国外低轨物联网星座系统发展分析.pdf

第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:引用格式:张千刘咏.国外低轨物联网星座系统发展分析.空间电子技术():.():.:./.国外低轨物联网星座系统发展分析张 千刘 咏(.中国空间技术研究院北京.航天东方红卫星有限公司北京)摘 要:随着地面移动通信系统的建设发展和移动互联网业务的爆发式增长多样化的移动通信需求和应用场景不断涌现传统的“人与人”之间的通信正在扩展向“人与物”、“物与物”的通信 物联网()技术近年飞速发展并已投入广泛建设和应用 卫星因其广域覆盖和抗毁性比较适应于大区域数据采集和物联业务 近年来随着卫星通信技术能力的提升和产业链条的优化商业航天蓬勃发展天地一体成为趋势 天基物联网、天地融合物联网成为新的关注点 国际上近年来涌现出数十个天基物联网系统部分已投入工程建设和应用已在天基物联网的系统架构和体制设计上取得进展 针对卫星物联网技术发展和建设应用开展调研对、等低轨星座物联网系统的建设规划、能力定位、系统架构、星座方案、通信技术、频率资源、市场应用等方面进行了全面分析并对天基物联网星座系统的发展趋势和关键问题进行总结关键词:低轨星座物联网发展趋势关键问题中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.().:年第 期张千等:国外低轨物联网星座系统发展分析 引言 随着地面移动通信系统的建设发展和移动互联网业务的爆发式增长多样化的移动通信需求和应用场景不断涌现传统的“人与人”之间的通信正在扩展向“人与物”、“物与物()”的通信 移动通信系统早在 年就提出了“信息随心至万物触手及”的愿景 的三大应用场景之一为“大规模机器类通信”()物联网()技术近年来飞速发展并已投入广泛建设和应用中 卫星因其广域覆盖和抗毁性比较适应于大区域数据采集和物联业务 早期建设的许多卫星通信系统如第四代国际海事卫星通信系统()、轨道通信系统()等均发展了天基物联应用模式 近年来随着卫星通信技术能力的提升和产业链条的优化天地一体成为趋势 天基物联 网、天 地 融 合 物 联 网 越 发 成 为 新 的 关 注点 国际上近年来涌现出数十个新的天基物联网系统部分已投入到工程建设和应用当中如、等并已在天基物联网的系统架构和体制设计上取得进展 物联网技术正在由地面向太空拓展国际技术研究公司 发布报告称通过卫星连接的物联网终端数量近年将有数倍的增长至 年将增长至 万以上得益于近年来商业航天的飞速发展和低轨卫星通信星座的大量启动建设国际上近期提出的各种天基物联网系统基本都是低轨卫星星座系统换言之天基物联网的概念虽早已有之且并不局限于高轨或低轨系统但是由于近年来低轨通信星座引发的新一轮“太空竞赛”天基物联网系统与低轨卫星星座之间出现了紧耦合的态势采用低轨通信卫星星座实现天基物联网功能是近年来国际上的热点事件 与早年的 低轨物联网星座相比近期涌现的天基物联网低轨星座系统呈现出星座规模更大、通信能力更强、业务种类更多样等特点本文对国际范围内较为典型的几个低轨卫星物联网系统进行介绍通过分析这些系统的建设规划、能力定位、系统架构、星座方案、通信技术、频率资源、市场应用等方面总结归纳低轨物联网星座系统的发展趋势和关键问题这些可为我国天基物联网系统建设提供参考 国外典型低轨物联网系统以下分别对、和 等 个低轨卫星物联网系统进行介绍分析 如表 所列给出了这 个低轨物联网星座的参数对比表 国外典型低轨物联网星座参数.卫星数目/颗轨道高度/业务/频段建设情况已建成 在建中、在建中 在建中约 在建中.