1、o rbco m m 商用低軌道小衛星短數據通信系統上海交通大學微電子研究所 (上海 200030)星 通 信 息 技 術 有 限 公 司 (上海 200030)詹亞平華戌明摘要文章介紹了一個商用的低軌道小衛星通信系統 o rbcomm 系統在空間 、地面和用戶段的構成情況 ,并對其信道分配和工作原理進行了分析 ,還介紹了該系統的實際應用 。關鍵詞低軌道衛星數據通信o rbcomm 系統射頻低 軌 道 衛 星 系 統 的 代 表 有 銥 系 統 和 o rb2comm 系統等 。前者是語音通信的代表 ,后者是專 注于短數據通信的 。銥系統已被淘汰 ,o rbcomm是只能實現短數據 (非話音)

2、 全球通信小衛星星座系統 ,它具有投資少 、周期短 、兼備通信和定位能力 、衛 星重量輕 (43 kg) 、用戶終端小巧便攜 、星座運行時自 動化程度高 、自主功能強等優點 ,適合市場需要 ,應用廣泛 ,性能價格比高 ,它也是目前全球第一個也是 唯一的雙向短數據低軌小衛星通信系統 。o rbcomm 的系統構成o rbcomm 系統是一個廣域 、分組交換 、雙向 短數據通信系統 。用戶終端與 o rbcomm 網關站 之間的通信是通過一組低軌道衛星 (l eo) 星座來實 現的 ,然后 ,網關站連入撥號網絡或專線網絡 ,與因 特網和 x. 25 等網絡相連 。如圖 1 所示 。其中 , 用 戶

3、終端 ( sc) 和衛星之間擁有 2 . 4 kbit / s 的上行鏈路 和 4 . 8 kbit / s 的下行鏈路 。而 sc 和網關站之間為57 . 6 kbit / s 的 tdma 方式的上 、下行信道 。o rbcomm 系統含有三個工作部分 : ( 1) 一個 由 41 + 6 ( 6 顆備用衛星) 顆 l eo 衛星組成的空間 段 ; (2) 地面段是由設于全球的若干個網關站和一個位于 美 國 virginia 的 全 功 能 的 測 控 站 ( n cc) 組 成 ; (3) 用戶段 ,它就是 o rbcomm 系統的用戶終 端 ,用以和 o rbcomm 星座發送和接收信

4、息 。o rbcomm 系統目前已在 6 個軌道平面中發 送了 35 顆衛星 。其中 , 軌道平面 a ,b , c 各擁有 8顆衛星 。它們分別與赤道成 45 度角 ,位于平均距離 地 面 8 2 5 km 的 空 中 ; 軌 道 平 面 d 同 樣 與 赤 道 成 4 51圖 1orbcomm 系統工作情況度角 ,由 7 顆位于 825 km 空中的衛星構成 ; 另外 ,還有兩個高傾角軌道平面 f 和 g ,與赤道分別成 70 度 和 108 度角 ,它們都只有兩顆衛星 ,兩顆星相互之間 間隔 180 度 , 位 于 距 地 面 740 km 的 軌 道 上 。最 后o rbcomm 公司

5、還計劃發送一個 e 平面 ,位于赤道 上方 ,距地面 975 km ,由 6 顆衛星組成 。這樣就能覆 蓋整個地球表面 ,并提供了一定的冗余機制 。也就 是 ,即使當某個衛星發生故障而不能正常工作時 ,其 余衛星仍能夠保證系統正常運行而沒有盲區的出現 。衛星的具體分布如圖 2 所示 。o rbcomm 系 統 射 頻 通 信 于 v hf 頻 段 , 從137m hz 至 150m hz 。衛星上的發射機在頻率 137138m hz 上向用戶下傳連續的 4 800bit / s 分組數與簡單郵件傳輸協議 ( sm tp) 之間進行格式轉換 。o rbcomm 網關軟件將 sc 和 o rbco

6、mm 報文交 換機 ( om s) 之 間 的 協 議 轉 換 成 可 以 使 用 商 用 x.400 報文傳送器 ( m ta) 的傳統格式 。這個接口使用 戶增加了 x. 400 電子郵件系統的功能 ,并設置了一 個簡單 、標準的 o rbcomm 系統接入公用數據網 接口 。同 時 , gss 還 提 供 稱 為 sm tp 報 文 網 關 的 sm tp 接口 ,以便讓用戶接入因特網 。gss 硬件是以兩臺服務器為基礎的 。一臺主管x. 400 報文傳送 ( m ta) ,而另一臺則管理 sm tp 報 文網關和 o rbcomm 報文網關 ( om s) 。它們各自 作為 對 方 的

