摘要：ORBCOMM最初是用于短报文双向通信，但其设计理念、实现技术和成功应用开创了天基物联网应用先河，同时它本身也在不断技术改进，获取的经济效益屡创新高，对其进行深入分析，对正在蓬勃兴起的我国卫星物联网设计、建设和应用具有指导和借鉴意义。
1基本情况
ORBCOMM系统在1995年由ORBCOMM公司建立，卫星的制造和发射由轨道科学公司完成，目前有35颗卫星在轨正常运行，它们和分布在全球13个国家的16个信关站一起，为全球提供双向通信的天基短报文和物联网服务，截止2017年11月，用户数已经超过二百万、年收入超过1.86亿美元。图1是Orbcomm公司从2011年到2016年的年收入情况，从中可以看出2015年以后收入明显增加。一方面表示其二代星功能显著，另一方面说明它在物联网应用方面得到快速发展。
2018年10月一家中国电信运营商-亚太导航通信公司获得了Orbcomm使用授权，并计划在中国建设网关。
图1 2011年至2016年Orbcomm年收入情况
2 卫星轨道
Orbcomm卫星轨道设计分主轨道面和次轨道面，如图2所示。主轨道面又分为4个轨道面（A、B、C、D），轨道面倾角45º、高度825km，每个轨道面上的8颗卫星相互间隔45º；次轨道面由2个太阳同步轨道面（F、G）组成，其中F轨道高度740km、轨道倾角70º，G轨道高度830km、轨道倾角108º。F和G轨道每个轨道面上的2颗卫星相互间隔180º。另外还规划了一条倾角0º的轨道，高度975km，7颗卫星。ORBCOMM允许发射的最大卫星数是48颗，图3是2017年12月5日北美防空司令部观测到的所有Orbcomm卫星轨道分布。
图2 Orbcomm设计卫星星座
图3 2017年12月有5日Orbcomm所有在轨卫星
3 系统组成
ORBCOMM系统由在轨卫星、数量众多的信关站、遍布全球的控制中心和用户终端组成。所有的通信都必须经过信关站。一个信关站由一个信关控制中心和信关地球站组成，如图 4所示，其中信关控制中心管理和监视业务信息，信关地球站提供通信链路。Orbcomm已经在全球建成了16个信关站，为所有卫星服务。
图4 Orbcomm应用系统组成
Orbcomm系统工作在137-150MHz频段，每个卫星以4800bps速率广播连续数据包，同时接收终端2400bps的突发报文，如图5所示。
图5 Orbcomm应用系统组成
ORBCOMM系统的服务质量取决于卫星数量、信关站数量和用户的位置，一颗卫星对地覆盖3200平方英里。卫星和信关站的数量越多，服务响应时间越短。图6和图7是ORBCOMM地面用户终端发送信息时长的全球统计分布，其中绿色带最大时延不超过15分钟，红包带最大时延超过15分钟。对于一个长度为300Byte的信息，2分钟发送完成84.4%、2到4分钟发送完成9.6%、4到6分钟发送完成3.6%、6到15分钟发送完成2.3%，因此在15分钟内，99.9%的信息可以发送完毕。
图6 ORBCOMM系统用户终端发送信息时长的统计分布
图7 Orbcomm覆盖区域和延时分布
3.1 卫星平台
截止2017年12月有5日，Orbcomm已经发射了59颗卫星，包括试验星、一代卫星和二代卫星。1995到1999年期间发射了45颗一代星和试验星。每个卫星计划寿命为5年，然而通过智能机动和卫星控制软件，实际卫星的寿命可以延长到了8年甚至10年。
3.1.1 一代卫星
（1）平台
