.國(guó)際太空，2012（1）：43-47.

［5］ 張乃通等.對(duì)建設(shè)我國(guó)“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的思考.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2015，10（3）：223-230.

［6］ 詹亞平，華戌明.ORBCOMM商用低軌道小衛(wèi)星短數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)，2005，28（2）：24-27.

［7］ Xavier Hoenner，Scott D.Whiting，et al.Enhancing the Use of Argos Satellite Data for Home Range and Long Distance Migration Studies of Marine Animals［J］.PLoS One 2012.7（7）：1-10.

［8］ 商紅梅.使用Argos衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)Argo浮標(biāo)進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)傳輸［J］.海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2001（03）：41-43.

［9］ 梁俊斌，鄧雨榮，郭麗娟，等.基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控研究與應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2013，34（9）：6-9.

［10］劉雋，顧磊.衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展研究［J］.現(xiàn)代導(dǎo)航，2012（06）：462-465.

Research on Development of The space-based Internet of things

LIU Gang，LU Zhou，ZHOU Bin，HU Jin-hui，QIN Peng，QIN Shi-chao
（China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China）

With the development of space network infrastructure and technology，exploring its applications and services becomes the focus of future development of the space network.The Space-based Internet of Things（S-IOT）is a typical space network application and research on developmentof the S-IOT is significant for the construction and applications of space network.Based on the analysis of S-IOT′s current development situation and features，this paper proposes the architecture of S-IOT and analyzes its compositions and functions.Moreover，this paper further explores its application modes，which provides a guideline for the future development of space network.

space-based internet of things；cloud platform；space network；data collection satellite system

TP393

：A

：1673-5692（2015）06-586-07

柳 罡（1986—），男，山東德州人，博士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、合成孔徑雷達(dá)；

E-mail：andylg86@qq.com

陸 洲（1970—），男，河北石家莊人，研究員，主要研究方向?yàn)閷拵l(wèi)星通信、天基網(wǎng)絡(luò)；

周 彬（1966—），男，河南鄭州人，研究員，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控通信、天基信息系統(tǒng)；

胡金暉（1988—），男，山東鄒城人，博士，主要研究方向?yàn)榭臻g信息處理和應(yīng)用；

秦 鵬（1987—），男，河南商丘人，博士，主要研究方向?yàn)樘斓匾惑w化信息網(wǎng)絡(luò)、SDN網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)；

秦智超（1981—），男，河北滄州人，博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.06.005

2015-10-30

2015-11-20

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015AA015701），國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91338201），工程院咨詢研究項(xiàng)目（2015-XZ-02）