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摘要：ORBCOMM最初是用于短報(bào)文雙向通信，但其設(shè)計(jì)理念、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和成功應(yīng)用開創(chuàng)了天基物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用先河，同時(shí)它本身也在不斷技術(shù)改進(jìn)，獲取的經(jīng)濟(jì)效益屢創(chuàng)新高，對(duì)其進(jìn)行深入分析，對(duì)正在蓬勃興起的我國(guó)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和應(yīng)用具有指導(dǎo)和借鑒意義。 1基本情況 ORBCOMM系統(tǒng)在1995年由ORBCOMM公司建立，衛(wèi)星的制造和發(fā)射由軌道科學(xué)公司完成，目前有35顆衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行，它們和分布在全球13個(gè)國(guó)家的16個(gè)信關(guān)站一起，為全球提供雙向通信的天基短報(bào)文和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，截止2017年11月，用戶數(shù)已經(jīng)超過二百萬、年收入超過1.86億美元。圖1是Orbcomm公司從2011年到2016年的年收入情況，從中可以看出2015年以后收入明顯增加。一方面表示其二代星功能顯著，另一方面說明它在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面得到快速發(fā)展。 2018年10月一家中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商-亞太導(dǎo)航通信公司獲得了Orbcomm使用授權(quán)，并計(jì)劃在中國(guó)建設(shè)網(wǎng)關(guān)。
圖1 2011年至2016年Orbcomm年收入情況 2 衛(wèi)星軌道 Orbcomm衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)分主軌道面和次軌道面，如圖2所示。主軌道面又分為4個(gè)軌道面（A、B、C、D），軌道面傾角45o、高度825km，每個(gè)軌道面上的8顆衛(wèi)星相互間隔45o；次軌道面由2個(gè)太陽同步軌道面（F、G）組成，其中F軌道高度740km、軌道傾角70o，G軌道高度830km、軌道傾角108o。F和G軌道每個(gè)軌道面上的2顆衛(wèi)星相互間隔180o。另外還規(guī)劃了一條傾角0o的軌道，高度975km，7顆衛(wèi)星。ORBCOMM允許發(fā)射的最大衛(wèi)星數(shù)是48顆，圖3是2017年12月5日北美防空司令部觀測(cè)到的所有Orbcomm衛(wèi)星軌道分布。
圖2 Orbcomm設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座
圖3 2017年12月有5日Orbcomm所有在軌衛(wèi)星 3 系統(tǒng)組成 ORBCOMM系統(tǒng)由在軌衛(wèi)星、數(shù)量眾多的信關(guān)站、遍布全球的控制中心和用戶終端組成。所有的通信都必須經(jīng)過信關(guān)站。一個(gè)信關(guān)站由一個(gè)信關(guān)控制中心和信關(guān)地球站組成，如圖 4所示，其中信關(guān)控制中心管理和監(jiān)視業(yè)務(wù)信息，信關(guān)地球站提供通信鏈路。Orbcomm已經(jīng)在全球建成了16個(gè)信關(guān)站，為所有衛(wèi)星服務(wù)。
圖4 Orbcomm應(yīng)用系統(tǒng)組成 Orbcomm系統(tǒng)工作在137-150MHz頻段，每個(gè)衛(wèi)星以4800bps速率廣播連續(xù)數(shù)據(jù)包，同時(shí)接收終端2400bps的突發(fā)報(bào)文，如圖5所示。