Orbcomm-1星组成了目前在轨星座中的大多数卫星，设计43颗卫星、发射了35颗，Orbcomm-1卫星设计寿命4年，重量:40kg(FM1～FM28)和45kg(FM29～FM36);卫星轨道特性如下:728km×747km，70°(FM1，FM2)，812km×823km，108°(FM3，FM4);720km×720km，45°(FM5～FM36)。卫星由直径1米、厚16cm园盘、宽2.2米太阳电池阵和伸出的天线组成，整星长4米，未期功率大于70W。卫星的外形如图8所示，伸出的长杆第一截是信关站的天线、第二截是终端天线、最未端是测控天线，卫星末期功耗70W。。
图8 Orbcomm一代卫星
卫星采用两种姿态控制模式：对地定向和太阳指向，设计要求姿态误差90%的时间小于10º，实际卫星在轨测试结果表明对地指向姿态偏差90%的时间小于5度，图9是测量结果。采用重力梯度原理实现姿态控制，控制器是一个飞轮和三个磁力矩器，姿态测量采用2个地球敏感器、一个磁力计和6个太阳敏感器。星上温控主要用于控制电池温度，使其保持在5～10Cº，星载计算机采用Motorola68302的CPU和EDAC存贮器，能源系统采用砷化镓太阳能电池板和10Ah的镍氢电池，原始输出电压14V，调节电压5V，末期可以提供210W功率。
图9 卫星对地定向姿态滚动—俯仰角测量值
（2）有效载荷
有效载荷由4个单元组成：用户通信单元、信关站通信单元、卫星网络计算机和UHF发射机，总共有6 个用户接收机、 1 个网关接收机、1 个DCAAS 接收机、 1 个用户发射机(最大功率40W) 、 1 个网关发射机(最大功率5 W) 和1 个信标发射机(最大功率1 W) 。
1) 用户通信单元
包括一个用户发射机、7个相同的接收机、接收/发送机滤波器和天线，其中6个接收机用于接收用户信息、1个用于DCAAS接收。
用户终发射机最大输出功率40W，输出功率有5dB的调节范围、每次调节1dB，用于抵消寿命期内功率的衰减。到达地面接收功率通量密度为125dB（W/m in 4kHz），采用SDPSK调制，“0”对应-90º相位、“1”对应90º相位，4800bps速率，使用升余弦滤波器限制频率占用。
用户接收机是一个DSP处理器完成信号的快速傅立叶变换。地面发令选择7个用户接收机中工作在DCAAS、随机接入和保留接收模式。当一个接收机工作在DCAAS模式时，它在5秒时间内以2.5kHz步长扫描上行频带，DCAAS模式下的实际接收带宽由地面设置。其它的接收机用户接收用户信息。用户接收机和信关接收机都联接到一个上行的天线。当存在强干扰时，用户通信机和低噪放工作在线性区，模拟和数字滤波器在低噪放后滤除来自地面移动系统的干扰信号。接收到的信号解调后送到星载计算机，上行信号采用DPSK调制方式，2400bps速率，使用升余弦滤波器限制频率占用。
由于Orbcomm-1 系统的上行频段与其他许多地面通信系统所共享的，不可避免的会出现信号干扰的问题，为此Orbcomm-1 系统采用动态信道分配系统( DCAAS) 来解决这一问题。DCAAS 通过扫描整个用户上行频段，确定哪些信道为空闲的，可在下一时隙使用; 哪些信道为忙，正在被使用。这样就可以把空闲信道的下一时隙使用权分配给所需用户。使用DCAAS 要求扫描接收机能检测功率，且具有较快的响应能力。这样，卫星通过对干扰信号进行处理后所确定的一组上行信道，优先供下一时隙使用。而且，用以传输用户信息的上行信道可随时间而不断变化，有效避免了其他有害信号的干扰。
2) 信关站通信单元
卫星的信关站发射机和接收机封装在一个单元，各自的右旋天线用于接收和发射信号。信关站发射机的输出功率为5W，57.6kbps速率、OQPSK调制、TDMA多址方式。信关站接收机也采用OQPSK调制、TDMA多址方式、57.6kbps速率。接收到的上行信息包被路由到星载计算机。
3) 卫星网络计算机
