應用低軌衛星通信的集裝箱跟蹤裝置的設計

曹文勝 許世博

（交通運輸部水運科學研究所 北京市 100088）

1 概述

一般將衛星軌道高度低于2000 千米以下的衛星稱為低軌道衛星。由于低軌道衛星和地球不同步運轉，為完成對地面同一點的不間斷衛星服務，必須有不同的衛星接力完成，因此，低軌道衛星系統普遍是由多條軌道上的多個衛星組成，衛星的分布也被稱作衛星星座。

集裝箱運輸是世界貨物運輸最主要的運輸方式，對于危險品運輸、冷鏈運輸、高附加值貨物的運輸，監管機構或客戶往往需要對集裝箱的運輸過程進行狀態跟蹤：實時地了解貨物的位置、安全、環境信息等狀態，保障貨物安全、防止挾帶偷渡、促進物流周轉。集裝箱狀態跟蹤裝置的數據信息可以實時利用移動通訊網絡或衛星通訊網絡回傳到用戶服務平臺上，平臺可以隨時向用戶和監管人員提供物流信息或事故報警，擁有移動通信模塊的跟蹤裝置為客戶帶來了即時獲知信息的便利。針對集裝箱運輸的全球化，在遠海、山區、人跡罕至的荒野，利用衛星傳送集裝箱運輸信息，無疑是一種很好的選擇。

近幾年來，由于衛星技術與火箭技術的不斷發展，衛星體積越來越小，一箭多星、回收火箭的應用，使火箭發射衛星的成本越來越低，普通用戶也可以負擔得起衛星進行數據信息通訊的成本，使低軌衛星的商業價值日益體現，成為國內外商業航天領域各方關注的焦點。

2 國內外低軌衛星的發展情況

最早比較有名的低軌衛星系統是摩托羅拉的“銥星系統”，它由66 顆無線鏈路相連的衛星組成，可以提供語音、數據、傳真和尋呼服務，主要面向個人提供全球通信服務，個人可通過衛星在地球上的任何地方撥出和接收電話訊號。該系統是第一代全球衛星移動通信星座系統，于1998年完成部署，耗資達50 多億美元，但最終由于用戶少、債務危機、市場疲乏、技術缺陷、管理松散等原因，2000年3月宣布破產。

圖1：第二代銥星星座概念圖

圖2：一種集裝箱跟蹤裝置電路組成

在2019年1月11日，銥星二代（Iridium NEXT）成功完成最后一組衛星發射，并于2019年2月6日宣布完成星座組網，正式投入運營。銥星二代由81 顆功能相同的衛星組成天基移動通信系統，其中66 顆工作星均勻分布在6 個軌道面上，輔以6 顆天基備份星和9 顆地基備份星。銥星二代將全面代替第一代銥星系統。如圖1所示。

目前國外還有StarLink、TeleSat 等低軌衛星系統，國內則有中國航天科技集團有限公司的“鴻雁”、中國航天科工集團有限公司的“虹云”、中國電子科技集團有限公司的“天地一體化網絡”以及銀河航天科技有限公司的低軌寬帶星座等，這些星座有的可以實現全球天基實時互聯的寬帶互聯網絡系統，有的可以提供物聯網接入服務、替代移動通信服務。這些星座目前多處于前期組網建設中，但無論如何，低軌衛星系統的蓬勃發展，為人們實現地球上任意地點的信息互聯，帶來了極大的便利。

3 低軌衛星的特點

相比地面移動通信網，低軌衛星系統具有信號覆蓋范圍廣，受地面建筑及地形干擾小，不易受到人為及自然災害的影響，可以實現全球覆蓋。

相比中高軌道衛星系統，低軌衛星體積小、重量輕，不需要大型助推火箭，發射準備時間短。相比靜止軌道衛星，地球表面覆蓋更全面。同時，低軌衛星系統具有傳輸延時短、路徑損耗小、頻譜利用率高、通信容量高，終端重量、體積、發射功率與普通手持移動通信終端相仿，可做到與普通移動終端一體化，真正做到全球無縫接入。

低軌衛星通信系統也存在固有的缺點，如需要衛星數量較多，相對于地面是進行高速運動的，地面終端會在不同衛星與不同波束之間進行頻繁切換，因此帶來用戶的資源管理、錨點管理、數據管理、地面控制、維護系統比較復雜。

總體對終端用戶而言，低軌衛星終端通訊模塊具有功耗低、體積小、天線小、使用費用低等優點，非常適合在集裝箱跟蹤裝置中的應用。

4 集裝箱跟蹤裝置的設計

集裝箱運輸時間周期長，如海運集裝箱往往一個單程就需要一個多月的時間，中歐班列雖然提高了集裝箱的貨運速度，但也是需要十幾天的時間，而集裝箱常游走于世界各地，上萬公里的行程，常常使集裝箱從高溫的熱帶跨越到低溫的寒帶。因此集裝箱及其附屬設備會長時間處于無人維護的狀態，這就要求集裝箱跟蹤裝置免維護的時間越長越好，一般長于2年。同時，跟蹤裝置應具有能耐受高溫、低溫、鹽霧、震動等嚴酷環境等特點。體積小巧、皮實耐用、免維護、使用成本低是集裝箱跟蹤裝置的設計要點，省電、降低通信費用就成為設計者考慮的重點。