7、 熱 備 份 。如 果 om s 服 務 器 故 障 , 則m ta 接管共享磁盤等子系統 , 并再生 om s 進程 。 反之亦然 。圖 2 orbcomm 系統星座據流 。每個衛星上配置了多個用戶接收機以接收來 自用戶終端的突發性短數據 ,這些數據以 2 400bit / s 在 148150 . 05m hz 頻段上傳輸 。一旦全部衛星布 置完畢 ,同時地面網關站也建立好 , o rbcomm 系 統將向全世界提供準實時的無線數據通信 。o rbcomm 系統地面段包括一個測控站 、一定 數量的網關站 。一個 o rbcomm 地面網關站包含 一個網關控制中心 ( gcc) ,用來管理和

8、控制報文流 的傳輸 ;以及若干個網端站 ( ges) ,每個網端站都可 提供衛星座與地面段的兩條射頻鏈接 。因此 ,所有 在 o rbcomm 系統內的通信均須經過網關站 。1 . 1 測控站( ncc)測控站就是通過遠程監控 ,系統指令和對系統 任務分析等手段來管理網絡元素和網關站 。測控站主要有以下功能 :圖 3 orbcomm 網關站(2) 網絡管理系統n m s 用來管理 o rbcomm 網關的系統性能和 報文流量 ,并對報文進行檢錯 。這樣網關操作人員就能分析和處理網關中的報文差錯 ,從而全面的查 找和改正系統中的錯誤 。1 . 2 . 2網端站對于網端站 , ges 的任務是在

9、om s 和衛星之 間提供射頻通信連接 。它包含介質增益跟蹤天線 、射頻和調制設備以及用來發送和接收數據分組的通 信軟 、硬件 。ges 設備和選址都是為了無人維護而設計的 。 它采用 增 益 為 14 17db 的 全 動 v hf 屏 蔽 天 線 。 兩個完全獨立的天線系統加上其相關的射頻和控制設備 就 能 夠 提 供 完 全 的 功 能 上 的 冗 余 。另 外 , 在 ges 設計建造之前 ,還必須對地形 、射頻場的情況 、 輻射危害標準 、地區規劃等問題加以綜合考慮 。因 為它們都對 ges 的工作有影響 。從每個天線引出一條通信鏈路來連接 ges 和gcc ,這條鏈路可以是 56

10、kbit / s 的電話線連接 ,也可 以是 isdn 、v sa t 。(1)信息 ; (2) (3)息 ;(4) (5) (6)(7)監控來自 o rbcomm 的實時的遙感勘測存儲和發送給衛星的實時指令 ;提供解決衛星和地面故障的輔助工具與信將對衛星和地面遙感勘測的分析歸檔 ;監控網關站的工作狀況 ;監控 om s 和相關軟件的工作情況 ;提供每日及每周的工作匯總 。1 . 2o rbcomm 網關站( gate way)o rbcomm 網 關 站 主 要 分 成 網 關 控 制 中 心( gcc) 和網端站 ( ges) 兩個子系統 ,如圖 3 所示 。1 . 2 . 1網關控制中心

11、對于網關控制中心 ,主要由網關報文交換系統 ( gss) 和網絡管理系統 ( n m s) 組成 。以下將對這些 進行介紹 。(1) 網關報文交換系統 網關報文交換系統由一系列的計算機軟件和硬件組成 ,用來處理報文 , 選擇路由和在 x. 400 協議電子技術2001 年第 2 期上海華為信息技術有限公司021 - 5385 2300(89)25 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 網關管理系統是一組集成于工作站上操作系統的專用工具 ,通過簡單網絡管理協議 ( sn

12、 m p) 和被 管理的設備進行通信 。它主要有以下功能 :候 ,sc 與衛星之間傳輸的一個獨立的數據分組 。對于以 sc 為終點的全球報來說 , 中繼衛星將數據分 組存儲在內存中 , 直到目的端 sc 發出接收請求才發送 。而對于自 sc 發出的全球報 , 衛星接收全球 報存于內存中 ,并向源 sc 發送應答信號 ,在目的端 網端站與衛星完成接續之后 ,衛星就把全球報發送 至目的端 。這種存儲 - 轉發模式使得與海上通信成 為現實 。(4) 指令 (co mmand)指令是發往 sc 的由一個分組構成的控制短報 (等于或少于 5 個字節) 。指令可以是激活連接 sc 的某個設備的信號形式 。

