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T／ZSA 50-2020 低轨卫星物联网系统 体系结构.pdf

低轨卫星物联网系统体系结构

前言 引言 .11 范围. 规范性引用文件.. 术语和定义. 缩略语 .之 低轨卫星物联网系统概述 5.1 1 低轨卫星物联网的功能， 5.2 低轨卫星物联网中“物”的范围 5.3低轨卫星物联网的应用领域. ".3 低轨卫星物联网系统连通视角的参考体系结构.. 6.1 1 系统体系架构组成. 6.2空间段组成. 6.3地面段组成. 6.4用户段组成 低轨卫星物联网通信视角的参考体系结构. 7.1 低轨卫星物联网的网络传输. "5 7.2 低轨卫星物联网的数据传输. 7.3通信架构.. 低轨卫星物联网的信息视角的参考体系结构 8.1低轨卫星物联网信息系统参考体系架构. 8.2信息视角下的运营网络架构. ..10 8.3信息视角下的应用平台. .12 附录A（资料性附录）低轨卫星物联网实际应用的体系结构示例， 13

引言 .11 范围. 规范性引用文件.. 术语和定义. 缩略语 .之 低轨卫星物联网系统概述 5.1 1 低轨卫星物联网的功能， 5.2 低轨卫星物联网中“物”的范围 5.3低轨卫星物联网的应用领域. ".3 低轨卫星物联网系统连通视角的参考体系结构.. 6.1 1 系统体系架构组成. 6.2空间段组成. 6.3地面段组成. "".5 6.4用户段组成 低轨卫星物联网通信视角的参考体系结构. 7.1 1 低轨卫星物联网的网络传输. "5 7.2 低轨卫星物联网的数据传输. 7.3通信架构.. 低轨卫星物联网的信息视角的参考体系结构 8.1低轨卫星物联网信息系统参考体系架构. 8.2信息视角下的运营网络架构. ..10 8.3信息视角下的应用平台. 附录A（资料性附录）低轨卫星物联网实际应用的体系结构示例， 13

JC／T 2203-2013标准下载本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。中关村标准化协会不承担识别专利的责任。 本文件由中关村标准化协会技术委员会提出并归口. 本文件起草单位：北京国电高科科技有限公司、中关村物联网产业联盟、掌握主动科技（北京）有 限公司、北京嘉合百善科技发展有限公司、北京钛云物联科技有限公司、南京屹信航天科技有限公司、 湖南斯北图科技有限公司、上海埃依斯航天科技有限公司、山东航天电子技术研究所、深圳中集智能科 技有限公司、交通运输部水运科学研究院、成都天奥集团、北京邮电大学、北华大学、闽江学院、大唐 电信集团。 本文件主要起草人：吕强、沈洁、孙谦、***、张怀宇、贾霞、邢克飞、张择龙、朱莲枝、刘 涛、马萍、唐尧、苗楚南、李云鹏、*玮、郭中甲、封世刚

目前，卫星物联网进人与传统产业深度融合发展的崭新阶段，传统领域的转型升级成为卫星物联网 发展的重要驱动力。 低轨卫星物联网系统分为空间段、用户段、地面段三部分，通过网络连通架构、通信架构、信息架 构形成完整的系统，为各类用户提供服务。 本文件从系统连通视角、通信视角、信息视角给出了低轨卫星物联网的参考体系结构及相关具体说 明，同时以资料性附录给出了具体应用体系参考架构。可指导厂家设计、实现和应用低轨卫星物联网系 统。 在开发不同低轨卫星物联网应用系统时，开发者可选择参考体系结构所定义的部分或全部的业务功 能域和实体，也可对不同的业务功能域或实体进行组合和拆分。同时，开发者也可根据自身特定的需求， 调整参考体系结构中未涉及的相关业务功能域或实体

本文件规定了低轨卫星物联网系统的构成及主要功能，从系统连通、通信和信息几个不同的视角描 述了卫星物联网的体系架构 本文件适用于各应用领域卫星物联网星座系统、运营系统和应用系统的参考设计

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版 本适用于本标准。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。 GB/T33474物联网参考体系结构 GB/T33475物联网术语

低轨卫星物联网系统概述

5.1低轨卫星物联网的功能

低轨卫星物联网是以卫星网络为基础，按照卫星通信协议，将具备传感器的卫星终端物品与卫星网 络相连接，进行数据和指令交互，以实现卫星物联网终端的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种卫星 通信网络。 低轨卫星物联网的本质是数据采集及广播数据通信功能，具体包括： a)数据采集与传输功能：在海洋、沙漠以及其他野外等地基通信网络覆盖盲区，卫星物联网终端 用户可向天基物联网应用平台或其他终端发送文字、位置等信息，天基物联网应用平台及终端解析显示 该信息。 b）广播数据通信服务：地面网关站将广播发数据发送到卫星上，并上注发送该数据的位置区域 卫星根据飞行轨道计算卫星飞临该区域的时刻，当卫星飞临该区域上空时，将相应的广播数据发送到相 应的终端。

