2.2　天基物联网的发展背景

天基物联网作为地面物联网的补充和延伸，能够有效地克服地面物联网在覆盖等方面的不足，近年来其发展得到了广泛的关注[12]。

2.2.1　拓展地面物联网覆盖范围的需求

目前，物联网应用遍及智能交通、环境保护及监测、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业检测、路灯及景观楼宇等公用设施照明管控、老人护理、个人健康、智能农业等多个领域。不仅如此，在军事方面，物联网设备还涉及军事侦察和情报搜集等领域。可以说，物联网技术与人类的生活息息相关。

在工业和信息化部发布的《物联网发展规划（2016—2020年）》文件中，将物联网的应用推广列为五年计划的重要部分，要求在工业制造和现代农业等行业领域，智能家居和健康服务等消费领域推广一批集成应用解决方案，形成一批规模化特色应用。在智慧城市建设和管理领域形成跨领域的数据开放和共享机制，发展物联网开环应用。

在该规划文件中，根据业务场景，可以把物联网细分为短距离的固定无线数据接入或慢速无线数据接入（局域物联网）、基于蜂窝移动网络的无线数据接入（移动物联网）、面向广域低功耗应用的泛在无线数据接入（低功率广域物联网）3种类型。

（1）局域物联网。局域物联网通过在其网络区域内部署各种传感器进行数据采集工作，这些数据只需要传送到本地的局域网和应用管理平台，用于本地的生产、生活和监控。另外，这类信息主要由固定或慢速移动传感器提供，没有移动和漫游需求。

（2）移动物联网。与局域物联网相比，移动物联网的传感器的部署范围更为广泛，数据通过移动IP网传送到集中的服务器和应用管理平台，主要服务于全国范围内的生产、生活和监控，有移动和漫游需求，数据传输量较大。

（3）低功耗广域物联网（LPWAN）。在这种模式下，传感器的部署范围更为广泛，通过各种一体化传感器进行数据采集，数据通过低功耗广域物联网的无线电通信技术传送到本地的服务器，再通过广域IP网汇聚到集中的服务器和应用管理平台，主要服务于全国范围内的生产、生活和监控活动，一般情况下没有移动需求，但可能存在漫游需求，部分传感器部署的位置比较分散，距离也会比较远，因此，数据传输量较大。

目前，低功耗广域物联网是地面物联网技术发展的重点。从技术解决方案看，低功耗广域物联网技术可分为两大类：一类是工作在非授权频段的远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）系统、Sigfox（一种超窄带、长距离、低功耗的传输技术）等技术；另一类是工作在授权频段内的第三代合作伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）支持的2G/3G/4G蜂窝通信技术，如窄带物联网（NB-IoT）等。其中，NB-IoT作为基于蜂窝网络的新一代物联网技术、基于4G移动通信的长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术，其标准在2016年6月获得了3GPP认证，具有完备的网络架构、齐全的产业链和成熟的运营模式，网络干扰少、移动性好、功耗低、覆盖广，凭借其天然的网络及资源优势，它将在广域物联网应用市场中扮演重要的角色。LoRa作为服务产业物联网的重要补充手段，其优势体现在建网规模灵活、数据安全可控、运营资费低等方面，一个LoRa的普通网关可覆盖1km2以上的面积，足以应付一般性企业的本地化应用。低功耗广域物联网技术的研发是当今物联网技术的主要研究方向之—，天基物联网就是一种基于卫星通信技术的低功耗广域物联网。

虽然近几年来物联网技术得到了快速的发展，其应用已深入国民经济的各个领域，但地球表面人烟稀少地区的大部分面积仍不能提供物联网服务。例如，美国境内地面的无线网络只能覆盖20%左右的地区，这种情况显然不能满足未来万物互联的需要，必须研究新的低功耗广域物联网技术，以拓展物联网的覆盖范围，从而支撑未来智慧地球的建设。在这方面，卫星通信技术可以发挥重要作用。

