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1、O RBCO M M 商用低轨道小卫星短数据通信系统上海交通大学微电子研究所 (上海 200030)星 通 信 息 技 术 有 限 公 司 (上海 200030)詹亚平华戌明摘要文章介绍了一个商用的低轨道小卫星通信系统 O RBCOMM 系统在空间 、地面和用户段的构成情况 ,并对其信道分配和工作原理进行了分析 ,还介绍了该系统的实际应用 。关键词低轨道卫星数据通信O RBCOMM 系统射频低 轨 道 卫 星 系 统 的 代 表 有 铱 系 统 和 O RB2COMM 系统等 。前者是语音通信的代表 ,后者是专 注于短数据通信的 。铱系统已被淘汰 ,O RBCOMM是只能实现短数据 (非话音)
2、 全球通信小卫星星座系统 ,它具有投资少 、周期短 、兼备通信和定位能力 、卫 星重量轻 (43 kg) 、用户终端小巧便携 、星座运行时自 动化程度高 、自主功能强等优点 ,适合市场需要 ,应用广泛 ,性能价格比高 ,它也是目前全球第一个也是 唯一的双向短数据低轨小卫星通信系统 。O RBCOMM 的系统构成O RBCOMM 系统是一个广域 、分组交换 、双向 短数据通信系统 。用户终端与 O RBCOMM 网关站 之间的通信是通过一组低轨道卫星 (L EO) 星座来实 现的 ,然后 ,网关站连入拨号网络或专线网络 ,与因 特网和 X. 25 等网络相连 。如图 1 所示 。其中 , 用 户
3、终端 ( SC) 和卫星之间拥有 2 . 4 kbit / s 的上行链路 和 4 . 8 kbit / s 的下行链路 。而 SC 和网关站之间为57 . 6 kbit / s 的 TDMA 方式的上 、下行信道 。O RBCOMM 系统含有三个工作部分 : ( 1) 一个 由 41 + 6 ( 6 颗备用卫星) 颗 L EO 卫星组成的空间 段 ; (2) 地面段是由设于全球的若干个网关站和一个位于 美 国 Virginia 的 全 功 能 的 测 控 站 ( N CC) 组 成 ; (3) 用户段 ,它就是 O RBCOMM 系统的用户终 端 ,用以和 O RBCOMM 星座发送和接收信
4、息 。O RBCOMM 系统目前已在 6 个轨道平面中发 送了 35 颗卫星 。其中 , 轨道平面 A ,B , C 各拥有 8颗卫星 。它们分别与赤道成 45 度角 ,位于平均距离 地 面 8 2 5 km 的 空 中 ; 轨 道 平 面 D 同 样 与 赤 道 成 4 51图 1ORBCOMM 系统工作情况度角 ,由 7 颗位于 825 km 空中的卫星构成 ; 另外 ,还有两个高倾角轨道平面 F 和 G ,与赤道分别成 70 度 和 108 度角 ,它们都只有两颗卫星 ,两颗星相互之间 间隔 180 度 , 位 于 距 地 面 740 km 的 轨 道 上 。最 后O RBCOMM 公司
5、还计划发送一个 E 平面 ,位于赤道 上方 ,距地面 975 km ,由 6 颗卫星组成 。这样就能覆 盖整个地球表面 ,并提供了一定的冗余机制 。也就 是 ,即使当某个卫星发生故障而不能正常工作时 ,其 余卫星仍能够保证系统正常运行而没有盲区的出现 。卫星的具体分布如图 2 所示 。O RBCOMM 系 统 射 频 通 信 于 V HF 频 段 , 从137M Hz 至 150M Hz 。卫星上的发射机在频率 137138M Hz 上向用户下传连续的 4 800bit / s 分组数与简单邮件传输协议 ( SM TP) 之间进行格式转换 。O RBCOMM 网关软件将 SC 和 O RBCO
6、MM 报文交 换机 ( OM S) 之 间 的 协 议 转 换 成 可 以 使 用 商 用 X.400 报文传送器 ( M TA) 的传统格式 。这个接口使用 户增加了 X. 400 电子邮件系统的功能 ,并设置了一 个简单 、标准的 O RBCOMM 系统接入公用数据网 接口 。同 时 , GSS 还 提 供 称 为 SM TP 报 文 网 关 的 SM TP 接口 ,以便让用户接入因特网 。GSS 硬件是以两台服务器为基础的 。一台主管X. 400 报文传送 ( M TA) ,而另一台则管理 SM TP 报 文网关和 O RBCOMM 报文网关 ( OM S) 。它们各自 作为 对 方 的
