卫星通信基本概念范文第1篇

关键词：智慧城市；北斗产业化；城市发展；卫星导航

1智慧城市的概念

2008年，随着全球性金融危机的不断加剧，以物联网为代表的新技术革命正悄然发酵。在这样的大环境下，美国IBM公司首先提出了智慧地球的发展理念并作为智能项目已经被世界各国当作应对国际金融危机，振兴经济的重点领域。其认为世界的基础正在向智慧的方向发展，可感应、可度量的信息源无处不在，互联网的平台让这一切互联互通，让一切变得更加智能。“智慧地球”提出以更加智慧的方法，通过新一代信息技术改变人们交互的方式，提高实时信息处理能力及感应与相应速度，增强业务弹性和连续性，促进社会各项事业的全面和谐发展。“智慧地球”既是人类美好的愿景，它从更加人本的视角审视今天的IT产业，使我们的技术因而更加有“生命感“，同时也是全球金融危机背景下，世界各国寻求新的经济增长点，抢占未来科技革命制高点的必然选择。因此，“智慧地球“的理念一经推出，就引起来包括美国总统奥巴马在内的世界各国领导人的高度关注，一时间，“智慧城市“、“智慧交通“、“智慧家居“、“智能电网“等概念应运而生。而“智慧城市“作为“智慧地球“的基本特征，自然成为世界各国关注的焦点。

2北斗卫星导航系统的发展及应用

由于”北斗一号”卫星导航系统具有定位和短信功能，所以尤其适合于特殊应用，如海上、边远与人口稀少地区、沙漠荒原、山高林密、内陆水路、长途运输等特定地区和特殊行业应用，适合于普通的无线网络无法覆盖的地区或跨区域应用。

“北斗一号”卫星导航定位系统的盈利点主要包括北斗终端用户机的销售，各种各样的应用系统建设，北斗运营服务费的收取等。具体可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业。“北斗一号”卫星导航系统可以有以下几种应用模式：

（1）小型集团监控

应用移动目标配置基本型“北斗一号”卫星导航系统用户机，集团监控中心配置指挥型用户机和相应的计算机设备及监控软件，快速构建实用的监控管理应用系统。

（2）大型集团监控

应用移动目标配置基本型“北斗一号”卫星导航系统用户机，集团监控中心配置“北斗一号”卫星导航系统天基指挥所设备，通过地面网络接入“北斗一号”卫星导航系统运营服务中心，完成大规模、跨区域的移动目标监控管理和指挥调度。

（3）自主导航

应用利用“北斗一号”卫星导航系统基本型用户机、多模型用户机进行车辆、船舶等的自主导航。

（4）通信应用

利用北斗通信终端，实现点对点、点对多点的通信。这种应用模式适合于各类数据采集和数据传输用户，如水文观测、环境监测等。

（5）授时应用

利用“北斗一号”卫星导航系统授时终端，进行通信、电力、铁路等网络的精确授时、校时、时间同步等应用。

3智慧城市与北斗产业化

3.1设想

作为近年来对人类城市发展关注和探索的一个进程，“智慧城市（Smart City）”的概念逐渐被全球越来越多的国家和社会公众所接受。作为智慧城市这一概念的一个基本特征，城市高度的信息化成为当今各国政府争相实现的目标，而北斗导航系统的产业化恰恰能为智慧城市的实现提供有效的帮助。

在今天国内的一些城市，我们可以看到公交车已经可以做到即时定位，乘客通过手机app或者公交站台的显示即可知道公交车的等待时间，但往往并不能做到准确，这就有赖于导航系统的精准度。同样，城市日益扩张，交通拥堵问题也日益严重。作为私家车主，获取道路信息的渠道依旧贫乏。设想一下，如果有一款精准的导航系统普及到每一台私家车，用户便可以更智慧的选择出行道路，避免拥堵和迷路。再设想，出海的渔民，山区的猎人，高原的游客，在那些通讯匮乏却又必须追逐资源的地方，我们必然需要这样一个稳定的联络方式来帮助我们构建新的智慧城市。

3.2产业前景

因此我们可以看到，以北斗产业为代表的卫星导航产业可以说是高科技产业中为数不多的投入少，产出高，见效快，能够实现跨越式和可持续发展的大产业。

卫星导航的出现，就意味着许多行业会发生一场场重大技术革命，会对许许多多传统产业的升级改造、结构调整、服务业提振，均会产生巨大推动作用。并且涉及到国民经济许多相关领域，密切联系着国家当前的“产业调整和振兴”计划与产业重构，加快转变国民经济增长方式，以及以新一代信息技术重要组成的“战略性新兴产业”的发展，是利用科学技术实现突破，依靠科技进步促进发展的产业典范，对于全面落实建设创新型国家将会发挥深远影响。它所涉及到的产业包括测绘业、航运业、物流业、汽车业、通信业、农林业、机械控制业、智能交通业 ，使得这些行业大大节省成本、提高效率、改善环保、强化管理、保障安全、惠及民生，还可以实现增值服务；卫星导航技术的应用“仅仅受到人们想象力的限制”，其在专业化科学技术领域中的应用，对于常人来说，可谓匪夷所思，甚至诱发产生一系列新的学科和科研项目，如卫星气象学、卫星大地测量学、地壳形变和地震监测、大桥和水坝监测、地质灾害监测、空间编队飞行、卫星测轨、无源探测和卫星导航与遥感融合 。卫星导航科学研究及其应用是个不竭的科技源泉，是个源源不断的生产力诞生地，值得去用心探索。

4结语

随着科学技术越来越成为城市发展的核心动力，以物联网、云计算等技术为核心的智慧城市理念颠覆了之前城市物理基础设施与 IT 信息基础设施截然分开的传统思维，将城市中各类设施有效联系在一起，使得城市管理、生产制造以及个人生活全面实现互联互通，为未来城市发展提供了一种全新理念。我国的北斗卫星导航定位系统具有适合我国国情的特点，与全球性的系统相比，它能够在很快的时间内、用较少的经费建成并集中服务于核心区域，是十分符合我国国情的一个卫星导航系统。

笔者认为，所谓的智慧城市的核心就在于用智慧的科技来让人们更智慧的生活。而北斗产业化的蓬勃发展恰恰能为智慧城市的建设贡献举足轻重的力量。我们有理由期待，在不久的将来，我们北斗产业化的发展会带给我们更加智慧的城市和生活。

参考文献

[1]IBM 商业价值研究院，智慧地球赢在中国（EB /OL），2009. 02，http：/ /www-900. ibm. com/innovation/cn/think/downloads/smart_China. Pdf.

