低轨卫星通信集装箱跟踪装置设计

来源：职称阁分类：电子论文时间：2020-07-28 11:28热度：

　　本文通过对低轨卫星的特点及发展情况的简单介绍，说明了低轨卫星在集装箱跟踪过程中的应用前景。同时，针对集装箱跟踪装置应用的特点，说明了应用低轨卫星与地面移动通信双模块设计的跟踪装置，是解决集装箱跨境运输存在的盲区多问题的较好设计选择。本文还对跟踪装置设计过程中需要注意的软硬件等关键问题，进行了重点的分析。

低轨卫星通信集装箱跟踪装置设计

　　关键词：低轨卫星；移动通信；集装箱跟踪

　　1概述

　　一般将卫星轨道高度低于2000千米以下的卫星称为低轨道卫星。由于低轨道卫星和地球不同步运转，为完成对地面同一点的不间断卫星服务，必须有不同的卫星接力完成，因此，低轨道卫星系统普遍是由多条轨道上的多个卫星组成，卫星的分布也被称作卫星星座。集装箱运输是世界货物运输最主要的运输方式，对于危险品运输、冷链运输、高附加值货物的运输，监管机构或客户往往需要对集装箱的运输过程进行状态跟踪：实时地了解货物的位置、安全、环境信息等状态，保障货物安全、防止挟带偷渡、促进物流周转。集装箱状态跟踪装置的数据信息可以实时利用移动通讯网络或卫星通讯网络回传到用户服务平台上，平台可以随时向用户和监管人员提供物流信息或事故报警，拥有移动通信模块的跟踪装置为客户带来了即时获知信息的便利。针对集装箱运输的全球化，在远海、山区、人迹罕至的荒野，利用卫星传送集装箱运输信息，无疑是一种很好的选择。近几年来，由于卫星技术与火箭技术的不断发展，卫星体积越来越小，一箭多星、回收火箭的应用，使火箭发射卫星的成本越来越低，普通用户也可以负担得起卫星进行数据信息通讯的成本，使低轨卫星的商业价值日益体现，成为国内外商业航天领域各方关注的焦点。

　　2国内外低轨卫星的发展情况

　　最早比较有名的低轨卫星系统是摩托罗拉的“铱星系统”，它由66颗无线链路相连的卫星组成，可以提供语音、数据、传真和寻呼服务，主要面向个人提供全球通信服务，个人可通过卫星在地球上的任何地方拨出和接收电话讯号。该系统是第一代全球卫星移动通信星座系统，于1998年完成部署，耗资达50多亿美元，但最终由于用户少、债务危机、市场疲乏、技术缺陷、管理松散等原因，2000年3月宣布破产。在2019年1月11日，铱星二代（IridiumNEXT）成功完成最后一组卫星发射，并于2019年2月6日宣布完成星座组网，正式投入运营。铱星二代由81颗功能相同的卫星组成天基移动通信系统，其中66颗工作星均匀分布在6个轨道面上，辅以6颗天基备份星和9颗地基备份星。铱星二代将全面代替第一代铱星系统。如图1所示。目前国外还有StarLink、TeleSat等低轨卫星系统，国内则有中国航天科技集团有限公司的“鸿雁”、中国航天科工集团有限公司的“虹云”、中国电子科技集团有限公司的“天地一体化网络”以及银河航天科技有限公司的低轨宽带星座等，这些星座有的可以实现全球天基实时互联的宽带互联网络系统，有的可以提供物联网接入服务、替代移动通信服务。这些星座目前多处于前期组网建设中，但无论如何，低轨卫星系统的蓬勃发展，为人们实现地球上任意地点的信息互联，带来了极大的便利。

　　3低轨卫星的特点

　　相比地面移动通信网，低轨卫星系统具有信号覆盖范围广，受地面建筑及地形干扰小，不易受到人为及自然灾害的影响，可以实现全球覆盖。相比中高轨道卫星系统，低轨卫星体积小、重量轻，不需要大型助推火箭，发射准备时间短。相比静止轨道卫星，地球表面覆盖更全面。同时，低轨卫星系统具有传输延时短、路径损耗小、频谱利用率高、通信容量高，终端重量、体积、发射功率与普通手持移动通信终端相仿，可做到与普通移动终端一体化，真正做到全球无缝接入。低轨卫星通信系统也存在固有的缺点，如需要卫星数量较多，相对于地面是进行高速运动的，地面终端会在不同卫星与不同波束之间进行频繁切换，因此带来用户的资源管理、锚点管理、数据管理、地面控制、维护系统比较复杂。总体对终端用户而言，低轨卫星终端通讯模块具有功耗低、体积小、天线小、使用费用低等优点，非常适合在集装箱跟踪装置中的应用。

　　4集装箱跟踪装置的设计

　　集装箱运输时间周期长，如海运集装箱往往一个单程就需要一个多月的时间，中欧班列虽然提高了集装箱的货运速度，但也是需要十几天的时间，而集装箱常游走于世界各地，上万公里的行程，常常使集装箱从高温的热带跨越到低温的寒带。因此集装箱及其附属设备会长时间处于无人维护的状态，这就要求集装箱跟踪装置免维护的时间越长越好，一般长于2年。同时，跟踪装置应具有能耐受高温、低温、盐雾、震动等严酷环境等特点。体积小巧、皮实耐用、免维护、使用成本低是集装箱跟踪装置的设计要点，省电、降低通信费用就成为设计者考虑的重点。如图2，集装箱跟踪装置电路设计中包含有主控电路、传感器模块、电源管理模块、定位模块、通信模块等，定位模块与通信模块是装置中的耗电大户，相比于移动通信，卫星通信的耗电及使用费用仍然更高，移动通信在人口稠密地区的信号覆盖会更好，模块接入地面移动网络的时间会更迅速，卫星模块的信号被高大物体遮挡的几率会更多一些，而且卫星信号受卫星数量的影响，在一些地方还不能做到实时都可以进行数据通信。因此，在普通集装箱跟踪装置中应用双通信模块设计，在移动通信网络条件好的地方应用移动通信网络，而在没有移动通信网络的地方应用卫星通信网络，将是一个最佳的选择。与普通集装箱跟踪装置相比，含有卫星通信模块的装置在电路设计上更需要考虑低功耗设计、天线的选择、电磁兼容和阻抗匹配等问题。