圖5 Orbcomm應(yīng)用系統(tǒng)組成 ORBCOMM系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量取決于衛(wèi)星數(shù)量、信關(guān)站數(shù)量和用戶的位置，一顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋3200平方英里。衛(wèi)星和信關(guān)站的數(shù)量越多，服務(wù)響應(yīng)時(shí)間越短。圖6和圖7是ORBCOMM地面用戶終端發(fā)送信息時(shí)長(zhǎng)的全球統(tǒng)計(jì)分布，其中綠色帶最大時(shí)延不超過15分鐘，紅包帶最大時(shí)延超過15分鐘。對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度為300Byte的信息，2分鐘發(fā)送完成84.4%、2到4分鐘發(fā)送完成9.6%、4到6分鐘發(fā)送完成3.6%、6到15分鐘發(fā)送完成2.3%，因此在15分鐘內(nèi)，99.9%的信息可以發(fā)送完畢。
圖6 ORBCOMM系統(tǒng)用戶終端發(fā)送信息時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分布
圖7 Orbcomm覆蓋區(qū)域和延時(shí)分布 3.1 衛(wèi)星平臺(tái) 截止2017年12月有5日，Orbcomm已經(jīng)發(fā)射了59顆衛(wèi)星，包括試驗(yàn)星、一代衛(wèi)星和二代衛(wèi)星。1995到1999年期間發(fā)射了45顆一代星和試驗(yàn)星。每個(gè)衛(wèi)星計(jì)劃壽命為5年，然而通過智能機(jī)動(dòng)和衛(wèi)星控制軟件，實(shí)際衛(wèi)星的壽命可以延長(zhǎng)到了8年甚至10年。 3.1.1 一代衛(wèi)星 （1）平臺(tái) Orbcomm-1星組成了目前在軌星座中的大多數(shù)衛(wèi)星，設(shè)計(jì)43顆衛(wèi)星、發(fā)射了35顆，Orbcomm-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命4年，重量:40kg(FM1～FM28)和45kg(FM29～FM36);衛(wèi)星軌道特性如下:728km×747km，70°(FM1，F(xiàn)M2)，812km×823km，108°(FM3，F(xiàn)M4);720km×720km，45°(FM5～FM36)。衛(wèi)星由直徑1米、厚16cm園盤、寬2.2米太陽電池陣和伸出的天線組成，整星長(zhǎng)4米，未期功率大于70W。衛(wèi)星的外形如圖8所示，伸出的長(zhǎng)桿第一截是信關(guān)站的天線、第二截是終端天線、最未端是測(cè)控天線，衛(wèi)星末期功耗70W。。
圖8 Orbcomm一代衛(wèi)星 衛(wèi)星采用兩種姿態(tài)控制模式：對(duì)地定向和太陽指向，設(shè)計(jì)要求姿態(tài)誤差90%的時(shí)間小于10o，實(shí)際衛(wèi)星在軌測(cè)試結(jié)果表明對(duì)地指向姿態(tài)偏差90%的時(shí)間小于5度，圖9是測(cè)量結(jié)果。采用重力梯度原理實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制，控制器是一個(gè)飛輪和三個(gè)磁力矩器，姿態(tài)測(cè)量采用2個(gè)地球敏感器、一個(gè)磁力計(jì)和6個(gè)太陽敏感器。星上溫控主要用于控制電池溫度，使其保持在5～10Co，星載計(jì)算機(jī)采用Motorola68302的CPU和EDAC存貯器，能源系統(tǒng)采用砷化鎵太陽能電池板和10Ah的鎳氫電池，原始輸出電壓14V，調(diào)節(jié)電壓5V，末期可以提供210W功率。
圖9 衛(wèi)星對(duì)地定向姿態(tài)滾動(dòng)—俯仰角測(cè)量值 （2）有效載荷 有效載荷由4個(gè)單元組成：用戶通信單元、信關(guān)站通信單元、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和UHF發(fā)射機(jī)，總共有6 個(gè)用戶接收機(jī)、 1 個(gè)網(wǎng)關(guān)接收機(jī)、1 個(gè)DCAAS 接收機(jī)、 1 個(gè)用戶發(fā)射機(jī)(最大功率40W) 、 1 個(gè)網(wǎng)關(guān)發(fā)射機(jī)(最大功率5 W) 和1 個(gè)信標(biāo)發(fā)射機(jī)(最大功率1 W) 。 1) 用戶通信單元 包括一個(gè)用戶發(fā)射機(jī)、7個(gè)相同的接收機(jī)、接收/發(fā)送機(jī)濾波器和天線，其中6個(gè)接收機(jī)用于接收用戶信息、1個(gè)用于DCAAS接收。 