13、可要求應答也可無應答 。(1)監督 o rbcomm 網關中各設備的工作情況 ;(2)(3) (4) (5)管理網關中設備的周圍環境 ;管理報文處理過程 ;管理 ges 和 gss 之間的互連狀態 ;提供網關與衛星控制中心之間的接口 。通過這些功能 ,就能為網關控制中心的工作人員提供一整套實時的控制信息 ,還能針對異常情況 進行報警和選通所傳輸的信息 。1 . 2 . 3 o rbcomm 指令控制網 (occnet )occnet 把全球范圍內的網絡控制中心所擁有 的局域網連接成為一個完整的 ,世界范圍的廣域網 。它包含了路由器 、網橋 、調制解調器和互連電路 。而衛星的指令和控制信息就是通

14、過它們傳送的 。當 然 ,它還包括了將諸如 gm s 、gss 和 ges 相互連接 的連續設備 。1 . 3 用戶終端( sc)用戶終端實際就是一個無線電收發機 ,它能以 半雙工的形式和 o rbcomm 的低軌道衛星進行通 信 。sc 和衛星之間的射頻通信保證了 o rbcomm 系統用戶通過地面網關與系統相連接 。sc 內的電子器件包含一個 v hf 發送機 ,一個 v hf 接收機 、一個可選的 u hf 接收機 、一根天線和 數據處理集成塊 。目前 , sc 有許多制造廠商 ,例如 科學亞特蘭大 、松下等 。但他們都必須遵守 o rb2comm 的協議 ,從而提供一個統一的接口 。1

15、 . 4o rbcomm 的基本傳輸服務元素 (1) 數據傳報 ( data repo rt ) 所謂數據傳報就是在 sc 生成一個短傳報 ( 等于或少于 6 個字節) 之后 , 用隨機接入協議進行發 送 。一個傳報可以由用戶按需生成 ,也可以定期產生 。傳報可以立即發送 ,也可以等待系統輪詢時才 發送 。傳報還可以要求網關站返回應答信號 。(2) 報文 ( message)報文是由 sc 收發的較長的數據 。盡管 o rb2comm 系統能支持更長的數據 ,但報文的長度通常 控制在數百字節以內 。為了確保可靠傳輸 ,報文以短分組的形式在衛星預約信道上傳送 ,并帶有應答與重發機制 。同樣 ,報

16、文也可以采用立即發送和輪 詢的方式發送 。(3) 全球報 ( glo balgrams)全球報是指當衛星與網端站還沒有接通的時o rbcomm 系統的工作原理o rbcomm 系統內的信息傳輸包括 : sc 與衛 星之間的信道 、網端站與衛星之間的信道以及網端 站與 gcc 之間的信道等 。2 . 1 sc 與衛星的通信信道sc 和衛星座之間的通信采用多址接入協議方 式 ,這個協議把所有信道分為兩種不同的通信信道 :隨機接入信道和預約信道 。由測控站來決定分配到兩種信道方式的衛星接收機數目 。基于隨機接入信 道方式的信息交換可以傳輸短傳報或控制分組 ,也 可通過給 sc 分配一個預約信道來傳輸

17、較長的報文分組 。當衛星接收或處理一個自 sc 發出的應答或分 配分組時 ,可用的接收機就會尋找一個適合那部分 波段的信道 ,如果無法找到 ,就將使用預約信道 。采用這種多址接入方式要求在 sc 允許傳輸之前就存在一條用戶下行鏈路 。通過這條鏈路 ,就可 以傳輸用以分配衛星和地面連接的信息 、上行信道 的時隙分配和使用頻率等信息 。這些信息大約幾秒 鐘刷新一次 。由于 o rbcomm 系 統 的 上 行 頻 段 為 148 150 . 05m hz , 是 與 其 他 許 多 地 面 通 信 系 統 所 共 享 的 ,那就不可避免的會出現信號干擾的問題 。在這 里 o rbcomm 系 統