7、 热 备 份 。如 果 OM S 服 务 器 故 障 , 则M TA 接管共享磁盘等子系统 , 并再生 OM S 进程 。 反之亦然 。图 2 ORBCOMM 系统星座据流 。每个卫星上配置了多个用户接收机以接收来 自用户终端的突发性短数据 ,这些数据以 2 400bit / s 在 148150 . 05M Hz 频段上传输 。一旦全部卫星布 置完毕 ,同时地面网关站也建立好 , O RBCOMM 系 统将向全世界提供准实时的无线数据通信 。O RBCOMM 系统地面段包括一个测控站 、一定 数量的网关站 。一个 O RBCOMM 地面网关站包含 一个网关控制中心 ( GCC) ,用来管理和
8、控制报文流 的传输 ;以及若干个网端站 ( GES) ,每个网端站都可 提供卫星座与地面段的两条射频链接 。因此 ,所有 在 O RBCOMM 系统内的通信均须经过网关站 。1 . 1 测控站( NCC)测控站就是通过远程监控 ,系统指令和对系统 任务分析等手段来管理网络元素和网关站 。测控站主要有以下功能 :图 3 ORBCOMM 网关站(2) 网络管理系统N M S 用来管理 O RBCOMM 网关的系统性能和 报文流量 ,并对报文进行检错 。这样网关操作人员就能分析和处理网关中的报文差错 ,从而全面的查 找和改正系统中的错误 。1 . 2 . 2网端站对于网端站 , GES 的任务是在
9、OM S 和卫星之 间提供射频通信连接 。它包含介质增益跟踪天线 、射频和调制设备以及用来发送和接收数据分组的通 信软 、硬件 。GES 设备和选址都是为了无人维护而设计的 。 它采用 增 益 为 14 17dB 的 全 动 V HF 屏 蔽 天 线 。 两个完全独立的天线系统加上其相关的射频和控制设备 就 能 够 提 供 完 全 的 功 能 上 的 冗 余 。另 外 , 在 GES 设计建造之前 ,还必须对地形 、射频场的情况 、 辐射危害标准 、地区规划等问题加以综合考虑 。因 为它们都对 GES 的工作有影响 。从每个天线引出一条通信链路来连接 GES 和GCC ,这条链路可以是 56
10、kbit / s 的电话线连接 ,也可 以是 ISDN 、V SA T 。(1)信息 ; (2) (3)息 ;(4) (5) (6)(7)监控来自 O RBCOMM 的实时的遥感勘测存储和发送给卫星的实时指令 ;提供解决卫星和地面故障的辅助工具与信将对卫星和地面遥感勘测的分析归档 ;监控网关站的工作状况 ;监控 OM S 和相关软件的工作情况 ;提供每日及每周的工作汇总 。1 . 2O RBCOMM 网关站( Gate way)O RBCOMM 网 关 站 主 要 分 成 网 关 控 制 中 心( GCC) 和网端站 ( GES) 两个子系统 ,如图 3 所示 。1 . 2 . 1网关控制中心
11、对于网关控制中心 ,主要由网关报文交换系统 ( GSS) 和网络管理系统 ( N M S) 组成 。以下将对这些 进行介绍 。(1) 网关报文交换系统 网关报文交换系统由一系列的计算机软件和硬件组成 ,用来处理报文 , 选择路由和在 X. 400 协议电子技术2001 年第 2 期上海华为信息技术有限公司021 - 5385 2300(89)25 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 网关管理系统是一组集成于工作站上操作系统的专用工具 ,通过简单网络管理协议 ( SN
12、 M P) 和被 管理的设备进行通信 。它主要有以下功能 :候 ,SC 与卫星之间传输的一个独立的数据分组 。对于以 SC 为终点的全球报来说 , 中继卫星将数据分 组存储在内存中 , 直到目的端 SC 发出接收请求才发送 。而对于自 SC 发出的全球报 , 卫星接收全球 报存于内存中 ,并向源 SC 发送应答信号 ,在目的端 网端站与卫星完成接续之后 ,卫星就把全球报发送 至目的端 。这种存储 - 转发模式使得与海上通信成 为现实 。(4) 指令 (co mmand)指令是发往 SC 的由一个分组构成的控制短报 (等于或少于 5 个字节) 。指令可以是激活连接 SC 的某个设备的信号形式 。
13、可要求应答也可无应答 。(1)监督 O RBCOMM 网关中各设备的工作情况 ;(2)(3) (4) (5)管理网关中设备的周围环境 ;管理报文处理过程 ;管理 GES 和 GSS 之间的互连状态 ;提供网关与卫星控制中心之间的接口 。通过这些功能 ,就能为网关控制中心的工作人员提供一整套实时的控制信息 ,还能针对异常情况 进行报警和选通所传输的信息 。1 . 2 . 3 O RBCOMM 指令控制网 (OCCNet )OCCNet 把全球范围内的网络控制中心所拥有 的局域网连接成为一个完整的 ,世界范围的广域网 。它包含了路由器 、网桥 、调制解调器和互连电路 。而卫星的指令和控制信息就是通