[2]李德仁，龚健雅，邵振峰. 从数字地球到智慧地球[J].武汉大学学报： 信息科学版， 2010， 35（2）： 127 132.

[3]许庆瑞，吴志岩，陈力田.智慧城市的愿景与构架[J].管理工程学报，2012.4

卫星通信基本概念范文第2篇

龚健雅（1957-），中国科学院院士，教授，博士生导师。现任武汉大学遥感信息工程学院院长、测绘遥感信息工程国家重点实验室主任。1957年4月生于江西省樟树市。1982年毕业于华东地质学院测量系，1992年于武汉测绘科技大学获博士学位。2011年当选中国科学院院士。国家杰出青年基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授、973项目首席科学家、国家自然科学基金创新群体学术带头人、国家测绘局科技领军人才、国务院第六届、第七届学科评议组测绘学科组召集人，国际摄影测量与遥感学会第六委员会主席。

主要从事地理信息理论和几何遥感基础研究。在20世纪90年代初提出了面向对象地理信息系统的概念和数据模型，现已成为GIS软件的主流技术，并率先研发了面向对象GIS软件GeoStar，在我国测绘、国土和电力管理等许多领域得到广泛应用。于本世纪初系统地提出了空间信息共享与互操作理论与方法，研发出多源空间信息共享服务平台GeoSurf和网络三维信息共享集成平台GeoGlobe，成为我国军民各类地理信息公共服务平台如天地图的基础软件。在摄影测量与遥感方面，他提出了遥感广义几何成像模型与精确处理方法，主持研发了我国遥感卫星地面处理系统，并大幅提高了国产遥感卫星影像自主定位精度。

先后承担国家和省部级科研项目30多项。出版专著和教材13部（其中第一作者专著6部），国际标准1项、国家标准4部，430多篇，论著他引共10000多次。获国家科技进步创新团队奖1项（排名第三）、国家科技进步一等奖1项（排名第三）、国家科技进步二等奖3项（2项排名第一、1项排名第二）、省部级特等奖2项，一等奖6项、国际摄影测量与遥感学会（ISPRS）Dolezal成就奖1项。

一.智慧城市的概念与核心技术

1.智慧城市的概念

智慧城市是数字城市的智能化，是数字城市功能的延伸、拓展和升华，通过物联网把数字城市与物理城市无缝连接起来，利用云计算等技术对实时感知数据进行即时处理并提供智能化服务。

2.智慧城市的核心技术

透彻感知（图1）： 图1.透彻感知

无处不在的智能传感器，对物理城市实现全面、综合的感知和对城市运行的核心系统实时感测，实时获取物理城市的各种信息。

广泛互联：

通过物联网将无所不在的智能传感器连接起来，通过互联网实现感知数据的高效传输和存储。

时空分析

在智慧城市信息设施基础上，对海量感知时空数据进行实时处理管理、融合与分析，为智能服务提供信息支持。

3.智慧城市的逻辑框架

（见图2） 图2.智慧城市的逻辑框架：利用高性能计算机平台，通过Internet透测感知（广泛互联）进行时空分析（高效的计算），并提供广泛的服务。

二.空间信息基础设施的概念

1.基础设施

基础设施（infrastructure）是指为社会生产和居民生活提供公共服务的物质工程设施，是用于保证国家或地区社会经济活动正常进行的公共服务系统。它是社会赖以生存发展的一般物质条件。

“基础设施”不仅包括公路、铁路、机场、通讯、水电煤气等公共设施，即俗称的基础建设（physical infrastructure），而且包括教育、科技、医疗卫生、体育、文化等社会事业即“社会性基础设施”（social infrastructure）。

2.信息基础设施

信息基础设施的范围非常广泛，包含了诸如通信管网（由光纤PSTN、同轴电缆、以太网线及其管道资源等组成）、无线基站、中继设备、各级机房以及相关配套的电源、建筑等设施。信息基础设施是国家基础设施的重要内容。

“信息高速公路”。

云计算与云存贮平台。 图3.目前我国已经发射了16颗北斗导航卫星，实现了亚太区域的卫星导航定位，2020年建设目标发射30多颗卫星，提供全球导航米级、增强导航分米级、精确定位厘米级，国内导航市场60%，并竞争国际市场。

3.空间数据基础设施

美国总统克林顿入住白宫以后，1993年着手实施耗资上千亿美元的“信息高速公路”计划;1994年4月克林顿又了12906号总统令，“协调信息获取和建立国家（地球）空间数据基础设施（NSDI）”。数字地球是以信息高速公路和空间数据基础设施为依托的一个广泛的概念。

国家空间数据基础设施（NSDI）主要包括：地球空间数据框架、空间数据协调、管理与分发体系、空间数据交换网站和空间数据转换标准。

4.空间信息基础设施

空间信息基础设施是指对地球空间信息进行获取、传输、处理与应用的工程设施。除了“信息基础设施”之外，它还包括为地球空间信息导航与定位的基础设施―全球卫星导航定位系统（GNSS）及室内导航定位系统，地球空间信息获取的基础设施―卫星遥感、航空遥感及地面观测网，以及地球空间信息应用与服务系统。

