低轨宽带卫星互联网承载电网业务应用.pdf
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1、2023 年 6 月 Space-Integrated-Ground Information Networks June 2023 第 4 卷第 2 期 天 地 一 体 化 信 息 网 络 Vol.4 No.2低轨宽带卫星互联网承载电网业务应用 朱亮1,戚少博1,杨波1,徐冰玉2,3,李子凡4,张世杰1(1.银河航天(北京)通信技术有限公司,北京 100192;2.中国信息通信研究院,北京 100191;3.国家航天局卫星通信系统创新中心,北京 100191;4.国家电网有限公司信息通信分公司,北京 100761)摘 要:低轨宽带卫星互联网具有大带宽、低时延、高弹性等空间网络通信优势,使得低轨
2、卫星网络在垂直行业的应用拓展成为研究热点。在研究电力行业应用需求的基础上,针对电网建设、电网运行和应急救援 3 个核心业务,提出基于低轨宽带卫星互联网的电网业务应用方案,给出低轨卫星网络的系统组成和工作流程,以及“动中通”卫星终端的架构设计。基于低轨宽带试验星座系统开展“动中通”卫星终端的传输性能、连续通信和异构卫星网络业务切换测试,可为电网业务提供远距离、低时延、大容量、高可用的数据传输能力支撑,为低轨宽带卫星星座纳入新一代电力应急通信系统奠定理论与数据基础。关键词:低轨宽带卫星;卫星互联网;电力行业;卫星终端 中图分类号:TP393 文献标识码:A doi:10.11959/j.issn.
3、20968930.2023024 Application of the Power Grid Business Carrying on Low Earth Orbit Broadband Satellite Internet ZHU Liang1,QI Shaobo1,YANG Bo1,XU Bingyu2,3,LI Zifan4,ZHANG Shijie1 1.YinheHangtian(Beijing)Telecommunication Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China 2.China Academy of Information and C
4、ommunications Technology,Beijing 100191,China 3.Innovation Center for Satellite Communication System,CNSA,Beijing 100191,China 4.State Grid Information and Telecommunication Branch,Beijing 100761,China Abstract:LEO(Low-earth-orbit)broadband satellite internet can provide a lot of user with all-time
5、network coverage,broadband access and information transport service,which has the advantage of high capacity,broad band,low delay and high elasticity as space information network.This made the application service in vertical industry based on LEO satellite network become research hotspots.Based on t
6、he research and analysis of power grid communication demand,the application solution of power industry based on LEO broadband satellite internet were proposed,focused on three core business of power grid,included the power grid construction,power grid operation,and emergency rescue.Also,the design o
