根據國際電信聯盟定義，物聯網是解決物品與物品，人與物品，人與人之間的互聯互通的網絡。天基物聯網是以天基通信網絡為核心和基礎，并融合了天基導航、遙感等服務，為物品與物品，人與物品，人與人提供無障礙交互的綜合信息系統。

鑒于天基信息系統的特點，天基物聯網相比傳統物聯網增加了許多獨特的優勢：

1) 通信網絡覆蓋地域廣，可實現全球覆蓋，傳感器的布設幾乎不受空間限制。

2) 幾乎不受天氣、氣候影響，全天時全天候工作。

3) 系統抗毀性強，自然災害、突發事件等應急情況下依舊能夠正常工作。

物聯網從1999年提出至今，已經形成了完整的概念，依托地面網絡的物聯網應用逐漸發展成熟，但在一些大范圍、跨地域、惡劣環境等數據收集的領域，由于空間、環境等限制，地面物聯網無能為力，出現了服務能力與需求失配的現象。這些領域包括：

1) 海洋、森林、礦產等資源的監視與管理

2) 森林、山體、河流、海洋等地區災害的監測、預報

3) 深海、遠海的海洋監測管理，海上浮標、海上救生等

4) 交通、物流、輸油管道、電網等監控管理

5) 野外環境下珍稀動物的跟蹤監測

6) 軍事的無人機、導彈、艦船、車輛的協同控制

利用天基信息網絡的優勢，通過天基物聯網載荷和終端設備，將復雜環境下的傳感器連入天基物聯網，實現物聯信息的跨地域傳輸，是解決目前地面物聯網短板的有效途徑。隨著我國天地一體化信息網絡技術的不斷發展，天基物聯網的應用前景充滿潛力。

目前國內外并沒有相關文獻明確提出天基物聯網的概念，但是基于天基信息系統開展的數據采集、監測及控制等在某些領域已經發展的較為成熟，這些應用本質上都屬于天基物聯網的范疇。比較典型有國外的Orbcomm系統，Argos系統，國內基于北斗系統的輸變電設施遠程監控，以及軍事上的衛星數據鏈等。

1.1 Orbcomm系統

“軌道通信”(ORBCOMM)系統是美國ORB-COMM公司擁有的全球數據通信衛星系統。ORB-COMM系統是專門針對雙向短數據傳輸的商業化低軌衛星星座，1997年投入使用。由美國軌道通信公司和加拿大Teleglobe公司合伙經營。星座由36顆星組成，軌道高度825km，單星重量43kg。Orbcomm地面段包括一個網絡控制中心和一定數量的關口站。整個Orbcomm系統由一個網絡控制中心負責運行管理。關口站的主要任務是在一定的服務區內提供報文處理和對用戶進行管理。Orbcomm系統用戶終端使用的是較低成本的VHF電子設備，這種設備天線設計簡單、結構緊湊、安裝靈活、功耗低，可由長壽命電池供電。

利用Orbcomm衛星系統, 用戶可以開展包括遠程數據采集、系統監控、車輛船舶及移動設施的跟蹤定位、短信息報文的傳遞、收發電子郵件等方面的應用。ORBCOMM 系統的應用涉及多工業領域, 諸如交通運輸、油氣田、水利、環保、漁船和消防報警等方面。

1.2 ARGO系統

“高級研究與全球觀測衛星”(Argos)系統是由法國和美國聯合建立，該系統利用低軌衛星傳送各種環境監測數據，并對測量儀器的運載體進行定位，為高緯度地區的水文、氣象監測儀器提供了一種很好的通信手段。