用戶終發(fā)射機(jī)最大輸出功率40W，輸出功率有5dB的調(diào)節(jié)范圍、每次調(diào)節(jié)1dB，用于抵消壽命期內(nèi)功率的衰減。到達(dá)地面接收功率通量密度為125dB（W/m in 4kHz），采用SDPSK調(diào)制，“0”對(duì)應(yīng)-90o相位、“1”對(duì)應(yīng)90o相位，4800bps速率，使用升余弦濾波器限制頻率占用。 用戶接收機(jī)是一個(gè)DSP處理器完成信號(hào)的快速傅立葉變換。地面發(fā)令選擇7個(gè)用戶接收機(jī)中工作在DCAAS、隨機(jī)接入和保留接收模式。當(dāng)一個(gè)接收機(jī)工作在DCAAS模式時(shí)，它在5秒時(shí)間內(nèi)以2.5kHz步長(zhǎng)掃描上行頻帶，DCAAS模式下的實(shí)際接收帶寬由地面設(shè)置。其它的接收機(jī)用戶接收用戶信息。用戶接收機(jī)和信關(guān)接收機(jī)都聯(lián)接到一個(gè)上行的天線。當(dāng)存在強(qiáng)干擾時(shí)，用戶通信機(jī)和低噪放工作在線性區(qū)，模擬和數(shù)字濾波器在低噪放后濾除來自地面移動(dòng)系統(tǒng)的干擾信號(hào)。接收到的信號(hào)解調(diào)后送到星載計(jì)算機(jī)，上行信號(hào)采用DPSK調(diào)制方式，2400bps速率，使用升余弦濾波器限制頻率占用。 由于Orbcomm-1 系統(tǒng)的上行頻段與其他許多地面通信系統(tǒng)所共享的，不可避免的會(huì)出現(xiàn)信號(hào)干擾的問題，為此Orbcomm-1 系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)信道分配系統(tǒng)( DCAAS) 來解決這一問題。DCAAS 通過掃描整個(gè)用戶上行頻段，確定哪些信道為空閑的，可在下一時(shí)隙使用; 哪些信道為忙，正在被使用。這樣就可以把空閑信道的下一時(shí)隙使用權(quán)分配給所需用戶。使用DCAAS 要求掃描接收機(jī)能檢測(cè)功率，且具有較快的響應(yīng)能力。這樣，衛(wèi)星通過對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行處理后所確定的一組上行信道，優(yōu)先供下一時(shí)隙使用。而且，用以傳輸用戶信息的上行信道可隨時(shí)間而不斷變化，有效避免了其他有害信號(hào)的干擾。 2) 信關(guān)站通信單元 衛(wèi)星的信關(guān)站發(fā)射機(jī)和接收機(jī)封裝在一個(gè)單元，各自的右旋天線用于接收和發(fā)射信號(hào)。信關(guān)站發(fā)射機(jī)的輸出功率為5W，57.6kbps速率、OQPSK調(diào)制、TDMA多址方式。信關(guān)站接收機(jī)也采用OQPSK調(diào)制、TDMA多址方式、57.6kbps速率。接收到的上行信息包被路由到星載計(jì)算機(jī)。 3) 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī) 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)接收用戶和地面信關(guān)發(fā)出的上行包，將它們分發(fā)到相應(yīng)的發(fā)射機(jī)，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)通過DCAAS接收機(jī)識(shí)別干凈的上行信道、GPS接收機(jī)提取通信系統(tǒng)的相關(guān)信息。幾個(gè)微處理器采用分布式的方式構(gòu)成星上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 4) UHF發(fā)射機(jī)。 UHF發(fā)射機(jī)用于在400.1MHz頻率上發(fā)送1W功率的穩(wěn)定信號(hào)，發(fā)射天線的增益為2dB。 3.1.1 二代衛(wèi)星 （1）平臺(tái) 2016年3月1日 ORBCOMM將其最后的11顆OG2發(fā)射入軌，它已于2015年11月21日用SpaceX Falcon9火箭將11顆OG2發(fā)射入軌，新加入的OG2衛(wèi)星使整個(gè)OG2星群處理ORBCOMM網(wǎng)絡(luò)的60%信息，每天可以從150,000船上采集18,000,000信息，超過目前所有其它AIS網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)量。