数据采集卫星系统在智慧城市中的应用

● 文|航天恒星科技有限公司 陈宁宇 刘威扬 张泽根

数据采集卫星系统在智慧城市中的应用

● 文|航天恒星科技有限公司 陈宁宇 刘威扬 张泽根

目前智慧城市建设的热潮正在世界各地掀起。数字卫星采集系统具有灵敏度高、地域覆盖性广、终端小、用户使用成本低等特点，在智慧城市领域具有巨大的应用潜力。

数据采集卫星系统 智慧城市 感-传-智-用

一、引言

智慧城市早期概念的提出是在上个世纪90年代，2008年IBM提出了“智慧地球”的理念以后，全球智慧城市建设的热潮在世界各地掀起。2014年3月，中共中央、国务院印发了《国家新型城镇化规划（2014-2020年）》，明确了我国智慧城市建设的六项指标：信息网络宽带化、规划管理信息化、基础设施智能化、公共服务便捷化、产业发展现代化以及社会治理精细化，简称“六化”。

通信是实现上述“六化”的必要手段。数据采集卫星系统能够对数据进行采集、汇聚、处理、分发，通过对地面状态信息直接感知，实现对地高精度原位探测，具有数据传输灵敏度高、地域覆盖性广、终端小、用户使用成本低等特点，适用于用户数多，但数据传输量小，实时性要求不高的应用。数据采集卫星系统广泛面向个人、行业、以及政府职能部门，涉及多个应用领域和产业发展方向，具有广阔的市场前景和极大的产业规模，直接面向最终用户提供端到端服务，解决信息传输中“最后一公里”问题，非常适用于智慧城市领域，具有巨大的应用潜力。

二、系统设计规划

我国发展数据采集卫星系统，利用低轨小卫星对地球信息数据进行采集、传输、汇聚、处理和分发，实现地球状态信息的直接感知，为用户提供数据采集、短数据通信和广播等服务。低轨小卫星的轨道高度小于1000km，具有传输延时短、路径损耗小等特点，由一定数量的低轨小卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖。

1.系统组成

参考通信卫星以及国外卫星星座系统的设计方案，我国数据采集卫星系统由地面段、空间段和用户段三部分组成。系统组成架构如图1所示。

图1 数据采集卫星系统架构

（1）空间段

空间段由数十颗低轨小卫星组成卫星星座。低轨小卫星可搭载DCS（Data Collection System，数据采集系统）、AIS（Automatic Identification System，自动识别系统）、ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，广播式自动相关监视）载荷，实现地面DCS数据、船舶AIS数据和飞机ADS-B数据的接收和转发。数十颗小卫星按照一定的星座构型进行全球部署，系统建成后可实现近实时的全球覆盖。

（2）地面段

地面段包括网关站和中心站，卫星数据收发、卫星测控、数据分发和处理以及网络管理等基本功能，可实现与卫星间馈电链路的连接、终端接入鉴权、信道管理等运行控制以及系统的运行管理维护。中心站除具备网关站功能外，还建有卫星操作中心、网络管控中心、数据处理中心，共同组成地面运控系统。

（3）用户段

用户段主要由多种形式的数据采集终端组成，其根据不同的应用场景可分为微小终端、固定终端、移动终端、手持终端、抛撒终端等，此外还包括船舶AIS终端和机载ADS-B OUT设备。终端集成了传感器和通信模块的功能，可将采集数据上传至过顶的低轨小卫星，同时可以接收业务广播数据和管理控制数据等信息。

由于卫星轨道高度低，传输损耗小，因此用户终端支持小型化、低功耗设计。

2.信息流程

首先由部署在各处的数据采集终端通过传感器采集海洋、地震、森林、水文等监测数据，实现数据编码、调制和组帧。当卫星经过采集终端覆盖区域上空时，通过用户上行链路发送给卫星。终端同时具备链路层的功能，即按照某种机制自主选择接入信道。卫星根据终端ID对终端上传数据进行确认，实现数据的接收和数据格式的重新封装等功能。当卫星进入地面站的可视范围时将采集数据下传给地面站。地面站实现业务数据接收、分类和处理功能，通过行业专网、互联网、移动通信网（PLMN）分发给行业、商业及大众用户。