ARGO全球海洋實時觀測計劃在全球大洋中每隔300km布放一個由衛星跟蹤的剖面漂流浮標，總計為3000個，組成一個龐大的ARGO全球海洋實時觀測網。ARGO計劃是一個典型的利用天基信息網絡將人、平臺和傳感器互聯的天基物聯系統，能快速、準確、大范圍地收集全球海洋0~2000ｍ的海水溫度和鹽度剖面資料，有助于更細致地了解大尺度實時海洋的變化，提高氣候和海洋預報的精度，有效防御全球日益嚴重的氣候和海洋災害（如颶風、臺風、龍卷風、冰暴、洪水和干旱，以及風暴潮、赤潮等）給人類造成的威脅。

Argos系統的應用非常廣泛，包括氣候變化監測、海洋與氣象監測、生物多樣性保護、水資源監控、海上資源管理和保護等。

1.3 北斗物聯網應用

我國在廣西電網玉林變電站對基于衛星物聯網的輸變電設施遠程監控系統進行試點應用。在變電站現場，監控終端包括主變監控終端、母線監控終端、斷路器監控終端等，這些監控終端將采用衛星接入機、衛星小站、無線數據發射模塊等與北斗衛星組成雙向通信線路。位于南寧的廣西電網設備監測與評估中心，可以通過衛星信道向監測終端發送數據采集周期、監測裝置重啟、監測裝置自檢、時間同步與校準等命令。另一方面，也可以接收監測終端發送來的監測數據，通過縱向分析、橫向比對等方式判斷被監測的輸變電設施的健康狀態。通過北斗物聯網在玉林站的應用，有效提高了該站輸變電設施的運維效率，降低設施的運維成本，提高了設施的供電可靠性，每年節支增收超過500 萬元。因此，基于天基物聯網的輸變電設施遠程監控系統具有非常高的經濟效益和推廣前景。

1.4 衛星數據鏈

除了在民用方面，在軍事上天基物聯網也具備巨大的應用價值，最典型的應用當屬衛星數據鏈。它按照統一規定的消息格式和通信協議，在廣域范圍內支持天基和空基傳感器網絡、指控系統、情報處理中心、武器平臺之間的直接鏈接，從而有效減少信息處理環節，提高系統應用時效性。

目前國際上正在研究或裝備使用的衛星數據鏈主要有三種，英國皇家海軍衛星戰術數據鏈(STDL)、美國海軍的衛星戰術數據信息鏈路J（S-TADIL J）、美國空軍的JTIDS延伸（JRE）。衛星數據鏈目前被廣泛的用于大范圍、超視距指揮控制、大范圍戰場情報實時獲取、廣域態勢共享、多軍種戰術級協同、跨區域多個異構數據鏈網絡互連、全球快速精確打擊等領域。

從上面可以看出，天基物聯網的應用領域十分廣泛，不同應用領域的用戶數量、數據大小以及對實時性的要求存在較大差異，這些差異給天基物聯網的設計帶來了挑戰，根據這些數據信息的特征差異，可以將適合天基物聯網的應用對象分為幾個大類：

1）數據采集類：又分為兩個子類：

a、參數采集類：例如布設在運輸車輛、輸油管道，輸電線路，浮標、原始森林的監測傳感器等。此類數據由于內容主要是一些格式固定的參數信息，數據量小，通常在比特量級。因此，對傳輸帶寬、傳輸速率要求不高，對硬件要求不高，終端容易做到小型化，適合大范圍布設，用戶數量比較多。在實時性方面，一般采用存儲轉發的機制，不需要像實時語音那樣的苛刻要求，采集的間隔根據不同的應用從幾分鐘到數小時不等。可采用低軌衛星接入，用戶鏈路速率設計在Kbps量級，饋電鏈路幾十Kbps即可滿足要求，如orbcomm系統。 

b、圖像/視頻采集類：例如無人偵察機、彈載偵察設備、浮空設備等。此類應用產生的數據主要是圖像和視頻，數據量較大，單位時間內產生的數據量從數十KB到數百MB不等，例如美國全球鷹無人偵察機每秒數據在百MB量級。且在一些特定任務下有比較高的實時性要求，例如實時指揮無人機戰術打擊。此類應用一般采用寬帶衛星接入，設計傳輸速率要達到數十乃至上百MB/s。該類應用對天基信息系統的傳輸性能提出了較高要求。