系统轨道通信系统是美国 公司和加拿大 公司联合经营的 卫星移动通信系统该系统通过低轨卫星组成的全球卫星移动通信网络为用户提供卫星移动通信业务 年开始商业运营 年 月 公司与 ()公司联合声明将发射 颗第 代卫星目前已经完成第 代系统建设 星座由 颗星组成 轨道高度约轨道倾角 单星重量约 卫星与用户终端采用甚高频()频段通信上行频率 .下行频率 卫星采用处理转发器、单波束天线终端为单模手机和寻呼机 系统是一个广域、分组交换、双向短数据通信系统 用户终端与 网关站之间的通信是通过低轨道卫星星座来实现的网关站连入拨号网络或专线网络与因特网和.等网络相连 其中用户终端和卫星之间拥有./的上行链路和./的下行链路目前 利用其低轨卫星提供低速、低成本、近乎实时的双向数据传输服务 其特有的以 为中心的网络以较低的成本实现用户设备的低速连接包括“卫星”、“地面”和“双模式”可以利用卫星和地面蜂窝网络实现资产跟踪、管理和遥控 利用 卫星系统用户空间电子技术 年第 期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 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.系统成立于 年的加拿大开普勒通信公司()计划打造运营由多达 颗 卫星组成的 星座系统用于地面上的宽带通信和物联网连接 低轨卫星星座系统是一种太空数据中继系统支持移动和固定应用的全球数据服务以及经济有效的无处不在物联网连接服务()该系统面向地基/天基终端提供“宽带”和“物联网”信息传输服务 一方面地基卫星终端可将采集信息通过 卫星做回传另一方面安装于其他低轨卫星上的天基终端也可以通过 系统建立星间、星地连接 公司公开申报的 星座系统资料显示其空间段是包含 颗 卫星的 星座卫星工作在 轨道高度的极轨道轨道倾角 颗卫星分布在 个轨道面上每个轨道面上均匀部署 颗卫星 系统的卫星 用户终端、卫星 关口站之间的链路均采用 频段 星座内的卫星之间以及 卫星与其他 卫星之间的链路采用 频段图 星座示意(图中每个点表示一颗卫星不同颜色的点表示不同轨道面).()卫星是微纳卫星设计为若干个标准体积单元 卫星的核心器件是 频段的电扫天线和星上软件无线电()载荷 是通过运行在 上的软件实现的开发成本更低配置也更简易 有效地缩小了 卫星的规模和成本 卫星波束可覆盖的星下视场范围约为 这意味着地面用户终端的最小通信仰角约为.卫星及地面终端均采用“软件定义”的天线阵列波束格式、信道带宽、输出功率等均可动态调整 因而随着卫星星座的建设过程在轨卫星的收发特性可以通过软件升级的方式进行调整 系统的地面用户终端采用小型化 频段电扫阵列天线(约 口径)可配置太阳能电池板供电便于部署在各种偏远地区 地面关口站采用.口径(也可更大)的 频段天线 系统旨在为“机器”类终端提供通信服务因而其系统架构、频谱使用均有特殊设计 系统所面向的通信业务“上下行业务量比例”非常高 约为 而常规通信广播类的卫星通信“上下行业务量比例”仅为 左右 这种特殊的通信服务场景非常有利于发挥出微纳卫星的特点并且其频率的使用需要重点关注上行链路从而也便于开展与其他系统的频率协调工作与当前卫星重量在数百 的“星链”、“一网”等低轨星座相比 星座计划采用几 或几十 的微纳卫星提供 频段天基通信服务其建设成本很低 公司已通过加拿大向、提交了建设申请 该系统于 年 月发射了首发试验星截至目前已有数十颗卫星在轨运行 年 月 公司已经测试了先行验证星的通信能力 采用天线口径 的甚小口径终端可实现高达 的通信速率采用.口径的关口站天线可实现超过 的通信速率 年 公司还在国际北极考察活动中推广了星座通信服务 联合 公司在北极考察船上部署了两个增强型的船载天线在北极中部()为考察队提供通信服务下行链路和上行链路通信速率分别高达 和.