卫星网络计算机接收用户和地面信关发出的上行包，将它们分发到相应的发射机，网络计算机通过DCAAS接收机识别干净的上行信道、GPS接收机提取通信系统的相关信息。几个微处理器采用分布式的方式构成星上计算机网络。
4) UHF发射机。
UHF发射机用于在400.1MHz频率上发送1W功率的稳定信号，发射天线的增益为2dB。
3.1.1 二代卫星
（1）平台
2016年3月1日 ORBCOMM将其最后的11颗OG2发射入轨，它已于2015年11月21日用SpaceX Falcon9火箭将11颗OG2发射入轨，新加入的OG2卫星使整个OG2星群处理ORBCOMM网络的60%信息，每天可以从150,000船上采集18,000,000信息，超过目前所有其它AIS网络的服务量。OG2卫星完全兼容OG1卫星，OG1卫星的用户无需做任何改变就可以直接使用OG2卫星。
二代卫星由内华达山脉公司生产，18颗OG2卫星合同金额1.17亿美元，这些卫星使用SN-100卫星平台，内华达山脉公司利用在科罗拉多路易斯维尔卫星操作中心为ORBCOMM公司提供发射支持、管理和卫星测试操作,然后移交给ORBCOMM公司，实现卫星无缝交接。
二代卫星寿命5年，重172kg，太阳帆板未展开前体积为1×1×0.5m、在轨展开后为13×1×0.5m。卫星使用单一可展开太阳电池阵，它由3块三节砷化钾太阳能电池单元组成，提供400W功率，其中250W用于有效载荷，其余用于星上其它系统。卫星采用三轴稳定方式，姿态测量精度0.1°、控制精度0.6°，可以控制卫星以每秒一转的速度旋转，使用肼燃料发动机完成卫星轨道调整机动和维持控制，提供100m/s的速度增量。OG2使用的SN-100A卫星平台可以提供1～310Mbps的下行载荷数传速率和最高4 Mbps上、下行测控速率，提供256Mbyte的随机内存和16Myte的非随机内存。它工作在137-153MHz的VHF频段，使用直径为25厘米的8米长臂架的螺旋臂天线，如图10所示。
图10 Orbcomm二代卫星
（2）有效载荷
与Orbcomm-1相比，OG2具有更加先进的通信技术，容量更大，同时具有向后兼容特性，即一代卫星的通信设备可与OG2卫星实现无缝链接，与一代卫星相比，具体改进如下：2倍天线长度、2倍功率、12倍推进能力、4倍重量、85倍星上存储能力、17倍微处理器能力、8倍用户发射机和8倍用户接收机。
通过上述改进，每个二代卫星与一代卫星相比，提高了6倍的数据接入数和2倍的数据传输速率，因此一颗二代卫星相当于12颗一代卫星。另外，它还改善了高纬度地区的覆盖率。除了配置常规Orbcomm通信载荷外，OG2还加装了全新的AIS 载荷，它由SpaceQuest公司研制，重量12kg、体积25cm3、10年在轨寿命，后续SpaceQuest公司还将提供增强AIS载荷，可以实现最高9.6kbps的数据速率、使用FPGA实现结构使其能够按用户需求定制，并且具有在轨可重配制功能、双向数据通信和采用VHF频段相控阵天线。
3.2 信关站
到2017年12月，ORBCOMM系统在13个国家有16个信关站，如图11所示，它们提供双向的通信链路，并建立与地面网络的联系，其中位于弗吉尼亚州斯特林网络控制中心是主要节点，管理卫星星座和确保可靠信息传输。
图11 Orbcomm在全球的信关站
信关站主要作用是为一特定的区域完成信息处理和用户管理，提供用户与公共和专用数据网和公共交换电话网的接口。每个信关站由4个部分组成：信关信息交换系统、信关地球站、网络管理系统和命令和控制网络，如图 12所示。
图12 Orbcomm信关站组成图
