何 建，邱慶舉，丁 晟

(青島上合航天科技有限公司， 山東 青島 266300)

2019年以來，全球遭受了多次森林大火侵襲，亞馬遜雨林、澳大利亞內(nèi)陸、法國瓦爾省、土耳其以及希臘等特大森林火災造成上億公頃的森林被毀，我國四川涼山州發(fā)生2起森林大火共造成50人遇難。森林火災不僅造成了巨大的人力物力損失，還給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重影響，除了導致動物和植物喪生，每公頃森林燃燒將排放碳5—30 t，全球平均每年大氣中有多達130億t的額外碳排放來自森林大火，超過全球每年碳凈增量的1/4。

森林火災一旦發(fā)生，其撲滅起來非常困難，在林火發(fā)生前或在萌芽狀態(tài)時探知尤為重要，也一直是森林防火研究的目標，早期的林火監(jiān)測就是利用各種手段在林火發(fā)生前或開始時及時檢測出并報警[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，地理信息技術(shù)、空間定位技術(shù)、遠程視頻林火自動識別監(jiān)測技術(shù)、紅外熱成像監(jiān)測技術(shù)、衛(wèi)星和航空遙感監(jiān)測技術(shù)、無人機航測遙感技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等一批現(xiàn)代信息技術(shù)正逐步在林火監(jiān)測工作中得到應(yīng)用，直接推動了林火監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新[2]。我國傳統(tǒng)的森林火災監(jiān)測方式是以人工瞭望和建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)為主，目前則可以借助傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)對森林中的溫濕度、煙霧濃度等進行精確的監(jiān)測，獲得具體數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)度資源將隱患消除在萌芽期，從而減少森林火災的發(fā)生[3]。

無線通信鏈路是現(xiàn)代森林防火監(jiān)測的重要紐帶，只有建立起可靠的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，才能及時傳遞火災信息，發(fā)揮火險預警、監(jiān)測等功能，從而快速有效地組織林火撲救工作。隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端的成本降低，針對目標監(jiān)測區(qū)域規(guī)模性部署林火監(jiān)測終端成為可能，此舉既能更早地在暗火期間感知火情，又能獲得更精確的位置信息。但目前大面積的山林缺乏地面無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如部署監(jiān)測終端就需要覆蓋廣和穩(wěn)定性高的傳輸手段。作為萬物互聯(lián)版圖的有力補充，不受地理條件影響并具備全天候服務(wù)能力的衛(wèi)星，可以為林火監(jiān)測終端提供可靠的傳輸鏈路，而近年來興起的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，則以低成本的優(yōu)勢成為最具潛力的解決方案。

1 森林防火物聯(lián)網(wǎng)探測終端通信需求

通過傳感器，對植物燃燒產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳發(fā)出的特定紅外光譜進行火焰探測識別，與視頻監(jiān)控方式相比，受環(huán)境因素影響小。林火探測器終端通常包含傳感器和無線通信模塊。傳感器依據(jù)監(jiān)測目標不同，可分為火焰?zhèn)鞲衅?、氣體傳感器、溫濕度傳感器等。傳感器的信號數(shù)據(jù)通過串口線匯集至終端內(nèi)部微處理器MCU，可利用通信模塊將數(shù)據(jù)回傳至無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點，再經(jīng)有線或無線骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器。終端回傳的數(shù)據(jù)通常為幾個字節(jié)的固定格式報文，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的回傳帶寬要求也通常低于1 kbps，對骨干回傳鏈路帶寬要求較低。

以火焰探測器為例，火焰探測傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在森林邊界及林內(nèi)的若干個探測器構(gòu)成，探測終端可在10 s內(nèi)探測出100 m范圍內(nèi)不大于1 m2大小的早期火焰，探測數(shù)據(jù)通過本地物聯(lián)網(wǎng)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，再經(jīng)過運營商網(wǎng)絡(luò)提供的GPRS或NB-IoT等業(yè)務(wù)通道傳輸?shù)缴址阑痤A警監(jiān)控中心。但大面積的森林地帶往往遠離運營商網(wǎng)絡(luò)，缺乏低成本的無線骨干回傳網(wǎng)絡(luò)。