低轨卫星物联网体系的“物”应满足以下条件： a)具备与卫星进行数据传输的能力； b）具备数据发送器； c)遵循物联网的通信协议； d）具有可在物联网中能被识别的唯一编号，

低轨卫星物联网体系的“物”应满足以下条件： a)具备与卫星进行数据传输的能力； b）具备数据发送器； C 遵循物联网的通信协议； d 具有可在物联网中能被识别的唯一编号，

低轨卫星物联网可在海洋、沙漠和野外这些没有传统通信网络覆盖的区域，利用各种传感器实现数 据的采集与信息交互，具体的应用领域一般包括： a)广家海洋、偏远山区、沙漠地区等监测应用。解决传统有线、无线网络信号无法覆盖、难以布 设有线监测系统的困难： b）自然灾害监测和预警。测量偏远与恶劣地区的环境情况，收集环境数据及其变化过程，结合气 候变化等资料，应用于自然灾害监测和预报； c）无人值守的、长期的、大范围的监测和预警。例如监控气流和温度变化对海洋洋流、山区地质 结构的影响等。 d)传统通信手段的补充备份．无线传感网络和卫星传输具有余性、无线性、网络的自组织性 和较强的抗破坏能力。在基础通信设施被毁坏的情况下，低轨卫星通信可作为传统通信手段的补充备份 手段。

低轨卫星物联网系统连通视角的参考体系结构

低轨卫星物联网系统（后文简称“系统"）体系架构如图1所示．主要由空间段、地面段、用户段 三部分组成，通过地面支撑网络实现与应用系统的连接。 组成单元包括：卫星、关口地球站、地面接收站、卫星测控中心、天基运营支撑平台、天基物联网 应用平台、低轨卫星物联网用户终端等。 a）空间段：由若干运行在不同轨道面为300km~1500km的卫星，以及极地轨道卫星的星座组 成，其中卫星上的主要载荷为数据收集系统(DCS)； b）地面段包括：关口地球站、地面接收站、卫星测控中心、天基运营支撑平台、天基物联网应用 平台、卫星数据中心等网元。地面站有多种类型，按功能分有：主控站、信关站、关口站、接 收站等。其中：主控站和分布在各地的信关站，负责管理整个空间信息网络，为用户提供多样 化业务支持； C> ）用户段由不同用途的地面用户终端设备组成，包含：传感器、全球定位系统、射频识别（RFID）

红外感应器等信息传感设备

d 卫星与地面终端的接口为Su接口，卫星与地面站之间的接口为Sg

低轨卫星物联网系统连通性体系架构示意图

空间段是在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个轨道平面上的卫星联结起来的卫星 星座。整个星座在结构上连成一体，在地球表面形成蜂窝状服务小区，服务区内用户至少被一颗卫星覆 盖，用户可以随时接入系统。 卫星及其星座的具体要求如下： a）卫星星座类型，有星间链路和无星间链路，系统初期宜采用无星间链路的星座； b）卫星星座的覆盖范围、可见时间。由卫星轨道倾斜角和轨道高度共同决定； C ）卫星星座轨道高度应远离范·艾伦辐射带，并避免大气阻力的影响。宜选在300km~1500km

地面段的主控站（测控中心）和分布在各地的信关站（地面接收站），负责管理整个空间信息网络， 为用户提供多样化业务支持。具体说明如下： a）主控站实现对空间卫星和地面各种应用的管理和控制，负责网络管理、平台管理、业务管理 资源管理等； b）信关站完成对用户的管理和地面网的接入，向用户提供各类通信服务，主要负责用户管理、呼 叫管理、任务管理、资源调度、互联互通等。

用户段主要由多种形式用户终端构成。 终端应模块化集成，信令交互流程应尽量简化。 依据使用扩展性划分，用户终端分为单一功能终端和通用智能终端。 司 ）单一功能终端：外部接口较少，设计简单，满足单一应用或单一应用的部分扩展。 bI ）通用智能终端：外部接口较多，设计复杂，满足2种或2种以上场合的应用。 依据传输通路划分，用户终端分为数据透传终端和非数据透传终端， a 数据透传终端：采集数据通过终端的输人口直接输入，在输入口与应用软件之间建立直接数据 传输通路。 b ）非数据透传类终端：采集数据通过终端内的处理器合并后传输．该类终端外围接口种类较多 能够同时传输多路数据。

低轨卫星物联网通信视角的参考体系结构

低轨卫星物联网的数据通信的网络传输见图2所示。在应用终端与卫星之间，卫星与地面接 间采用点对点方式或广播方式进行无线通信.地面段基于地面网络进行传输，地面接收站与数据 据中心与用户之间的数据传输应采用TCP/IP协议