OG2衛(wèi)星完全兼容OG1衛(wèi)星，OG1衛(wèi)星的用戶無需做任何改變就可以直接使用OG2衛(wèi)星。 二代衛(wèi)星由內(nèi)華達(dá)山脈公司生產(chǎn)，18顆OG2衛(wèi)星合同金額1.17億美元，這些衛(wèi)星使用SN-100衛(wèi)星平臺(tái)，內(nèi)華達(dá)山脈公司利用在科羅拉多路易斯維爾衛(wèi)星操作中心為ORBCOMM公司提供發(fā)射支持、管理和衛(wèi)星測(cè)試操作,然后移交給ORBCOMM公司，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星無縫交接。 二代衛(wèi)星壽命5年，重172kg，太陽帆板未展開前體積為1×1×0.5m、在軌展開后為13×1×0.5m。衛(wèi)星使用單一可展開太陽電池陣，它由3塊三節(jié)砷化鉀太陽能電池單元組成，提供400W功率，其中250W用于有效載荷，其余用于星上其它系統(tǒng)。衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定方式，姿態(tài)測(cè)量精度0.1°、控制精度0.6°，可以控制衛(wèi)星以每秒一轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，使用肼燃料發(fā)動(dòng)機(jī)完成衛(wèi)星軌道調(diào)整機(jī)動(dòng)和維持控制，提供100m/s的速度增量。OG2使用的SN-100A衛(wèi)星平臺(tái)可以提供1～310Mbps的下行載荷數(shù)傳速率和最高4 Mbps上、下行測(cè)控速率，提供256Mbyte的隨機(jī)內(nèi)存和16Myte的非隨機(jī)內(nèi)存。它工作在137-153MHz的VHF頻段，使用直徑為25厘米的8米長(zhǎng)臂架的螺旋臂天線，如圖10所示。
圖10 Orbcomm二代衛(wèi)星 （2）有效載荷 與Orbcomm-1相比，OG2具有更加先進(jìn)的通信技術(shù)，容量更大，同時(shí)具有向后兼容特性，即一代衛(wèi)星的通信設(shè)備可與OG2衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，與一代衛(wèi)星相比，具體改進(jìn)如下：2倍天線長(zhǎng)度、2倍功率、12倍推進(jìn)能力、4倍重量、85倍星上存儲(chǔ)能力、17倍微處理器能力、8倍用戶發(fā)射機(jī)和8倍用戶接收機(jī)。 通過上述改進(jìn)，每個(gè)二代衛(wèi)星與一代衛(wèi)星相比，提高了6倍的數(shù)據(jù)接入數(shù)和2倍的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此一顆二代衛(wèi)星相當(dāng)于12顆一代衛(wèi)星。另外，它還改善了高緯度地區(qū)的覆蓋率。除了配置常規(guī)Orbcomm通信載荷外，OG2還加裝了全新的AIS 載荷，它由SpaceQuest公司研制，重量12kg、體積25cm3、10年在軌壽命，后續(xù)SpaceQuest公司還將提供增強(qiáng)AIS載荷，可以實(shí)現(xiàn)最高9.6kbps的數(shù)據(jù)速率、使用FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)使其能夠按用戶需求定制，并且具有在軌可重配制功能、雙向數(shù)據(jù)通信和采用VHF頻段相控陣天線。 3.2 信關(guān)站 到2017年12月，ORBCOMM系統(tǒng)在13個(gè)國(guó)家有16個(gè)信關(guān)站，如圖11所示，它們提供雙向的通信鏈路，并建立與地面網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，其中位于弗吉尼亞州斯特林網(wǎng)絡(luò)控制中心是主要節(jié)點(diǎn)，管理衛(wèi)星星座和確保可靠信息傳輸。
圖11 Orbcomm在全球的信關(guān)站 信關(guān)站主要作用是為一特定的區(qū)域完成信息處理和用戶管理，提供用戶與公共和專用數(shù)據(jù)網(wǎng)和公共交換電話網(wǎng)的接口。每個(gè)信關(guān)站由4個(gè)部分組成：信關(guān)信息交換系統(tǒng)、信關(guān)地球站、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和命令和控制網(wǎng)絡(luò)，如圖 12所示。