14、过它们传送的 。当 然 ,它还包括了将诸如 GM S 、GSS 和 GES 相互连接 的连续设备 。1 . 3 用户终端( SC)用户终端实际就是一个无线电收发机 ,它能以 半双工的形式和 O RBCOMM 的低轨道卫星进行通 信 。SC 和卫星之间的射频通信保证了 O RBCOMM 系统用户通过地面网关与系统相连接 。SC 内的电子器件包含一个 V HF 发送机 ,一个 V HF 接收机 、一个可选的 U HF 接收机 、一根天线和 数据处理集成块 。目前 , SC 有许多制造厂商 ,例如 科学亚特兰大 、松下等 。但他们都必须遵守 O RB2COMM 的协议 ,从而提供一个统一的接口 。1
15、 . 4O RBCOMM 的基本传输服务元素 (1) 数据传报 ( data repo rt ) 所谓数据传报就是在 SC 生成一个短传报 ( 等于或少于 6 个字节) 之后 , 用随机接入协议进行发 送 。一个传报可以由用户按需生成 ,也可以定期产生 。传报可以立即发送 ,也可以等待系统轮询时才 发送 。传报还可以要求网关站返回应答信号 。(2) 报文 ( message)报文是由 SC 收发的较长的数据 。尽管 O RB2COMM 系统能支持更长的数据 ,但报文的长度通常 控制在数百字节以内 。为了确保可靠传输 ,报文以短分组的形式在卫星预约信道上传送 ,并带有应答与重发机制 。同样 ,报
16、文也可以采用立即发送和轮 询的方式发送 。(3) 全球报 ( glo balgrams)全球报是指当卫星与网端站还没有接通的时O RBCOMM 系统的工作原理O RBCOMM 系统内的信息传输包括 : SC 与卫 星之间的信道 、网端站与卫星之间的信道以及网端 站与 GCC 之间的信道等 。2 . 1 SC 与卫星的通信信道SC 和卫星座之间的通信采用多址接入协议方 式 ,这个协议把所有信道分为两种不同的通信信道 :随机接入信道和预约信道 。由测控站来决定分配到两种信道方式的卫星接收机数目 。基于随机接入信 道方式的信息交换可以传输短传报或控制分组 ,也 可通过给 SC 分配一个预约信道来传输
17、较长的报文分组 。当卫星接收或处理一个自 SC 发出的应答或分 配分组时 ,可用的接收机就会寻找一个适合那部分 波段的信道 ,如果无法找到 ,就将使用预约信道 。采用这种多址接入方式要求在 SC 允许传输之前就存在一条用户下行链路 。通过这条链路 ,就可 以传输用以分配卫星和地面连接的信息 、上行信道 的时隙分配和使用频率等信息 。这些信息大约几秒 钟刷新一次 。由于 O RBCOMM 系 统 的 上 行 频 段 为 148 150 . 05M Hz , 是 与 其 他 许 多 地 面 通 信 系 统 所 共 享 的 ,那就不可避免的会出现信号干扰的问题 。在这 里 O RBCOMM 系 统
18、采 用 动 态 信 道 分 配 系 统(DCAA S) 来解决这一问题 。DCAA S 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 。确定空闲信道时所用的扫描算法可以侧重于以 下几种 :(1) 基于功率取样这是一种最基本的评判准则 。一个卫星接收机2(90)北电网络 (中国) 有限公司010 - 6523 7788电子技术2001 年第 2 期26 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All r
19、ights reserved. 采用 DCAA S 扫描一定的操作频段 。如果某一信道的功率采样值低于一确定的门限值 ,则标记这条信 道为空闲的 ,可在下一时隙使用 。这种设置功率取样门限的方案可在信道选择标准中占较大的权重 。 (2) 基于栅格优先 由于目前世界上包括寻呼和蜂窝系统在内的许多无线通信系统都是以 20 或 25 k Hz 的栅格距离来 划分信道的 。于是 ,就可以优先分配处于这些标准 地面通信系统间隔之间的信道 。这种优先选择算法在信道选择算法中的权重要稍小于功率取样方法 。 (3) 基于质量因素 这三种方案是通过对历史的取样信息与使用情况的对应所生成的质量因素的分析 ,来确定