　　4.1低功耗设计

　　除选用低功耗的芯片电路外，应用电源管理硬件设计，实现多分支电源网络管理，使得系统各功能模块的电源相对独立供电，控制各模块的工作时间，尤其是带天线的通信模块（定位、通信都非常耗电），一般4G模块、卫星定位模块的工作电流可以到几十毫安，卫星通信模块的平均工作电流更高。当不需要模块工作时，就应控制模块进入低功耗待机状态。如平时集装箱跟踪装置处于低功耗状态，当传感器感知到状态变化，如位置、震动、温度等变化，就会唤醒跟踪装置，而平时就可以用定时器进行长定时唤醒。跟踪装置需要将状态数据发送到管理平台，一般的通信流程是：首先启动移动通信模块，搜索附近有无可用的移动网络，如果有就通过移动网络发送状态信息，如果无就启动卫星通信模块，寻找可用的卫星通信系统。当数据发送完毕时，跟踪装置重新处于低功耗待机状态。如果没有找到卫星通信网络，就将跟踪状态存储于装置的缓存器中，等待下次装置激活时再次发送，详细流程图如图3所示。

　　4.2天线的选择

　　如图4，对于小型设备中用到的天线，目前主要是内置PCB（印制板）天线、棒状天线和陶瓷天线等，陶瓷天线的优势是体积可以做的最小，但很难做到多频段，不适合于特别紧凑的空间用；而PCB天线则制作方便，相对陶瓷天线的损耗高，因此需要更大的PCB面积；棒状天线体积大，信号的方向指向性好，增益高，抗干扰能力强，能减少受到主板上的干扰，而且不用太多的调试匹配，接收信号的效果会更好一些。含有卫星模块的跟踪装置一般分别有3种天线：卫星定位天线（1.5GHz）、移动通信天线（700-2600MHz）和卫星通信天线（200~400MHz或1.6GHz）。卫星定位天线一般由接收天线和前置放大器两个部件组成，多采用右圆极化的陶瓷介质，其组成部分包括：陶瓷天线、低噪音信号模块、线缆和接头；手机内置天线目前流行的是柔性线路板（FPC）的天线，它贴在手机壳内侧，还有利用天线激光直接成型技术（LDS，Laser-Direct-structuring），直接在成型的塑料支架上形成金属天线；而卫星通信模块的天线一般体积比较大，多用棒状天线或平板天线。集装箱跟踪装置在设计时需要考虑在不影响模块的通信功能的前提下，尽量设法缩小3种功能天线的体积，目的一是便于安装使用，二是减少由于集装箱装卸运输时对设备的损坏。这就需要跟踪装置优先选用印制板天线或陶瓷天线，如果选用棒状天线，也尽量将棒状天线置于装置的保护壳内。保证天线之间不互相干扰、不受集装箱金属壳体的遮挡、使天线具有最大的信号增益，这些都是通信模块设计的难点。

　　4.3电池的选择

　　由于集装箱跟踪装置每天都需要进行状态数据的传送，耗电是一个必须解决的问题。1万毫安到2万毫安电池是当前装置常用的电池容量，但在需要频繁收发信息的前提下，这样容量的电池仍然不能满足装置几年不需要人工充电或更换的免维护需求。因此，有部分公司采用了可充电电池搭配太阳能电池板充电的方案，这个方案需要考虑现在常用的锂电池低温充电及可用性的问题，因为集装箱运输经常工作于-20℃以下的环境中，这个环境下锂电池常常不能正常工作。选用带储能电容的电池、低温可工作的锂电池，以及一次性电池与蓄电池混用的方案，在兼顾电池体积的前提下，可能是一种比较好的方案选择。

　　5智能终端设备实物图

　　智能终端设备实物图如图5所示。在实际应用中，设备采集传感器数据的时间间隔、上传时间间隔以及预警数据的记录及上传等重要操作均可以通过对应的云平台管理系统进行设计，从而方便工作人员对当前被监测的设备状态的实时掌握。

　　6结束语

　　应用低轨卫星通信的集装箱跟踪装置还是一种新兴事务，在装置的设计过程中，除需要注意通信模块的功耗、天线外形的设计、模块之间的干扰、集装箱对高频信号的阻挡、电池的寿命等多种问题外，必然还会遇到许多实际应用的问题，是需要在实践中不断改进创新的，但不断降低的低轨卫星使用费用、方便的应用模块的推出，使低轨卫星通信在集装箱运输领域有广阔的应用前景。

　　参考文献

　　[1]姜玉洁,卫星移动通信系统中切换算法研究.重庆邮电大学,2016.

　　[2]肖龙龙,梁晓娟,李信.卫星移动通信系统发展及应用[J].通信技术,2017,50(06):1093-1100.

　　[3]余风平,陈侃.卫星移动通信发展现状及趋势[J].数字通信世界,2016(11):34-37.

　　[4]付竹竹.基于LTE的低轨卫星系统多用户频偏估计与补偿[D].2017.

　　[5]张巍,李博,张晓鹤,etal.2017年国外通信卫星发展综述[J].国际太空,2018(02):23-30.

　　作者：曹文胜许世博

文章名称：低轨卫星通信集装箱跟踪装置设计

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