18、采 用 動 態 信 道 分 配 系 統(dcaa s) 來解決這一問題 。dcaa s 通過掃描整個 用戶上行頻段 ,確定哪些信道為空閑的 ,可在下一時隙使用 ;哪些信道為忙 ,正在被使用 。這樣就可以把 空閑信道的下一時隙使用權分配給所需用戶 。確定空閑信道時所用的掃描算法可以側重于以 下幾種 :(1) 基于功率取樣這是一種最基本的評判準則 。一個衛星接收機2(90)北電網絡 (中國) 有限公司010 - 6523 7788電子技術2001 年第 2 期26 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all r

19、ights reserved. 采用 dcaa s 掃描一定的操作頻段 。如果某一信道的功率采樣值低于一確定的門限值 ,則標記這條信 道為空閑的 ,可在下一時隙使用 。這種設置功率取樣門限的方案可在信道選擇標準中占較大的權重 。 (2) 基于柵格優先 由于目前世界上包括尋呼和蜂窩系統在內的許多無線通信系統都是以 20 或 25 k hz 的柵格距離來 劃分信道的 。于是 ,就可以優先分配處于這些標準 地面通信系統間隔之間的信道 。這種優先選擇算法在信道選擇算法中的權重要稍小于功率取樣方法 。 (3) 基于質量因素 這三種方案是通過對歷史的取樣信息與使用情況的對應所生成的質量因素的分析 ,來確定

20、所選的 信道 。這種方案的權重相應最小 。由此可見 , 使用 dcaa s 要求掃描接收機能檢 測功率 ,且具有較快的響應能力 。這樣 ,衛星通過對 干擾信號進行處理后所確定的一組上行信道 ,優先 供下一時隙使用 。而且 ,用以傳輸用戶信息的上行 信道可隨時間而不斷變化 ,有效的避免了其他有害信號的干擾 。2 . 2 網端站與衛星的通信信道連接網端站和衛星的射頻鏈路使用基于時分多 址 ( tdma ) 協 議 的 下 行 信 道 和 一 條 單 獨 的 57 . 6 kbit/ s 的上行連接 。采用 tdma 技術 ,使得一顆衛星可以與它覆蓋下的多個網關同時進行射頻連接 , 在 gss 的調

21、度下實現“無縫”的信息交換 。這樣 ,還 能讓大口徑天線在 v hf 頻率下也擁有相對較寬的 波束寬度 ,增加了兩個或更多的衛星同時處于同一 個 ges 天線波束內的可能性 。網關的上行數據傳輸協議將數據組織成幀和段 的形式 ,而幀和段的邊界與 gps 時間相同步 。2 . 3 漫游服務漫游服務是指當一個移動的 sc 離開其本地注 冊網關站的服務區域之后 ,仍能享受被訪問網關站提供的服務來發送和接收報文 。本地網關站負責向 sc 可能進入的被訪問網關站發送漫游請求 ,并提供 漫游 sc 的概況 ; 而被訪問網關站則通知本地網關 站“準備服務”信息 ,并向 sc 提供漫游服務 。2 . 4 o

22、rbcomm 系統工作過程簡介當 sc 向衛星發送了一個報文 , 衛星就會把這 一分組信息傳送給 ges , 而 ges 又將分組遞交給 gcc 。作為衛星和地面設施通信接口的 gcc 接著 會對分組的接收方進行判斷 : 如果接收者是另一個 sc 用戶 , gcc 就把分組發往合適的衛星 ,并由衛星 再次將分組送往接收者 ; 如果接收者不是 sc ,報文就會被轉換成 x. 400 或 sm tp 形式的數據 ,通過地面接口發往接收者 。而當報文是從 o rbcomm 外 部用戶傳向 sc 時 , 處理過程和前述相反 。至于信道和網關站上的具體處理過程這里就不再一一詳述 了 。o rbcomm

23、系統的實際應用o rbcomm 系統的應用涉及多工業領域 ,諸如 交通運輸 、油氣田 、水利 、環保 、漁船和消防報警等方 面 ,但大致上可分成對固定資產的監控和對移動物 資的跟蹤兩大類型 。3 . 1 固定資產的監控在大型的油田中 ,生產部門很關心油氣井的運 行情況 ,輸送部門則關心管道工作狀態 ,當然儲運部門想知道油氣罐的空滿情況 。但是 ,由于油氣井位 置分散 ,油氣管道線路過長 ,油氣罐的危險性大給現 場監測帶來極大的不便 。解決方案可以采用 o rb2comm 系統 ,在油氣井頭 、管道和油氣罐上安裝傳 感器和用戶終端 ,將傳感器采集到的諸如管道壓力 、油罐壓力等參數通過 o rbc