信息通信INFORMATION&COMMUNICATIONS
2020 (Sum.No215)
2020年第11期
(总第215期)
闫复利
(上海航天电子有限公司，上海201821)
摘要：物联网受限于地面网络覆盖，网络未覆盖对人烟稀少以及无人活动地区、海洋、沙漠、深山、南北极等物联网无能为力。为了实现物联网延伸到全球、天空、太空，融合天基、地基、公网、专网、短距离通信、有线网、无线网等通信网络，融合蓝牙、WIFI、Zigbee、sublG、LoRa、NB-IoT、eMTC、sigfox等通信技术，提出了构建“天一空一地一体化物联网”。它可以融合未来的6G通信技术，融合未来通信技术与网络，实现物联网持续完善与延伸。 关键词：物联网；卫星通信网；公网；专网；融合网络
中图分类号:TN915文献标识码:B文章编号：1673-1131(2020)11-0017-03
知plication Research of"Space^4ir-Eardi Cmver^d Internet o f T hii^s"Based on Satellite Communication
Yan Fuli
(Shanghai Aerospace Electronics Co.,Ltd.Shanghai201821)
Abstract:The Internet of Things is limited by the coverage of the ground network.The sparsely populated areas and the unconnected areas,oceans,deserts,deep mountains,north and south poles,etc.cannot help.In order to realize the extension of t he Internet ofThings to the earth,sk^and space,it converges space-based,ground-based,public network,private network,short-range communication,wired network,wireless network and other communication networks,and converges Bluetooth,WIFI, Zigbee,sublG,LoRa,NB-IoT,eMTC,sigfbx and other communication technologies to build a"Space-Air-Earth Converaged IoT".The"Space-Air-Earth Converaged Internet of Things*'can integrate future6G communication technologies and future communication technologies and networks to achieve continuous improvement and extension of the Internet ofThings.
Key Words:IoT;Public Satellite Communication Network;Network;Private Network;Converged network
电厂余热回收0引言
物联网(Internet ofThings,IOT)是物与物互相通信的互联网。自从1999年提出后，时至今日概念逐渐完善、完整，物联网遵守互操作性的标准通信协议，融合天基-地基信息网络，兼有自组网能力，形成动态组网的全球范围的基础性通信设施，通过传感器与网络接入技术把物品信息传输到互联互通互操作性的天地一体化网络，实现物品的识别、跟踪、定位、监控与管理叫物联网涉及的通信技术较多，例如蓝牙、WIFI、Zigbee、sublG等无线短距离局域网范畴的通信，LoRa、NB-IoT, eMTC,sigfox等低速率、低功耗、覆盖大的无线广域网络。基于短距离通信技术、地面专网、公网通信的物联网是当今应用最广泛、最主流的方式，随着移动通信技术的发展，窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)在有人活动密集地区具有信号覆盖较好、功耗低等优点，成为了低耗广域网(Low-Power Wide-Area Net-work,LPWAN)的代表技术之一回。蓝牙、WIFI、Zigbee、sub1G、LoRa、NB-IoT、eMTC、sigfox通信技术广泛应用于物联网，但不能满足于人口稀少甚至无人区的物物互联，例如海洋、大漠、南北极、深山等地区。而卫星通信系统可以实现全球的全面覆盖，不像NB-IoT在上述人口稀少甚至无人区未建设或建设急产成本考虑的影响，卫星通信系统受地理、气象条件、自然灾害影响较小，可以把物联网延伸到全球乃至太空叫学者研究利用卫星通信系统的天基信息网延伸物
联网覆盖至全球［4」，以及构建空间物联网把物联网延伸到太空。笔者认为借助卫星通信系统应构建天一空—地一体化的物联网，不是仅仅延伸物联网覆盖全球，也不是仅仅延伸物联网到太空，构建天一空一地一体化物联网，实现物与物、人与物、人与人的天一空一地通信。
1天-空-地一体化物联网方案
