應(yīng)用低軌衛(wèi)星通信的集裝箱跟蹤裝置的設(shè)計(jì)

曹文勝 許世博

（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所 北京市 100088）

1 概述

一般將衛(wèi)星軌道高度低于2000 千米以下的衛(wèi)星稱為低軌道衛(wèi)星。由于低軌道衛(wèi)星和地球不同步運(yùn)轉(zhuǎn)，為完成對(duì)地面同一點(diǎn)的不間斷衛(wèi)星服務(wù)，必須有不同的衛(wèi)星接力完成，因此，低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)普遍是由多條軌道上的多個(gè)衛(wèi)星組成，衛(wèi)星的分布也被稱作衛(wèi)星星座。

集裝箱運(yùn)輸是世界貨物運(yùn)輸最主要的運(yùn)輸方式，對(duì)于危險(xiǎn)品運(yùn)輸、冷鏈運(yùn)輸、高附加值貨物的運(yùn)輸，監(jiān)管機(jī)構(gòu)或客戶往往需要對(duì)集裝箱的運(yùn)輸過程進(jìn)行狀態(tài)跟蹤：實(shí)時(shí)地了解貨物的位置、安全、環(huán)境信息等狀態(tài)，保障貨物安全、防止挾帶偷渡、促進(jìn)物流周轉(zhuǎn)。集裝箱狀態(tài)跟蹤裝置的數(shù)據(jù)信息可以實(shí)時(shí)利用移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)回傳到用戶服務(wù)平臺(tái)上，平臺(tái)可以隨時(shí)向用戶和監(jiān)管人員提供物流信息或事故報(bào)警，擁有移動(dòng)通信模塊的跟蹤裝置為客戶帶來了即時(shí)獲知信息的便利。針對(duì)集裝箱運(yùn)輸?shù)娜蚧?，在遠(yuǎn)海、山區(qū)、人跡罕至的荒野，利用衛(wèi)星傳送集裝箱運(yùn)輸信息，無疑是一種很好的選擇。

近幾年來，由于衛(wèi)星技術(shù)與火箭技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星體積越來越小，一箭多星、回收火箭的應(yīng)用，使火箭發(fā)射衛(wèi)星的成本越來越低，普通用戶也可以負(fù)擔(dān)得起衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)信息通訊的成本，使低軌衛(wèi)星的商業(yè)價(jià)值日益體現(xiàn)，成為國(guó)內(nèi)外商業(yè)航天領(lǐng)域各方關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星的發(fā)展情況

最早比較有名的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)是摩托羅拉的“銥星系統(tǒng)”，它由66 顆無線鏈路相連的衛(wèi)星組成，可以提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真和尋呼服務(wù)，主要面向個(gè)人提供全球通信服務(wù)，個(gè)人可通過衛(wèi)星在地球上的任何地方撥出和接收電話訊號(hào)。該系統(tǒng)是第一代全球衛(wèi)星移動(dòng)通信星座系統(tǒng)，于1998年完成部署，耗資達(dá)50 多億美元，但最終由于用戶少、債務(wù)危機(jī)、市場(chǎng)疲乏、技術(shù)缺陷、管理松散等原因，2000年3月宣布破產(chǎn)。

圖1：第二代銥星星座概念圖

圖2：一種集裝箱跟蹤裝置電路組成

在2019年1月11日，銥星二代（Iridium NEXT）成功完成最后一組衛(wèi)星發(fā)射，并于2019年2月6日宣布完成星座組網(wǎng)，正式投入運(yùn)營(yíng)。銥星二代由81 顆功能相同的衛(wèi)星組成天基移動(dòng)通信系統(tǒng)，其中66 顆工作星均勻分布在6 個(gè)軌道面上，輔以6 顆天基備份星和9 顆地基備份星。銥星二代將全面代替第一代銥星系統(tǒng)。如圖1所示。

目前國(guó)外還有StarLink、TeleSat 等低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)則有中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司的“鴻雁”、中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司的“虹云”、中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司的“天地一體化網(wǎng)絡(luò)”以及銀河航天科技有限公司的低軌寬帶星座等，這些星座有的可以實(shí)現(xiàn)全球天基實(shí)時(shí)互聯(lián)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有的可以提供物聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)、替代移動(dòng)通信服務(wù)。這些星座目前多處于前期組網(wǎng)建設(shè)中，但無論如何，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，為人們實(shí)現(xiàn)地球上任意地點(diǎn)的信息互聯(lián)，帶來了極大的便利。

3 低軌衛(wèi)星的特點(diǎn)

相比地面移動(dòng)通信網(wǎng)，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)具有信號(hào)覆蓋范圍廣，受地面建筑及地形干擾小，不易受到人為及自然災(zāi)害的影響，可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