2 低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)特點

與地基物聯(lián)網(wǎng)相比，基于衛(wèi)星的天基物聯(lián)網(wǎng)的特殊性主要在于傳輸信道不同，即利用衛(wèi)星作為中繼來實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息的傳輸[4]。天基物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍廣，可以實現(xiàn)全球覆蓋；受天氣和地理環(huán)境影響小，可全天時連續(xù)工作；抗毀性強，提高系統(tǒng)可靠性；系統(tǒng)容量大，可支持海量連接。

隨著火箭發(fā)射成本的下降以及衛(wèi)星制造能力的提升，低軌道衛(wèi)星星座的建設(shè)具備了成熟條件。與采用高軌道同步衛(wèi)星相比，利用近地低軌道衛(wèi)星實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信能夠降低傳播時延、提高消息的時效性，減小傳輸損耗從而有助于終端的小型化，降低傳輸功耗從而為長時間續(xù)航保留足夠電能；同時，通過多顆低軌衛(wèi)星構(gòu)成星座，實現(xiàn)包括兩極在內(nèi)的全球無縫覆蓋，提高物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍，低軌衛(wèi)星高頻段、見天通的特性，可解決山區(qū)、叢林等高軌道衛(wèi)星視線受阻，地形內(nèi)通信效果差的問題；此外，采用低軌衛(wèi)星還可避免高軌衛(wèi)星軌道位置有限和頻率協(xié)調(diào)難的問題[5]。

3 低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)森林防火數(shù)據(jù)傳輸解決方案

當前低軌衛(wèi)星可提供1 kbps以上的數(shù)據(jù)傳輸能力，可滿足遠洋運輸、跨境物流、能源設(shè)施監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急救災等領(lǐng)域的絕大部分物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求。在現(xiàn)有終端缺乏接入能力的情況下，低軌衛(wèi)星通常提供通信芯片或模組給地面終端。

對于重點監(jiān)測區(qū)域，探測終端的布設(shè)密度極大，根據(jù)探測器的有效距離，監(jiān)測區(qū)域約每隔100 m即需要安裝1個傳感器[6]。但單個的探測終端數(shù)據(jù)量通常僅為幾個字節(jié)，若每個終端均集成1個通信芯片則總的部署成本隨之上漲。因此，對于密集監(jiān)測場景可以采用低成本的物聯(lián)網(wǎng)匯聚方案，建議引入LoRa網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)方案，林火探測終端數(shù)據(jù)先通過LoRa鏈路匯聚至LoRa網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)經(jīng)低軌衛(wèi)星鏈路進行傳輸。根據(jù)傳播模型和實際場景測試，LoRa基站(網(wǎng)關(guān))在森林環(huán)境的覆蓋半徑為5—10 km，可大大降低區(qū)域內(nèi)的終端硬件成本和流量套餐資費。針對線狀或樹狀等延伸覆蓋場景，還可在LoRa網(wǎng)關(guān)上增加自組網(wǎng)實現(xiàn)多跳接力傳輸；同時，使用LoRa網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)方案也可解決部分處于信號遮擋的非視距區(qū)域點位的數(shù)據(jù)回傳問題[7]。對于監(jiān)測點位分散場景，則可直接采用集成低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)芯片的通信終端(見圖1)。

圖1 林火探測終端數(shù)據(jù)低軌衛(wèi)星鏈路回傳方案

4 低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于森林防火的優(yōu)勢

物聯(lián)網(wǎng)終端可以實現(xiàn)全天候的監(jiān)測，能夠彌補光學遙感在夜間或陰天時段成像受限的不足；同時，基于物聯(lián)網(wǎng)終端的近距離探測和即時告警上報，監(jiān)測人員可以比通過遙感更快地獲得林火預警信息；另外，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端上傳的位置信息，可針對性獲取對應(yīng)位置最新的遙感信息進行交叉驗證，提高異常熱源點判別的精準度，可減少人員前往事發(fā)點現(xiàn)場核實的次數(shù)，并且更早地組織調(diào)派應(yīng)急救援力量進行撲火。