卫星在物联网的应用已有学者进行研究，文献［3］研究了卫星物联网与地面物联网频谱共享情况下的干扰情况，认为严重干扰情况下需要智能控制、协调，没有给出具体智能控制措施。文献［4］设想构建天基物联网进行物联网覆盖面的延伸，指出了应用的模式釆集类、控制类、广播类。文献［5］研究了基于卫星通信的物联网功率、频谱受限、联合优化的策略研究，釆用排队论研究模型研究存储资源分配。文献［6］研究了北斗卫星定位系统在农机物联网进行精确定位，仍旧采用地面公网(GPRS、4G)进行网络通信。文献［7］研究了低轨道卫星通信延伸物联网的使用范围，拓展到未覆盖的40%人口和80%以上无地基网络覆盖的地表，未研究空间物联网。本文提出基于地基、天基、浮空平台、公网、专网、短距离通信、有线网、无线网融合的天一空一地一体化物联网，让物联网真正的万物互联，物联网不仅仅延伸到覆盖全球，延伸到天空、太空，延伸到人类需要进行数据釆集与科研的地方，构建智慧太空物联网。天一空一地一体化物联网如图1所示。太空中无论低轨道卫星(LEO)、静止轨道卫星(GEO)、中高轨道卫星(MEO)、高轨卫星(HEO)均可互相通信，实现太空混合轨道、混合星座之间物物互联、卫星之间信息交互，服务于地面物联网和航空器物联网。地面物联网实
现公网、专网、有线网、无线网、地面物联网终端之间的信息交互，通过IP技术实现异网异构网络融合。航空器在飞行中可以与卫星网络进行通信，实现空中物联网的覆盖。天一空一地一体化物联网不再是平面的，而是立体的、多维的，不但可以融合蓝牙、WIFI、Zigbee、sublG、
收稿日期:2020-09-23
作者简介：闫复利(1982-)，男，硕士，工程师，主要研究方向为无线通信。
17
LoRa,NB-IoT.eMTC.sigfox^®>^^，可以融合未来的6G 通信技术，融合未来通信技术与网络，是可以持续完善与延伸的，例如延伸到深空。
图1天空地一体化物联网
1.1地面物联网终端升级具有上星功能
传统的地面物联网终端仅具有地面物联网接入与通信功能，不具备与浮空平台或卫星通信功能。传统地面物联网设备在天一空一地一体化物联网中使用有其局限性，仅能通过接入地面网络，通过地面站(含便携地面站、船载地面站等〉接入卫星通信网，倘若在海洋、沙漠、深山等无地面网络的情况下物
品将会“失联”。传统的地面物联网终端保持功耗低、体积小、经济性良的条件下升级具备融合卫星接入协议和地面接入协议、具备环境能量获取技术(如太阳能、机械振动、热能、电磁波、可充电电源等)的星地物联网智能终端。
1.2浮空平台的建设
天一空一地一体化物联网的浮空平台一般用于地形较为复杂的无地面网络覆盖或卫星资源不足的场景，浮空平台一般驻留悬浮于平流层，相对于地球的位置是静止的。具有星上功能的物联网智能终端与浮空平台通信，浮空平台进行与卫星通信或浮空平台间互联中继到卫星通信网。浮空平台根据实际情况建设，可以在20~100Km的高空，也可以建设在几千米的空中。浮空平台建设越高覆盖的地表面积越大，通信覆盖区域越大。建设浮空平台要考虑浮空平台的能耗、数据吞吐量、物联网终端的密度、覆盖半径、地形复杂程度等因素考虑浮空平台的高度以及天线张角。
1.3空间卫星通信网建设
全球第一个商业用于物联网的卫星通信系统由六十个低轨道卫星组成的美国Orbcomm卫星通信系统，十七颗卫星用于物联网通信。全球第一个数据采集系统是法国和美国合作的由六颗卫星组成的ARGOS卫星通信系统。Orbcomm卫星通信系统和ARGOS卫星通信系统可以专业提供卫星物联网业务,Jridiuni卫星通信系统、Globalstar卫星通信系统也能够提供卫星物联网业务叫我国的北斗卫星导航
定位系统也可以提供物联网业务，中国航天科技集团有限公司的“鸿雁”星座、中国航天科工集团有限公司的“虹云”星座以及“行云”星座、北京国电高科科技有限公司的“天启”星座、上海欧科微航天科技有限公司的"翔云”星座等均可提供卫星物联网业务。以中国航天科技集团、中国航天科工集团为代表的国家队，以北京国电高科、上海欧科微、北京九天微星、北京银河航夭为代表的商业航天均计划建设自己的小卫星星座提供物联网服务叫低轨卫星通信的应用将日渐成熟，中国物联网卫星星座建成应用将指日可待，未来卫星物联网卫星资源日趋丰富，深空火星探测卫星即将发射，夭_空_地一体化物联网已具备卫星星座基础。国外物联网星座如表1所示，国内物联网星座如表2所示。
表1国外卫星物联网星座
表2国内卫星物联网星座
公司名称星睡卫星穎数期进展项目投箕(Orkomm)
高压配电盒Orbcomm56己建成/
法国畤空间联中心与婀航
宇局和海祥大勺局合作
ARGOS6己蛊成/
美国LQSS公司(Loral Qualcomm
Satellite Service}
Globaljur48己建成/
美国wt罗园公司Iridium66己建成/
illiX Helios W e ii5/孔//
舅国开咎勒通值公司(Kepler
Communications)
140
2018年1月i9am
-鎖蝶星
/
澳大刘亚椒叭空何技术公司
(Fleet Space Technologies)
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預计2025年提供免费缎
上臓服务
冃前已完成500
牍无的A轮融
鼠
以列尺空全球公司(Skyand
Space Global)
f2002020年年底前赁射釣
200颗纳卫星
/
公司名称星座卫星颗数则进展项资
中同航天科技集团北斗352020年定成北斗三号发射/
中国航灭样技集团肖底3002018年12月发肘第一題试维星第一期的2000元人民币
中国航天科IftBl M e l?62018年12月发对第TR试蛰51釣160亿元人民币
中国献科工集团疔云805T
上海欧科1#40/i
北京国电丽天启36/1
碾河就夭i>10001公司城斶菇乜荒人民市
北京九天微星/80011
北京和徳宇Ifi
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者
