數(shù)據(jù)采集衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃及海洋應(yīng)用設(shè)想

· 文 |航天恒星科技有限公司 陳寧宇 羅冠辰 李亞平

數(shù)據(jù)采集衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃及海洋應(yīng)用設(shè)想

· 文 |航天恒星科技有限公司 陳寧宇 羅冠辰 李亞平

數(shù)據(jù)采集衛(wèi)星系統(tǒng)（Data Collection Satellite System， DCSS）由低軌道DCS衛(wèi)星星座、地面關(guān)口站、形式多樣的終端組成，以廣域分散的地面?zhèn)鞲衅鳙@得的信息為數(shù)據(jù)來源，利用DCS衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)大地域高靈敏度信息感知。系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯聚、處理、分發(fā)，通過對(duì)地面狀態(tài)信息直接感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)地高精度原位探測(cè)，具有地域覆蓋性廣、終端體積小、功耗低等特點(diǎn)，非常適用于解決遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)近實(shí)時(shí)回傳問題，具有巨大的應(yīng)用潛力。DCSS星座系統(tǒng)作為海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾侄?，它的研究發(fā)展對(duì)提升海洋立體監(jiān)測(cè)能力具有關(guān)鍵作用。

黨的“十八大”報(bào)告明確指出高度關(guān)注海洋、太空、網(wǎng)絡(luò)空間安全，積極運(yùn)籌和平時(shí)期軍事力量運(yùn)用，不斷拓展和深化軍事斗爭準(zhǔn)備，提高以打贏信息化條件下局部戰(zhàn)爭能力為核心的多樣化軍事任務(wù)能力；同時(shí)，還指出要優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國。因此，DCSS系統(tǒng)的建設(shè)符合黨和國家的戰(zhàn)略方針和發(fā)展目標(biāo)。

一、DCSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃

DCSS衛(wèi)星的軌道高度低，飛行高度小于1000千米，具有傳輸延時(shí)短、路徑損耗小等特點(diǎn)，由一定數(shù)量的多顆低軌小衛(wèi)星組成的星座可以實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋。我國發(fā)展DCSS系統(tǒng)，可利用低軌小衛(wèi)星對(duì)地球信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、匯聚、處理和分發(fā)，實(shí)現(xiàn)地球狀態(tài)信息的直接感知，為用戶提供短數(shù)據(jù)通信和廣播，以及數(shù)據(jù)采集服務(wù)。

1.系統(tǒng)組成

參考通信衛(wèi)星以及國外星座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，我國DCSS星座系統(tǒng)由地面段、空間段和用戶段三部分組成，如圖1所示。

圖1　DCSS星座系統(tǒng)組成

空間段由數(shù)十顆低軌小衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。衛(wèi)星可搭載DCS（Data Collection System）載荷，實(shí)現(xiàn)DCS數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)十顆小衛(wèi)星按照一定的星座構(gòu)型進(jìn)行全球部署，系統(tǒng)建成后可實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)的全球覆蓋。

地面段包括網(wǎng)關(guān)站和中心站，衛(wèi)星數(shù)據(jù)收發(fā)、衛(wèi)星測(cè)控、數(shù)據(jù)分發(fā)和處理以及網(wǎng)絡(luò)管理等基本功能，可實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星間饋電鏈路的連接，終端接入鑒權(quán)、信道管理等運(yùn)行控制，以及系統(tǒng)的運(yùn)行管理維護(hù)。中心站除具備網(wǎng)關(guān)站功能外，還建有衛(wèi)星操作中心、網(wǎng)絡(luò)管控中心、數(shù)據(jù)處理中心，共同組成地面運(yùn)控系統(tǒng)。

用戶段主要由多種形式的數(shù)據(jù)采集終端組成，其根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可分為微小終端、固定終端、移動(dòng)終端、手持終端、拋撒終端等。終端集成了傳感器和通信模塊的功能，可將采集數(shù)據(jù)上傳至過頂?shù)男l(wèi)星，同時(shí)可以接收業(yè)務(wù)廣播數(shù)據(jù)和管理控制數(shù)據(jù)等信息。

由于衛(wèi)星軌道高度低，傳輸損耗小，因此用戶終端支持小型化、低功耗設(shè)計(jì)。

2.信息流程

首先由部署在各處的數(shù)據(jù)采集終端通過傳感器采集海洋、地震、森林、水文等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制和組幀。當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過采集終端覆蓋區(qū)域上空時(shí)，通過用戶上行鏈路發(fā)送給衛(wèi)星。終端同時(shí)具備鏈路層的功能，即按照某種機(jī)制自主選擇接入信道。衛(wèi)星根據(jù)終端ID對(duì)終端上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和數(shù)據(jù)格式的重新封裝等功能。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入地面站的可視范圍時(shí)將采集數(shù)據(jù)下傳給地面站。地面站實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收、分類和處理功能，通過行業(yè)專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)（Internet）、移動(dòng)通信網(wǎng)（PLMN）分發(fā)給行業(yè)、商業(yè)及大眾用戶。

