1、DOI:1020079/jissn1001893x211207003引用格式:李凯，李峰，杨伟铭天基物联网:基本概念、体系架构及发展趋势 J 电讯技术，2023，63(2):281290LI K，LI F，YANG W MSpace-based Internet of Things:basic concepts，system architecture and development trendsJ Telecommunication Engineering，2023，63(2):281290天基物联网:基本概念、体系架构及发展趋势*李凯，李峰，杨伟铭李凯，李峰，杨伟铭(军事科学院系统工程研究院
2、，北京 100171)摘要:物联网技术的发展和天基网络的成熟催生了天基物联网的概念。国家新型基础设施建设的提出为天基物联网的建设奠定了政策基础。自然资源调查、时空信息服务、应急救灾服务等为天基物联网提供了广阔的应用空间，天基物联网已经具备了良好的建设基础。介绍了国内外天基物联网的发展现状，结合物联网的定义阐释了天基物联网的基本概念和体系结构，分析了天基物联网技术发展趋势，可为天基物联网的技术研究和建设应用提供参考。关键词:天基物联网;基本概念;体系架构;能力目标;应用领域;发展趋势开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN3
3、93文献标志码:A文章编号:1001893X(2023)02028110Space-based Internet of Things:Basic Concepts，System Architecture and Development TrendsLI Kai，LI Feng，YANG Weiming(Systems Engineering esearch Institute，Academy of Military Sciences，Beijing 100171，China)Abstract:The development of Internet of Things technology an
4、d the maturity of space-based networks havespawned the concept of space-based Internet of Things(SIoT)The new national infrastructure constructionhas laid a policy foundation for the construction of SIoT Natural resource surveys，spatio-temporalinformation services，emergency disaster relief services，
5、etcprovide a broad application space for SIoTSIoTalready has a good foundation for constructionThis paper introduces the development status of SIoT at homeand abroad，explains the basic concept and architecture of SIoT according to the definition of IoT，analyzesthe development trends of SIoT technolo
6、gy It provides a reference for the technology research andconstruction application of SIoTKey words:space-based Internet of Things(SIoT);basic concept;system architecture;capability goal;application area;development trend0引言物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络，它利用多种传感设备对物理世界进行感知与识别，通过信息网络传输感知数据，并对其进行计算、处理和分析，实现人与人、人
7、与物、物与物之间的信息交互，达到对物理世界管理、控制与决策的目的12。自 1999 年物联网的概念提出至今，已过去了 20 多年的时间3。伴随这些年来信息通信、计算机、传182第 63 卷 第 2 期2023 年 2 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol63，No2February，2023*收稿日期:20211207;修回日期:20220123通信作者:李峰感器等技术的发展，物联网已经逐步从概念走向实践与应用。美国、欧盟、日本、韩国等发达国家和地区均高度重视物联网技术的发展与应用，展开了持续深入的研究410。我国在 2010 年就将物联网写入政府工作报告
8、11，从战略角度布局其研发与应用1214。在 5G、大数据、人工智能等技术的支撑下，物联网或将成为新一次信息产业革命的代表，并对社会发展产生深远影响。天基信息网络是地面信息网络向太空的延伸和扩展，它是随着航天技术、通信技术和网络技术的发展而成长起来的15。天基信息网络以卫星通信技术为基础，与地面信息网络相比，具有覆盖范围广、抗毁能力强等优势，可以接入地面通信无法或难以接入的终端用户，且能够在自然灾害等恶劣环境下继续发挥作用1518。卫星轨道和频段属于稀缺资源，争夺激烈15，19，世界各航天强国均大力发展各自的天基信息网络。美国对天基信息网络的研究较早2024，欧盟、俄罗斯等也开展了相应的研究。