图3系统数据传输示意图

低轨卫星物联网系统的通信过程如下： a 1 部署在各处的传感器采集数据，并发送到数据采集终端。 D 1 数据采集终端完成与低轨卫星物联网系统的同步，并在卫星经过通信覆盖区域时，将采集到数据发 送到卫星；卫星在经过地面站上空时，将接收到的采集数据发送到地面站。 小 1 采集数据经由地面站数据分类处理、通过互联网VPN专用网络传输到运营中心，然后经过大数据 分析、数据建模，提供给航空、海事、林业、地震、水利、气象、海洋、环境监测等行业应用。 用户终端将采集的数据传输到卫星，无星间链路的低轨卫星系统中每个卫星充当一个透明转发器来

中继loT终端和网关站之间的信息传输。具体见

图4以网关站为中心的网络单元简图

低轨卫星物联网单颗卫星覆盖范围达到数千千米的量级，具备服务大规模终端的能力。数据分发模 式下，根据终端的业务需求、优先级、物理位置等将终端分组为若干个组，同一时刻，应只允许某几种 类型的组收发数据，以此来降低拥塞概率

卫星与数据采集终端之间的通信链路分上行链路和下行链路2种 工作频率一般选择UHF、L、S等频段。

上行链路数据及信令传输示意图见图5所示。 终端上行接人过程如下： a)终端根据预存的星历、接收到的不同卫星的广播信息、各星的可通信时间、通信仰角等信息， 选择最佳的通信卫星，利用分配给该卫星的上行PN码进行上行通信。 上行接人有2种方式： 1）通过接收下行广播中的应答完成上行接入过程，即上行数据码中包含了载荷应答请求（ACK） 载荷在完成接收并确认*确后，立即向该终端点对点发送下行ACK，终端收到ACK后即结 束本次上行．否则，将继续重复上行接人请求，直到接收到ACK或者卫星星历显示卫星与 该终端的可通讯时间不满足要求； 2）终端不需要接收下行广播中的应答，自主连续发送两次（或三次）后即结束本次上行， b）用户终端宜能够更加自由灵活的接人系统，可设计区域中心站采集附近几个终端的数据，并对

数据打包， 采用中高速率集中通过区域中心站上

图5上行链路数据传输示意图

用广资瑜通信模式 用户终端主要执行预设和下发任务，并将数据进行上报。用户终端一般应具有如下功能性能要求： a) ）应具备兼容北斗的卫星导航定位和授时功能，上行的数据包中应包含定位与授时数据： b）能接收卫星发出的ACK和星历、通信状态（包括信道占用情况、上下行信道速率等一些基本 信息）数据，存贮在终端中，并根据每颗卫星的星历信息，预测出当前可通信时间等信息。 c）结合卫星的通信状态信息，自主选择出最佳的通信卫星，利用分配给该卫星的上行PN码进 行上行扩频通信。 d）平均发射功率约为0.5W，在特殊场景，为提高通信的可靠度，可自主增大终端的发射功率到 6W

7.3.3控制指令链路

a 控制指令由地面卫星中心里的指定控制终端上行发出控制指令，指令里包含了指定某一个或 美终端的区域位置和控制指令内容。 b）载荷在接收到控制类指令后存贮在星务计算机中，并由星务计算机解算出控制指令中的区域 位置。 c）在卫星覆盖该区域时，星务计算机向载荷发出下行命令和指令内容DB35／T 1830-2019标准下载，载荷及时以广播式或点 对点式下行发送控制指令。

下行链路数据及信令传输如图6所示，下行应具备以下三种方式： a）触发性下行：由地面终端ACK请求指令触发，用于载荷和地面终端的对接，并向地面终端传 送卫星星历、轨道位置等信息： b）指令性下行：由卫星地面中心（或控制终端）发出控制性指令，存贮于数管中，由数管判断卫 星是否覆盖到目标地面终端，在卫星覆盖到目标终端时由数管发出发送指令，以控制目标地面 终端； c）周期性下行：由载荷自主发起，周期性（比如5min）向地面发送卫星星历、轨道位置等信息

7.3.5卫星下发广播

a）每颗卫星在用户下行链路的公共播发频点下发广播信号，不同卫星的广播信道利用不同的扩频 码进行区分TCAQI 181-2021 具有消毒功能的车载空气净化器技术要求和试验方法.pdf，卫星在广播信道上播发该卫星当前的星历、通信状态（包括信道占用情况、上下 行信道速率等一些基本信息）。 b ）用户终端通过接收不同的广播信号完成卫星的区分，终端具有可同时接收多颗卫星广播信号的 能力。

低轨卫星物联网的信息视角的参考体系结构

卫星物联网信息系统参考