7、f system composition,workflow,and satellite terminal architecture were re-searched.Further,the transmission performance,continuous communication,and service switching of mobile satellite terminal were tested based on LEO broadband satellite network,which could provided low delay and high capacity fo
8、r remote data transmission.The result was consultant significance for future application development and engineering implementation in power industry.Keywords:LEO broadband satellite,satellite internet,power industry,satellite terminal 0 引言 卫星互联网是以太空域为承载空间,以卫星和地面装置为关键节点,以网络技术、航天技术、通信技术、数据技术等为支撑的全球、全
9、域、全时新型网络信息基础设施1-4。低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)(以下简称低轨)宽带卫星互联网与传统地面通信网络相互融合,取长补短,共同构建全球无缝覆盖的天地一体化综合通信网,收稿日期:20230115;修回日期:20230510 104 天地一体化信息网络 第 4 卷 可有效解决地面网络覆盖盲区,满足用户无处不在的多种业务需求,具有大容量、大带宽、低时延、高弹性等空间信息网络优势5-10。近年来,低轨卫星互联网成为卫星通信领域发展的热点,国外已开展多个低轨互联网卫星星座建设,并在全球范围内提供商业化服务11-13。其中,美国太空探索技术公司(SpaceX)提出了由 4
10、.2 万颗低轨宽带通信卫星组成的“星链”网络计划。截至 2022 年 7 月,SpaceX 已发射了约3 000 颗低轨宽带“星链”通信卫星,在全球五大洲 36 个国家开展卫星互联网业务,用户数量超过 40 万人,平均下行速率超过 100 Mbit/s。与此同时,国外的 OneWeb、Kuiper等星座计划也在积极筹备和建设中,OneWeb 已发射 428 颗卫星,完成总星座规划的 66%14-16。低轨卫星互联网的不断发展建设,使得卫星互联网垂直行业(电力、交通、海洋、应急等)的应用研究成为关注焦点17-19。近年来,伴随中国特高压电网的快速发展,国家电网公司迫切需要大范围、低成本、全天候的
11、监测手段,以及现场数据大空间远程传送能力20-22。因此,充分发挥低轨卫星网络大带宽、大容量、广覆盖、低时延的空间信息网络优势,构建电网全范围、全时相、全状态感知和高可用、大容量的天地一体化融合电力通信网络,成为卫星互联网在电网业务领域应用拓展的重要方向。1 电力行业的卫星应用需求 我国电网覆盖区域辽阔,自然地形复杂,全网的信息覆盖和电力安全保障面临严峻挑战。在发生自然灾害等突发事件时,需解决通信网络中断和通信覆盖缺乏的问题;伴随电网数字化业务的迅猛发展,电力业务范围不断扩大,需解决大规模终端设备数据远程接入电网数据中心的实时性问题23-24。新一代电力卫星通信系统主要服务于电网规划建设(基建
12、施工管理、现场管控等)、电网生产运行(输电线路、变电站等)和电力应急救援(安监应急指挥和电力应急通信)三大场景,急需有效的大范围、低成本、全天候的通信手段,提供远距离、低时延和大容量的数据传输能力支撑。具体场景描述如下。(1)在电网规划建设方面,基建项目现场存在点多、面广的特点,全公司每年在建施工现场超过 2 000 个,施工人员超 50 万人。传统施工现场工程质量监控主要受工程管理人员经验的影响,尤其在大量偏远地区施工场地,公网服务不稳定,难以满足现代工程施工现场的实时动态监控要求。(2)在电网生产运行方面,自然因素或人为因素造成电网基础设施的损坏,将严重影响电网的安全稳定运行。另外,传统人