2）數據廣播類：廣域，寬/窄帶信息。主要對象包括各類傳感節點、控制節點、作戰單元、應急信息、天氣信息、交通狀況等。廣播類的數據類型繁多，從數據量較小的指令參數到數據量大的高清視頻都可以通過衛星廣播實現。在某些應用下對實時性有一定的要求，例如電視直播和戰區同意行動指令的下達。衛星系統的設計以高軌寬帶為主，星上硬件配置較高，天線具有較大陣面。地面終端類型根據業務不同，種類較多，大小不一。數據廣播類的應用目前較為成熟，這里不做過多分析，但其對天基物聯網的整體建設至關重要，是一種不可或缺的業務組成和手段。

3）控制類：數據率較低、實時性高、信道專用、高可靠保障。主要對象包括車輛、飛機、船只、導彈、無人機、無人車、臨近空間飛行器等。該類應用傳輸的信息主要是控制指令和實時狀態，例如在軍用上空中行動的引導指揮、無人裝備的指揮控制、戰情的報告、請示等。民用上主要是一些超視距、無人機器或值守戰行動指令的下達，例如野外無人值守電力站控制、外星環境探測器控制等。由于傳輸的數據以控制類信息為主，數據量較小，Kbps量級甚至是bps量級通信鏈路即可沒滿足速率要求。但是由于控制指令至關重要，容錯性低，該應用對信息傳輸的安全性、可靠性要求十分高，系統設計時在安全保密、抗干擾、編譯碼糾錯等方面要進行重點考慮。同時由于控制目標的狀態可能實時改變，該類應用對實時性的要求非常高。

通過對天基物聯網的應用對象進行分類，可以針對性開展天基物聯網架構設計，如針對數據采集類的應用，由于用戶數量眾多、信息量較少，對應的終端設備易采取小型化的設計，利用低軌數據采集星座可以很好的滿足此類用戶的需求；針對數據廣播類的用戶，分布較廣，對信息的需求基本一致，采用高軌廣播的方式較為合適；對控制類的應用，實時性要求較高，宜通過低軌通信系統進行連接，且要建立固定信道，保障信息及指令的實時傳輸。

以天基信息網絡特點為基礎，參照物聯網的體系架構，設計天基物聯網體系如下。主要包括三個層面：感知層、網絡層以及應用層，其中標準規范和網絡信息安全貫穿三層之中。

圖1 天基物聯網體系架構

感知層主要用于采集、定位物理世界中發生的事件和數據，包括各類物理量、標識、圖像、音頻、視頻等。該層包含兩個主要部分，一是傳統地基物聯網感知信息的天基物聯網接入，通過增加衛星地面收發系統，將地面的局域傳感網絡與天基網絡互連，建立天地鏈路，實現天基物聯。二是天基感知信息的天基物聯網接入，如衛星遙感、衛星定位以及衛星數據采集系統的感知信息，此類衛星的感知數據可直接進入天基物聯網系統，通過相應處理提供信息服務，如在衛星遙感圖像中提取地形、地貌、地質、空間環境、地面目標的特征、災害面積、災害程度等信息，結合衛星定位，并在應用層與地面傳感器設備采集的數據進行融合處理，獲取更精準、透徹的地面信息。

網絡層主要由接入單元、天基傳輸網絡和云架構的空間/地面處理平臺組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。接入單元主要是星載物聯網載荷設備，是天基物聯網的網關。傳輸網絡包含信息獲取網、信息傳輸網、時空基準網和地面站網。信息獲取網主要指衛星遙感系統和小衛星采集星座系統組成的網絡；信息傳輸網包括高軌的骨干通信網、低軌的移動通信網以及高低軌之間的星間網絡鏈路；時空基準網是衛星導航定位系統組成的網絡；地面站網指衛星的地面接收站、處理中心、測控中心組成的衛星系統地面網絡。