三.智慧城市中的空间信息基础设施

1.通信网络

通信网络包括：

1）有线网络：互联网、电信网、广电网

2）无线网络：移动、联通、电信，（2G、3G、4G、5G）

3）空间网络：星地通信网、星星通信网、机星地通信网

通信网络的特性是实现自主组网和自维护，实现网络互联互通（三网融合）。

网络应具备维护动态路由的功能，保证整个网络不会因为某些节点出现故障而导致整个网络瘫痪。

2.导航与位置服务网

1）导航与位置服务网包括：

・全球导航卫星系统（ Global Navigation Satellite System，GNSS）

・美国全球导航定位系统（GPS）

・俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）

・欧洲全球导航卫星系统（Galileo）

・中国全球导航卫星系统（北斗）

2）北斗导航卫星系统：

目前我国已经发射了16颗北斗导航卫星，实现了亚太区域的卫星导航定位，2020年建设目标发射30多颗卫星，提供全球导航米级、增强导航分米级、精确定位厘米级，国内导航市场60%，并竞争国际市场（见图3）。

3）卫星导航系统（见图4）： 图4.卫星导航系统：地基增强服务系统（CORS）、卫星直接定位精度（动态5-10米）、地基增强服务系统（动态0.1-0.5米）。

・地基增强服务系统（CORS）：卫星直接定位精度：动态：5-10米;地基增强服务系统：动态：0.1-0.5米。

4）广域实时精密定位服务系统（MASS）：

・基准站系统

・控制与处理中心系统

・信息播发系统

・用户系统

・亚米级服务

5）室内与地下导航定位（见图5）： 图5.室内与地下导航定位：基于传感器和无线信号的智能手机定位。二维码城市控制点用于导航定位，在已有三维城市模型中建立布设二维码形式的三维控制点。智能手机摄像头采集影像，通过影像上已知三维控制点信息解算当前位置。

室内与地下空间等无卫星信号覆盖区域的定位，可以利用射频、蓝牙、WIFI、蜂窝基站等无线信号，以及陀螺仪、加速度计、电子罗盘等传感器进行室内与地下的导航定位。

基于传感器和无线信号的智能手机定位。二维码城市控制点用于导航定位，在已有三维城市模型中建立布设二维码形式的三维控制点。智能手机摄像头采集影像，通过影像上已知三维控制点信息解算当前位置。

6）天地融合的导航与位置服务网（见图6）：

・基于卫星定位

・基于无线信号定位

・基于传感器定位

・混合定位

7）导航与位置服务网（曦和计划）（见图7）： 图6.天地融合的导航与位置服务网：基于卫星定位、基于无线信号定位、基于传感器定位、混合定位。 图7.导航与位置服务网（曦和计划） 图8.天空地传感器网（遥感网） 图9.2020年建设目标：全天时、全天候、全球精细观测，发射14颗卫星，分辨率达0.3m，高分数据的自给率达60%。

3.天空地传感器网（遥感网）（见图8）：

1）我国高分辨率对地观测系统：

2020年建设目标：全天时、全天候、全球精细观测，发射14颗卫星，分辨率达亚米级，高分数据的自给率达60%（图9）。

・空间基础设施（遥感、通信、导航卫星）

・全球实时监视系统（卫星群）

高分一号遥感卫星（表1;图11-1;图11-2）;

高分一号--伊朗（GF-1影像， 2m）（图12）;

GF-2影像，0.8m（图13）;

航空遥感（有人机遥感）;

芦山县太平镇灾前灾后影像对比图（无人机航空遥感）（图10）;

2）移动道路测量系统

・多平台移动测量装备与高精度建模：车载CCD，LiDAR与POS集成的高精度快速测量装备，实现大规模三维场景快速三维建模（图14）。

3）地面传感网

基于自组网技术的地面大气、水文传感网，自动连续实地测量环境参数

4）大气环境综合监测系统

5）水下传感网

多层次自组织网络和Internet组成的异构网络实现水下传感器和远程终端之间的信息交流。

地下传感器（图18）;

传感网络。

4.地理空间信息服务平台网

地理信息技术实现了从二维到三维的跨越，从地理信息系统到地理信息服务的跨越。如：地理空间信息网络服务平台（图17）、地上下、室内外一体的三维GIS、武汉市地上地下一体化三维地理信息系统。

地理空间信息服务网络构建模式：

・纵向多级，分级管理。国家、省、市分别建立基础地理信息数据库，分级维护和管理。

・横向多库，分建分管。基础地理信息和各部门专业信息分别建库，各自管理与维护

・异构共享，在线集成。兼容不同软硬件环境，实现纵横异构地理信息在线共享与集成

・统一标准，协同服务。制定统一标准，保障纵向、横向各种空间数据在获得许可情况下互联互通，协同服务。 图10.芦山县太平镇灾前灾后影像对比图（无人机航空遥感） 图11-1.高分一号遥感卫星。 图11-2.高分一号遥感卫星。 图12.高分一号――伊朗（DF-1影像.2m）。 图13.GF-2影像，0.8m

国家地理信息公共服务平台;

国家与省节点的无缝聚合;

国家、省、市节点服务聚合;

天地图的多级服务平台（图16）;

基于天地图的应用系统开发―国家灾害应急系统;

基于天地图开发的应用系统―中国地震网（图15）;

地面传感网与地理信息服务网的集成;

视频与地理信息服务网的集成―天眼系统。

轨迹追踪，通过时间-空间约束关系，排除不可能的路径，计算嫌疑目标轨迹。从案发点，依据路段长度和逃逸速度，形成具时空关联关系的一组录像，在此录像中发现和追踪嫌疑目标。