连接网关站和卫星的射频链路使用基于TDMA协议的下行信道和1条单独的57.6kbps的上行连接。采用TDMA技术，使得1颗卫星可以与它覆盖下的多个网关同时进行射频连接，在网络管理系统的调度下实现无缝信息交换。这样，还能让大口径天线在VHF频率下也拥有相对较宽的波束宽度，增加了2个或更多的卫星同时处于同一个信关地球站天线波束内的可能性。网关的上行数据传输协议将数据组织成帧和段的形式，而帧和段的边界与GPS时间相同步。
3.3 用户终端
用户终端是一个无线UHF发射器，接收和向ORBCOMM系统发送信息，只要符合ORBCOMM系统接口要求，任何厂家生产的用户终端都能使用，它包括内置GPS接收机、模拟和数字输入/输出接口。第一代用户终端输出功率5W、340克，拉杆天线长50cm，如图13所示，图14是其它公司生产的Orbcomm终端，图15是Mobiapps公司生产的M10终端和性能指标，其尺寸为7.4cm×4.6cm×1.3cm
图13 Orbcomm终端
图14 几个公司生产的Orbcomm终端
图 15 Mobiapps公司生产的M10终端和性能指标
4 通信链路
4.1 通信体制
Orbcomm的通信链路分为两部份，卫星到信关站之间的馈电链路和卫星到用户之间的用户链路，其中馈电链路上、下行都采用TDMA多址方式、OQPSK调制、速率57.6kbps；用户链路采用上行采用MF-TDMA、下行采用FDMA多址方式，SDPSK调制、速率4.8kbps，具体如表1所示。
表1 Orbcomm通信体制
4.2 下行信道
ORBCOMM 系统从卫星到用户终端和信关地球站的下行频率都安排在137～138MHz之间。下行信道有13个,其中12个信道用于卫星对用户终端下行通信，信道间隔为25 kHz，12个信道为47颗卫星共用, 每个卫星使用一个信道, 因此12个信道的频率复用次数为4; 另有一个信道专门用于卫星对信关地球站的发射, 带宽是50kHz。
4.3 上行信道
用户终端的上行信号频率如表2所示，上行功率最大5W。信关地面站的上行是149.610MHz和150.025MHz，速率57.6kbps，带宽50kHz。
表2 用户终端上行信号频率
ORBCOMM 系统的一个重要特色是其上行通道发射采用动态信道分配技术(DCAAS)，系统自动扫描和测试148～149.9MHz内的频点使用情况, 扫描频率间隔2.5kHz, 5s内至少扫描一次, 记录每个频点的功率电平, 作为上行信道分配的依据, 综合考虑每个频点的历史记录和当前使用情况, 选取最佳的信道分配给用户终端使用，通信过程中一旦信道出现干扰, 系统能1～2s内变换信道。
4.4 链路计算
表3 卫星到信关站下行链路接收电平
表4 卫星到用户终端下行链路计算
4.5 业务服务类型
Orbcomm系统有4种业务服务模式：数据报告、消息、贮存转发和命令。
（1）数据报告
是基本服务类型，用户通信机产生的一个长度小于或等于6 byte用户自定义的数据包，它采用随机竟争方式发送。数据报告通常周期性生成，也可能是应答ORBCOMM系统的轮询，或者有需要时。数据报告发送后，可以要求信关站发送成功应答，或者为了节省信道资源不发送成功应答；
（2）消息
消息用于用户发送或接收比较长的信息，典型的长度不超过100byte，还可以传输更长的信息。为确保传输可靠，使用卫星保留信道发送包含校验信息的短包，所有信息都有应答，出现错误时可以重传。
（3） 贮存转发
在该模式下，卫星没有与信关站建立实时联系，用户只是与卫星间通信，它发出的信息被卫星接收、贮存并应答，也可以接收卫星发出的信息。当卫星与信关站建立联系，贮存的信息下传到信关站。
（4） 命令
命令是向用户发送的长度不超过5byte的自定义信息，命令可以是一个信号，触发安装在用户终端的装置。命令可以应答，也可以不应答。
4.6 下行帧格式