相比中高軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，低軌衛(wèi)星體積小、重量輕，不需要大型助推火箭，發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間短。相比靜止軌道衛(wèi)星，地球表面覆蓋更全面。同時(shí)，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)具有傳輸延時(shí)短、路徑損耗小、頻譜利用率高、通信容量高，終端重量、體積、發(fā)射功率與普通手持移動(dòng)通信終端相仿，可做到與普通移動(dòng)終端一體化，真正做到全球無縫接入。

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)也存在固有的缺點(diǎn)，如需要衛(wèi)星數(shù)量較多，相對(duì)于地面是進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)的，地面終端會(huì)在不同衛(wèi)星與不同波束之間進(jìn)行頻繁切換，因此帶來用戶的資源管理、錨點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)管理、地面控制、維護(hù)系統(tǒng)比較復(fù)雜。

總體對(duì)終端用戶而言，低軌衛(wèi)星終端通訊模塊具有功耗低、體積小、天線小、使用費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在集裝箱跟蹤裝置中的應(yīng)用。

4 集裝箱跟蹤裝置的設(shè)計(jì)

集裝箱運(yùn)輸時(shí)間周期長(zhǎng)，如海運(yùn)集裝箱往往一個(gè)單程就需要一個(gè)多月的時(shí)間，中歐班列雖然提高了集裝箱的貨運(yùn)速度，但也是需要十幾天的時(shí)間，而集裝箱常游走于世界各地，上萬公里的行程，常常使集裝箱從高溫的熱帶跨越到低溫的寒帶。因此集裝箱及其附屬設(shè)備會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于無人維護(hù)的狀態(tài)，這就要求集裝箱跟蹤裝置免維護(hù)的時(shí)間越長(zhǎng)越好，一般長(zhǎng)于2年。同時(shí)，跟蹤裝置應(yīng)具有能耐受高溫、低溫、鹽霧、震動(dòng)等嚴(yán)酷環(huán)境等特點(diǎn)。體積小巧、皮實(shí)耐用、免維護(hù)、使用成本低是集裝箱跟蹤裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，省電、降低通信費(fèi)用就成為設(shè)計(jì)者考慮的重點(diǎn)。

如圖2，集裝箱跟蹤裝置電路設(shè)計(jì)中包含有主控電路、傳感器模塊、電源管理模塊、定位模塊、通信模塊等，定位模塊與通信模塊是裝置中的耗電大戶，相比于移動(dòng)通信，衛(wèi)星通信的耗電及使用費(fèi)用仍然更高，移動(dòng)通信在人口稠密地區(qū)的信號(hào)覆蓋會(huì)更好，模塊接入地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間會(huì)更迅速，衛(wèi)星模塊的信號(hào)被高大物體遮擋的幾率會(huì)更多一些，而且衛(wèi)星信號(hào)受衛(wèi)星數(shù)量的影響，在一些地方還不能做到實(shí)時(shí)都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因此，在普通集裝箱跟蹤裝置中應(yīng)用雙通信模塊設(shè)計(jì)，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)條件好的地方應(yīng)用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，而在沒有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的地方應(yīng)用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，將是一個(gè)最佳的選擇。

與普通集裝箱跟蹤裝置相比，含有衛(wèi)星通信模塊的裝置在電路設(shè)計(jì)上更需要考慮低功耗設(shè)計(jì)、天線的選擇、電磁兼容和阻抗匹配等問題。

4.1 低功耗設(shè)計(jì)

除選用低功耗的芯片電路外，應(yīng)用電源管理硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多分支電源網(wǎng)絡(luò)管理，使得系統(tǒng)各功能模塊的電源相對(duì)獨(dú)立供電，控制各模塊的工作時(shí)間，尤其是帶天線的通信模塊（定位、通信都非常耗電），一般4G 模塊、衛(wèi)星定位模塊的工作電流可以到幾十毫安，衛(wèi)星通信模塊的平均工作電流更高。當(dāng)不需要模塊工作時(shí)，就應(yīng)控制模塊進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)。如平時(shí)集裝箱跟蹤裝置處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)傳感器感知到狀態(tài)變化，如位置、震動(dòng)、溫度等變化，就會(huì)喚醒跟蹤裝置，而平時(shí)就可以用定時(shí)器進(jìn)行長(zhǎng)定時(shí)喚醒。

跟蹤裝置需要將狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到管理平臺(tái)，一般的通信流程是：首先啟動(dòng)移動(dòng)通信模塊，搜索附近有無可用的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，如果有就通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送狀態(tài)信息，如果無就啟動(dòng)衛(wèi)星通信模塊，尋找可用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)，跟蹤裝置重新處于低功耗待機(jī)狀態(tài)。如果沒有找到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，就將跟蹤狀態(tài)存儲(chǔ)于裝置的緩存器中，等待下次裝置激活時(shí)再次發(fā)送，詳細(xì)流程圖如圖3所示。