四.结语

空间信息基础设施是国家信息基础的重要组成部分，卫星导航、航空航天遥感、空间信息服务技术已经成熟，标准和规范基本可以满足要求，剩余的问题是推广应用;构建一体化的空间信息基础设施对于促进智慧城市的应用，以及资源环境和各种人流、物流、交通流、信息流的监测与分析抉择具有重要意义。 图14.多平台移动测量装备与高精度建模：车载CCD，LiDAR与POS集成的高精度快速测量装备，实现大规模三维场景快速三维建模。

资料链接：

克林顿政府的“信息高速公路”计划

1993年9月，克林顿就任美国总统后不久，便正式推出跨世纪的“国家信息基础设施”工程计划。该计划在世界范围内产生了极为广泛的影响，同时，也造就了美国信息经济日后的辉煌。

卫星通信基本概念范文第3篇

1例题命制与讲解

1.1注重基础,哪怕是冷知识

复习课上例题讲解是少不了的环节,笔者认为知识复习要联系最新的高考动态,各地的高考题命制都是命题专家精心之作,不可偏废,纵观2013年各地对天体问题的考查,考查点都较为基础,正好可以将考题拿来作为例题帮助学生完成对基础知识的复习,让学生自主检测概念的掌握情况.例如,开普勒三定律是万有引力的第一节内容.考生往往会忽视基础概念和定律的复习,很多考生甚至冷落了这三个定律的理解和记忆,非常容易出错.2013江苏高考第1题着重考查这个知识点.例1(2013年江苏)木星和火星绕太阳在各自的椭圆轨道上运动,由开普勒行星运动定律可得A.两行星绕太阳运行速度的大小始终相等B.太阳位于木星运行轨道的中心C.两行星的公转周期之比的平方等于它们椭圆轨道半长轴之比的立方D.在相等的时间内,两星与太阳连线扫过的面积相等目的从行星的实际运动出发,帮助学生运用开普勒行星运动规律,复习规律.“开普勒三大定律”是人们研究天体运动的发端,也是“万有引力”这一章节的第一节内容,在以往的复习中,考生容易忽视该节内容的复习,由于对这三个定律复习的缺失,导致在解题过程中容易走弯路,从该题的设置上引导学生在一轮复习时,要重视对基础知识,哪怕是高考冷点的理解和记忆.

1.2注重常规题的基本解法

万有引力的常规考题大多涉及到“环绕”和“静放”两个方面方法的应用,基本方法有两个:对于环绕天体,万有引力提供向心力;星球表面万有引力近似等于物体的重力.例2(2013年上海)有小行星绕恒星运动,由于恒星始终均匀地向四周辐射着能量导致其质量缓慢地减小,如果认为小行星在绕恒星运动一周的时间内的运动轨迹近似看成圆?则足够长时间后,小行星运动的半径、加速度、角速度、线速度大小如何变化?天体运动充满着神秘色彩,与我们的生活也距离遥远,不过此类问题的解决却有法可循,环绕天体做匀速圆周运动万有引力提供向心力,再加上由星球表面物体忽略自转时的万有引力等于重力得到的替代式,就可以解决一系列天体运动参数的问题,在解决问题的过程中帮助学生实现方法的迁移.

1.3抓住特殊运动模型

万有引力与航天存在几个重要的模型:近地卫星模型,同步卫星模型,双星模型.课堂一定重视每个模型的特殊的物理含义和解题的技巧的分析和突破.如:近地卫星推导第一宇宙速度,同步卫星的确定性(如周期一定)等.平时的教学注重典型模型建立,重点突破各个模型的易考点和易错点,可以有效的增强学生的解题效率.2013山东卷第20题考查了双星系统模型.本文来自于《中学物理》杂志。中学物理杂志简介详见

2相似易错规律的总结

卫星通信基本概念范文第4篇

 

一、引言

 

航空通信系统在航空系统内的应用十分广泛，涉及航空运行的多个领域，制订了一系列的标准、规范和建议。以下几个方面分别阐述民用航空通信的应用与发展。

 

二、通信业务

 

2.1空中交通服务(ATS)

 

空中交通服务指的是与空中交通管制和服务有关的通信，此类通信通常与飞行安全、航班正常运行密切相关，包括发生在航空器与地面空中交通服务单位之间，例如管制指令的;发生在不同的地面空中交通服务单位之间进行，例如管制中心之间进行管制移交;也包括航行情报，气象信息等。此类通信优先级较高，是航空通信系统重点保障的业务，故行业对该类业务制定了详细的标准和规范，如ARINC 623， ARINC 758等。

 

2.2航空运行控制(AOC)

 

航空运行控制是飞行过程中航空公司运控中心与机组之间的通信，主要目的是保障飞行的安全和航班正常执行，提高运行效率。航空运行控制通信的内容比较丰富，只要符合传输协议，AOC可以囊括任何类型的参数，包括航班计划、航班执行情况、航空器状态监视等等，其中部分信息与飞行安全相关。部分航空公司还会根据自己的需求自定义AOC消息，真正做到降低运行成本，提供运行效率。

 

2.3航空管理通信(AAC)

 

航空管理通信内容通常是航空运输企业有关航班运营和运输服务方面的商务信息，比如运输服务预定，飞机和机组安排，或者其他后勤保障类的信息，通信的目的是为了提高运营的效率。

 

2.4航空旅客通信(APC)

 

航空旅客通信是指乘客或机组成员出于个人目的的语音通信和数据通信，与飞行安全无关。随着宽带业务的发展，此类通信也得到了井喷式的发展。

 

三、航空通信系统应用

 

目前应用于航空通信的通信方式有甚高频(VHF)通信系统、高频(HF)通信系统、卫星通信系统。

 