這四個部分互通互聯共同形成天基物聯網傳輸網絡。未來的物聯網業務將構建在融合基礎（云）設施之上，天基物聯網也不例外。物聯網產生、分析和管理的數據將是海量的，需要可擴展的巨量計算資源予以支持，而云計算能夠提供彈性、無限可擴展、價格低廉的計算和存儲服務，滿足物聯網需求。隨著未來天基信息系統的發展，空間載荷能力的提升，利用空間資源開展空間云平臺的搭建，實現空間計算、存儲資源的高效利用成為未來天基物聯網發展的重要趨勢。地面應用系統通過引入云計算，構建地面數據處理云平臺的技術已經相對比較成熟，在此不予贅述。

應用層是天基物聯網和用戶的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用，如智能物流、智能軍事、環境監測、智能電力等。

標準規范是天基物聯網構建的保障。各個行業和領域的物聯網應用是一個多設備、多網絡、多應用、互聯互融的超大網絡，為實現信息的互聯互通和全網共享，所有的接口、協議、標識、信息交互及運行機制等，都必須有統一的標準規范作指引。一方面，具備空間信息網絡與物聯網實現互聯互通、信息共享的網絡接口、協議標準；另一方面，具備支撐天基物聯網絡運行并提供服務數據的本行業或領域內的數據、信息、傳感器及其管理標準。

除了以上內容，由于天基物聯網是通過天基信息網絡實現 M2M 智能相連的，因此，天基物聯網的網絡及信息安全問題是貫穿三層的另一重要保障。

根據天基信息網絡中GEO、MEO、LEO衛星系統的分布特點和優勢，結合國內外天基物聯網系統的發展，通過合理規劃布局，突破空間云計算、星間組網、激光通信、數據采集、小型化終端等關鍵技術，建立能夠滿足不同行業領域物聯需求的天基物聯網總體架構。

圖2 天基物聯網組成架構

天基物聯網架構中包含地面段、空間段和用戶端。各段的主要組成如下：

1) 空間段：天基通信系統（包括高軌通信系統、低軌DCS系統）、導航定位系統、遙感探測系統、虛擬空間信息處理中心。

2) 地面段：管理服務平臺、數據處理中心、接收站網和運控中心

3) 用戶端：微小型終端、固定終端和移動終端

4.1 空間段

天基物聯網的空間段充分利用高軌衛星廣域覆蓋，低軌衛星低時延、高增益以及遙感衛星廣域感知，導航衛星精確定位等特點，由高中低軌配合的天基通信、導航、遙感衛星系統互聯互通形成。通過空間資源虛擬化技術，搭建空間處理的云平臺，實現空間信息處理，該設計將大大增加數據的利用率。

天基通信系統是天基物聯網的核心，主要包含高軌通信系統和低軌DCS星座，高軌通信系統主要針對數據廣播類應用，可以充分利用衛星信道，實現廣域的信息分發，如氣象信息、突發災害信息、戰場指令等。高軌布設多顆大容量、高性能同步軌道衛星，建立星間激光鏈路，實現大采集數據應用的高速中繼傳輸；以高軌同步軌道衛星為基礎，通過空間組網和空間虛擬化技術，搭建云架構的空間信息處理中心。空間信息處理中心是未來天基信息網絡的發展趨勢，當前物聯網對實時性提出了日益嚴苛的要求，在空間建立處理中心，將傳感器信息如遙感圖像信息，在空間直接進行分析處理，提取關鍵情報，直接下發用戶，對提高信息實時性，提高數據利用效率，減小數據傳輸量，降低衛星信道占用具有重要意義。低軌DCS星座主要針對數據采集類應用和控制類應用，如海洋、森林、礦產監測以及軍事指揮控制、武器協同等。衛星遙感是利用衛星上的感知設備，對監測區域和特定設施進行高解析度的監測。衛星遙感數據可作為智能物聯網的決策非常重要的輔助數據，在某些應用中，如物流、應急等，遙感信息將發揮至關重要的作用。衛星導航系統可在交通、運輸等領域大量應用，具有精度高、覆蓋面廣、全天候、全天時等優點，可以有效為物流車輛、輸變電設施的運維提供可靠的位置、距離、時間等信息。

