行云工程在八大重點(diǎn)行業(yè)的典型應(yīng)用

文 ∣ 杜利 史俊松

航天行云科技有限公司

一、背景

物聯(lián)網(wǎng)被譽(yù)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。據(jù)Gartner預(yù)測(cè)：到2020年全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)260億臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模將達(dá)1.9萬億美元。

2015年被稱為中國物聯(lián)網(wǎng)元年。據(jù)《2018年物聯(lián)網(wǎng)白皮書》：我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)每年以超30%速度增長，預(yù)計(jì)到2020年我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超1.2萬億元。在社會(huì)邁入“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、云化”的大趨勢(shì)下，5G、WLAN、LoRa、WIFI等物聯(lián)網(wǎng)通信基礎(chǔ)設(shè)施加速布建，成千上萬的終端設(shè)備源源不斷接入物聯(lián)網(wǎng)并產(chǎn)生海量大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)將迎來跨界融合、集成創(chuàng)新、規(guī)?；l(fā)展的新階段，成為推動(dòng)工業(yè)化、信息化、社會(huì)化的重要力量。

然而，當(dāng)前地面通信信號(hào)覆蓋率嚴(yán)重不足，僅有約5%的海洋面積、約20%的陸地面積得到覆蓋，世界上尚有約30億人不能接入現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)，這嚴(yán)重制約了物聯(lián)網(wǎng)的廣域、深度、泛在性的普及應(yīng)用。相較于地面通信系統(tǒng)，天基物聯(lián)網(wǎng)具有信號(hào)全球覆蓋、通信距離遠(yuǎn)、傳輸實(shí)時(shí)性高、信息安全性高等顯著優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為全球物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的有力通信補(bǔ)充和支撐。

二、行云工程概述

1.行云工程介紹

行云工程旨在構(gòu)建由80顆覆蓋全球的常態(tài)化運(yùn)行的低軌通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)；衛(wèi)星之間激光鏈路鏈接組網(wǎng)，通信距離遠(yuǎn)、傳輸容量大、傳輸實(shí)時(shí)性好；自主獨(dú)立星座，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)安全保密；通信模組（芯片）微型化嵌入，體積小、功耗低、性價(jià)比高，具有DCS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸服務(wù)、傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸服務(wù)、雙向短報(bào)文通信、圖片傳輸?shù)人拇蠊δ?，將太空中和地球上各種信息節(jié)點(diǎn)和傳感器等智能終端進(jìn)行有效連接，形成人-人、人-物、物-物的萬物互聯(lián)的天地一體化的通信生態(tài)系統(tǒng)。

中國航天三江集團(tuán)旗下航天行云科技有限公司分三個(gè)階段完成行云工程實(shí)施，構(gòu)建我國天基物聯(lián)網(wǎng)。首先發(fā)射行云二號(hào)01、02號(hào)試驗(yàn)星，開展試運(yùn)營及應(yīng)用示范；2021年前發(fā)射12顆衛(wèi)星并完成小星座構(gòu)建，開展衛(wèi)星運(yùn)營和市場拓展；2023年前完成80顆衛(wèi)星發(fā)射并全球組網(wǎng)，廣泛進(jìn)行國外市場的市場應(yīng)用推廣。

2.行云工程的意義

（1）有利于促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的高度集成和綜合運(yùn)用，行云工程是成熟的航天衛(wèi)星通信技術(shù)與新興物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的跨界融合，有利于“一帶一路”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、發(fā)展商業(yè)航天部署的實(shí)施，對(duì)促進(jìn)我國航天科學(xué)、航天技術(shù)、航天應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展，助力新一輪產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（2）有利于保障全球萬物互聯(lián)并加速推進(jìn)我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的下一代將是實(shí)現(xiàn)萬物相通的物聯(lián)網(wǎng)。行云工程以構(gòu)建天地一體化的通信服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天地之間物聯(lián)網(wǎng)通信主體（終端）之間的真正泛在互聯(lián)，有效融合地面通信網(wǎng)絡(luò)，滿足災(zāi)害監(jiān)測(cè)、應(yīng)急管理、海洋通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、野外旅游、動(dòng)物保護(hù)、集裝箱監(jiān)管等行業(yè)的廣泛應(yīng)用需求，為實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物、環(huán)之間的互聯(lián)互通提供全新的通信服務(wù)技術(shù)支撐，有力促進(jìn)我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的全面、快速、規(guī)?；l(fā)展。