此外，地面站还能将控制信息、数据接收确认信息、特殊广播信息进行汇聚处理上注卫星，数据由低轨小卫星推送至覆盖范围内的应用终端，实现双向通信功能。

3.业务特点

我国建设低轨数据采集卫星系统，将具有大容量、全球覆盖以及终端小型化、低功耗等特点。系统建成后，可支持千万量级的用户接入，为全球范围的用户提供近实时的数据采集和通信服务。系统支持短报文、语音数据包和图片等多种数据类型，通信速率可根据用户需求和传输数据类型分为高速、中速和低速通信三档，以低速短报文通信为主。通信模式分为单向和双向，用户可根据自身业务特点选择定时通信和不定时通信。

4.建设方案

我国目前尚无低轨卫星星座系统。参考国外成型系统的建设情况来看，由于卫星星座系统由多颗小卫星及地面配套设备组成，结构复杂，系统建设工作量巨大，成本较高，因此应选择循序渐进的方式，根据市场调研情况，兼顾系统的成本与效能，进行分阶段建设。

系统建设初期主要为系统设计和试验验证阶段。该阶段发射数颗小卫星，可支持区域性和非实时性的业务应用，验证系统设计的可行性，评估系统应用效能，为整个系统建设打好基础。

初期建设目标达成后，则进入星座部署和交付运营阶段。该阶段将继续发射剩余几十颗小卫星，完成整个低轨小卫星星座的部署，实现全球覆盖并交付运营，为用户提供服务。

三、智慧城市应用

1.总体架构

围绕国家智慧城市“六化”要求，以大数据、物联网、移动互联网、云计算为代表的新一代信息技术作为智慧城市建设的基础，在智慧城市“感-传-智-用”总体架构（见图2）中，将应用到智慧城市建设的各个层面。

图2 智慧城市总体架构

在感知层，基于新一代信息采集技术、智能识别技术、智能视觉物联网技术将应用在智慧城市基础数据高精度采集、物体自动识别、目标状态分析、异类事件感知等领域，识别感知城市环境、状态、位置等数据的全方位变化。

在传输层，全光网络技术、认知无线电技术、高可靠数据加密算法、智能接入网技术将应用在智慧城市高速数据传输、城市无线覆盖、数据加密防护、统一网络接入等领域，实现高速泛在的城市信息网络覆盖。

在平台层，基于云计算的身份认证和加密信息处理、高性能信息处理、云计算中间件及多元异构信息融合等关键技术将应用在数据安全、数据共享、辅助决策等领域，对城市资源进行一体化逻辑组织与管理。

在应用层，模式识别、机器学习等数据挖掘关键技术，车路协同、远程诊断等行业关键技术将应用在政府行政审批、行业职能管理、社会公众服务等领域，创新社会治理方式，打造百姓精致生活，培育信息服务新模式。

2.系统定位

数据采集卫星系统，兼具数据采集和短报文通信功能，可实现广域信息感知和数据传输。作为地面通信网络的有效补充，系统在智慧城市“感-传-智-用”总体架构中，可承担“感”和“传”的角色。

（1）感——信息感知

“感”指对城市产生的各类数据进行采集和感知，感知的数据可分为城市空间信息和动态信息两大类。其中空间信息包括了城市基础地理信息、地表部件信息、地下管线信息和地下空间信息，这一类信息变化相对缓慢，通常采用现代卫星遥感、航空摄影、地面三维推扫等先进测绘手段按照一定的时间周期进行数据采集和更新处理。动态信息主要包括城市的视频监控信息、站网监测信息、数字传感信息以及位置服务信息等，该类信息的实时性较强，且数据丰富多样，数据量巨大，构成了城市运行监测的基础数据。

