2.3　天基物联网的组成架构与应用场景

2.3.1　天基物联网的三段式架构

天基物联网是以卫星通信网络为基础，结合卫星遥感和卫星导航等服务，为全球范围内的物（人）和物（人）之间提供信息交互的信息系统。由于天基物联网是卫星通信系统和地面物联网的结合，就其体系构成来说，可参考传统卫星通信系统的架构[13，14]。这里把天基物联网划分为三段式架构，即空间段、地面段和用户段，如图2-1所示。

1．空间段

空间段由各类通信和传感器卫星组成，包括GEO、MEO、LEO卫星星座，通信卫星可以采用透明转发或星上处理交换的工作模式，卫星之间可以有星间链路，也可以没有星间链路。可以利用空间段向用户提供大范围、低功耗、低成本的物联网服务。空间段主要解决如何利用GEO或LEO卫星星座构成天基信息网络、在物联网终端之间建立可靠的传送信息的链路、实现天基信息感知和信息采集、完成卫星的低成本设计、解决星地之间的通信与信息感知等问题。

2．地面段

地面段主要由分布在各地的信关站、传感器信息处理中心及地面核心网络组成，其主要任务是管理整个天基物联网，为用户提供多样化的业务支持。其中，信关站完成对卫星信号的收发和对地面网的接入，并向用户提供各类通信服务，主要包括用户管理、呼叫管理、任务管理、资源调度、互联互通等。传感器信息处理中心主要完成对各类传感器信息的处理，负责根据不同用户的需求处理传感器信息，生成不同的信息产品，服务于各类应用。地面核心网络主要包含两部分：处理云及转发云。天基物联网的地面段更加关注卫星网络与地面网络的融合问题，特别是在5G移动通信系统背景下的星地通信体制兼容的解决方案。

3．用户段

用户段包括各种固定和移动用户终端（传感器）。在天基物联网场景中，海量的用户终端分布在全球各地，其中，很大一部分用户终端分布于海洋、沙漠、森林、高山等特殊地域。天基物联网需要解决用户终端小型化、低功耗、长寿命、免维护、免配置等问题，并适应不同业务和工作环境的需要。就物联网终端来说，其主要由感知模块、数据处理与业务产生模块、射频模块组成。感知模块主要包括传感器、导航模块等，用于获取各类不同的物联网业务信息。考虑到系统通用性，数据处理与业务产生模块采用通用化、标准化设计，使各类物联网终端满足统一的标准规范，从而便于在卫星上进行业务的融合处理与分发。射频模块主要负责与卫星进行通信。天基物联网的用户段需要重点解决海量用户背景下的接入管理、数据的传输体制，以及终端的低成本、模块化设计等问题。

天基物联网也可以从感知层、网络层和应用层3个层面描述其体系架构[3]。

感知层主要用于感知和采集物理世界中发生的事件及其相关数据，包括各类物理量、标识、图像、音频、视频等。该层感知的信息主要来自两方面：一方面是要汇聚传统地面物联网感知的各类信息，通过增加卫星地面收发系统，建立天地链路，将地面一定区域的传感器网络与卫星网络互联，实现基于卫星网络的广域物联；另一方面将各类传感器卫星感知的信息接入天基物联网，如遥感卫星、导航定位卫星及卫星数据采集系统的感知信息，此类卫星感知的信息可直接进入天基物联网系统，根据不同用户的需求，对这些信息进行相应的处理，然后提供各类信息服务。例如，结合卫星定位，在卫星遥感图像中提取地形、地貌、地质、空间环境、地面目标的特征、灾害面积、灾害程度等信息，并在应用层将提取的信息与地面传感器设备采集的数据进行融合处理，获取更精准、更透彻的应用服务信息。

网络层是指基于通信卫星的传输网络，包含信息传输网、时空基准网和地面站网。信息传输网包括高轨卫星通信网、低轨卫星通信网；时空基准网是由卫星导航定位系统组成的网络；地面站网是由通信卫星地面接收站、处理中心、测控中心组成的地面网络。这些部分互联互通，共同组成了天基物联网的网络层。

应用层是天基物联网面向用户应用的信息系统，它与不同行业的需求密切结合，并提供用户接口，实现不同的智能物联网应用，如智能物流、智能军事、环境监测、智能电力等。由于各个行业和领域的物联网应用系统是一个多设备、多网络、多应用、互联互通的超大信息网络，为实现信息的互联互通和全网共享，所有的接口、协议、标识、信息交互及运行机制都必须由统一的标准规范作为指引。

