卫星物联网做深大联接助力千行百业数字化转型
文 | 石玉龙（中国联合网络通信有限公司北京市分公司）
近年来，在数字化转型的浪潮推动下，全球物联网应用取得了越来越快的进展，基于卫星通信的万物互联，开始走向了公众视野。传统物联网主要以Wi-Fi、蓝牙、LoRa、Zigbee、NFC和Sigfox等通信技术为主，随着蜂窝移动通信技术的普及，基于蜂窝网络的物联网技术也走向前台，特别是在网络覆盖较为完善的我国。其中最具代表性的就是NB-IoT、LTE M，还有备受关注的5G。无论是基于逐步退网的2G、3G还是目前主流的4G、5G，现在我们已经实现的物联网还主要是城市内部的覆盖，城市以外的物联网应用仍是无人区。在城市的外围，有山水林田湖草沙......从生态环境建设到自然灾害的应急预警，从交通物流运输到能源传送的巡检监控，从野外勘查探险到突发事件的抢险应急等等，都缺乏网络覆盖，还有广阔的海洋和天空也同样缺乏网络信号。
图1物联网应用主要承载技术
我们都知道，地球表面积的71%是宽广的海洋，只有29%才是陆地。在陆地上，人类建设了那么多年的通信网络，也只不过覆盖了陆地面积的25%。而海洋上更是只覆盖了5%。虽然我国的通信网络建设全球领先，但我国领土70%的山地、高原、丘陵、荒漠、森林等场景网络覆盖还有很大欠缺。那么，问题来了。如果覆盖率这么低，我们凭什么“互联万物”？在没有地面通信系统信号覆盖的地方，想要开展物联网应用，该怎么办呢？
图2通过地形特点分析卫星物联网优势
这就是卫星物联网的意义所在—借助卫星的广域覆盖能力，弥补地面通信系统的不足，实现更广阔的连接。
卫星物联网的规模化应用，离不开网络和终端两个重要基础。近年来，卫星网络技术进步很快。高通量卫星（HTS，High Throughput Satellite，20-1000Gbps）的出现，还有低轨（LEO，Low Earth Orbit）卫星星座的建设，大大提升了卫星通信的速率、容量以及覆盖。高通量卫星的带宽能力，比传统卫星（低通量，1-2Gbps以内）多了几倍甚至几十倍。它采用了更高的通信频段，更大的卫星搭载平台，更多的转发器，更先进的天线技术，现在已经成为各个国家发展静止轨道（GEO，Geostationary Orbit）卫星的首选。
图3卫星轨道示意
在网络层面，北京联通按照市政府“南箭北星”的整体发展战略，整合京北卫星网络资源，建成了全国唯一的高低轨融合卫星通信网络，承载4/5G基站的速率、时延、抖动三大指标均为业内领先。其卫星互联网应用从2020年6月6日完成我国首次低轨卫星互联网与5G融合测试后，三年来陆续完成了5G专网与低轨卫星协同应用、高低轨卫星融合通信、5G与卫星编队交互通信等前沿课题，5G与高低轨卫星融合通信构建了全球领先的网络基础。
图4我国首次低轨卫星互联网与5G融合测试记录
在终端层面，北京联通积极协调卫星终端设备厂商进行技术攻关，针对物联网业务发展急需解决的大联接问题，整合卫星通信最新技术进展，确定卫星物联网的最优方案，弥补地面通信系统的不足。
在传统的卫星通信中，终端站需要用一米左右，甚至更大口径的天线指向卫星才能建立卫星通信链路。近年来，相控阵技术在5G和卫星通信中海量应用，其具有的响应速度快、多波束扫描、扫描精度高等优点特别适用于卫星通信。尤其是以稀布阵、光控阵、数字阵、液晶阵为代表的低成本相控阵天线技术的逐步成熟，卫星通信摆脱了传统抛物面天线的束缚，在汽车、轮船、飞机、便携终端等载体上方便布置，甚至实现手机直连卫星。针对高轨卫星广覆盖和低轨卫星大速率低延迟的技术特点，北京联通分别进行了高低轨卫星物联网技术验证测试，协调厂家不断打磨、完善产品方案，解决测试中发现的问题。经多轮迭代、验证测试，综合考虑用户体验、产品性能和终端的便携、能耗、成本等多方面因素后，最终在常用宽波束卫星上实现用1张A4纸大小的动中通相控阵终端完成了物联网全场景应用验证，真正实现物联网的广域覆盖、随遇接入、万物互联。
图5北京联通卫星物联网覆盖范围
卫星物联网主要技术指标：
表1 北京联通卫星物联网终端主要指标
结合物联网实际应用，经充分沟通验证确定了卫星物联网两个主要方式，分别是终端直连卫星和经关口站连卫星。
终端直连卫星，顾名思义就是指每个物联网设备都拥有自己的物联网终端，并且直接与卫星通信，适用于速率需求高、实时性要求高、对价格不敏感的用户；