数据采集卫星系统可支持文本、图片、视频等多种数据类型，且支持大容量终端接入，非常适用于城市动态信息的采集。系统通过广泛分布于不同地形和不同环境中的DCS终端进行动态信息采集，对于东部沿海城市、内陆港口城市以及航空交通枢纽城市还可以进行船舶AIS数据和飞机ADS-B数据的采集。

（2）传——数据传输

“传”为城市信息的采集与更新提供数据传输通道，具体通信手段包括地面2G/3G/4G移动通信系统、有线/无线互联网络、卫星通信等。

数据采集卫星系统属于卫星通信范畴，可适用于任何复杂环境下的广域通信，在地面网络无法覆盖的区域为智慧城市中的数据传输提供通道。系统设计具有良好的兼容性，主要体现在设备兼容和体制兼容两方面：设备兼容方面，数据采集卫星系统在支持本系统DCS终端的基础上，还可支持已有的各种地面数据采集设备；体制兼容方面，数据采集卫星系统可与地面蜂窝网络系统通过空中接口相连接，在地面网络中传输的数据仍可通过卫星进行远距离传输。

3.重点应用领域

（1）智慧物流

数据采集卫星系统可面向陆路和海路货柜运输监控的需求，针对货柜物流供应链进行全过程智能管理。如图3所示，系统综合运用射频识别（RFID）、卫星定位、卫星通信、货物/环境传感器等物联网技术，研制箱载监控终端和通信终端，开发跟踪监控平台，实现货柜物流运输的“全要素（箱体/货物/流向/环境）”、“全过程（事前/事中/事后/应急）”、“全方位（陆路运输/海上运输）”智能化管理，使供应链各方能实时获取货柜在运输过程中的箱体、货物、流向及环境信息，从而提高货柜物流的整体效率、货运质量和安全保障。

图3 智慧物流应用示意图

（2）智慧交通

数据采集卫星系统通过导航仪、RFID、视频等多种终端设备实现智慧交通所需基础信息的感知与采集，对交通中驾乘人员、车辆、道路、天气等进行全要素、全过程、全方位的动态信息接收和转发（见图4）。系统可为交通部门提供车辆数据，帮助交通部门准确收集到车辆实时的位置等数据，提高监控水平和安全管理水平，进而有效地改善城市的拥堵状况。同时交通运输企业和驾驶员可通过对车辆实时位置等数据的收集，了解到城市的实时道路情况，例如拥堵地段、事故地段，优化路线，方便市民出行。

图4 智慧交通应用示意图

此外，结合系统AIS和ADS-B业务的开展，可实现针对汽车、船舶、飞机的陆-海-空立体化的交通信息感知，通过天地一体化技术扩展智慧交通业务领域，完善业务覆盖。

（3）智慧环保

环保涉及业务较广，包括海洋、河流、森林、大气和野生动物等环境和资源的监测与保护。

以海洋为例，数据卫星采集系统能够进行实时水温、光照、污染情况等数据的监控、存储、过滤、归纳和分类统计，在海洋环境保护、科学研究领域提供信息支撑。

在野生动物保护方面，通过建立野生动植物保护系统，实现利用卫星技术调查终端，进行野生动植物野外调查；利用手持巡护终端，开展野生动植物野外巡护；通过微型终端，进行野生动物的迁徙监测，为野生动植物的监测、保护、综合利用提供支撑。

此外，数据卫星采集系统在森林防火、大气污染监测、水温数据监测等方面有重要应用。如图5所示，通过对不同类型的环境信息进行采集和分析，可实现全角度、立体化的智慧环境保护体系，为环保部门提供信息和决策支持，有效改善城市生态环境。