VHF通信系统使用VHF频段(118-137MHz)模拟调制技术，主要满足陆基近距离通信，要求在航路上覆盖VHF通信网络。

 

在偏远地区和洋区，VHF通信网络的覆盖率实为有限，特别是在山区的VHF通信传输遮挡也相当严重，解决这个问题最简单的方式就是利用HF通信系统和卫星通信系统进行通信。

 

HF通信系统使用HF频段(2-30MHz)模拟调制技术，除了可以利用地波传输外，还可以利用天波传输。HF通信系统利用全球很少的几个基站就可以使通信网络覆盖全球。但是，首先HF无线电波远距离传输需要通过电离层反射，电离层的浓度直接影响了HF的通信质量，由于天气环境不一致，导致的电离层浓度在各个区域各不相同，所以一般情况下，使用HF语音通信时会有很大的噪音，数字通信也会有相当大的误码率，造成消息可靠度不高。

 

其次，HF通信地波传输类似于VHF通信，由于HF频率低，容易被空气吸收，传播距离很有限。

 

卫星通信系统将信息调制1.5GHz左右传输，可以把调制信号直接发送到几十公里外的卫星，而且可以不考虑空气对电磁波的吸收造成的传输效率低下，通过卫星收到信号后转发至地面，避免了陆基传输的限制。

 

但是目前使用最为广泛的海事卫星(Inmarsat)只能覆盖南北纬80度以内的区域，越洋飞行的飞机在极地区域飞行还是会被卫星丢失，这种情况下只能选择HF通信系统尽可能建立通信。

 

在海事卫星之后，铱星的出现完全解决了空地通信不能全球覆盖的问题，可惜由于铱星的通信频段与我国的北斗卫星通信频段基本一致，使铱星尚未如海事卫星那样被广泛应用。

 

目前大部分飞机同时安装VHF系统、HF系统和卫星通信系统来保持飞机与地面的不间断通信。我国的北斗卫星通信能力还有待提高，目前尚未得到推广。

 

四、未来通信应用发展

 

多年以来，虽然航空空地通信系统不断在利用技术革新和引入新技术进行自身的改进，但是，系统仍然面临着非常大的挑战，特别是甚高频通信，由于甚高频通信频率资源紧张、原有模拟调制技术的限制，在一些飞行繁忙地区(例如欧洲)，空地通信系统处理能力接近饱和。

 

作为传统语音通信的补充，数据链的应用大大缓解的通信业务增长所带来的资源限制，业务增长需要技术革新，技术革新又刺激业务的增长，这一矛盾使得技术上很难保持一段时间的领先，航空系统运行方式的革新才是解决业务增长不受限制的有效手段。

 

基于通信、导航和监视系统在数字化、自动化和趋势分析的提高，ICAO通过DOC9854《全球空中交通管理运行概念》提出了新一代航行系统的愿景，描述下一代航行系统的在运行方式上由灵活空域管理、4D航迹、流量与容量管理、信息服务等一系列新的元素组成新的运行概念。

 

通过信息服务，运行概念中的各部分整合为一个有机的整体。

 

有理由相信，在不久的将来，日益增长的通信业务需求，还会促使新一轮的航空通信的变革。

卫星通信基本概念范文第5篇

【关键词】航天器 航天器集群 群智能 太空探索 微纳卫星

【中图分类号】 V423.9 【文献标识码】A

【DOI】10.16619/ki.rmltxsqy.2017.05.003

自20世纪80年代以来，随着微电子、微机械技术迅猛发展，信息产业发生了翻天覆地的变化，计算机外型越来越轻巧，功能也越来越强大。依靠这些技术的进步，航天器也逐渐向小型化、低成本的方向发展。90年代以硇∥佬羌际醭鱿郑其优势也越来越明显。一方面，以美国、欧盟为首的航天大国已经将现代小卫星技术列为航天技术发展的重点领域之一；另一方面，多颗小卫星协同工作完成复杂太空探索任务已成为当今国际航天领域的一个研究热点，航天器集群的应用与开发必将成为未来国际太空发展的战略重点。

随着小卫星的发展，微纳航天器渐渐地成为了航天领域一个热点问题。由于微纳航天器采用了大量的高新技术，具有功能密度与技术性能高、投资运营成本低、灵活性强、研制周期短、风险小等优点，在计算机网络技术的启发下，由多颗微纳航天器编队飞行而构成的“空间飞行集群”的概念被广泛接受，并迅速成为航天领域学术研究的焦点。

目前，在天文观测、深空探测、对地勘测以及空间技术验证任务方面，美国国家航空航天局、德国宇航中心、欧洲空间局、日本宇航事业部以及中国航天局相继提出并逐渐实施各式各样的航天器集群计划。未来航天器集群飞行模式必然会成为宇宙探索和空间应用领域的主流。

航天器集群概念的产生

“航天器集群”这种新概念主要来源于对昆虫群体的观察。自然界存在很多集群性昆虫和生物，比如蜜蜂、蚂蚁、大雁和鸟等，即使没有明显的类似于人类社会的组织级别，这些生物在大群体中仍然可以共同合作，完成很多复杂的工作。未来，这种集群技术，可以用于清理海洋石油管道、深海探索、军事侦察以及行星探测。

根据文献分析结果可知，集群的概念已经引起国内外航天器设计和导弹设计领域的高度重视，如多弹拦截、智能卵石和小卫星编队等。如美国2008年启动的计划――“分布式模块化卫星系统”也含有集群的技术成分，尽管项目计划困难重重，并且目前已经终止了，但世界各国的权威专家认为：“项目计划终止不等于这种理念终止，而这种理念将永存。”