20、所选的 信道 。这种方案的权重相应最小 。由此可见 , 使用 DCAA S 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 ,有效的避免了其他有害信号的干扰 。2 . 2 网端站与卫星的通信信道连接网端站和卫星的射频链路使用基于时分多 址 ( TDMA ) 协 议 的 下 行 信 道 和 一 条 单 独 的 57 . 6 kbit/ s 的上行连接 。采用 TDMA 技术 ,使得一颗卫星可以与它覆盖下的多个网关同时进行射频连接 , 在 GSS 的调
21、度下实现“无缝”的信息交换 。这样 ,还 能让大口径天线在 V HF 频率下也拥有相对较宽的 波束宽度 ,增加了两个或更多的卫星同时处于同一 个 GES 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 。2 . 3 漫游服务漫游服务是指当一个移动的 SC 离开其本地注 册网关站的服务区域之后 ,仍能享受被访问网关站提供的服务来发送和接收报文 。本地网关站负责向 SC 可能进入的被访问网关站发送漫游请求 ,并提供 漫游 SC 的概况 ; 而被访问网关站则通知本地网关 站“准备服务”信息 ,并向 SC 提供漫游服务 。2 . 4 O
22、RBCOMM 系统工作过程简介当 SC 向卫星发送了一个报文 , 卫星就会把这 一分组信息传送给 GES , 而 GES 又将分组递交给 GCC 。作为卫星和地面设施通信接口的 GCC 接着 会对分组的接收方进行判断 : 如果接收者是另一个 SC 用户 , GCC 就把分组发往合适的卫星 ,并由卫星 再次将分组送往接收者 ; 如果接收者不是 SC ,报文就会被转换成 X. 400 或 SM TP 形式的数据 ,通过地面接口发往接收者 。而当报文是从 O RBCOMM 外 部用户传向 SC 时 , 处理过程和前述相反 。至于信道和网关站上的具体处理过程这里就不再一一详述 了 。O RBCOMM
23、系统的实际应用O RBCOMM 系统的应用涉及多工业领域 ,诸如 交通运输 、油气田 、水利 、环保 、渔船和消防报警等方 面 ,但大致上可分成对固定资产的监控和对移动物 资的跟踪两大类型 。3 . 1 固定资产的监控在大型的油田中 ,生产部门很关心油气井的运 行情况 ,输送部门则关心管道工作状态 ,当然储运部门想知道油气罐的空满情况 。但是 ,由于油气井位 置分散 ,油气管道线路过长 ,油气罐的危险性大给现 场监测带来极大的不便 。解决方案可以采用 O RB2COMM 系统 ,在油气井头 、管道和油气罐上安装传 感器和用户终端 ,将传感器采集到的诸如管道压力 、油罐压力等参数通过 O RBC
24、OMM 的低轨道卫星传 输到控制中心或因特网上 ,使用户随时了解其所需 的信息 。方便有效的提高了工作效率 。3 . 2 移动物资的跟踪通过对运输货车的跟踪增加运输系统的透明性 就属于针对移动物资的应用 。我们可以对货车采取如下方案 : 当货物装上货车后 ,用 GPS 卫星定位产生货车的位置信息 , 用 O RBCOMM 系统把货车的 定位信息传输到控制中心 。同时 ,还可传送货车的 空载率 、行 驶 状 态 、车 门 开 关 等 信 息 。另 外 , O RB2COMM 系统还可以把信息直接传送到因特网上 ,这 样用户就可以随时随地通过因特网查询到自己货物 的各种信息 。O RBCOMM 系
25、统扩展了 Inter net 无线接入 ,提 供以 Web 为基础的监视和跟踪的解决方案 ,而使用户获得低成本 ,高附加值的点对点数据通信服务 。 为了我国低轨道卫星事业的发展 ,推动低轨道 卫星短数据通信在我国的应用 ,总部设在上海的星 通信息技术有限公司作为 O RBCOMM 系统在大中 华地区 (包括大陆和港澳台地区) 独家运营商 ,正积极投入 O RBCOMM 地面网关站的建造工作 , 预计 在 2001 年上半年 ,就能在国内建成 23 个网端站 , 并在上海建设网关控制中心 ,投入使用后将能覆盖 我国国土面积的 90 %以上和领海面积的 80 %以上 , 为中国用户提供服务 ,届时 ,先进的 O RBCOMM 系统将在我国的信息化建设中发挥作用 。3电子技术2001 年第 2 期上海华为信息技术有限公司021 - 5385 2300(91)27 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