此外，地面站還能將控制信息、數(shù)據(jù)接收確認(rèn)信息、特殊廣播信息進(jìn)行匯聚處理上注衛(wèi)星，數(shù)據(jù)由衛(wèi)星推送至覆蓋范圍內(nèi)的應(yīng)用終端，實(shí)現(xiàn)雙向通信功能。

3.業(yè)務(wù)特點(diǎn)

我國建設(shè)DCSS星座系統(tǒng)，具有大容量、全球覆蓋以及終端小型化、低功耗等特點(diǎn)。系統(tǒng)建成后，可支持千萬量級(jí)的用戶接入，為全球范圍的用戶提供近實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和通信服務(wù)。系統(tǒng)支持短報(bào)文、語音數(shù)據(jù)包和圖片等多種數(shù)據(jù)類型，通信速率可根據(jù)用戶需求和傳輸數(shù)據(jù)類型分為高速、中速和低速通信三檔，以低速短報(bào)文通信為主。通信模式分為單項(xiàng)和雙向，用戶可根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)選擇定時(shí)通信和不定時(shí)通信。

4.建設(shè)方案

我國目前尚無低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)。參考國外成型系統(tǒng)的建設(shè)情況來看，由于DCSS系統(tǒng)由多顆小衛(wèi)星及地面配套設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)建設(shè)工作量巨大，成本較高，因此應(yīng)選擇循序漸進(jìn)的方式，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研情況，兼顧系統(tǒng)的成本與效能，進(jìn)行分階段建設(shè)。

系統(tǒng)建設(shè)初期主要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證階段。該階段發(fā)射數(shù)顆衛(wèi)星，可支持區(qū)域性和非實(shí)時(shí)性的業(yè)務(wù)應(yīng)用，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用效能，為整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)打好基礎(chǔ)。

初期建設(shè)目標(biāo)達(dá)成后，則進(jìn)入星座部署和交付運(yùn)營階段。該階段將繼續(xù)發(fā)射剩余幾十顆衛(wèi)星，完成整個(gè)星座部署，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋并交付運(yùn)營，為用戶提供服務(wù)。

二、DCSS的海洋應(yīng)用設(shè)想

1.應(yīng)用領(lǐng)域

DCSS可為遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)回傳提供有效通信手段，在海洋水文氣象監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和海島保護(hù)監(jiān)測(cè)等方面有巨大應(yīng)用潛力。

（1）水文氣象監(jiān)測(cè)

由廣泛部署于遠(yuǎn)海海域的數(shù)據(jù)采集終端對(duì)海洋水深、水溫、鹽度、海流、波浪、水色、透明度、海冰、海發(fā)光、潮位等水文監(jiān)測(cè)要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)通過定時(shí)模式，每10分鐘至半小時(shí)向衛(wèi)星發(fā)送一次數(shù)據(jù)。所有海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都將通過衛(wèi)星發(fā)送至地面站，最終分發(fā)給行業(yè)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便于及時(shí)掌握遠(yuǎn)海環(huán)境狀況，同時(shí)也有利于海洋科學(xué)研究。

此外，系統(tǒng)也可進(jìn)行臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、海嘯、海冰等海洋氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)，此時(shí)工作模式為不定時(shí)突發(fā)模式。

（2）生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)要素主要有電導(dǎo)率、溶解氧、酸度、化學(xué)耗氧量、生化需氧量、放射性物質(zhì)、特殊離子、溢油等，宏觀上講主要針對(duì)赤潮、滸苔等生態(tài)災(zāi)害防御、漁業(yè)災(zāi)害、核災(zāi)、油災(zāi)等監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集終端以定時(shí)或隨機(jī)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一旦指標(biāo)高于預(yù)警值，則通過突發(fā)模式將數(shù)據(jù)上傳至衛(wèi)星。由DCSS系統(tǒng)將信息傳輸至海洋部門進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警和救援。

（3）海島保護(hù)與監(jiān)測(cè)

由部署在遠(yuǎn)離大陸的海島和島礁的終端，監(jiān)測(cè)海水潮位、島上氣候等信息，支持海島無人值守和現(xiàn)場(chǎng)勘查等工作。也可為登島人員提供位置數(shù)據(jù)和短報(bào)文數(shù)據(jù)通信服務(wù)，提高海洋部門對(duì)我國海島的保護(hù)和管理能力，支撐我國南海建設(shè)以及“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展。海島保護(hù)及監(jiān)測(cè)應(yīng)用如圖2所示。