如圖2，集裝箱跟蹤裝置電路設計中包含有主控電路、傳感器模塊、電源管理模塊、定位模塊、通信模塊等，定位模塊與通信模塊是裝置中的耗電大戶，相比于移動通信，衛星通信的耗電及使用費用仍然更高，移動通信在人口稠密地區的信號覆蓋會更好，模塊接入地面移動網絡的時間會更迅速，衛星模塊的信號被高大物體遮擋的幾率會更多一些，而且衛星信號受衛星數量的影響，在一些地方還不能做到實時都可以進行數據通信。因此，在普通集裝箱跟蹤裝置中應用雙通信模塊設計，在移動通信網絡條件好的地方應用移動通信網絡，而在沒有移動通信網絡的地方應用衛星通信網絡，將是一個最佳的選擇。

與普通集裝箱跟蹤裝置相比，含有衛星通信模塊的裝置在電路設計上更需要考慮低功耗設計、天線的選擇、電磁兼容和阻抗匹配等問題。

4.1 低功耗設計

除選用低功耗的芯片電路外，應用電源管理硬件設計，實現多分支電源網絡管理，使得系統各功能模塊的電源相對獨立供電，控制各模塊的工作時間，尤其是帶天線的通信模塊（定位、通信都非常耗電），一般4G 模塊、衛星定位模塊的工作電流可以到幾十毫安，衛星通信模塊的平均工作電流更高。當不需要模塊工作時，就應控制模塊進入低功耗待機狀態。如平時集裝箱跟蹤裝置處于低功耗狀態，當傳感器感知到狀態變化，如位置、震動、溫度等變化，就會喚醒跟蹤裝置，而平時就可以用定時器進行長定時喚醒。

跟蹤裝置需要將狀態數據發送到管理平臺，一般的通信流程是：首先啟動移動通信模塊，搜索附近有無可用的移動網絡，如果有就通過移動網絡發送狀態信息，如果無就啟動衛星通信模塊，尋找可用的衛星通信系統。當數據發送完畢時，跟蹤裝置重新處于低功耗待機狀態。如果沒有找到衛星通信網絡，就將跟蹤狀態存儲于裝置的緩存器中，等待下次裝置激活時再次發送，詳細流程圖如圖3所示。

4.2 天線的選擇

如圖4，對于小型設備中用到的天線，目前主要是內置PCB（印制板）天線、棒狀天線和陶瓷天線等，陶瓷天線的優勢是體積可以做的最小，但很難做到多頻段，不適合于特別緊湊的空間用；而PCB 天線則制作方便，相對陶瓷天線的損耗高，因此需要更大的PCB 面積；棒狀天線體積大，信號的方向指向性好，增益高，抗干擾能力強，能減少受到主板上的干擾，而且不用太多的調試匹配，接收信號的效果會更好一些。

含有衛星模塊的跟蹤裝置一般分別有3 種天線：衛星定位天線（1.5GHz）、移動通信天線（700-2600MHz）和衛星通信天線（200～400MHz 或1.6GHz）。衛星定位天線一般由接收天線和前置放大器兩個部件組成，多采用右圓極化的陶瓷介質，其組成部分包括：陶瓷天線、低噪音信號模塊、線纜和接頭；手機內置天線目前流行的是柔性線路板（FPC）的天線，它貼在手機殼內側，還有利用天線激光直接成型技術（LDS，Laser-Direct-structuring），直接在成型的塑料支架上形成金屬天線；而衛星通信模塊的天線一般體積比較大，多用棒狀天線或平板天線。

集裝箱跟蹤裝置在設計時需要考慮在不影響模塊的通信功能的前提下，盡量設法縮小3 種功能天線的體積，目的一是便于安裝使用，二是減少由于集裝箱裝卸運輸時對設備的損壞。這就需要跟蹤裝置優先選用印制板天線或陶瓷天線，如果選用棒狀天線，也盡量將棒狀天線置于裝置的保護殼內。保證天線之間不互相干擾、不受集裝箱金屬殼體的遮擋、使天線具有最大的信號增益，這些都是通信模塊設計的難點。

4.3 電池的選擇

由于集裝箱跟蹤裝置每天都需要進行狀態數據的傳送，耗電是一個必須解決的問題。1 萬毫安到2 萬毫安電池是當前裝置常用的電池容量，但在需要頻繁收發信息的前提下，這樣容量的電池仍然不能滿足裝置幾年不需要人工充電或更換的免維護需求。因此，有部分公司采用了可充電電池搭配太陽能電池板充電的方案，這個方案需要考慮現在常用的鋰電池低溫充電及可用性的問題，因為集裝箱運輸經常工作于-20℃以下的環境中，這個環境下鋰電池常常不能正常工作。選用帶儲能電容的電池、低溫可工作的鋰電池，以及一次性電池與蓄電池混用的方案，在兼顧電池體積的前提下，可能是一種比較好的方案選擇。

5 智能終端設備實物圖

智能終端設備實物圖如圖5所示。

在實際應用中，設備采集傳感器數據的時間間隔、上傳時間間隔以及預警數據的記錄及上傳等重要操作均可以通過對應的云平臺管理系統進行設計，從而方便工作人員對當前被監測的設備狀態的實時掌握。

6 結束語

應用低軌衛星通信的集裝箱跟蹤裝置還是一種新興事務，在裝置的設計過程中，除需要注意通信模塊的功耗、天線外形的設計、模塊之間的干擾、集裝箱對高頻信號的阻擋、電池的壽命等多種問題外，必然還會遇到許多實際應用的問題，是需要在實踐中不斷改進創新的，但不斷降低的低軌衛星使用費用、方便的應用模塊的推出，使低軌衛星通信在集裝箱運輸領域有廣闊的應用前景。

圖3：集裝箱跟蹤裝置調用通信模塊示意圖

圖4：PCB 天線、陶瓷天線和棒狀天線

圖5：智能終端設備實物圖