13、工巡检的方式存在巡检效率低下、人员管控困难、环境恶劣地区人员生命安全存在隐患等问题,亟须大范围、长周期的自动化巡检手段,对巡检人员提供有效、安全的管控措施,提升巡检作业效率。(3)在电力应急救援方面,当前电力应急通信系统远端站点主要分布在省市公司所在区域,对于偏远地区突发事件支援响应难度较高,无法满足第一时间的应急指挥通信需求。为更好地应对灾害的发生,需要定期对电网易发区域、重点区域进行大范围普查,通过电力卫星通信系统实时掌握电力设备设施损毁情况和覆盖范围,指导应急抢险人员、物资调配;在灾后恢复重建阶段全天候指导供电基础设施重建、现场人员资源协调等工作。目前,国家电网公司已开始部署高轨卫星设备
14、,如移动车载卫星 VSAT 系统、卫星电话等,但存在通信速率较低、传输时延较大、用户接入数量有限等问题,仅支持少量应急指挥终端临时通信服务25-27。在处理大型复杂情况时,难以及时准确地与现场应急通信链路相连接,无法实现全方位、无死角的电网区域全覆盖,不能满足现场大量终端设备同时接入需求。此外,国家电网公司目前采用的卫星技术无法实现对电网状态的实时感知,如全域变电站的环境监测、人员及装备的实时定位、应急场景下灾区影像感测等多源、大容量时空观测数据的采集与分析。由上述分析可知,当前电力通信系统中卫星通信网络全部依靠高轨卫星,受限于卫星数量和高度,导致可接入的终端数、数据交互时延和实际使用传输带宽
15、难以满足新型电力系统发展需求。例如,针对电网规划建设场景下的基建环境实时监测具体任务,海量电网互联采集终端(可达亿级数量)的接入需求是当前电力通信系统实际使用的高轨卫星带宽容量难以支撑的;针对电力应急救援具体任务,高轨卫星的秒级回传时延严重影响电力应急救援、远程指挥调度、无人机时敏控制与遥操作等实时交互应用效果。因此,基于高低轨融合的电力卫星通信网络发展迫在眉睫。2 面向电网业务的低轨卫星应用方案 2.1 方案介绍 结合国家电网公司数字化转型和构建新一代卫星通信体系需求,探索先进通信技术与电网业务的综合应用,开展电力终端设备与低轨宽带卫星网络联通方案设计和第 2 期 朱亮等:低轨宽带卫星互联网
16、承载电网业务应用 105 测试,重点验证在无地面公网环境下低轨网络搭载电力业务的科学性、可行性和实用性。本节提出了基于低轨宽带卫星网络的电网规划建设、电网生产运行和电力应急救援的卫星应用方案。图 1 描述了电网规划建设场景的卫星应用方案。通过低轨卫星网络的连续覆盖,实现在无公网条件下为基建现场施工区域提供稳定的通信服务,满足基建管理系统数据传输需求。基建现场通过部署手持终端、机械监测终端、现场环境监测终端等,例如无人机载平台通信终端可实时采集施工现场人员、机械、设备、环境、车辆的上报信息,实现对关键人员到岗到位、现场车辆管理、施工现场作业环境监测、施工作业安全督察等功能。另外,卫星网络搭载的通
17、信载荷和遥感载荷,可为选址勘测现场提供通信、遥感融合应用服务,满足无公网地区工程勘察设计现场语音、数据业务交互需求;现场勘测情况等态势感知和图像获取,通过卫星一跳或多跳传回至地面中心站,并通过光纤专线接入数据中心。图 2 描述了电网生产运行场景的卫星应用方案。通过低轨卫星网络连续覆盖实现无公网区域输电线路监测通信,提供大带宽、海量物联和专网应用服务,满足地质灾害监测、杆塔倾斜监测、风偏舞动监测的物联网传感器,气象监测模块,巡检无人机等不同终端设备的宽/窄带卫星通信需求。将低轨卫星、无人机和地面传感器等多种监测手段相融合,实现电网“天空地”全范围、全时相、全状态的一体化感知,及时获取各类传感器的
18、监测信息,提高一线巡检人员工作效率,节约运维时间。采用专线方式将落地低轨卫星信关站的数据传输至中心站,并部署低轨卫星综合网管系统,负责对系统内低轨卫星信关站进行统一监控、管理以及调度。图 3 描述了电力应急救援场景的卫星应用方案。通过低轨卫星网络的连续覆盖,以及在应急现场部署的车载、无人机载“动中通”卫星终端以及单兵小站等,提供电力内外网接入、灾情遥感监测、灾情评估/预警等能力,快速构建直连应急指挥中心的可靠卫星宽带回传通道,实现“三断”区域应急抢修、重大救援活动通信保障;通过在长航时无人机通信平台上部署专网基站设备,提供现场大规模用户终端的快速接入能力支撑,实现灾难环境下的高效、快速组网和低
19、时延应急通信网络部署,提升灾难应对反应速度。2.2 低轨卫星网络的系统组成与工作流程 低轨卫星网络系统可划分为空间段、地面段和用户段3 部分,由低轨宽带卫星星座、地面信关站、核心网和卫星互联网终端等组成。银河航天于 2022 年 3 月 5 日完成一箭 6 星发射,6 颗低轨宽带通信卫星共轨道面,采用透 图 1 电网规划建设场景的卫星应用方案 106 天地一体化信息网络 第 4 卷 明转发体制,卫星轨道高度为 500 km,轨道倾角为 63,与信关站、核心网、卫星互联网终端等,构成了国内首个星地融合的低轨宽带 Ka/Q/V 卫星互联网试验星座系统。为了有效支持电网业务的卫星应用落地,需要开展低