2.2.2　卫星通信技术的发展

卫星通信是指地球上的无线电台和通信地球站之间利用卫星作为中继站而进行远距离通信的一种手段，它是在地面微波接力通信技术的基础上发展起来的一种超远距离的通信方式。

卫星通信技术的发展经历了两个阶段，即试验阶段和实用阶段[13]。

1954—1964年属于试验阶段。在这个阶段，美国曾先后利用月球、无源气球卫星、铜针无源偶极子带、低轨道（LEO）迟延试验通信卫星、中高度轨道（MEO）试验通信卫星和同步轨道（GSO）试验通信卫星等作为中继站进行了大量的通信试验。1964年8月，美国发射了辛康姆3号（SYNCOM 3）通信卫星，成功地进行了电话、电视和传真的传输试验，并于1964年秋用它向美国转播了在日本东京举行的奥林匹克运动会的实况。

1965年4月，Intelsat I（晨鸟）卫星的成功发射标志着卫星通信进入实用阶段。Intelsat是国际电信卫星组织（The International Telecommunications Satellite Organization）的英文简称，该组织于1964年8月20日在美国成立，其总部位于华盛顿，成立时，该组织拥有11个成员国。2001年7月18日，Intelsat由一个条约组织转变为一个私营公司。Intelsat公司提供的服务包括国际电话服务、国际电视服务、国内通信服务、国际通信卫星组织商业服务和国际互联网服务等。支撑这些服务的语音、图像和数据信息传输由位于对地静止轨道（GEO）上的Intelsat系列卫星负责。

1979年7月成立的国际海事卫星通信组织（INMARSAT，现改称为国际移动卫星组织）是另一个国际性的卫星通信组织，它只提供卫星移动通信业务，它所运行的国际海事卫星通信系统是世界上第一个提供移动通信业务的全球性卫星通信系统，也是唯一一个利用GEO通信卫星在全球范围内向陆地、海洋和空中用户提供商用、应急和安全救护等卫星移动通信服务的组织。

1998年11月1日投入使用的铱（Iridium）系统标志着新一代卫星移动通信系统正式进入实用阶段。该系统的典型特征是利用低轨道通信卫星面向个人提供全球移动通信业务，它为卫星移动通信开辟了一个新的发展领域。

50 多年来，卫星通信在国际通信、国内通信、移动通信、广播电视等领域得到了广泛应用，已经深入国民经济、家庭生活的方方面面。与此同时，人们也对卫星通信的新体制、新技术进行了广泛、深入的研究和试验，并取得了一系列成果，从而使得卫星通信的技术水平得到了极大的提高。近年来，物联网的发展得到了广泛的关注，天基物联网也成为卫星通信领域的发展热点，相关人员围绕终端小型化、低功耗、低成本、长电池使用寿命开展了大量的探索性的工作。从当前的发展状况来看，除了拓展覆盖范围，天基物联网技术并未取得突破性的进展，尤其是在传统数据采集系统的性能提升方面尚无明显的改进，因此，还需要开展大量的技术研究工作。

2.2.3　天基物联网的提出

从1999年提出至今，物联网已经形成了完整的概念，依托地面通信网络的物联网应用逐渐发展成熟，但在一些大范围、跨地域、恶劣环境等数据收集领域，地面物联网由于受空间、环境等限制，出现了服务能力与需求不匹配的问题，建立天基物联网是解决此问题的一种有效手段。天基物联网是物联网的一个分支，其特点是利用卫星通信系统实现物联网信息的传输[11]。

物联网概念一经提出就成为研究的热点，其应用涉及人类活动的各个领域。但对于依靠无线接入的物联网来说，除了要有物联网终端，还必须有一个由足够多的基站构成的通信网络。但是，在地面布设基站及连接基站的通信网会受到诸多限制：①占地球表面大部分面积的海洋、沙漠等区域无法建立基站；②在用户稀少或人员难以到达的边远地区建立基站的成本很高；③在发生自然灾害时（如洪涝、地震、海啸等），地面物联网容易被损坏。因此，地面物联网的覆盖范围是有限的。

如果将基站搬到“天上”，即建立天基物联网，使之成为地面物联网的补充和延伸，则能够有效弥补地面物联网的不足之处，天基物联网具有下列优势：覆盖地域广，可实现全球覆盖，其传感器的布设几乎不受空间限制；几乎不受天气、地理条件的影响，可全天时、全天候工作；系统抗毁性强，在自然灾害、突发事件等紧急情况下依然能够正常工作；系统容量大，可支持海量数据连接，易于向大范围运动平台（飞机、舰船等）提供无间断的网络连接等。因此，近年来天基物联网的发展得到了广泛关注。