圖12 Orbcomm信關(guān)站組成圖 連接網(wǎng)關(guān)站和衛(wèi)星的射頻鏈路使用基于TDMA協(xié)議的下行信道和1條單獨(dú)的57.6kbps的上行連接。采用TDMA技術(shù)，使得1顆衛(wèi)星可以與它覆蓋下的多個(gè)網(wǎng)關(guān)同時(shí)進(jìn)行射頻連接，在網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的調(diào)度下實(shí)現(xiàn)無縫信息交換。這樣，還能讓大口徑天線在VHF頻率下也擁有相對(duì)較寬的波束寬度，增加了2個(gè)或更多的衛(wèi)星同時(shí)處于同一個(gè)信關(guān)地球站天線波束內(nèi)的可能性。網(wǎng)關(guān)的上行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)組織成幀和段的形式，而幀和段的邊界與GPS時(shí)間相同步。 3.3 用戶終端 用戶終端是一個(gè)無線UHF發(fā)射器，接收和向ORBCOMM系統(tǒng)發(fā)送信息，只要符合ORBCOMM系統(tǒng)接口要求，任何廠家生產(chǎn)的用戶終端都能使用，它包括內(nèi)置GPS接收機(jī)、模擬和數(shù)字輸入/輸出接口。第一代用戶終端輸出功率5W、340克，拉桿天線長(zhǎng)50cm，如圖13所示，圖14是其它公司生產(chǎn)的Orbcomm終端，圖15是Mobiapps公司生產(chǎn)的M10終端和性能指標(biāo)，其尺寸為7.4cm×4.6cm×1.3cm
圖13 Orbcomm終端
圖14 幾個(gè)公司生產(chǎn)的Orbcomm終端
圖 15 Mobiapps公司生產(chǎn)的M10終端和性能指標(biāo) 4 通信鏈路 4.1 通信體制 Orbcomm的通信鏈路分為兩部份，衛(wèi)星到信關(guān)站之間的饋電鏈路和衛(wèi)星到用戶之間的用戶鏈路，其中饋電鏈路上、下行都采用TDMA多址方式、OQPSK調(diào)制、速率57.6kbps；用戶鏈路采用上行采用MF-TDMA、下行采用FDMA多址方式，SDPSK調(diào)制、速率4.8kbps，具體如表1所示。 表1 Orbcomm通信體制
4.2 下行信道 ORBCOMM 系統(tǒng)從衛(wèi)星到用戶終端和信關(guān)地球站的下行頻率都安排在137～138MHz之間。下行信道有13個(gè),其中12個(gè)信道用于衛(wèi)星對(duì)用戶終端下行通信，信道間隔為25 kHz，12個(gè)信道為47顆衛(wèi)星共用, 每個(gè)衛(wèi)星使用一個(gè)信道, 因此12個(gè)信道的頻率復(fù)用次數(shù)為4; 另有一個(gè)信道專門用于衛(wèi)星對(duì)信關(guān)地球站的發(fā)射, 帶寬是50kHz。 4.3 上行信道 用戶終端的上行信號(hào)頻率如表2所示，上行功率最大5W。信關(guān)地面站的上行是149.610MHz和150.025MHz，速率57.6kbps，帶寬50kHz。 表2 用戶終端上行信號(hào)頻率
ORBCOMM 系統(tǒng)的一個(gè)重要特色是其上行通道發(fā)射采用動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)(DCAAS)，系統(tǒng)自動(dòng)掃描和測(cè)試148～149.9MHz內(nèi)的頻點(diǎn)使用情況, 掃描頻率間隔2.5kHz, 5s內(nèi)至少掃描一次, 記錄每個(gè)頻點(diǎn)的功率電平, 作為上行信道分配的依據(jù), 綜合考慮每個(gè)頻點(diǎn)的歷史記錄和當(dāng)前使用情況, 選取最佳的信道分配給用戶終端使用，通信過程中一旦信道出現(xiàn)干擾, 系統(tǒng)能1～2s內(nèi)變換信道。 4.4 鏈路計(jì)算 表3 衛(wèi)星到信關(guān)站下行鏈路接收電平
表4 衛(wèi)星到用戶終端下行鏈路計(jì)算