20、轨卫星网络的系统建设,针对低轨卫星网络的接入网、承载网、核心网进行合理的网元功能部署和工作流程设计,系统组成如图 4 所示。由图 4 可知,低轨卫星星座网络系统的实体网元有终端、卫星、信关站、核心网、测控站、网络管理平台。各网元之间的连接关系包括无线连接和有线连接两种方式,图 2 电网生产运行场景的卫星应用方案 图 3 电力应急救援卫星应用方案 第 2 期 朱亮等:低轨宽带卫星互联网承载电网业务应用 107 其中终端、卫星、信关站之间是无线连接,基站内各模块与核心网内各模块是有线连接。系统各网元的功能模块和工作流程如下。(1)在终端侧,定位模块用于定位和授时。星历模块用于寄存和修改卫星的运行信
21、息,与定位模块配合计算终端与卫星的相对位置,输出用于通信的偏移值和补偿系数等。同步模块用于同整个系统进行时钟同步、定时器同步、循环周期同步、星历同步、参数同步等。路由客户端用于终端路由表存储和路由算法承载。业务基带模块用于终端空中接口信息的收发。(2)在卫星侧,转发模块用于变频和转发地面基站发出的经过调制后的无线信号,以及卫星终端发出的经过调制后的无线信号。星上轨道控制模块用于收发遥测数据和接收测控指令。(3)在信关站侧,业务基带模块用于调制信号的收发。宽带无线资源管理模块用于管理和控制无线资源分配给终端,并向核心网发送资源使用报告和请求消息。轨道控制模块用于同步和发送测运控信息,并由基带广播
22、下发给终端。基站服务网关用于寄存到终端和到地面基站的路由表信息、终端到卫星的路由表信息以及承载路由算法,用于转发控制面的信令消息。基站数据网关用于寄存到终端和到地面基站的路由表信息以及承载路由算法,用于转发用户面的应用数据。健康管理网关用于地面基站系统健康数据采集和维护消息的收发。(4)在核心网侧,资源调度模块用于规划调度各个基站的资源。用户管理模块用于所有开户用户的信息管理。基站管理模块用于连接到核心网内的所有基站的状态信息的管控。服务网关用于寄存地面基站和核心网之间的路由表信息和承载路由算法,完成控制面信令消息的转发。数据网关用于寄存地面基站和核心网之间的路由表信息和承载路由算法,完成用户
23、面数据的转发。维护网关用于寄存地面基站和核心网之间的路由表信息和承载路由算法,完成基站维护消息的转发。网络管理平台用于管理、操作、维护终端、基站和核心网设备。2.3 低轨卫星网络的终端架构设计 根据电网业务场景通信需求和平台约束,低轨卫星互联网终端由低剖面 Ka 频段多阵元相控阵天线、低轨通信基带和应用单元等组成,业务类型包括应急通信以及智能巡检 1080p 视频传输及其他数据通信。图 5 给出了低轨卫星网络的小型化平台通信终端架构设计。由图 5 可知,低轨卫星终端的天线单元采用多阵元相控阵天线技术,实现波束的大范围快速切换,能够根据接 图 4 低轨宽带卫星星座网络试验系统组成 108 天地一
24、体化信息网络 第 4 卷 收到的天线指向信息,通过波控实现电扫波束的敏捷切换,快速指向过境的低轨通信卫星,建立通信链路,并在程控跟踪过程中,实时接收卫星的射频信号,同时发射功放输出信号。低轨卫星终端的通信基带单元主要完成从卫星前向链路中接收载波信号,下变频到 L 频段,解调信关站发送的数据、音视频、网管命令等信息,以及在系统回传链路中将用户数据调制到 L 频段,经功放、天线将要传送的数据发往信关站。低轨卫星终端的应用单元配置了异构卫星网络(包括高轨卫星网络、低轨卫星网络等)业务决策调度功能模块,可根据业务需求和异构卫星网络的卫星可用时间、波束带宽资源等因素,灵活调配异构卫星网络通信链路,自动进
25、行链路切换和网络链路快速配置,实现通过异构组网卫星任意通道的快速网络接入,确保卫星终端的高可用性和业务连续性。3 低轨卫星网络的传输性能测试 在低轨卫星网络的电网业务传输性能测试中,基于银河航天低轨宽带星座网络试验系统,构建了星地融合的通信传输验证平台,开展了“动中通”卫星终端传输性能、连续通信和异构卫星网络业务切换等通信服务质量测试。本次外场测试主要针对电网建设、线路巡检、应急救援以及计量采集 4 类核心电力应用场景,面向单兵便携终端等业务设备卫星网络接入的具体任务开展低轨宽带网络通道搭载现有电力业务终端性能测试验证,包括高清音视频(智能布控球、智能安全帽)、实时文字/语音(个人手机、手持终
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