除了為固定的物聯(lián)網(wǎng)終端提供通信外，低軌衛(wèi)星還可為巡護和應(yīng)急救援人員的手持終端和生命手環(huán)提供信息回傳鏈路，提供如高精度定位、定位信息回傳以及SOS緊急呼救等功能。與前述固定場景的數(shù)據(jù)傳輸解決方案相似，巡護和救援人員可使用低軌物聯(lián)的便攜式終端，為已配備的常規(guī)智能手機或生命手環(huán)提供熱點接入，或直接使用內(nèi)嵌有低軌衛(wèi)星通信芯片的手持終端通信(見圖2)。

圖2 低軌衛(wèi)星移動通信終端擴展連接圖示

低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的入網(wǎng)操作和業(yè)務(wù)使用非常方便，與使用地面運營商網(wǎng)絡(luò)類似，行業(yè)用戶僅需購買終端和申請SIM卡即可，低軌物聯(lián)運營商會根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求類型開通相應(yīng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并將終端數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)至客戶業(yè)務(wù)平臺。由于低軌衛(wèi)星星座容納用戶量遠遠多于高軌通信衛(wèi)星，終端申請SIM卡更容易，且低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的流量資費僅為現(xiàn)有高軌衛(wèi)星的1/20，極大降低了使用成本。

低軌衛(wèi)星終端支持遠程維護管理，管理人員可從監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)管理界面上查看監(jiān)控終端工作狀態(tài)和電池剩余電量，低軌物聯(lián)網(wǎng)終端可以利用1塊電池續(xù)航數(shù)年，必要時可以從后臺向巡護人員下發(fā)任務(wù)由其順路更換。手持終端由于沿用了當前智能手機的用戶習慣，從擴展設(shè)備的連接到內(nèi)置的業(yè)務(wù)APP操作均可通過簡易指導即上手。

5 國外應(yīng)用案例

5.1 Swarm Technologies為Dryad網(wǎng)關(guān)提供數(shù)據(jù)回傳服務(wù)

SwarmTechnologies(蜂群技術(shù)公司)是美國加州的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)公司，專注于低成本的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)回傳解決方案，目前已有120顆衛(wèi)星在軌運行，可提供全球覆蓋，支持單個終端1kbps的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。2021年7月，Swarm已被SpaceX收購，成為后者“太空互聯(lián)網(wǎng)+太空物聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的重要拼圖。

Swarm與德國的DryadNetworks(樹精網(wǎng)絡(luò)公司)合作，將低軌衛(wèi)星終端通信模組嵌入到Drayd的林火監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品(如圖3)中。Dryad開發(fā)的Silvanet系列物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主打的賣點是極早期火焰探測功能，Silvanet由前端的靈敏傳感器、基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及后臺的監(jiān)測分析軟件組成。Silvanet通過傳感器終端感知空氣中的煙霧含量變化，傳感器終端數(shù)據(jù)可通過LoRa鏈路傳輸至就近Silvanet網(wǎng)關(guān)，再經(jīng)骨干網(wǎng)絡(luò)傳回至運營中心，運用大數(shù)據(jù)工具分析和AI技術(shù)判別，可于30—60 min內(nèi)探出早期火情，此時通常在陰燃變?yōu)槊骰鹬啊?/p>

圖3 內(nèi)嵌Swarm模組的Drayd物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(圖片來源：Dryad Networks)

Silvanet需要廣域回傳的骨干網(wǎng)絡(luò)，然而設(shè)備布設(shè)的區(qū)域往往需要面臨沒有4G甚至是2G網(wǎng)絡(luò)的情景，Swarm的衛(wèi)星鏈路為Drayd提供了關(guān)鍵的骨干網(wǎng)絡(luò)，使其能夠在需要的地方部署探測傳感器，并且以每月低至5美元的流量套餐，讓Drayd傳感器的密集布設(shè)不受高價流量費所限。嵌入Swarm通信模組的Silvanet產(chǎn)品在歐美和澳洲得到了廣泛應(yīng)用，其中在德國埃伯斯瓦爾德建設(shè)有示范點。