系统 公司总部位于美国德克萨斯州于 年创立致力于打造自家的通信卫星网络 “”将零死角的天基通信能力直接服务于全世界的智能手机 的星座通信服务将与地面移动网络运营商合作若用户所 年第 期张千等:国外低轨物联网星座系统发展分析在区域超出地面运营商的通信范围如:山区、海域或飞机上 星座将作为信号的延伸持续提供网络服务 而且用户无需使用其他额外的卫星信号接收设备即可直接连接至 星座 系统让卫星直接与普通电话通话的方法是在太空中部署异常巨大的卫星来接收到手机微弱的信号卫星充当手机和地面上蜂窝网络之间的中继 简而言之卫星不是一个绕轨道运行的基站而是一个无线中继单元 这种方式可以适用于地面、和 网络 公司的 星座是一种低轨、低延迟卫星通信网络也是全球首个无需任何专门的卫星硬件即可直接 连 接 到 及 智 能 手 机 的 移 动 宽 带网络 星座共包括 颗 卫星卫星分布在 个轨道面上 其中有 个倾斜轨道面上各布设 颗卫星还有单独的一个赤道轨道面上布设 颗卫星 星座卫星的轨道高度在 之间其中倾斜轨道面的轨道倾角有两种分别为 和 如表 所列是 星座中 种轨道的参数情况表 星座轨道参数.轨道类型一轨道类型二轨道类型三轨道面内卫星数目/颗轨道倾角/轨道周期/近地点轨道高度/远地点轨道高度/星座中 每颗卫星均具有高达 个用户波束和 个信关站馈电波束 其中用户波束由大型相控阵列天线生成(面积达数百平方米)具备电扫凝视功能用户波束可灵活地指向星下视场 仰角范围内的任何地方馈电波束由机械可动天线生成也可凝视可以灵活指向星下视场 仰角范围内的任何地方 整体而言每颗 星座卫星可为星下视场 张角范围内的区域提供通信服务 卫星采用波束形成技术产生大量的用户波束用户波束的天线增益达到 且使用了多进多出()技术提升通信能力卫星整体具有可媲美地面通信系统的传输能力 卫星的馈电链路拟采用 频段测控频段考虑 频段或 频段 用户链路拟采用国际标准化组织第三代合作伙伴计划()授权的地面蜂窝网频段 每个用户链路波束可配置 种信道这 种信道的频率在 、这些 授权给地面通信频段中选择种信道带宽可以是、和.卫星上采用简单的“频率搬移”转发器构型 系统信号通信流程描述如下对于前向链路信关站通过 频段馈电链路将准备给卫星用户链路每个波束配置的传输信号上行发射至卫星卫星接收到信关站的上行信号后将其中的多路信号进行分离并将多路信号映射搬移到不同的用户链路波束上通过相控阵天线进行用户链路的下行传输 对于返向链路来自不同小区的用户终端在预先配置好的载波内将各自的上行信号发射至卫星卫星通过相控阵天线接收来自多波束的多用户信号对其中的多路信号进行分路合并并将其上变频至 频段通过馈电链路传送给信关站 公司已于 年 月发射 试验卫星并已成功开展在轨测试 该公司表示将在 年发射 星座的首批 颗卫星并投入商业运营预计在 年开始实现用户规模化增长届时其将拥有 万用户 公司已经从日本乐天公司、英国沃达丰公司、韩国三星未来等公司获得了大笔融资 颗卫星可以服务赤道地区 个最大国家 亿人口 之后 公司将继续筹资完成 全球星座的建设按照 公司公布的 星座运营规划该星座的业务运营交给地面蜂窝网络运营商 公司只负责星座的建设和运管 沃达丰公司将于 年在非洲启动 天基移动通信服务的第一阶段 沃达丰表示这项技术将使人们无论身处非洲大陆何处都可以直接进行通信而无需使用特定的电话或卫星天线 沃达丰将把这项新服务整合到自己的品牌中在刚果(金)、坦桑尼亚和莫桑比克、肯尼亚以及加纳等地区提供天基移动通信服务.