直到今天，航天器集群还没有统一定义，但有一个共识，即航天器集群是一片被控制的卫星云，一个航天器集群是由多个航天器单体所组成，它们共同合作完成一个任务。在执行任务时，它们形成一个松散的聚集族，本着简单的行为和原则聚集在一起，好像昆虫群体社会。而学术界认为“任何一种受昆虫群体或其他动物社会行为机制而激发设计出的算法或分布式解决问题的策略均属于集群智能范畴”。由此可见，所谓航天器集群，是指数量巨大，至少100颗，甚至数千颗航天器组成的群体。

对于成百上千颗航天器组成的群体，其控制和管理就显得尤其重要，采用常规的集中式的航天器管理模式来管理数量巨大的集群系统显然是不现实的。所以，结合集群理论研究航天器集群系统，探索集群系统的应用，将会丰富和推动空间探索技术的发展。迄今为止，在集群理论探索方面，自组织聚集、自组织分散、连接运动、协同传输、模式构成和自组织建设仍然是热点问题。

大多数的群体都存在一定的结构，内部耦合紧密的群体大多都有如层次等级结构，有些是社会分工造成，有些是以能力高低区分，这种结构使得信息在群体间传播快速且有效，促使集体行为快速执行。不同的群体结构中，个体所发挥的作用也不一样，个体与环境、个体与个体之间的通信效率和通信范围也随之不同，最终导致的群体效果也不同。集群系统应该具备一定的结构，这是建立信息通道、实现个体交互的基础。这里的结构关系包括了结构形式、连接关系以及个体的地位分工等。所以，未来航天器集群系统级也应该具有生物自然群的三种主要功能。

鲁棒性：航天器集群是在外界干扰和单体波动的情况下运行，协作是分散式的，且构成航天器集群的单体相对简单，载荷是分布的，因此集群对环境的扰动具有鲁棒性。

灵活性：航天器集群中的单体有能力协作其他单体完成任务，也有能力在不同的组里工作，且支持大量单体的自主行为。

扩展性和容错性：航天器集群是个冗余系统，单体的缺失可以立即由另外一个单体补偿，因此群中某一特定部分的故障不会使其停止工作。

纵观各式各样的航天器集群计划

欧空局的CLUSTER计划。CLUSTER于2000年8月发射，目前仍在运行。CLUSTER计划是由欧空局提出的，由四颗相同的卫星组成，这四颗卫星运行于大椭圆地球极地轨道，轨道近地点和远地点高度分别为19000km和119000km。在实施CLUSTER太空计划之前，一般情况下是采用单个航天器对空间环境的局部区域进行探测，当然也有特例，极少数的情况下采用了双星探测，因此在对地球近地空间环境进行探测时无法在三维的视角下完成。然而，CLUSTER计划的成功实施，为地球空间探测领域开辟出了新的路径。CLUSTER计划在太空中采用了一个四面体的空间队形进行编队飞行，并可根据不同探测任务对其星间距离进行调整。这种航天器集群能够监测太阳离子和地球磁场之间的交互作用，从而得到太阳和地球电磁交互的三维模型。

ST-5计划。2006年3月22日，美国成功发射了三颗卫星（Space Technology 5， ST-5），旨在验证未来科学任务试验的新技术。单颗ST-5卫星重24.75kg，采用机载发射方式入轨。三颗卫星排成星座，近乎位于同一轨道面内，每颗卫星相距约354km，通过微推进器实现轨道与姿态的联合控制。

ST-5计划中的卫星虽然在尺寸和重量上都小于其他卫星，但每颗卫星均可提供全套服务，具有动力、推进、通信、制导、导航和控制功能，以及搭载地磁场测量载荷的能力。该计划有效验证了利用星座进行极地极光研究的优势，小型无线电转发器与常规天线、计算机优化天线组成新型通信链路的可行性，小型动力系统的可行性以及地面系统制造技术的可行性。

ST-5计划作为NASA“新千禧计划”的一部分，它的成功实施为美国小型化航天部件、批量制造数十至数百颗微卫星打下了坚实基础。

MMS（Magnetospheric Multiscale Mission）项目。2015年3月，NASA通过“宇宙神”火箭成功发射了MMS项目的四颗卫星，用以实现对地球电磁场的高精度测量。该项目中卫星的结构和功能完全相同，卫星的有效载荷包括等检测设备高能粒子探测仪、电场仪器、数据处理设备离子分析仪、姿态敏感器磁强计和防干扰设备等。四颗卫星组成一个边长从1km到几个地球半径长度变化的四面体，能够在地球磁层中，在三维视角下对磁边界进行相关的测量，以此来分析研究磁重联现象。空间天气的混乱主要是由太阳风对地球磁层的影响造成，研究人员的主要任务就是结合MMS卫星编队对当前的主流磁场理论进行相关的实验验证。

“天拓三号”微纳卫星集群飞行计划。2015年9月，由我国高校自主研制的微纳卫星“天拓三号”搭载火箭长征六号成功发射进入预定轨道。“天拓三号”卫星集群中包含6颗卫星，采用“一主五从”的模式进行编队飞行，其中主星的质量在20kg左右，从星中包含有1颗1kg级的手机卫星和4颗100g级的飞卫星。在整个卫星集群成功入轨之后，从星将与主星分离，以较为形象的“母鸡带小鸡”的方式在太空形成微小卫星的星间组网，实现6颗卫星在空间中的集群飞行。

“天拓三号”星群系统中的主星也称为“吕梁一号”，采用的l星体系结构与立方星类似，即模块化多层板式结构，该星群主要任务是星载航空目标信号监视（ADS-B）、新型星载船舶自动识别系统（AIS）的信号接收、20kg级通用化卫星平台以及火灾监测等一系列新技术验证和科学实验。星载ADS-B能够在全球范围内对航空目标进行准实时的空中流量测量，并实现对航空目标的准实时监测，为航空服务的空管系统提供高时效性的飞行数据，进而能够使得航空飞行的效率提高一个档次。