5.2 Iridium為Intellisense的多工作站系統(tǒng)提供回傳鏈路

Iridium(銥星)系統(tǒng)是由66顆低軌衛(wèi)星組成的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，第1代“銥星”星座于1998年建設(shè)完成，實現(xiàn)了包括南、北極在內(nèi)真正的全球覆蓋，支持語音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。2017年8月，第2代“銥星”星座部署完畢，新的2代“銥星”系統(tǒng)開發(fā)了名為“Iridium Certus”的新型多功能系列服務(wù)平臺，便于針對不同業(yè)務(wù)提供不同等級的速率組合數(shù)據(jù)服務(wù)，對應(yīng)森林防護類的遙測和遠程監(jiān)控等應(yīng)用的分類型號為Certus 20，數(shù)據(jù)傳輸速率為22 kbps。

加州南部灣區(qū)的Intellisense(智能感知系統(tǒng)公司)是一家領(lǐng)先的綜合環(huán)境感知解決方案提供商，Intellisense開創(chuàng)性地開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器終端，為非政府組織、企業(yè)、聯(lián)邦、州和地方政府提供快速應(yīng)對災害的能力，產(chǎn)品重點應(yīng)用領(lǐng)域包括洪水和野火監(jiān)測預警等。 Intellisense的多工作站系統(tǒng)MWS-C410 (如圖4)作為專用野火監(jiān)測終端，在美國中西部地區(qū)廣泛應(yīng)用，Iridium為該設(shè)備在偏遠的荒野地區(qū)使用提供至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò)連接，讓應(yīng)急管理部門能夠迅速地感知發(fā)生在各地的森林火災。

圖4 Intellisense多工作站系統(tǒng)MWS-C410 (圖片來源: Intellisense)

5.3 Lacuna Space為東南亞和南美地區(qū)森林防火提供天基LoRa接入方案

Lacuna Space是一家總部位于英國牛津的低軌衛(wèi)星初創(chuàng)公司，針對低速物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供超低成本跟蹤和監(jiān)測服務(wù)。Lacuna的衛(wèi)星是低軌物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星，可接收地面LoRa傳感器終端的數(shù)據(jù)，整個星座由32顆衛(wèi)星組成，截至2021年底已有5顆衛(wèi)星在軌運營。

Lacuna與LoRa標準的主要發(fā)起者Semtech公司合作，Semtech開發(fā)的LoRa開放協(xié)議廣泛應(yīng)用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，Semtech幫助Lacuna將通用的LoRa通信終端直接連接到其衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)，從而將LoRa網(wǎng)絡(luò)擴展至太空，也讓Lacuna具備了直接利用商用現(xiàn)貨終端的優(yōu)勢。

Lacuna在森林防火領(lǐng)域的早期合作伙伴Sustainability Tech，是一家專注于東南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)商。Sustainability Tech與Lacuna合作，生產(chǎn)了新的基于衛(wèi)星連接LoRa物聯(lián)網(wǎng)傳感器終端(如圖5)，讓商業(yè)種植園管理者和森林防護部門，都能夠通過聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測火災風險，在獲得精準數(shù)據(jù)的情況下有效地監(jiān)測和管理大面積林業(yè)資產(chǎn)。低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)改善了Sustainability Tech傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，也為最終客戶降低了建設(shè)和使用成本。

圖5 Lacuna在印尼泥炭地的監(jiān)測終端(圖片來源: Lacuna Space)

此外，Lacuna通過哥倫比亞的合作伙伴Interco Cloud，將其低軌物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用推廣至整個拉丁美洲的森林。

6 低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢

全球約有4 000萬km2森林，低軌衛(wèi)星為森林行業(yè)海量的物聯(lián)網(wǎng)終端提供全天候的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，需要足夠數(shù)量的衛(wèi)星星座支撐。除上述3家已在森林防火行業(yè)開展業(yè)務(wù)，目前全球有數(shù)十家低軌衛(wèi)星公司已經(jīng)完成或正在建設(shè)其低軌衛(wèi)星星座。