4.2 天線的選擇

如圖4，對(duì)于小型設(shè)備中用到的天線，目前主要是內(nèi)置PCB（印制板）天線、棒狀天線和陶瓷天線等，陶瓷天線的優(yōu)勢(shì)是體積可以做的最小，但很難做到多頻段，不適合于特別緊湊的空間用；而PCB 天線則制作方便，相對(duì)陶瓷天線的損耗高，因此需要更大的PCB 面積；棒狀天線體積大，信號(hào)的方向指向性好，增益高，抗干擾能力強(qiáng)，能減少受到主板上的干擾，而且不用太多的調(diào)試匹配，接收信號(hào)的效果會(huì)更好一些。

含有衛(wèi)星模塊的跟蹤裝置一般分別有3 種天線：衛(wèi)星定位天線（1.5GHz）、移動(dòng)通信天線（700-2600MHz）和衛(wèi)星通信天線（200～400MHz 或1.6GHz）。衛(wèi)星定位天線一般由接收天線和前置放大器兩個(gè)部件組成，多采用右圓極化的陶瓷介質(zhì)，其組成部分包括：陶瓷天線、低噪音信號(hào)模塊、線纜和接頭；手機(jī)內(nèi)置天線目前流行的是柔性線路板（FPC）的天線，它貼在手機(jī)殼內(nèi)側(cè)，還有利用天線激光直接成型技術(shù)（LDS，Laser-Direct-structuring），直接在成型的塑料支架上形成金屬天線；而衛(wèi)星通信模塊的天線一般體積比較大，多用棒狀天線或平板天線。

集裝箱跟蹤裝置在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮在不影響模塊的通信功能的前提下，盡量設(shè)法縮小3 種功能天線的體積，目的一是便于安裝使用，二是減少由于集裝箱裝卸運(yùn)輸時(shí)對(duì)設(shè)備的損壞。這就需要跟蹤裝置優(yōu)先選用印制板天線或陶瓷天線，如果選用棒狀天線，也盡量將棒狀天線置于裝置的保護(hù)殼內(nèi)。保證天線之間不互相干擾、不受集裝箱金屬殼體的遮擋、使天線具有最大的信號(hào)增益，這些都是通信模塊設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

4.3 電池的選擇

由于集裝箱跟蹤裝置每天都需要進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳送，耗電是一個(gè)必須解決的問題。1 萬毫安到2 萬毫安電池是當(dāng)前裝置常用的電池容量，但在需要頻繁收發(fā)信息的前提下，這樣容量的電池仍然不能滿足裝置幾年不需要人工充電或更換的免維護(hù)需求。因此，有部分公司采用了可充電電池搭配太陽(yáng)能電池板充電的方案，這個(gè)方案需要考慮現(xiàn)在常用的鋰電池低溫充電及可用性的問題，因?yàn)榧b箱運(yùn)輸經(jīng)常工作于-20℃以下的環(huán)境中，這個(gè)環(huán)境下鋰電池常常不能正常工作。選用帶儲(chǔ)能電容的電池、低溫可工作的鋰電池，以及一次性電池與蓄電池混用的方案，在兼顧電池體積的前提下，可能是一種比較好的方案選擇。

5 智能終端設(shè)備實(shí)物圖

智能終端設(shè)備實(shí)物圖如圖5所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備采集傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔、上傳時(shí)間間隔以及預(yù)警數(shù)據(jù)的記錄及上傳等重要操作均可以通過對(duì)應(yīng)的云平臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而方便工作人員對(duì)當(dāng)前被監(jiān)測(cè)的設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握。

6 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用低軌衛(wèi)星通信的集裝箱跟蹤裝置還是一種新興事務(wù)，在裝置的設(shè)計(jì)過程中，除需要注意通信模塊的功耗、天線外形的設(shè)計(jì)、模塊之間的干擾、集裝箱對(duì)高頻信號(hào)的阻擋、電池的壽命等多種問題外，必然還會(huì)遇到許多實(shí)際應(yīng)用的問題，是需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)創(chuàng)新的，但不斷降低的低軌衛(wèi)星使用費(fèi)用、方便的應(yīng)用模塊的推出，使低軌衛(wèi)星通信在集裝箱運(yùn)輸領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3：集裝箱跟蹤裝置調(diào)用通信模塊示意圖

圖4：PCB 天線、陶瓷天線和棒狀天線

圖5：智能終端設(shè)備實(shí)物圖