经关口站连卫星，就是指多个物联网设备共享一套卫星物联网关口站，此关口站也只是一张A4纸大小，经过关口站转发再连接卫星，适用于速率需求低、实时性要求不高、特定区域内已经有物联网覆盖的用户。现网绝大部分物联网应用都可以适配在这两个场景中，实现了卫星物联网产品的标准化。
图6卫星物联网两种连接方式
卫星物联应用场景示例
智慧农业
在位置较为偏僻，地面网络信号覆盖差的农场，部署卫星物联设备，采集农场风速、风向、温湿度、光照等参数，为农业种植，农业养殖提供更精确的数据。
智慧农业可以采用经关口站连卫星的方式解决广域农场覆盖问题，农场的环境监测、智能控制等低速传感器可将采集的信息汇总到卫星物联网关口站，经关口站连接卫星实现联网控制。大量的现场管理工作都可以由物联网终端实现，极大节省了人力物力成本，提高了管理效率。
智慧科研
野外科学研究依靠大量的传感器，如监测长白山林区野生动物、环境变化，因现场没有网络连接，相关数据、视频采用移动硬盘本地存储方式，预计数据存储满了再派人更换硬盘。这种方式没有时效性，不能及时发现观测目标动态，人员频繁上站一方面增加了科研成本，另一方面也增加了人身伤害风险。且海量数据依靠人工后期分析，影响了科研进展。卫星物联网可以把重要监控信息实时回传，并能接受远端控制，及时根据监测目标动态调整监控方案，监控数据可以上云端算力平台实时处理，极大提升了科研效率。
智慧水利
全国有9.8万多座水库，10万多座水闸，931万处农村供水工程，数量多、分布散，新技术可有效加强水利工程运行管理。卫星物联网助力智慧水利从拼体力到拼算力，防灾减灾调度更主动。水文监测点捕捉数据。雨量自动观测仪“紧盯”变动。雨势化作持续更新的数字，显示在雨水情遥测系统中。“过去靠人工测量、记录、计算，一趟得个把小时，如今只需5分钟，数据就能全部汇总。
结合大网资源实现水文自动化测报，数据跑在前面；自动预警平台，为群众转移避险赢得时间……新技术的运用，不断提升水旱灾害防御能力。契合水利部大力推进智慧水利建设，强化5G、物联网、大数据、人工智能等与水利工作深度融合。
地质监测
我国地质条件复杂，滑坡、泥石流等自然灾害频发，对人民生命和财产造成了不可估量的损失，较多地质灾害频发区域都在无信号覆盖区且监测环境恶劣，急需无人区覆盖、低功耗、全天候不受天气影响的卫星通信手段，解决数据采集及监测问题。带有卫星通信能力的高性能地质灾害预警、土壤地质监测、气象环境监测等采集设备， 将为西藏、江西、云南等地进行地质监测提供技术支撑，保证设备在恶劣天气影响下仍可稳定工作。
智慧物流
物联网在交通物流中应用广泛，它的规模可以小到车辆与人的通信，也可以大到监控全球公司的运输物流。可以采用多种物联网技术来跟踪货物、优化交付和运输路线、降低与物流效率低下相关的成本。结合天气预报和道路封闭等实时交通信息帮助运营顺利进行。在物流的运输、仓储、包装、装卸搬运、流通加工、配送、信息服务等各个环节实现系统感知、全面分析、及时处理以及自我调整的功能。智慧物流的实现能大大地降低各相关行业运输的成本，提高运输效率，增强企业利润。
资产管理
企业都有自己的资产，需要对资产进行监测和管理。有些企业的资产分布较广，可能在偏远地区（例如野外林区、戈壁地区的油田、深山里的水电站等）。采用人力前往巡查，会产生较大的成本。而传统蜂窝基站覆盖并不完善，特别是我国有很多跨国企业的境外机构。这时候，就可以让数据采集终端通过卫星通信，及时上报企业资产的数据和状态。
农林应用
现在很多农林牧渔场景都是规模化运作，面临着大面积、远距离等问题，同时农业场景对环境的要求也很高，需要实时对温湿度、土壤成分等进行严格监测。很明显，矛盾产生了。人力所能采集到的数据不仅在准确性上有待考究，同时效率低、成本高。所以，卫星物联网成为了解决这个矛盾的新思路。在畜牧业场景，对大量的牲畜进行放牧，也可以借助卫星物联网，防止牲畜走失。野生动物保护、重要植被保护，道理也是一样。卫星物联网可以大大提升保护效率，降低成本。
电网监测
以国家电网川藏线为例，以前都是使用直升机及车辆进行川藏线特高压电力塔巡检工作，由于川藏线大部分区域都在海拔3000m以上，部分区域海拔4000-6000米，接近直升机飞行高度极限，稍微有温度极具变化、强风、霜冻、暴雪等现象出现为直升机及地面人员巡检带来极大风险。大范围的天气预报在高原地区、尤其是垭口、山顶基本不具备参考性，而且危险地区基本没有手机信号覆盖，无法及时采集当地信息。