多规模磁性层测量任务的四星编队。2015年7月19号，美国宇航局执行多规模磁性层测量任务的四星编队首次排成三棱锥队形飞行，也称四面体编队飞行，这是美国宇航局第四个太阳探测任务。采用这种队形意味着科学家们可以利用这些探测器进行三维观察。三棱锥队形对于提供地球空间环境的三维信息是至关重要的，如果四个探测器都在一条直线或一个平面上运动，当它们飞经某个天体结构时，就不能观测到该天体结构的完整形态。

因为四星编队每个探测器的轨道可以单独调整，科学家们可以调节四个探测器之间的距离，类似于望远镜调焦，通过调整四星编队的队形，它们会让不同过程成为我们的焦点，这样就使得他们可以从很多不同的空间方位来研究磁重联。

飓风全球导航卫星器群。美国宇航局计划2016年12月中旬在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射地球科学小型卫星群，其任务是勘测一些科学家感兴趣的关于地球科学的未知信息，从而更准确地理解热带气旋和飓风的形成和强度。

飓风全球导航卫星器群基于GPS道路导航技术，使用8个小型卫星群测量地球海洋的表面粗糙度。科学家将利用这些数据计算海洋表面风速，进而更好地分析风暴的强度。“飓风全球导航卫星群”聚焦于低成本、快速的科学勘测，是人类首次为地球飓风勘测，卫星群将完成单个探测器无法完成的任务，能够穿透“飓风眼壁”的暴雨，获得关于风暴强烈内核的重要数据。所谓“飓风眼壁”是雷暴云层的密集环状结构，它环绕平静的飓风眼，内核区域就像是风暴发动机，从温暖表面海水抽取能量，再蒸发至地球大气层。

“飓风全球导航卫星群”能够持续监测全球热带飓风带纬度海洋的表面风力。每颗卫星能够每秒进行4次风力测量，对于卫星群而言，每秒能够进行32次风力测量。

NASA拟派遣微型机器人舰队探索木卫二。“新视野”号探测器让全世界都知晓了它的任务，花了10年时间飞了50亿公里，确实够震撼。最近，NASA又向美国政府要钱，计划向木星发送一个庞大的微型机器人舰队。

目前，人类对木星探索已经进行了三轮，第一轮美国“旅行者号”飞掠了木星，第二轮伽利略探测器专门研究木星，今年“朱诺号”探测器又抵达木星，这还不算一些借力木星加速的任务。“朱诺号”探测器全副武装，使用了最先进的防辐射技术来抵抗木星辐射。现在，NASA已经开始着手下一轮木星系统的探索，并邀请了全美10所高校参与木星微型机器人舰队的研发，目标是木卫二。木卫二是太阳系中除了地球外，最有潜力拥有生命的星球，目前已经发现了冰下海洋，接下来就要对木卫二实地勘察。

至于NASA为什么要研发微型机器人舰队，这主要出于对经费方面的考虑。以立方星为架构的微卫星是一个方向，每个探测器任务专一，造价较低，比如可以收集木卫二稀薄大气的信息、携带高能粒子探测装置后可研究带电粒子的问题等。但NASA希望研制出更先进的微型探测器，而不是简约型的立方体平台，能够在太阳系内广泛部署。前期任务主要涉及对木卫二的探索，比如对木卫二大气、冰层以及冰下海洋进行针对性调查，后期将拓展至整个太阳系。南加州大学提出并且有能力开发出标准化的微型平台，比如适用于登陆小行星、彗星，以及较大的卫星等。NASA工程师打算研制一种飞往木星的微型机器人，称为“windbots”，这种微型机器人外形呈多面体，穿越木星大气层时，在木星大气的湍流作用下，旋转吸收能量，产生漂浮升力。它允许科学家详细地研究气体行星，也可以应用于地球上的飓风和龙卷风的研究。

美国的ANTS集群探测系统。美国NASA受昆虫社会行为的启发，计划于2020～2030年发射一个卫星集群探索小行星带，该计划暂命名为ANTS（Autonomous Nanotechnology Satellite）。ANTS系统由1000颗皮星组成，其任务是利用群智能技术，探索和勘测小行星带的小行星。ANTS系统运行在小行星带内，这其中，空间环境十分恶劣，传统的大卫星是不能生存的。小行星带介于火星和木星轨道之间，在这里估计有50万颗小行星。

ANTS系统的主要任务就是想利用价格低廉的皮卫星群完成小行星带的勘探。为了克服任务规划工作带来的挑战，NASA在系统设计时模仿昆虫的“无智能或简单智能的主体通过任何形式的聚集协作而表现出智能行为的特性”，ANTS系统按照不同等级进行管理，群卫星体系结构的等级划分包括“队”和“群”，“群”还包括“子群”等，不同卫星装载的仪器是不同的，所以需要协同工作和共享信息才能很好地完成任务。

在这个群卫星系统里，有几种不同类型的卫星，一类称为“Worker”，它们载有不同的载荷和仪器，如磁强计、X射线仪、质谱仪和可见光和红外相机等，每个“Worker”只能获取一种特定的数据；另一类称为“Ruler”，它们起统治作用，协调各个“Worker”工作，并确定勘测目标；还有一类称“Messenger”，仅仅起通信作用，它们是地球、“Worker”和“Ruler”之间的信使。每个“Worker”都会主动勘测所遇到的小行星，然后把信息发送给“Ruler”，“Ruler”评估这些数据，形成一个总勘测报告。

ANTS系统的皮卫星是依靠一艘飞船运载到小行星带附近的拉各朗日点，然后释放。在ANTS系统中，80%的皮卫星是“Worker”，当“Worker”收集到数据时，它们首先把数据发给“Messenger”，同时这些数据也可以判断“Worker”是否被毁坏，大约70%的“Worker”穿过小行星带时被毁坏。这就要求它们有足够的队伍重构能力，同时还要有很好的自恢复能力。