系统欧洲 公司于 年推出了自己的“卫空间电子技术 年第 期星物联网”()计划希望通过建设 颗低轨卫星实现全球覆盖的窄带低速率物联通信 天基物联网可以作为地面物联网的补充和增强提供面向智能城市、矿业、农业和物流等领域广泛物联通信需求的解决方案该星座的卫星轨道初步考虑为 的太阳同步轨道地面物联终端配置低功率全向天线即可实现与卫星的通信 地面信关站位于挪威的斯瓦尔巴特群岛卫星每天将收集到的地面终端物联数据下传至该信关站 另外 公司已经与法国物联网公司 达成合作协议 公司目前在 个国家运营地面窄带物联网业务其已决定将充分利用 公司的 星座构建天地一体的物联网体系提升在海洋运输、应急安全等方面的物联保障能力 年 计划公布之初 公司即从微纳卫星制造公司 订购了 颗微纳卫星()作为“验证星”用以测试 卫星多种对地通信波形的性能 年公司又与两家公司 和 分别签订了 颗卫星的订购合同 表示这 颗卫星()入轨后将迅速开展卫星物联通信的商业运营如果运营效果良好 将加速 星座建设最快于 年可完成 颗卫星全部在轨.系统西班牙卫星电信运营商 公司于 年依托 卫星电信公司而创立计划投资部署一个由 颗左右微纳卫星组成的低轨卫星星座为那些在地面网络无法到达的偏远地区部署物联网服务的移动运营商提供媲美地面“电信塔”的低时延卫星接入服务卫星轨道高度约 该公司计划投资超过 亿欧元到 年建成全部卫星星座提供全球范围连续 连接的卫星物联网服务 英国公司 将负责制造卫星并管理其发射和运行 公司的物联网卫星星座可以在海事、铁路、航空、联网车辆、石油和天然气勘探、电力服务、关键基础设施、农业技术和环境监测等领域为物联网运营商提供更广的覆盖范围 公司将是第一家在 架构下为所有物联网元素提供全球连续连接的卫星电信运营商 发展分析 通过分析思考国际天基物联网系统的技术状态、发展历程、建设应用情况等得到的启示与思考如下:()天基物联网系统应面向具体的应用场景和使用需求在开展天基物联网系统设计时应瞄准具体的应用要求从需求入手指导系统技术设计优化设计星座类型、卫星方案、载荷频段等 上述国外的多个天基物联网系统中 星座定位为低速数据传输(通信速率仅为数)因而采用较低的工作频段(频段)和工作带宽(卫星带宽仅数终端带宽仅数十)其低速数据通信功能面向远洋集装箱数据传输、油气田常态数据采集等应用场景获得了非常好的使用效果 星座面向高速率的数据传输因而选用 频段(通信速率达数十 至数百)同时 系统的地面终端主要面向载体平台(如船载、车载、机载等)终端尺寸较大、发射和接收能力较强这使得对 卫星的发射和接收能力无需过高约束因而 卫星采用立方体卫星构型降低空间段建设成本 的 星座面向个人小型化用户终端同时对传输速率也没有过高要求因而其选用 和 频段但由于地面终端手持小型化 卫星需要具备较高的收发能力卫星重量很大综合而言目前尚并不能期许一个天基物联网系统解决所有的“物联”问题应首先明确通信场景、业务类型、传输速率要求、地面终端约束等因素结合实际需求对天基物联网系统进行优化设计确保设计的针对性、实用性、优选性能解决具体的实际问题同时保证方案的简化和优化()应重视天基物联网通信体制协议的研究和开发当前天基物联网通信体制的设计开发进入关键阶段国际范围内多个标准化组织和天基物联网公司均投入大量精力进行研究和开发工作应提前布局和介入掌握技术优势和话语权 虽然地面物联网技术已发展了数十年但由于物联网业务种类繁多难以通过单一体制满足当前现有物联网通信体制包括若干类型:第一是、等短距离通信技术第二是低功耗广域网包括工作于未授权频谱的、等技 年第 期张千等:国外低轨物联网星座系统发展分析术 以及工作于授权频谱下的/蜂窝物联网通信技术比如、等 第三是面向/拓展演进的新型物联网通信技术标准地面物联网技术应用于卫星物联网系统会面临多种约束和障碍必须基于天基网络架构和特点进行标准协议的适应性改进或者新标准的设计开发工作 上述 星座系统采用现有的地面通信体制改进建设而 星座自行优化设计了新型物联网通信体制 建议积极跟踪如 