4.2 地面段

地面段主要由管理服務平臺、數據處理中心，運控中心以及接收站網組成，完成對系統衛星的遙測遙控、業務數據收發，終端接入控制、信道資源管理，以及系統內設備管理和監控，以及對終端原始數據進行處理、分發、存儲，并對用戶提供多種基礎業務和部分增值業務。地面應用系統同樣引入云計算技術，搭建云平臺，通過地面柵格信息網絡向用戶提供服務。

4.3 用戶段

用戶終端是用戶請求天基物聯網服務的接口，天基物聯網的終端大致包括兩種，一種是具備衛星通信功能的終端，本身含有傳感器和控制功能，可獨立連接天基物聯網進行工作。另外一種是地面收發系統，將周圍傳統的傳感器數據通過互聯網或其它地面網絡接入，通過地面收發系統連接入天基物聯網開展工作，它適用于不具備衛星通信功能的傳感器網絡或者物聯網終端。從具體產品類型上，可以分為微小型終端，如魚類、鳥類、野生動物監測終端；固定終端，如海洋浮標、電力監測設備、輸油管道監測設備、自動氣象站等；移動終端，如手持終端、車載終端、船載和機載終端等。

本文針對天基物聯網不同特征對象的應用需求，設計了相應的應用模式。

5.1 采集類應用

采集類應用一般用于森林、礦產、海洋、農業、電力等領域的監測方面。應用時從地面傳感器獲得各類監測信息，由數據采集終端將環境監測信息發送至低軌DCS衛星星座，一般情況下通過DCS衛星星座將監測信息發送至地面網關站，送至數據處理中心進行數據的解析處理（遙感信息可直接進入通過天基網絡，送入處理中心處理），然后通過地面網絡將數據發送至用戶的監測中心；在特殊模式下（如地面網絡出現問題），可直接在空間數據處理中心對監測數據進行處理，然后通過衛星網絡直接將數據發送給用戶的監測中心。圖3給出了天基物聯網在采集類應用中的工作模式。

圖3 天基物聯網采集類應用工作模式

5.2 控制類應用

控制類應用一般應用于軍事領域，任務建立時，指揮控制中心可以通過地面和空間網絡兩條路徑接入天基物聯網，通過管理服務平臺，配置網絡資源，建立固定通信信道，保障鏈路不中斷，對飛機、導彈、車輛等進行實時的監視控制。對于對實時性要求比較高的控制，一般建立低軌控制鏈路，減少網絡延遲。

圖4 天基物聯網控制類應用工作模式

5.3 廣播類應用

廣播類應用一般用于較大區域內信息的廣播分發，如地震、洪水、氣象等自然災害信息的廣域分發，以及遠程戰區的全區作戰指令下達。在災害監測模式下，一般采用定時發送的模式，每天在固定時刻發送監測信息，當傳感器采集數據超過預警閾值時，采集終端開啟應急模式，立刻將信息（如地震、洪水、火災等）通過天基物聯網直接發送給地面用戶。

圖5 天基物聯網廣播類應用工作模式

天基物聯網是物聯網的重要組成也是物聯網的延伸，它擴展物聯網的覆蓋面，又有效提高整個物聯網的經濟性和可靠性。可以被廣泛的應用于國防建設、國家安全、應急保障、交通物流、農業、林業等多個領域。隨著我國天地一體化信息網絡的完善和實施，天基物聯網將極大的推動衛星產業的發展升級。