國外方面，已建成的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)最典型的是美國軌道通信公司的Orbcomm系統(tǒng)，Orbcomm成立自1991年，2015年第2代衛(wèi)星的發(fā)射工作完成，目前在軌衛(wèi)星數(shù)量為60顆。2016年3月，Orbcomm第2代最后11顆衛(wèi)星啟動了商業(yè)服務(wù)，可提供4.8 kbps上行數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[8]。

除了Orbcomm，另有一批來自歐美的初創(chuàng)公司已經(jīng)布局低軌物聯(lián)網(wǎng)星座，規(guī)劃衛(wèi)星數(shù)及在軌運行衛(wèi)星數(shù)如圖6：美國Kepler 通信公司計劃在2022年完成由140顆Ku波段納衛(wèi)星構(gòu)成的空間網(wǎng)絡(luò)部署，目前已發(fā)射15顆，可提供10—40 kbps的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；瑞士Astrocast公司計劃在2024年完成共100顆衛(wèi)星的低軌星座，屆時自身星座的衛(wèi)星重訪時間將小于15 min，目前已有10顆在軌運行；澳大利亞Fleet Space公司計劃發(fā)射140顆衛(wèi)星，已有6顆在軌運行；荷蘭Hiber衛(wèi)星公司計劃發(fā)射48顆衛(wèi)星，當前在軌運行24顆，終端支持單次140個字符傳輸，包括時間標記、識別、位置等信息；加拿大HeliosWire公司計劃發(fā)射30 顆衛(wèi)星構(gòu)建空間物聯(lián)網(wǎng)，利用S波段30 MHz帶寬，可支持50億個傳感器，目前已有5顆在軌。

圖6 國外低軌物聯(lián)網(wǎng)星座部署統(tǒng)計

國內(nèi)方面，科技部牽頭的“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)項目”是國家科技創(chuàng)新2030重大項目，是信息時代的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)國家利益到哪里，信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋到哪里，滿足應(yīng)急救災等領(lǐng)域不斷增長的網(wǎng)絡(luò)信息需求。近幾年，科研院所與民營企業(yè)紛紛進入低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，隨著“十四五”規(guī)劃對天地一體化通信的投入增加，國內(nèi)低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)也將在未來5 a取得更為迅速的發(fā)展。

與此同時，森林防火應(yīng)急管理數(shù)字化建設(shè)逐漸深入，AI智能判別、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)紛紛落地應(yīng)用，加上可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)以及各類傳感器終端規(guī)?；渴?，共同形成了強大的火災態(tài)勢感知系統(tǒng)[9]。物聯(lián)網(wǎng)終端作為林火監(jiān)測重要的動態(tài)信息來源，與廣覆蓋、低時延、低成本的低軌衛(wèi)星鏈路的結(jié)合，成為必然趨勢。

當然，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)在規(guī)?；瘧?yīng)用前也面臨著互聯(lián)互通方面的挑戰(zhàn)：目前低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)各廠商使用的頻率與通信協(xié)議各不相同，不同廠商的衛(wèi)星與終端之間暫時無法直接互聯(lián)互通，供應(yīng)商“百花齊放"現(xiàn)象體現(xiàn)在芯片上則導致芯片的定制化更強,流片成本更高。在空間頻率分配已定的前提下，低軌衛(wèi)星供應(yīng)商需要從行業(yè)要求和產(chǎn)業(yè)鏈角度著手，成立產(chǎn)業(yè)協(xié)會并推動形成技術(shù)標準，下一步的研究工作將集中在空中接口協(xié)議和終端產(chǎn)品化等方面。

7 結(jié)語

低軌衛(wèi)星具有全天候、覆蓋范圍廣、終端低功耗、低成本等優(yōu)點，適用于無地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的森林防火監(jiān)測預警通信。隨著“十四五”期間低軌星座的大規(guī)模規(guī)劃建設(shè)，未來國內(nèi)也將有多個低軌星座提供天基物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，全球的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將登上一個新的臺階，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在森林防火監(jiān)測場景的應(yīng)用潛力巨大。伴隨著云計算和大數(shù)據(jù)等平臺在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用，對物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)的精準、實時需求空前增加，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)也將更高效地服務(wù)于森林防火通信領(lǐng)域。