等标准化组织的技术状态和进展同时自主投入开展技术研究为天基物联网系统建设储备技术基础和先导优势()应密切跟踪关注天基物联网星座和载荷的新技术随着国际上多个天基物联网星座的方案公开和投入建设可以发现天基物联网卫星及载荷上体现出了许多新兴技术值得深入关注、分析和研究首先较多的天基物联网卫星均采用立方体卫星整星重量仅数十 如 卫星、卫星、卫星等基于立方体卫星的高效平台优化技术值得深入研究如立方体卫星电推进技术、姿轨控技术、长寿命设计等 另外为了适应小型化的卫星平台卫星载荷均为高集成设计如 卫星采用高集成度的 频段新型相控阵天线 卫星拟采用大型/频段相控阵天线关注和跟踪天基物联网卫星和载荷的新技术并进行深入分析研究有助于了解和掌握卫星载荷产品的国际动态和最新技术水平为后续开发新型卫星载荷或新型卫星方案提供技术积累()应积极参与到天基物联网系统国际规则的制定中随着国际范围内天基物联网系统的广泛建设逐渐涌现出一些新的技术和管理问题迫切需要制定相关国际规则和规范予以约束 在通信频率方面由于地面很多物联网系统工作在非授权频段因而有些天基物联网系统也计划在非授权频段开展建设这可能造成天地之间的同频干扰问题另外如 系统计划采用与地面蜂窝网同样的频段共用建设这也为天地之间的频率协同和协调带来了技术挑战 另外在轨道风险方面天基物联网低轨星座动辄数百颗卫星规模且工作轨道均为数百 至 存在潜在的轨道碰撞风险如 系统已经遭到 的警告这也需要从轨道管理的角度对天基物联网系统指定规则予以约束面向新的天基物联网系统国际规则制定应积极参与规则的讨论和分析之中全力争取和维护相关利益掌握国际话语权和主导优势为后续天基物联网系统规划建设提供有利基础 总结针对国际范围内卫星物联网技术发展和建设情况本文深入调研分析了近年来国外、等低轨物联网星座系统的规划方案、技术状态、建设应用等内容并综合对比了它们在卫星和星座设计、工作频段、终端类型、服务能力等方面的异同 通过总结分析国外低轨物联网星座发展趋势和相关问题本文给出了若干意见建议:建议面向具体的应用场景和业务能力要求优化设计低轨物联网星座方案确保匹配实际需求、解决实用问题建议积极跟踪物联网通信标准的演进发展面向天基场景深入研究新型物联网通信技术建议拓宽思维创新性地论证设计面向物联网应用的卫星和载荷方案引领卫星载荷技术的新发展建议高度重视低轨卫星物联网的频率、轨道使用等相关国际规则的演进变化引导或主导规则的制定维护太空权益参考文献:魏肖成俊峰王静贤等.基于 技术的低轨卫星物联网技术.移动通信():.白卫岗盛敏杜盼盼.卫星物联网移动性管理:挑战与关键技术.物联网学报():.沈永言.世界中的卫星物联网.卫星与网络():.:.():.:.():.纪凡策李博周一鸣.卫星物联网发展态势分析.国际太空():.张景魏肖吴云飞等.天基物联网技术研究与发展综述.无线电通信技术():.陈利虎崔俊伟李松亭.天基物联网关键技术及应用空间电子技术 年第 期前景.国际太空():.王晓海.天基物联网技术发展与应用研究.卫星与网络():.李凯李峰杨伟铭.天基物联网:基本概念、体系架构及发展趋势.电讯技术():.():.沈俊高卫斌张更新.低轨卫星物联网的发展背景、业务特点和技术挑战.电信科学():.张更新揭晓曲至诚.低轨卫星物联网的发展现状及面临的挑战.物联网学报():.丁晓进洪涛刘锐等.低轨卫星物联网体系架构及关键技术研究.天地一体化信息网络():.:.陶孝锋李雄飞翟继强等.星座卫星系统发展历程及其最新动态研究.空间电子技术():./.().:/././.().:/././.().:/./.:/.().:/././.().:/./././.().:/./.李泽浩马建鹏张顺等.基于 的低轨道卫星物联网传输技术.天地一体化信息网络():.:/(/):./():./():.刘昊东郑重王闻今等.融合 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