图5 智慧环保应用示意图

（4）智慧应急救援

我国幅员辽阔，自然灾害频发。在地震、泥石流、洪水等自然灾害爆发时，往往对原有地面通信网络造成严重破坏，形成信息孤岛，造成巨大的生命和财产损失。

数据卫星采集系统可对地震烈度、河流水位等灾害信息进行实时监测，并做到应急预测，在灾害发生前进行人员和财产的转移，将损失降到最低（图6）；另一方面，作为地面通信网络的有效补充，可在地网通信失效的情况下作为应急通信手段，将受灾位置、受灾面积、灾害类型、人员伤亡情况等重要信息传递出去，方便灾后救援工作的开展。

图6 智慧应急救援应用示意图

4.典型应用模式

根据智慧城市应用业务类型和用户的不同需求，数据采集卫星系统可为智慧城市各领域提供的应用模式主要有三种：传输通道模式、原始数据模式和增值服务模式。

（1）传输通道模式

作为地面网络的有效补充，数据采集卫星系统为广域信息感知和数据传输提供了高可靠的数据传输通道。卫星系统可与现有数据采集设备实现良好兼容，行业部门和相关企业可直接租用卫星数据传送通道，自行对接收到的卫星数据进行存储、处理、分发及应用。

（2）原始数据模式

数据采集卫星系统可实现数据采集和分发，为智慧城市中各个行业和领域提供采集数据。监测数据经卫星传输后由卫星系统中的地面站负责接收，再通过网络管控中心将原始数据分发至互联网或政府、企业的内部专网。

（3）增值服务模式

数据采集卫星系统还可为智慧城市各领域的政府、企业和大众用户提供增值服务。数据落地后由数据处理中心进行数据处理，通过对原始数据的分析和统计形成具有更高价值的应用服务和解决方案。数据可接入地面移动通信网或互联网，用户所需的信息将通过短信、电子邮件等形式发送给用户，用户也可登陆应用服务平台查看信息。

5.数据采集卫星系统应用优势

基于低轨数据采集卫星系统的自身特点，在智慧城市应用中系统具有如下优势：

（1）系统容量大

整个星座由几十颗低轨小卫星组成，时间分辨率高，除两极地区外均可保证信息的实时回传。系统可容纳千万量级的用户，单星可支持数百个终端同时接入，可满足智慧城市对于大范围、多行业的感知数据需求。

（2）覆盖范围广

卫星星座可实现全球范围覆盖，作为地面网络和近岸系统的有效补充，数据采集卫星系统将作为海洋、森林、山地等基础通信设施不健全和地网遭到严重破坏的城市和地区的主要甚至是唯一的通信手段，应用潜力巨大。

（3）安全性高

数据采集卫星系统采用我国自行设计的通信体制，由我国自主开发并负责运营，卫星数据落地由我国自行接收和处理，极大保障了信息的安全性。

（4）终端小型化

低轨小卫星轨道高度较低，通信链路长度较短，信号衰减小，终端无需配备较大增益的发射天线，有利于智慧城市动态信息采集终端的小型化低功耗设计。

四、结论与建议

数据采集卫星系统覆盖了从空间段卫星星座、地面段数据采集网关站和中心站到用户段各种终端的各个环节，可同时推动卫星制造和卫星应用的发展，广泛的用户基础将推动制造成本的大幅度降低，可实现相关产业的规模化、产业化发展。一方面，数据采集卫星系统可为用户提供实时数据信息采集、通信服务，为智慧城市的实时感知和物联网的物物互联通信提供手段；另一方面，卫星系统的数据采集终端、芯片的研发，可促进核高基和物联网技术的发展。因此，建议尽快推进和落实系统的建设实施和业务运营，以促进基于云计算、物联网等高新技术的智慧城市战略性新兴产业的发展。

[1]宗可,曹桂兴,闫忠文.数据通信微小卫星星座系统的发展及应用[J].航天器工程,2011,(2)

[2]马祥斌,李璇.基于航天系统工程，实施智慧城市“六化”建设[J].卫星应用,2014,(11)

[3]刘健.物流运输智能感知与位置服务平台设计[J].卫星应用,2015,(2)