（3）有利于保障我國政府、社會(huì)及民眾的通信自主安全可控

目前地面通信設(shè)施只能為陸地人口密集區(qū)地區(qū)（約為陸地面積10%）提供良好的通信服務(wù)，但在海上、空中、沙漠、山區(qū)、無人區(qū)、野外等地域，尤其是在面對(duì)重大自然災(zāi)害發(fā)生后的搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急指揮，海上的島嶼、船舶及人員通信，以及在局部戰(zhàn)場環(huán)境等情況下，衛(wèi)星通信仍是唯一的、可靠的選擇和保障支撐。行云工程是我國建設(shè)的獨(dú)立、自主、安全的通信系統(tǒng)，完全滿足了我國政府、社會(huì)及民眾對(duì)通信技術(shù)自主、安全、可靠的迫切需要。

（4）有利于構(gòu)建商業(yè)航天生態(tài)鏈并催生新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式的生長

行云工程涉及空間段、地面段、用戶段三個(gè)環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈條長、帶動(dòng)能力大。它將有效激發(fā)衛(wèi)星制造業(yè)、發(fā)射服務(wù)業(yè)、衛(wèi)星服務(wù)業(yè)、地面制造業(yè)等四大領(lǐng)域的生成及發(fā)展，終端及衍生產(chǎn)品的制造又將帶動(dòng)計(jì)算機(jī)、電子、傳感器、芯片、電子標(biāo)簽、讀寫設(shè)備、APP、大數(shù)據(jù)等上下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)動(dòng)發(fā)展，進(jìn)而刺激衛(wèi)星研發(fā)配套、終端研發(fā)制造及衛(wèi)星應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI、應(yīng)用服務(wù)等新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式的產(chǎn)生，形成一個(gè)超萬億級(jí)全產(chǎn)業(yè)鏈。

3.采用的主要技術(shù)

行云工程涉及的主要技術(shù)有：數(shù)字多波束/多信道接入技術(shù)；低軌天基物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議研制；小型低功耗通信模組技術(shù)與產(chǎn)品；L頻段雙向數(shù)據(jù)傳輸、雙向短報(bào)文通信技術(shù)；星間激光鏈路通信技術(shù)；AIS/ADS-B載荷；C頻段饋電載荷；北斗導(dǎo)航定位技術(shù)；嵌入行云模組的DCS設(shè)備或傳感器。

三、行云工程在八大重點(diǎn)行業(yè)的典型應(yīng)用

1.集裝箱

采用嵌入行云衛(wèi)星通信模組的冷鏈集裝箱監(jiān)管數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)冷鏈集裝箱儲(chǔ)存或運(yùn)輸過程中位置、運(yùn)動(dòng)軌跡、溫度、濕度、開關(guān)門狀態(tài)、冷機(jī)工作狀態(tài)信息采集的實(shí)時(shí)傳輸及監(jiān)管，冷機(jī)遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)控制等（圖1），以及集裝箱戶外貨物儲(chǔ)運(yùn)中的位置、運(yùn)動(dòng)軌跡等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的雙向短報(bào)文通信。

圖1 冷鏈集裝箱儲(chǔ)運(yùn)信息采集實(shí)時(shí)傳輸應(yīng)用示意圖

2.海洋

采用嵌入行云通信模組的海洋氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集終端（島嶼氣象站、海上浮標(biāo)、探空氣球等），實(shí)現(xiàn)海洋島嶼氣象站、海上浮標(biāo)、探空氣球等氣象監(jiān)測(cè)終端采集數(shù)據(jù)（風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、照度、雨量、環(huán)流、電離層等）的實(shí)時(shí)衛(wèi)星傳輸；海洋應(yīng)急氣象信息的雙向短報(bào)文廣播。

采用AIS載荷，嵌入行云通信模組的船載衛(wèi)星通信網(wǎng)關(guān)終端實(shí)現(xiàn)海洋船員之間、船員及岸基人員之間的衛(wèi)星通信；海洋船舶位置和軌跡信息的采集與雙向短報(bào)文傳輸；海上應(yīng)急事故的SOS通信保障；海洋災(zāi)害及惡劣氣象信息的短報(bào)文信息廣播（圖2）。