Orbcomm卫星下行有两种帧格式：主帧格式和次帧格式，主帧格式由16个次帧格式。一个次帧格式由50个数据包和12个字组成，每个数据包由一个字的包类型、9个数据字、2个字校验位组成。每个次帧格式中，有一个同步包、一个空包、和48个数据包组成，这48个数据包的内容可以是填充、命令、轮询或信息包。每个次帧格式长度为1秒（4800 bit或600字）。总共有8种类型包，如表5所示，其中包类型1C的下行信息包中，规定了15个下行信道，每个信道对应的下行频率值如表6所示。
表5 下行包类型
表6 下行信道号对应的频率
4.7 通信流程
Orbcomm卫星的用户发射机连续发射4800bps的数据流，用户终端利用该信号检测是否被卫星覆盖，同时还接收到指定的上行发射频率。卫星的用户发射机同时广播卫星当前的位置和速度信息，这些信息是由星上计算机根据Rockwell MPE-II GPS机接收的信息计算而得，每4秒分发一次。卫星下行信息功率可以在10到40W选择，速率4800bps或9600bps，频率可以在137-138MHz选择，每次步长2.5KHz，EIRP值大约为12dBW，右旋园极化。具体通信流程如下：
a) 当一个用户想使用Email与另外一个用户通信时，它将信息发往用户通信单元；
b) 通信单元将信息发往卫星，卫星接收、重排格式并下传至信关地球站；
c) 信关地球站通过专线将信息发往信关控制中心，由它通过互联网发到接收方；
d) 如果接收方联通了互联网，它将接收到该信息；
e) 接收方面发出的信息与上述过程相反。
5 在轨测控
ORBCOMM卫星测控由位于弗吉尼亚州斯特林的信关控制中心完成，采用了位于加利福利亚圣地亚哥的L-3本部遥测公司开发的测控软件对OG2卫星进行管理，该软件具有面向用户的星座管理、数据库集成、指令快速开发和校验、报告自动生成、动态门限产生、支持从发射入轨、早期轨道段和长管段所有的管理阶段。
5.1 发射入轨
第一代ORBCOMM 卫星的运载工具采用飞马座XI 空中发射的运载火箭，一旦飞马座火箭将叠装在一起的Orbcomm卫星送入预定轨道，内部定时器就控制各个卫星与飞马座火箭陆续分离。对于8颗卫星叠在一起的发射封装结构，4颗卫星先部署在正速度矢量方向，然后飞马座末级使余下的4星叠装结构作180度转向，将这4颗卫星部署在负速度矢量方向，每当部署一颗卫星时，同时触发三个非爆破式执行机构，使这颗卫星解锁，然后3个分离弹簧将该卫星推出，图16是8颗卫星部署程序的过程图解。
图16 第一代ORBCOMM 8颗卫星轨道部署过程
5.2 轨道维持
卫星入轨后的几个星期利用其星载氮冷气推进系统按预定计划进行几次机动，以增加同一轨道平面中的卫星的分离速率。在卫星接近其合适的工作位置后，利用几次短脉冲机动使卫星加速，再利用几次脉冲机动使卫星减速。
图17 ORBCOMM羽状太阳帆板张开和收缩状态。
5.3 姿态控制
星上姿态控制系统（ACS）包括姿态测量系统包括两个红外地球敏感器、6个由太阳光电池输出信号指示太阳位置的太阳敏感器以及一个三轴磁强计，控制系统是两个正交的磁棒。卫星入轨分离后， 星上姿态控制系统负责星上天线和太阳帆板的定向，同时利用一个大端质量产生的重力梯度力矩保证使卫星天线指向天底。ACS有5种工作模式：发射模式， 稳定模式，安全保持模式，偏航对地模式、推力机动模式。
5.4 卫星健康状态监护
星上计算机承担监护卫星健康状态任务，它对星上各分系统进行定时“体检”，对星上每个分系统进行轮询，使之做出回答，如果某个分系统不作回答，计数器就递增1。于是就给测控人员发送一条信息，或将这一情况按后处理数据形式记录下来。一旦该分系统计数器值达到某个特定值，飞行计算机就根据其健康状态表的配置情况做出几种选择，执行相应的动作。
6 卫星应用
6.1 短信息和物联网