4.5 業(yè)務(wù)服務(wù)類型 Orbcomm系統(tǒng)有4種業(yè)務(wù)服務(wù)模式：數(shù)據(jù)報(bào)告、消息、貯存轉(zhuǎn)發(fā)和命令。 （1）數(shù)據(jù)報(bào)告 是基本服務(wù)類型，用戶通信機(jī)產(chǎn)生的一個(gè)長(zhǎng)度小于或等于6 byte用戶自定義的數(shù)據(jù)包，它采用隨機(jī)竟?fàn)幏绞桨l(fā)送。數(shù)據(jù)報(bào)告通常周期性生成，也可能是應(yīng)答ORBCOMM系統(tǒng)的輪詢，或者有需要時(shí)。數(shù)據(jù)報(bào)告發(fā)送后，可以要求信關(guān)站發(fā)送成功應(yīng)答，或者為了節(jié)省信道資源不發(fā)送成功應(yīng)答； （2）消息 消息用于用戶發(fā)送或接收比較長(zhǎng)的信息，典型的長(zhǎng)度不超過100byte，還可以傳輸更長(zhǎng)的信息。為確保傳輸可靠，使用衛(wèi)星保留信道發(fā)送包含校驗(yàn)信息的短包，所有信息都有應(yīng)答，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)可以重傳。 （3） 貯存轉(zhuǎn)發(fā) 在該模式下，衛(wèi)星沒有與信關(guān)站建立實(shí)時(shí)聯(lián)系，用戶只是與衛(wèi)星間通信，它發(fā)出的信息被衛(wèi)星接收、貯存并應(yīng)答，也可以接收衛(wèi)星發(fā)出的信息。當(dāng)衛(wèi)星與信關(guān)站建立聯(lián)系，貯存的信息下傳到信關(guān)站。 （4） 命令 命令是向用戶發(fā)送的長(zhǎng)度不超過5byte的自定義信息，命令可以是一個(gè)信號(hào)，觸發(fā)安裝在用戶終端的裝置。命令可以應(yīng)答，也可以不應(yīng)答。 4.6 下行幀格式 Orbcomm衛(wèi)星下行有兩種幀格式：主幀格式和次幀格式，主幀格式由16個(gè)次幀格式。一個(gè)次幀格式由50個(gè)數(shù)據(jù)包和12個(gè)字組成，每個(gè)數(shù)據(jù)包由一個(gè)字的包類型、9個(gè)數(shù)據(jù)字、2個(gè)字校驗(yàn)位組成。每個(gè)次幀格式中，有一個(gè)同步包、一個(gè)空包、和48個(gè)數(shù)據(jù)包組成，這48個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容可以是填充、命令、輪詢或信息包。每個(gè)次幀格式長(zhǎng)度為1秒（4800 bit或600字）。總共有8種類型包，如表5所示，其中包類型1C的下行信息包中，規(guī)定了15個(gè)下行信道，每個(gè)信道對(duì)應(yīng)的下行頻率值如表6所示。 表5 下行包類型
表6 下行信道號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率
4.7 通信流程 Orbcomm衛(wèi)星的用戶發(fā)射機(jī)連續(xù)發(fā)射4800bps的數(shù)據(jù)流，用戶終端利用該信號(hào)檢測(cè)是否被衛(wèi)星覆蓋，同時(shí)還接收到指定的上行發(fā)射頻率。衛(wèi)星的用戶發(fā)射機(jī)同時(shí)廣播衛(wèi)星當(dāng)前的位置和速度信息，這些信息是由星上計(jì)算機(jī)根據(jù)Rockwell MPE-II GPS機(jī)接收的信息計(jì)算而得，每4秒分發(fā)一次。衛(wèi)星下行信息功率可以在10到40W選擇，速率4800bps或9600bps，頻率可以在137-138MHz選擇，每次步長(zhǎng)2.5KHz，EIRP值大約為12dBW，右旋園極化。具體通信流程如下： a) 當(dāng)一個(gè)用戶想使用Email與另外一個(gè)用戶通信時(shí)，它將信息發(fā)往用戶通信單元； b) 通信單元將信息發(fā)往衛(wèi)星，衛(wèi)星接收、重排格式并下傳至信關(guān)地球站； c) 信關(guān)地球站通過專線將信息發(fā)往信關(guān)控制中心，由它通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)到接收方； d) 如果接收方聯(lián)通了互聯(lián)網(wǎng)，它將接收到該信息； e) 接收方面發(fā)出的信息與上述過程相反。 5 在軌測(cè)控 ORBCOMM衛(wèi)星測(cè)控由位于弗吉尼亞州斯特林的信關(guān)控制中心完成，采用了位于加利福利亞圣地亞哥的L-3本部遙測(cè)公司開發(fā)的測(cè)控軟件對(duì)OG2衛(wèi)星進(jìn)行管理，該軟件具有面向用戶的星座管理、數(shù)據(jù)庫集成、指令快速開發(fā)和校驗(yàn)、報(bào)告自動(dòng)生成、動(dòng)態(tài)門限產(chǎn)生、支持從發(fā)射入軌、早期軌道段和長(zhǎng)管段所有的管理階段。 