ANTS系统飞越小行星时，需要完成许多工作。它们首先要确定小行星的大小、旋转轴、小行星的卫星/月亮、轨道和盘旋点等。随着获取小行星数据量的增大，ANTS还会派更多的子群，参与协作搜集更详细和更全面的小行星数据。

为了实现高度的自主性计划，基于社会结构的推理方法必须运用先进的人工智能技术，如神经网络、模糊逻辑和遗传算法等。为了辅助和维持高水平的自主性，更重要的任务还要考虑自主运行的修正能力，以便适应环境变化、远距离操控和低带宽通讯等问题。

英国的“天基镜群”方案。英国拉斯哥大学Massimiliano Vasile教授在分析小天体变轨的几种流行技术方案的基础上，提出了一种基于航天器群建立“天基镜子”的方案。该方案的部署是通过火箭将航天器群从地球发射升空，进入预定轨道，然后航天器集群再自主地逐渐徘徊于目标小天体附近，依靠协同控制技术，进行优化部署后，将太阳光能聚集到小行星表面的某一点上。

首次提出这种方法的并不是Massimiliano Vasile教授。早在1993年，美国亚利桑那州立大学的Jay Melosh曾建议将一面非常大的镜子安放在一颗大卫星上，以此来达到上述目的。

“天基镜群”的工作原理是发射一个航天器集群，集群中航天器都是纳型重量级的，每颗纳型航天器携带一个小镜子，一颗纳型航天器就是一个镜子模块，然后通过统一的星务系统进行管理，建立一个天基群镜系统，这样就可以把反射太阳光聚焦于小天体表面的某一指定点，将小天体的表面加热到至少2100°C，使得小天体汽化。汽化后的小天体内部会喷射出气体，由牛顿定律可知，小天体将会产生一个与喷射方向相反的推力，进而改变小天体的轨道。

基于全球卫星定位系统对航天器集群进行导航，结合自主控制技术，采用数十颗小卫星组成集群，使直径为数百米的小天体变轨是可以完全可行的。若利用10颗纳型航天器群，每颗航天器均承载一个20m宽的充气镜子，大约可以在六个月内使一个直径约为150m的小天体发生变轨；若增加到100颗纳型航天器，只需几天的时间就可以完成上述任务；假如要使直径为20km的小天体变轨，则需要集合5000颗纳型航天器，汇聚太阳光至该小行星表面长达3年的时间就可以使其发生变轨。尽管目前控制5000颗航天器的技术有很多困难，但随着群智能理论及其应用技术的深入发展，对于数千颗航天器的协调控制，未来将不再是问题。所以航天器群的概念未来一定具有巨大的应用前景。

航天器集群的管理

目前，从航天器集群的管理技术来看，不同的航天器集群具有不同的技术特征，归纳起来有四类：轨道跟踪法、领航跟随法、虚拟结构法、蜂拥控制法。

轨道跟踪法。单个的航天器一般都采用周期性轨道控制方法将航天器时刻保持在某特定轨道上，该方法也适用于微小型航天器集群的飞行任务，即将群系统中的成员航天器都控制在预先指定的期望轨道上。这种方法无需航天器间的信息交互，适用于群系统规模较小的情况，但对于数量较多的群系统来说，该方法不太现实。

领航跟随法。在领航跟随法中，引领航天器在规划好的参考轨道上按计划运行，利用传统的周期性机动，使得跟随航天器跟踪引领航天器，保持稳定的相对运动状态。该方法的优点在于群系统中大多数微小型航天器可以按照引领航天器的绝对轨道自然飞行，只需定期控制就能实现相对状态的维持。在领航跟随法中，由于引领航天器处于一种参考状态，跟随航天器保持整体构型就需要消耗更多的燃料，因此未来需要围绕能源消耗问题做进一步的改进。

虚拟结构法。虚拟结构法，即根据实际需求，给整个群系统分配一组合适的期望状态，使得系统的整体状态误差最小。与领航跟随法相比，这种方法的主要优点在于群系统中所有的微小型航天器都有误差存在，但该方法可以从宏观角度考虑这些误差，并引入燃料消耗加权，从而使得星间燃料消耗达到均衡状态。该方法的关键技术是需要保证微小型航天器之间信息交互的畅通性，并强调整体的协同。

蜂拥控制法。群体系统蜂拥控制方法是近年来受到国内外众多领域高度重视热点研究问题，主要借鉴仿生领域关于群体蜂拥行为的研究成果，集中在个体之间交互形成的网络拓扑结构已知条件下的控制问题。当微小型航天器集群系统中航天器个体数量较多时，若区域信息的交互能够形成一定规则的形状，则可以利用启发式控制算法。大规模的航天器集群往往会带来较为繁重的通信和计算负担，而蜂拥控制法采用分布式并行处理模式，能够很好地解决这个问题。但是蜂拥控制方法也存在着一定的缺陷，该方法没有将碰撞规避的问题纳入研究范围，且该构形下不是燃料最优的。

结束语

相比于传统的大卫星，微纳卫星的研发成本低、设计周期短、功能密度高。成百上千颗微纳卫星构成的集群灵活性高、鲁棒性高，能完成大卫星无法完成的任务，应用前景广阔，而发展微纳卫星集群的关键就是高集成模块化技术和分布式协同控制技术，相信在不久的将来，随着其功能的不断完善，将会逐渐取代传统卫星成为空间应用的主流。

从历史上看，航天系统工程的发展将会带动其他学科发展。上世纪60年代美国阿波罗登月所研制的新材料、新技术和新工艺推广到各个领域，如果说美国的计算机水平一直领先于世界，可以说是得益于阿波罗计划的推动。所以，类似地，今天航天器集群的技术也将推动其他科学技术的发展。