Orbcomm主要为运输、海事、重型装备、工业和远端资产和政府提供M2M服务，如图18所示，具体如下：
（1）固定资产监视，如数据读取、遥控，管线和容罐监视；
（2）移动资产监视，如重型装备监视、车队，丢失车辆定位；
（3）短信服务，个人、商业、政府和小型飞行器短信通信；
一个典型的M2M服务示例如图19所示，它为冷藏车队服务，采集车门开/关信号、车内温度、运输里程、位置、油料消耗等各种信息，图20是采集的信息处理结果。
图18 Orbcomm的主要服务对象
图19 Orbcomm采集的一个冷藏车信息位置
图20 Orbcomm采集信息的处理结果
6.2 近地卫星测控
美国OHBTechnology公司利用其Rubin小卫星系列进行了多次使用Orbcomm系统和互联网测控试验。
图 21 基于Orbcomm测控应用示例和其信关站在全球的分布
（1）Rubin-1
2000年7月Rubin-1发射，在5天的试验时间里，通过互联网收到了1600条E-mail信息，验证了基于Orbcomm进行小卫星测控的可行性。Rubin-1与Orbcomm卫星之间最长通信距离7500km。
图 22 基于Orbcomm的Rubin-1测控原理
（2）Rubin-2
2002年发射的Rubin-2是第一个完全使用互联网和Orbcomm系统卫星测控的小卫星，轨道高度650km,倾角64.56°，其Orbcomm终端性能指标如图23所示，卫星重30kg，功率20W。试验结果表明：30%的信息可以在1分钟内收到、90%的信息可以在10分钟内收到，每条信息长度为229byt，一天信息传输总量为30KB。
图 23 Rubin-2指标和测控系统组成
6.3 火箭发射测控
在卫星测控的基础上，OHBTechnology公司又以利用其Rubin-3卫星使用Orbcomm系统和互联网进行了火箭发射测控试验，近实时的获得了星箭分离点和各类事件的信息，如图24所示。Rubin-3卫星安装了3通道的Orbcomm接收机，它的天线分别安装在三块太阳能电池边缘，如图25所示。
图 24 Rubin-3火箭测控原理和接收的发射事件系列信息
图 25 Rubin-3终端和天线的安装位置
6.4 AIS数据采集
从第二代卫星开始，Orbcomm增加了海上目标识别（AIS）服务，提供近实时的AIS服务，随时可以掌握海上目标在全球的位置信息，如图26所示。其AIS载荷可以接收频率在161-163MHz之间的AIS信号。最初接收频率为161.975MHz(Channel87B)-162.025MHz(Channel88B)。使用16颗二代卫星和16个全球布设的信关站，ORBCOMM拥有超过180万用户，每天处理2800万条消息，86％的消息平均延迟不到一分钟。
图 26 Orbcomm的海上目标识别（AIS）服务
7 用于一个典型近地卫星测控分析
截止到2018年12月7日，共有36颗Orbcomm卫星正常工作，其中35颗完全正常，一颗部分正常。我们用这36颗星为一个500km轨道高度、97度倾角的卫星提供中继测控服务。图 27是一颗用户星进入Orbcomm对地波束的中继示例，其中用户星测控天线对天、波束宽度90°，Orbcomm卫星对地波束宽度62°。
图27 一颗Orbcomm为用户星中继服务示例
图28是Orbcomm系统对用户星24小时覆盖时间统计，可以看出36颗Orbcomm卫星在1天内有50次可见该用户星，连续可见时间最长194s,最短9s,平均70s。覆盖率为4.1%。同时我们还统计了一颗Orbcomm可见用户星覆盖范围内两颗星的距离变化统计：两颗星最小距离372 km、最大767km，平均610km。
图28 Orbcomm系统24小时可见一颗用户星时段分布
联系客服
