高通量衛(wèi)星及融合組網(wǎng)技術(shù)在自然保護(hù)地生物多樣性監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

顧環(huán)宇 段冀新 謝小芳 張曉 張露

【摘? 要】建立自然保護(hù)地是保護(hù)生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的有效措施，是設(shè)立生態(tài)屏障、維護(hù)國(guó)土生態(tài)安全的重要手段。自然保護(hù)地區(qū)域遼闊、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和態(tài)勢(shì)的及時(shí)傳輸成為關(guān)鍵。針對(duì)保護(hù)地廣闊、分散、基礎(chǔ)設(shè)施安裝困難的特點(diǎn)，論文選用高通量衛(wèi)星及組網(wǎng)通信技術(shù)，開展在自然保護(hù)地生物多樣性監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

【Abstract】The establishment of nature reserves is an effective measure to protect the ecological environment and biodiversity， and is an important means to establish ecological barriers and maintain national ecological security. The nature reserve has a large area and weak infrastructure， and timely data transmission of on-site data and situations becomes the key. In view of the characteristics of wide and scattered protected areas and difficult installation of infrastructure， high-throughput satellites and network communication technologies were selected to carry out applied research in the field of biodiversity monitoring in nature reserves.

【關(guān)鍵詞】高通量衛(wèi)星;自然保護(hù)地;生物多樣性監(jiān)測(cè);物聯(lián)網(wǎng);VPN;OSPF

【Keywords】high-throughput satellites; nature reserves; biodiversity monitoring; internet of things; VPN; OSPF

【中圖分類號(hào)】P74? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）08-0192-03

1 引言

自然保護(hù)地地域遼闊，紅外相機(jī)、視頻等手段采集難度大、空照片空視頻較多，回收數(shù)據(jù)可用率較低;巡護(hù)科考人員數(shù)據(jù)采集量較大，缺少數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境;駐守保障人員存在工作環(huán)境通信配套設(shè)施需完善，工作人員穩(wěn)定性有待提高等問(wèn)題。基于多點(diǎn)波束、星地融合物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)技術(shù)和面向衛(wèi)星基站的融合通信覆蓋技術(shù)等高通量衛(wèi)星相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，有效解決偏遠(yuǎn)自然保護(hù)地的紅外相機(jī)、視頻、環(huán)境因子等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和回傳問(wèn)題。

2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1 高通量衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 多點(diǎn)波束技術(shù)

為了滿足日益增長(zhǎng)的通信帶寬需求，Ka高通量寬帶衛(wèi)星使用大量的點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)廣域范圍覆蓋，利用頻率復(fù)用技術(shù)及區(qū)域波束組網(wǎng)技術(shù)，以滿足同頻、同時(shí)向多點(diǎn)通信的目的。

2.1.2 頻率復(fù)用技術(shù)

將帶寬分為多個(gè)子波段，基于多點(diǎn)波束技術(shù)，使得大量不相鄰的點(diǎn)波束之間可以使用相同頻率，顯著增加了頻率利用率和衛(wèi)星通信容量。為了保障波束間無(wú)干擾，使用窄波束且波束間有一定間隔。但實(shí)際中為保證覆蓋和通信的連續(xù)性，波束間會(huì)有重疊，采用極化復(fù)用和地區(qū)隔離相結(jié)合的方式重復(fù)使用頻率，以擴(kuò)展通信容量。

2.1.3 高增益波束

采用多波束技術(shù)和頻率復(fù)用技術(shù)增大通信容量，為了提高頻譜資源復(fù)用率，需確保波束數(shù)量盡量多，同時(shí)波束寬度盡量小。因此，Ka高通量衛(wèi)星系統(tǒng)采用了高增益、低噪聲射頻設(shè)計(jì)、窄波束等技術(shù)，成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，高增益天線技術(shù)大大提高了衛(wèi)星G/T值，并簡(jiǎn)化了地面終端設(shè)備，使其小型化。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入技術(shù)

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，不同傳感器、攝像頭等采集設(shè)備多樣復(fù)雜，數(shù)據(jù)格式繁多的特點(diǎn)，需要建立數(shù)據(jù)的統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在數(shù)據(jù)采集層，建立起統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集接口和方法，簡(jiǎn)化設(shè)備對(duì)接的工作、同時(shí)使得各類設(shè)備快速接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái);在平臺(tái)側(cè)，采用領(lǐng)域模型方法，抽象出屬性、測(cè)量值、告警等通用信息，對(duì)各類設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，形成統(tǒng)一規(guī)范的模型數(shù)據(jù)，便于分析管理，賦能上層應(yīng)用構(gòu)建。

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析及存儲(chǔ)技術(shù)

面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)異構(gòu)多樣化、數(shù)量及類型完全不同的情況，以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，研究數(shù)據(jù)提取、清洗、分析、存儲(chǔ)等技術(shù)，通過(guò)模型來(lái)構(gòu)建用戶業(yè)務(wù)預(yù)警機(jī)制的技術(shù)，為構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景提供支撐。