此时就可通过卫星回传气象信息，积累垭口风力、风向（具备湍流预警功能）、压强、温度、湿度及降雨数据，获得气象基础数据，为电力巡检人员提供积累区域气象数据，时刻掌握区域气象信息动态。
海上应用
海洋浮标、风力发电、光伏发电、海产养殖等场景都可以广泛应用。通过追踪洋流运动，测量海洋表层下面设定深度的平均海流和表层温度、盐度等数据，利用通信卫星传输北斗/GPS位置及温度盐度数据给地面监控站。可应用于海洋洋流研究、溢油等污染扩散追踪、海洋渔业监测、海洋搜救等领域。
升级优化多源卫星大数据处理、构建基于船舶位置的大数据分析能力，融合人工智能、大数据计算等技术，提供面向航海保障的数据支撑服务，为海事安全监管和支撑航运经济发展提供有效服务。可通过运用AIS、北斗定位数据，经过大数据分析，获得证据并推算走私船舶运行位置，协助相关部门调取船舶航行数据，为打击海上走私，越界等违法行为提供帮助。
图7卫星物联网应用场景
综上所述，卫星物联网有如下优点：
覆盖范围更广—地面上的通信连接可以覆盖中短距离范围。然而，单颗GEO卫星就可以覆盖1/3个地球的物联网设备。随着物联网的使用扩展到包括越来越多的设备，基于卫星的 5G 网络将有助于缓解拥塞。
通信成本更低—卫星物联网作为地面蜂窝物联网的补充，不依赖地面网络，没有大规模地面网络建设所需的成本，终端可灵活采用共享或独享方式，进一步压低通信成本。
通信时延更低—高轨卫星全链路ping测试延时在580毫秒左右，低轨卫星可以做到20毫秒左右，能够满足绝大多数物联网应用要求。
更高的可靠性—使用卫星网络将提高通信的稳定性，多场景应用可以利用卫星物联网技术，保持始终在线的通信连接。
便捷的移动性—采用相控阵技术实现了卫星物联网终端固定通信和移动通信合二为一，用户完全不用考虑天线对星等技术问题，活动不受限。
基础设施转型—交通基础设施将成为卫星物联网的主要受益者。火车、海运船舶和货运车辆上宽带连接的使用正在增加，卫星通信使之成为可能。
赋能智慧乡村—卫星物联网让城市服务各种基础设施延伸到传统地面网络无法到达的更多农村、偏远地区。
提高各场景工作的安全性—通过在石油、钻井平台等设备使用物联网传感器，可以提高生产作业流程和员工自身的安全性。
卫星物联网应用广泛，是地面物联网的强有力补充，在海上、空中、沙漠、山地、森林等特殊场景或地面基站建设困难的地方，使用卫星物联网确实是一种很好的选择。北京联通适时推出低成本轻量化卫星物联网相控阵一体化终端，摒弃了传统卫星通信俗称“大锅”的抛物面天线，不仅有形，更加有料，通信速率也获得了一定提升，是低成本实现全国甚至更广域覆盖的不二之选，能够高效助力千行百业数字化转型，实现高质量发展。
参考文献
卫星物联网. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1762764095583532030&wfr=spider&for=pc
南箭北星. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1764738961905373794&wfr=spider&for=pc
我国首次低轨卫星互联网与5G融合测试.《数字通信世界》2020年8月《卫星互联网+5G融合测试及应用前景展望》
卫星物联网优点. https://www.zhihu.com/question/551831099/answer/2829441308?utm_id=0
高通量卫星. https://baike.baidu.com/item/高通量卫星
低轨卫星. https://baijiahao.baidu.com/s?id=1759239623814537546&wfr=spider&for=pc
相控阵. https://zhuanlan.zhihu.com/p/110407274
卫星物联网应用场景. https://zhuanlan.zhihu.com/p/560576926
卫星物联网优点. https://zhuanlan.zhihu.com/p/395669703
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