5.1 發(fā)射入軌 第一代ORBCOMM 衛(wèi)星的運(yùn)載工具采用飛馬座XI 空中發(fā)射的運(yùn)載火箭，一旦飛馬座火箭將疊裝在一起的Orbcomm衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，內(nèi)部定時(shí)器就控制各個(gè)衛(wèi)星與飛馬座火箭陸續(xù)分離。對(duì)于8顆衛(wèi)星疊在一起的發(fā)射封裝結(jié)構(gòu)，4顆衛(wèi)星先部署在正速度矢量方向，然后飛馬座末級(jí)使余下的4星疊裝結(jié)構(gòu)作180度轉(zhuǎn)向，將這4顆衛(wèi)星部署在負(fù)速度矢量方向，每當(dāng)部署一顆衛(wèi)星時(shí)，同時(shí)觸發(fā)三個(gè)非爆破式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使這顆衛(wèi)星解鎖，然后3個(gè)分離彈簧將該衛(wèi)星推出，圖16是8顆衛(wèi)星部署程序的過程圖解。
圖16 第一代ORBCOMM 8顆衛(wèi)星軌道部署過程 5.2 軌道維持 衛(wèi)星入軌后的幾個(gè)星期利用其星載氮冷氣推進(jìn)系統(tǒng)按預(yù)定計(jì)劃進(jìn)行幾次機(jī)動(dòng)，以增加同一軌道平面中的衛(wèi)星的分離速率。在衛(wèi)星接近其合適的工作位置后，利用幾次短脈沖機(jī)動(dòng)使衛(wèi)星加速，再利用幾次脈沖機(jī)動(dòng)使衛(wèi)星減速。
圖17 ORBCOMM羽狀太陽帆板張開和收縮狀態(tài)。 5.3 姿態(tài)控制 星上姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）包括姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)包括兩個(gè)紅外地球敏感器、6個(gè)由太陽光電池輸出信號(hào)指示太陽位置的太陽敏感器以及一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)，控制系統(tǒng)是兩個(gè)正交的磁棒。衛(wèi)星入軌分離后， 星上姿態(tài)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)星上天線和太陽帆板的定向，同時(shí)利用一個(gè)大端質(zhì)量產(chǎn)生的重力梯度力矩保證使衛(wèi)星天線指向天底。ACS有5種工作模式：發(fā)射模式， 穩(wěn)定模式，安全保持模式，偏航對(duì)地模式、推力機(jī)動(dòng)模式。 5.4 衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)護(hù) 星上計(jì)算機(jī)承擔(dān)監(jiān)護(hù)衛(wèi)星健康狀態(tài)任務(wù)，它對(duì)星上各分系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)“體檢”，對(duì)星上每個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行輪詢，使之做出回答，如果某個(gè)分系統(tǒng)不作回答，計(jì)數(shù)器就遞增1。于是就給測(cè)控人員發(fā)送一條信息，或?qū)⑦@一情況按后處理數(shù)據(jù)形式記錄下來。一旦該分系統(tǒng)計(jì)數(shù)器值達(dá)到某個(gè)特定值，飛行計(jì)算機(jī)就根據(jù)其健康狀態(tài)表的配置情況做出幾種選擇，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 6 衛(wèi)星應(yīng)用 6.1 短信息和物聯(lián)網(wǎng) Orbcomm主要為運(yùn)輸、海事、重型裝備、工業(yè)和遠(yuǎn)端資產(chǎn)和政府提供M2M服務(wù)，如圖18所示，具體如下： （1）固定資產(chǎn)監(jiān)視，如數(shù)據(jù)讀取、遙控，管線和容罐監(jiān)視； （2）移動(dòng)資產(chǎn)監(jiān)視，如重型裝備監(jiān)視、車隊(duì)，丟失車輛定位； （3）短信服務(wù)，個(gè)人、商業(yè)、政府和小型飛行器短信通信； 一個(gè)典型的M2M服務(wù)示例如圖19所示，它為冷藏車隊(duì)服務(wù)，采集車門開/關(guān)信號(hào)、車內(nèi)溫度、運(yùn)輸里程、位置、油料消耗等各種信息，圖20是采集的信息處理結(jié)果。