2.3 融合通信技術(shù)研究

2.3.1 OSPF技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信中存在多類路由通信協(xié)議，其中OSPF協(xié)議是特點(diǎn)較為鮮明的一種。OSPF路由協(xié)議全稱為Open Shortest Path First，即開放的最短路徑優(yōu)先協(xié)議，用于在鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上通過(guò)最短路徑優(yōu)先算法計(jì)算得到路由表，因此OSPF的收斂速度較快。由于其特有的開放性以及良好的擴(kuò)展性，被絕大部分客戶所認(rèn)可并實(shí)際在網(wǎng)絡(luò)中廣泛部署，OSPF協(xié)議廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如教育、金融、醫(yī)療、政府、運(yùn)營(yíng)商、企業(yè)等，不論組網(wǎng)模型是復(fù)雜還是簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量多少，路由條目多少，OSPF都能很好地滿足各類需求。

2.3.2 IPSec VPN技術(shù)

IPSec協(xié)議全稱為Internet Protocol Security，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接入的一種VPN技術(shù)，在公網(wǎng)上為兩個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)提供安全通信通道，通過(guò)加密通道保證連接的安全。

3 高通量衛(wèi)星在自然保護(hù)地監(jiān)測(cè)的實(shí)踐探究

3.1 總體架構(gòu)

充分依托全國(guó)保護(hù)地信息化基礎(chǔ)設(shè)施，在全國(guó)自然保護(hù)地構(gòu)建衛(wèi)星通信系統(tǒng)，作為監(jiān)測(cè)平臺(tái)傳輸層的實(shí)現(xiàn)手段之一，與現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成空天地一體化監(jiān)測(cè)與通信保障體系。自然保護(hù)地衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括空間段和地面段，其中空間段包括Ka頻段高通量衛(wèi)星、衛(wèi)星主站和遠(yuǎn)端站，衛(wèi)星主站與自然保護(hù)地監(jiān)控平臺(tái)之間利用地面光纖專網(wǎng)互聯(lián)互通。

該系統(tǒng)將紅外相機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、環(huán)境因子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)巡護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、野生動(dòng)物追蹤數(shù)據(jù)、巡護(hù)科考數(shù)據(jù)通過(guò)自組網(wǎng)回傳至衛(wèi)星終端，再由衛(wèi)星終端上傳至高通量衛(wèi)星，再由高通量衛(wèi)星信關(guān)站傳至北京運(yùn)營(yíng)中心，依據(jù)業(yè)務(wù)需求，由公網(wǎng)和專線兩種形式傳至自然保護(hù)地監(jiān)測(cè)監(jiān)管平臺(tái)，支撐行業(yè)應(yīng)用，輔助管理決策。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

衛(wèi)星通信網(wǎng)與其他通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，打通各種數(shù)據(jù)通路，可以實(shí)現(xiàn)自然保護(hù)地圖像、視頻、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)回傳，為自然保護(hù)地內(nèi)的科考、巡護(hù)和日常駐守工作提供通信保障。

自然保護(hù)地監(jiān)管中心與各個(gè)自然保護(hù)區(qū)通過(guò)高通量衛(wèi)星鏈路及地面交換網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成星狀網(wǎng)組網(wǎng)，各自然保護(hù)區(qū)的采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯集至運(yùn)管中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析。

為保障采集數(shù)據(jù)的傳輸安全及保密性，考慮在地面互聯(lián)網(wǎng)中采用IPsecVPN技術(shù)進(jìn)行專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳播。運(yùn)管中心將通過(guò)寬帶通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與各采集端站組成VPN專用通信網(wǎng)絡(luò)，保障數(shù)據(jù)傳輸安全。

對(duì)于專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，有多種路由協(xié)議可供選擇，如OSPF（Open Shortest Path First，開放式最短路徑優(yōu)先）、BGP（Border Gateway Protocol，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）、靜態(tài)路由等，選擇合適的路由組網(wǎng)協(xié)議，對(duì)于鏈路傳輸效率和安全性具有重大意義。路由傳輸協(xié)議的選取基于以下原則：

①協(xié)議開放性：路由協(xié)議選擇需要遵循協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開放的原則，避免使用私有路由協(xié)議，滿足兼容性和擴(kuò)展性要求;

②可平滑遷移性：對(duì)路由協(xié)議的選擇必須考慮能夠平滑過(guò)渡，減少設(shè)備投資。

根據(jù)上表中不同路由協(xié)議的特點(diǎn)，我們建議：

①在自然保護(hù)地監(jiān)管中心及各采集點(diǎn)內(nèi)網(wǎng)采用OSPF和靜態(tài)路由結(jié)合的方式（包含浮動(dòng)靜態(tài)路由及策略路由）;

②自然保護(hù)地眾多，OSPF路由域規(guī)模較大，采用分層結(jié)構(gòu)，即將OSPF路由域分割成幾個(gè)區(qū)域（AREA），區(qū)域之間通過(guò)一個(gè)骨干區(qū)域（AREA 0）互聯(lián)，每個(gè)非骨干區(qū)域都需要直接與骨干區(qū)域連接。

4 結(jié)語(yǔ)

全國(guó)林草行業(yè)有萬(wàn)余個(gè)自然保護(hù)地，生物多樣性監(jiān)測(cè)一直是林草領(lǐng)域的重點(diǎn)課題，通過(guò)高通量衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)、通信組網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，開展對(duì)生物的影像自動(dòng)識(shí)別、行跡追蹤、行為可視化分析等工作，可有效解決偏遠(yuǎn)自然保護(hù)地的通信難題，實(shí)現(xiàn)高通量衛(wèi)星在全國(guó)林草領(lǐng)域的全面應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】顧環(huán)宇（1989-），女，遼寧丹東人，工程師，從事衛(wèi)星通信應(yīng)用研究。