9、我国 1999 年就召开了天基综合信息网络研讨会，2016年实施天地一体化信息网络重大工程25，2020 年将卫星互联网列入“新基建”范围26，有望加速天基信息网络的建设。将天基信息网络与物联网的概念进行结合，就形成天基物联网的概念。天基物联网利用天基信息网络和各种传感器将地球上的人、物等连接起来进行信息交互，并通过对信息的分析处理实现对物理世界的管理、控制和决策。与传统的物联网相比，天基物联网具有诸多优势，如覆盖范围更广，能够实现天空地海的三维空间立体覆盖;能够感知和连接地面网络无法到达的地方，如沙漠、海洋、偏远山村等;感知节点部署在太空，因此具有更强的抗毁能力。天基物联网具备天基信息网络的
10、所有优势，并带有物联网连接万物的特征，这使得天基物联网能够实现全球感知、全球物联、全球应用等功能。进入 21世纪，自然灾害监测、卫星资源抢夺、偏远地区物联感知等现实需求都为天基物联网建设提供了必要条件。天基物联网将能够在自然资源、交通运输、生态环境、国防军事等多个领域发挥作用。例如，天基物联网通过天基传感器能够感知大区域范围的自然环境要素，服务于自然资源监测;通过天基传输网络为交通运输领域建立天地一体、全球覆盖的交通运输信息化基础通信信息网络;在森林、湿地、鸟群等场景中布设相应的传感器，并通过天基网络进行信息传输处理，对自然生态环境进行监测;在国防军事中用于全球侦察监视与预警等，服务于国家战略
11、安全。当前已有文章对天基物联网发展现状、关键技术进行了综述:文献 27 讨论了天基物联网系统的主要任务应用程序，分析了其关键任务应用和部署问题;文献 28 认为，开放性问题、新挑战和创新技术已成为天基物联网的研究重点，并分析了当前物联网标准化框架将对天基物联网系统的适用性。本文则着眼于天基物联网的实际建设应用和未来发展趋势，在概述天基物联网发展现状的基础上，介绍了天基物联网的基本概念和体系架构，分析了天基物联网未来的技术发展趋势，可为天基物联网的论证与实施提供参考，同时更具有实际应用价值。1天基物联网发展现状目前在学术界和产业界对于天基物联网还未形成明确的概念，但是天基通信、遥感、导航等网络的
12、建设已经取得了很大进展，有些系统已经或基本建设完成。基于天基信息网络，美国等国家也开展了数据采集、监测、管理、控制等应用，这些应用都属于天基物联网的范畴;同时也出现了一些以天基物联网为建设目标的星座计划。美国在本世纪初就提出并逐步实施了星间互联网(Interplanetary Internet，IPN)20，29、下一代太空互联网(Next Generation Space Internet，NGSI)21 等卫星通信系统项目，对卫星组网、通信协议体系等天基信息网络的关键技术展开研究。随着火箭回收和小卫星等技术的发展，卫星制作、发射与运行的成本大幅下降，商业公司开始参与大规模低轨卫星通信系统的
13、研究与建设，如美国 One Web、SpaceX 等商业公司均提出自己的卫星互联网计划并进入了建设阶段。欧盟和俄罗斯也发展了各自的卫星通信网络计划。我国已经在轨运行了天通系列等高轨卫星移动通信系统，但是低轨卫星通信系统部署相对较慢。近几年，航天科技、航天科工等集团分别提出建立“鸿雁”“虹云”等卫星互联网星座项目并开展实施。随着卫星互联网列入我国新型基础设施建设等政策支持，我国即将迎来卫星通信星座的加速部署与发展。在卫星传感器领域，美国早期提出了传感网282wwwteleonlinecn电讯技术2023 年(Sensor Web)3031、智能地球观测卫星(IntelligentEarth Ob
14、serving Satellite，IEOS)32 等项目，对卫星传感器的集成应用和信息融合处理开展研究。美国Planet Labs、EarthNow、欧盟的空中客车等商业公司均开展构建对地观测的卫星星座，其中 Planet Labs已经能够提供全球地球影像的每日更新能力。我国2010 年启动了国家重大专项高分辨率对地观测系统，现在已经基本建成了全球对地观测网络，下一步重点将转向应用。随着中国商业航天领域的逐步开放，商业公司也开展了对地观测卫星星座的筹划，如深圳企业发起了“灵鹊”遥感星座计划，欲实现半天覆盖全球的目标。在卫星导航领域，美国 20 世纪 70 年代就建成了 GPS 并投入使用。欧
15、盟、俄罗斯、中国近些年来也分别建立了各自的全球定位系统，即“伽利略”(Galileo)、格洛纳斯(Glonass)、“北斗”。依托强大的综合国力，我国最新一代的“北斗”导航定位系统建设迅速，2020 年已完成最后一颗卫星的发射部署。我国还开展了基于“北斗”的变电设施监控等应用，取得了良好效果。此类应用也属于卫星导航在天基物联网领域的应用探索。作为卫星应用的三大领域，通信、导航、遥感的融合与一体化发展是未来必然的发展趋势，也是天基物联网建设的基础。美国提出了全球信息栅格(Global Information Grid，GIG)3334，用于综合集成美军在全球部署的传感器、计算机、武器平台，建立信
16、息化作战的空间信息网络。该项目已经具备了天基物联网的部分特征。2018 年，美国国防高等研究计划局开展了“黑杰克(Black Jack)”卫星星座项目35。“黑杰克”计划与以往项目的不同之处在于其战略目标是设计出一种通用化的卫星平台，可同时携带两到三种不同载荷，不必再单独为通信、导航、遥感等载荷各自设计平台36。我国在 2000 年明确了建设天地一体化网络系统的发展目标，并在2016 年实施了天地一体化信息网络重大工程，这些研究仍以卫星通信网络建设为主，对于遥感、导航等卫星，主要从接入卫星通信网络的角度进行了探讨。2006 年沈荣骏院士37 提出天地一体化航天互联网的概念，从航天测控的角度出发，将各种卫星传感器连接为一张网络，但是缺少对卫星通信的考虑。李德仁院士3840 提出了空天地一体化对地观测网络、互联网+天基信息服务系统、对地观测脑等构想，通过采集、传输和处理海量数据，实现通信、遥感和导航一体化的天基信息实时服务4143。当前天基物联网的实践主要是以天基通信网络为基础，通过在地面上布设传感器终端，如定位终端、数据采集终端、海洋环境监测仪器等实现物联网应用，美国的 Orbcomm