圖18 Orbcomm的主要服務(wù)對(duì)象
圖19 Orbcomm采集的一個(gè)冷藏車信息位置
圖20 Orbcomm采集信息的處理結(jié)果 6.2 近地衛(wèi)星測(cè)控 美國(guó)OHBTechnology公司利用其Rubin小衛(wèi)星系列進(jìn)行了多次使用Orbcomm系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)測(cè)控試驗(yàn)。
圖 21 基于Orbcomm測(cè)控應(yīng)用示例和其信關(guān)站在全球的分布 （1）Rubin-1 2000年7月Rubin-1發(fā)射，在5天的試驗(yàn)時(shí)間里，通過互聯(lián)網(wǎng)收到了1600條E-mail信息，驗(yàn)證了基于Orbcomm進(jìn)行小衛(wèi)星測(cè)控的可行性。Rubin-1與Orbcomm衛(wèi)星之間最長(zhǎng)通信距離7500km。
圖 22 基于Orbcomm的Rubin-1測(cè)控原理 （2）Rubin-2 2002年發(fā)射的Rubin-2是第一個(gè)完全使用互聯(lián)網(wǎng)和Orbcomm系統(tǒng)衛(wèi)星測(cè)控的小衛(wèi)星，軌道高度650km,傾角64.56°，其Orbcomm終端性能指標(biāo)如圖23所示，衛(wèi)星重30kg，功率20W。試驗(yàn)結(jié)果表明：30%的信息可以在1分鐘內(nèi)收到、90%的信息可以在10分鐘內(nèi)收到，每條信息長(zhǎng)度為229byt，一天信息傳輸總量為30KB。
圖 23 Rubin-2指標(biāo)和測(cè)控系統(tǒng)組成 6.3 火箭發(fā)射測(cè)控 在衛(wèi)星測(cè)控的基礎(chǔ)上，OHBTechnology公司又以利用其Rubin-3衛(wèi)星使用Orbcomm系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了火箭發(fā)射測(cè)控試驗(yàn)，近實(shí)時(shí)的獲得了星箭分離點(diǎn)和各類事件的信息，如圖24所示。Rubin-3衛(wèi)星安裝了3通道的Orbcomm接收機(jī)，它的天線分別安裝在三塊太陽能電池邊緣，如圖25所示。
圖 24 Rubin-3火箭測(cè)控原理和接收的發(fā)射事件系列信息
圖 25 Rubin-3終端和天線的安裝位置 6.4 AIS數(shù)據(jù)采集 從第二代衛(wèi)星開始，Orbcomm增加了海上目標(biāo)識(shí)別（AIS）服務(wù)，提供近實(shí)時(shí)的AIS服務(wù)，隨時(shí)可以掌握海上目標(biāo)在全球的位置信息，如圖26所示。其AIS載荷可以接收頻率在161-163MHz之間的AIS信號(hào)。最初接收頻率為161.975MHz(Channel87B)-162.025MHz(Channel88B)。使用16顆二代衛(wèi)星和16個(gè)全球布設(shè)的信關(guān)站，ORBCOMM擁有超過180萬用戶，每天處理2800萬條消息，86％的消息平均延遲不到一分鐘。
圖 26 Orbcomm的海上目標(biāo)識(shí)別（AIS）服務(wù) 7 用于一個(gè)典型近地衛(wèi)星測(cè)控分析 截止到2018年12月7日，共有36顆Orbcomm衛(wèi)星正常工作，其中35顆完全正常，一顆部分正常。我們用這36顆星為一個(gè)500km軌道高度、97度傾角的衛(wèi)星提供中繼測(cè)控服務(wù)。圖 27是一顆用戶星進(jìn)入Orbcomm對(duì)地波束的中繼示例，其中用戶星測(cè)控天線對(duì)天、波束寬度90°，Orbcomm衛(wèi)星對(duì)地波束寬度62°。
圖27 一顆Orbcomm為用戶星中繼服務(wù)示例 圖28是Orbcomm系統(tǒng)對(duì)用戶星24小時(shí)覆蓋時(shí)間統(tǒng)計(jì)，可以看出36顆Orbcomm衛(wèi)星在1天內(nèi)有50次可見該用戶星，連續(xù)可見時(shí)間最長(zhǎng)194s,最短9s,平均70s。覆蓋率為4.1%。同時(shí)我們還統(tǒng)計(jì)了一顆Orbcomm可見用戶星覆蓋范圍內(nèi)兩顆星的距離變化統(tǒng)計(jì)：兩顆星最小距離372 km、最大767km，平均610km。
圖28 Orbcomm系統(tǒng)24小時(shí)可見一顆用戶星時(shí)段分布 |
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