圖2　海島保護(hù)及監(jiān)測(cè)應(yīng)用

2.應(yīng)用模式

根據(jù)海洋應(yīng)用業(yè)務(wù)類型和用戶的不同需求，DCSS系統(tǒng)可為海洋領(lǐng)域提供的應(yīng)用模式主要由三種：傳輸通道模式、原始數(shù)據(jù)模式和增值服務(wù)模式。

（1）傳輸通道模式

作為地面網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充，DCSS系統(tǒng)為廣域信息感知和數(shù)據(jù)傳輸提供了高可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。DCSS可與海洋浮標(biāo)等現(xiàn)有終端設(shè)備良好兼容，海洋行業(yè)部門可直接租用衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳送通道，由海洋衛(wèi)星應(yīng)用中心或海洋行業(yè)信息化專管部門負(fù)責(zé)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、處理、分發(fā)及應(yīng)用。

（2）原始數(shù)據(jù)模式

DCSS可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分發(fā)，為海洋行業(yè)部門提供采集數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星傳輸后由DCSS中的地面站子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收，再通過網(wǎng)絡(luò)管控中心子系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)分發(fā)至海洋行業(yè)內(nèi)部專網(wǎng)。

（3）增值服務(wù)模式

DCSS還可為海洋領(lǐng)域的企業(yè)和大眾用戶提供增值服務(wù)。數(shù)據(jù)落地后由DCSS數(shù)據(jù)處理中心子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)可接入地面移動(dòng)通信網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，用戶所需的信息將通過短信、email等形式發(fā)送給用戶，用戶也可登陸應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)查看信息。

3.應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

基于DCSS系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，在海洋應(yīng)用中系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）系統(tǒng)容量大

整個(gè)星座由幾十顆低軌衛(wèi)星組成，時(shí)間分辨率高，除兩極地區(qū)外均可保證信息的實(shí)時(shí)回傳。系統(tǒng)可容納千萬量級(jí)的用戶，單星可支持?jǐn)?shù)百個(gè)終端同時(shí)接入，可滿足數(shù)據(jù)采集浮標(biāo)和考察船、監(jiān)測(cè)船等數(shù)據(jù)傳輸需求。

（2）覆蓋范圍廣

DCSS星座可實(shí)現(xiàn)全球范圍覆蓋，作為地面網(wǎng)絡(luò)和近岸系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，DCSS將彌補(bǔ)在遠(yuǎn)海信息采集方面通信手段的不足，在遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)回傳方面應(yīng)用潛力巨大。

（3）安全性高

DCSS采用我國自行設(shè)計(jì)的通信體制，由我國自主開發(fā)并負(fù)責(zé)運(yùn)營，衛(wèi)星數(shù)據(jù)落地由我國自行接收和處理，極大保障了信息的安全性。

（4）終端小型化

DCSS衛(wèi)星軌道高度較低，通信鏈路長度較短，信號(hào)衰減小，終端無需配備較大增益的發(fā)射天線，有利于海洋浮標(biāo)和監(jiān)測(cè)船艦載終端的小型化低功耗設(shè)計(jì)。

三、結(jié)論與建議

黨的十八大報(bào)告指出，要優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國。作為遠(yuǎn)海環(huán)境監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)通信的必要手段，DCSS具有大容量、全球覆蓋以及終端小型化、低功耗等特點(diǎn)，在海洋應(yīng)用中有著巨大的應(yīng)用潛力。從國家戰(zhàn)略的角度出發(fā)，建議盡快啟動(dòng)DCSS星座系統(tǒng)建設(shè)，填補(bǔ)國內(nèi)空白，為保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境、維護(hù)國家海洋權(quán)益、建設(shè)海洋強(qiáng)國做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

［1］宗可，曹桂興，閆忠文.數(shù)據(jù)通信微小衛(wèi)星星座系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.航天器工程，2011，（2）.

［2］劉宇， 鄒光南， 王兆俊等. 衛(wèi)星短報(bào)文通信系統(tǒng)研究［J］. 無線電工程， 2014， （10）：12-14.

［3］何世鈞， 陳中華， 張雨等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［J］. 傳感器與微系統(tǒng)， 2012，30（3）：13-15.

［4］周智海， 劉志勇. 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)研究與設(shè)計(jì)［J］. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào)， 2003，22（1）：58-62.

［5］彭偉， 徐俊臣， 杜玉杰等. 基于北斗系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào)， 2009，28（3）：13-15.

［6］陳寧宇，劉威揚(yáng)，張澤根. 數(shù)據(jù)采集衛(wèi)星系統(tǒng)在智慧城市中的應(yīng)用［J］. 衛(wèi)星應(yīng)用，2015（9）.