2.3.2　天基物联网的应用场景[15，16]

按照天基物联网空间段功能的不同，天基物联网的应用场景可以分为3 类：一类是基于常规卫星通信网的天基物联网，如图2-2所示，在该场景下，卫星通信网既可以直接与传感器相连，也可以作为地面近距离无线传感器网络或互联网的中继传输链路，主要用于地面网络传感器节点数量大、单节点业务量小的场合；第二类是基于天基传感器的天基物联网，图2-3所示，天基传感器主要包括各类遥感卫星，感知节点少，但感知数据量大，需要卫星传输网具备高速传输能力；第三类是低轨天基物联网，如图2-4所示，在该场景下，天基感知节点与地基感知节点联合工作，能够大大拓展和提升地基感知网络的感知能力。

1．基于常规卫星通信网的天基物联网

在基于常规卫星通信网的天基物联网中，卫星通信网作为地面物联网的传输承载层，主要负责实现各类感知节点与感知数据服务中心之间的信息交互。

地面各感知节点可以作为卫星通信终端直接接入卫星通信网，也可以经过卫星接入网关间接接入卫星通信网，所有地面感知的信息和对感知节点的控制信息都以卫星通信网业务的形式进行传输。在该工作场景中，由于大量感知节点直接接入卫星通信网，需要重点解决卫星通信网的传输机制、多址接入方式、资源分配策略等运行管理技术方面的问题，以降低在感知节点信息传输过程中由于碰撞、冲突造成的资源浪费及对信息传输的时效性和完整性的影响。

2．基于天基传感器的天基物联网

基于天基传感器的天基物联网主要由GEO卫星通信网（可以是单颗GEO通信卫星，也可以是具有星间链路的GEO卫星星座）、各类天基传感器卫星、卫星地面站、数据服务和管控中心组成。典型的天基传感器包括光学传感器、电子传感器和环境传感器等。在这种工作场景下，GEO卫星通信网作为各类天基传感器的传输承载层，负责实现各类天基传感器与数据服务和管控中心之间的信息交互。天基传感器获取各类感知信息，并通过高轨通信卫星将数据转发到数据服务和管控中心，对数据进行提炼、融合和分析处理。

在该应用场景下，GEO卫星通信网中由卫星发送至地面站的返向信息主要以大容量、高速率的感知数据传输为主，而由地面站发往卫星的前向信息主要以低速率、非连续的低轨遥感卫星载荷控制指令等为主，由于用户（遥感航天器）数量较少，单节点占用时间长，卫星资源调配方式相对简单，重点需要解决资源调度策略等运行管理问题及卫星遥感信息的处理与应用问题。

3．低轨天基物联网

低轨天基物联网主要由装载通信载荷与数据采集载荷（如ADS-B、AIS等）的LEO卫星星座、管理LEO卫星的数据服务和管控中心组成，如图2-4所示。低轨天基物联网的功能相当于LEO天基通信网与LEO传感器网络的叠加，其中，LEO天基通信网除了为用户提供覆盖全球的通信服务，还是LEO传感器网络的通信基础设施，可以完成感知信息的传输。

低轨天基物联网既可以作为天基通信网络，也可以作为地面ADS-B、船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）等系统的延伸和补充，天基数据采集系统需要与现有地面数据采集系统的协议兼容，主要依托现有的技术标准实现管理。

LEO卫星上的ADS-B载荷接收飞机ADS-B机载设备（卫星导航定位、数据收发机及天线）生成精准的飞行信息，并将其飞行信息（速度、经纬度、高度、天气等）按照固定的频率通过数据链广播给其他飞机及地面控制站，使得其通信范围内的飞机和地面控制站可以获取该飞机精准的飞行信息。

LEO卫星上的AIS载荷采用自组织时分多址（SOTDMA）接入方式自动广播和接收其覆盖范围内船舶的动态、静态等信息，实现船舶的识别、监视和通信，其主要功能是交换船舶之间的位置、路线和速度等信息，对船舶进行识别、定位、领航，避免船只发生碰撞等。

在这种应用场景下，业务中心用于监视和控制飞机或船舶的业务。大部分时间，业务中心只监视飞机或船舶的信息，但也具备控制飞机上机载ADS-B设备和船舶上AIS设备的能力，控制功能可以打开或关闭。控制功能主要包括控制这些ADS-B和AIS设备使用的时隙和发射功率等级，以及命令飞机或船舶在新的卫星信道上停止发送位置报告等。