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通值
32/f
北朮星宇网达対1/
2天-空-地一体化物联网的关键技术
天_空_地一体化物联网需要推出融合协议与标准规范，开发天一空一地异网异构网路间的融合设备、
融合芯片、融合终端，卫星资源的调度优化以及重组提高卫星利用效率叭关键技术涉及以下几个方面:①多址接入技术：天_空_地一体化物联网的终端用户巨大，单颗卫星可以覆盖103-104千米的范围，覆盖范围内终端数量十分惊人，因此需要研究多址接入技术，从多个维度细分卫星资源的颗粒度以适应物联网数据随机接入可靠、时延小、大量终端并发信号碰撞时接入健壮性的要求。②频谱认知技术、自适应通信体制技术、高效可靠通信协议的卫星应用研究：卫星距离地面102千米以上甚至数万千米，研究高效可靠的通信协议解决信号弱、通信链路时延大、终端存储能力受限等问题。研究频谱认知技术、自适应通信体制技术适应物联网随需覆盖条件下提高卫星使用效率。③资源合理利用管理技术研究：物联网通信体制多、通信环境复杂、业务特征多样化，需求各不相同，资源的管理与控制是动态的。④
弧面凸轮18
天一空一地一体化物联网体系架构设计：天一空一地一体化物联网涉及到军星、民星、商用卫星融合解决方案皿，需要结合地面公网、地面专网、卫星通信网的特点与物联网的发展方向设计体系体系架构，真正实现天一空一地一体化物联网。
3天-空-地一体化物联网的应用
天一空一地一体化物联网的应用十分广泛，大致可以分为以下三类：经济发展建设、公共事务管理、公众社会服务。经济发展建设方面的应用有智能制造、智能零售、智慧工业、智慧工业、智慧物流、智慧能源、智慧电力等。公共事务管理方面有应急救援、抗震救灾、反恐制爆、国家安全、智慧安防、智慧城市、智慧环保、智能节能等。公众社会服务有智能家居、智慧建筑、智慧金融、智慧保险、智慧医疗、健康大数据等。天一空一地一体化物联网的应用领域如图2所示。每个领域可以层层细分，例如智慧农业可以再细分为智慧农机、智慧农信、智慧农场管理、智慧蔬菜大棚、智慧水产养殖、智慧家禽养殖等。
天-空-地一体化物联
衣架勾网应用领域
经游发展建设公共事务曾理公众杜会服务
图2天空地一体化物联网的应用
4结语
天一空一地一体化物联网以地面物联网为基础，融合公网、专网、混合轨道卫星通信网、星座间互联通信网，融合蓝牙、WIFI、Zigbee、sublG、LoRa、NB-IoT、eMTC、sigfox等通信技术，可以融合未来的6G通信技术，可以融合未来通信技术与网络，是可以持续完善与延伸的，物联网不仅仅延伸到覆盖全
(上接第16页)draw detections(im,dets,nboxes,thresh, names,alphabet,l_last.classes);
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show_image(im,"predictions",1);
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/
/for test end
return result;
}
3.3机器人姿态生成模块设计
在线运行过程中，涉及相机、上位机、机器人以及服务器之间的通信。
相机进行定期的拍照给上位机提供图片，上位机把图片发送给服务器进行计算，服务器返回位姿的偏移量，上位机通过计算偏移量得出机器人的位姿，上位机把位姿发给机器人。
3.4推理网络模块
推理网络的基本工作流程如下：
加载数据T打开文件T更新状态T分析关系返回结果球，延伸到天空、太空，延伸到人类需要进行数据釆集与科研的地方，构建智慧太空物联网。天一空一地一体化物联网范围大、地域广，环境恶劣甚至无人区的数据釆集、导弹-舰船-车辆-航空器的协同控制、野生动物跟踪、海洋运输监管、应急救援、抗震救灾、反恐、自然灾害监测、海上救援、南北极科考、空间探索等均可应用，实现万物互联。
参考文献：
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石墨烯地暖瓷砖
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[11]牛志升,Sherman SHEN，张钦宇，唐余亮.面向沉浸式体验
的空天地一体化车联网体系架构与关键技术[J].物联网学报,2017,1(02):17-27.
首先程序加载数据，打开文件，更新状态，分析关系，最终返回结果。
4结语
本文中所涉及到的研究内容和所取得的阶段性成果如下:
(1)安装UR5协作机器人工作平台，安装3D智能相机，通过3D智能相机提供的操作手册进行3D是视觉的标定，完成了控制系统的硬件环境搭建。
(2)根据示范的基本流程，设计实现了控制系统的软件架构，主要软件模块为图像算法模块，顺序推理网络模块，智能抓取模块，实现了示范示教的主要功能。
(3)论文根据对UR5协作机器人的指令分析，设计了机器人指令生成模块。指令生成模块可以通过视觉传递的参数对零件进行夹取和安装。
(4)论文在结尾对控制系统进行了测试，达到了预期。
参考文献：
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[2]王志磊.面向工业抓取应用的手眼协同方法研究[D].浙江
大学,2018.
图2推理网络模块
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数字天线
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