圖2 海洋船舶衛(wèi)星通信應(yīng)用示意圖

3.能源

采用嵌入行云通信模組的輸油管道傳感器或DCS；巡查人員手持衛(wèi)星通信終端等，實(shí)現(xiàn)石油管道安全信息監(jiān)測(cè)的傳輸；巡查人員、巡查車輛監(jiān)管信息的傳輸；運(yùn)輸管線上傳感器或DCS采集數(shù)據(jù)的傳輸；石油管道巡檢無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制及監(jiān)管信息傳輸（圖3）。

圖3 無人區(qū)石油輸送管道監(jiān)管信息的衛(wèi)星傳輸應(yīng)用示意圖

采用嵌入行云通信模組的石油設(shè)備監(jiān)管信息的傳輸，野外石油人員手持衛(wèi)星通信終端通信；海外石油人員穿戴設(shè)備的衛(wèi)星通信等，實(shí)現(xiàn)磕頭機(jī)、平臺(tái)設(shè)備、設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警、遠(yuǎn)程控制；石油開采設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息傳輸；采油人員安全信息傳輸；石油應(yīng)急事件衛(wèi)星通信保障（圖4）。

圖4 野外石油設(shè)備及人員安全信息衛(wèi)星通信傳輸應(yīng)用示意圖

4.地災(zāi)

采用嵌入行云通信模組的地震烈度速報(bào)儀、靜力水準(zhǔn)儀及其他地災(zāi)監(jiān)測(cè)傳感器或DCS等，實(shí)現(xiàn)滑坡、沉降、泥石流等地災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸及地質(zhì)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)的采集傳輸（圖5）。

圖5 野外地災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信傳輸應(yīng)用示意圖

采用嵌入行云通信模組的RTU終端等，實(shí)現(xiàn)滑坡、山洪、泥石流、崩塌、地面塌陷及裂縫等災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)及災(zāi)害應(yīng)急事件廣播等（圖6）。

圖6 滑坡、山洪、泥石流等災(zāi)害預(yù)警信息廣播應(yīng)用示意圖

5.氣象

采用ADS-B載荷，嵌入行云通信模組的探空儀終端等，實(shí)現(xiàn)將電子探空儀、高空探測(cè)設(shè)備、電碼式、數(shù)字式探空儀的位置、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、對(duì)流層、電離層等氣象信息通過衛(wèi)星及時(shí)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心（圖7）。

圖7 探空氣球采集數(shù)據(jù)的衛(wèi)星傳輸應(yīng)用示意圖

采用嵌入行云通信模組的各種海洋氣象數(shù)據(jù)采集傳感器或DCS等，實(shí)現(xiàn)全球海洋氣象站鹽度、濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、日照、氣壓、天氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息通過衛(wèi)星傳送到國內(nèi)數(shù)據(jù)中心。

6.應(yīng)急救援

采用嵌入行云通信模組的災(zāi)情信息員手持通信終端或者車載通信終端等，實(shí)現(xiàn)救災(zāi)人員調(diào)度指揮；災(zāi)情信息實(shí)時(shí)采集傳輸；災(zāi)情信息預(yù)警預(yù)報(bào)（圖8）。實(shí)現(xiàn)救災(zāi)人員、車輛調(diào)度指揮；救災(zāi)物資數(shù)字化存儲(chǔ)與運(yùn)輸全程監(jiān)管。

圖8 災(zāi)情信息采集的衛(wèi)星傳輸應(yīng)用示意圖

7、工程機(jī)械

采用嵌入行云通信模組的各種農(nóng)機(jī)設(shè)備車載傳感器或DCS，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸；農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸；農(nóng)機(jī)售后服務(wù)信息的傳輸；農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程操控信息指令管理等（圖9）。

圖9 農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及位置信息的衛(wèi)星傳輸應(yīng)用示意圖

8.飛行器

采用嵌入行云通信模組的各種飛行器監(jiān)管傳感器或DCS等，實(shí)現(xiàn)飛行器空中遠(yuǎn)程遙控；空-空協(xié)同調(diào)度、指揮；飛行應(yīng)急事件通信保障服務(wù)（圖10）。同時(shí)，行云通信衛(wèi)星自帶的ADS-B載荷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空中飛行器（如客機(jī)、直升機(jī)等）等運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)偵測(cè)，保障飛行器不失聯(lián)。

圖10 飛行器遠(yuǎn)程遙控、指揮調(diào)度信息的衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸應(yīng)用示意圖