2.12 ORBCOMM卫星通信系统
2.12.1 系统简介
轨道通信（ORBCOMM）卫星通信系统（以下简称ORBCOMM系统）是由美国Orbital Sciences公司和加拿大Teleglobe公司联合提出建设的。ORBCOMM系统属于小型的低轨道卫星通信系统，它在全球范围内可提供双向、近实时的低速率数据业务。利用ORBCOMM系统，用户可以开展包括采集远程数据、监控系统、跟踪车辆船舶及移动设施、传递短信息报文、收发电子邮件等方面的应用。ORBCOMM系统架构及信号流程如图2-78和图2-79所示。
图2-78 ORBCOMM系统架构
图2-79 ORBCOMM系统信号流程
1.系统信道特性
ORBCOMM系统通信频段和信道计划如图2-79和表2-61所示。ORBCOMM系统用户链路（卫星与用户终端之间的链路）的下行通信信道和馈电链路（卫星与信关站之间的链路）的下行通信信道初期安排如下：下行信道共有13个，其中12个信道用于卫星对用户终端的发射，信道间隔为25 kHz，这12个信道为47颗卫星共用，每颗卫星使用一个信道，因此12个信道的频率复用次数为4；另有一个信道专门用于卫星对信关站的发射，带宽为50 kHz。
表2-61 ORBCOMM系统信道计划
2.动态信道分配技术
ORBCOMM系统的一个重要特色是其用户链路上行信道的信号发射采用动态信道分配技术（DCAAS）。用户链路自动扫描和测试148.005～149.895MHz内的频点使用情况，扫描频率间隔为2.5kHz，5s内至少扫描一次，并记录每个频点的功率电平，作为上行信道分配的依据，然后综合考虑每个频点的历史记录和当前使用情况，选取最佳的信道分配给用户终端使用。通信过程中信道一旦出现干扰，系统能在1～2s内变换信道。
3.系统容量
（1）随机申请信道处理能力：每小时处理108000个用户终端发送的信息包。
（2）预留信道处理能力：5832KB/h。
（3）卫星到用户终端的下行信道处理能力：5054KB/h。
（4）对于100字节的报文，系统可支持：每小时处理36000个用户终端发送的报文和每小时处理24000个发往用户终端的报文。
（5）对于50字节的报文，系统可支持：每小时处理60000个用户终端发送的报文和每小时处理20000个发往用户终端的报文。
2.12.2 空间段
ORBCOMM系统由36颗卫星、6个轨道面组成。主星座为4个轨道面（A、B、C、D），每个平面均匀配置8颗卫星，轨道高度为825km，倾角为45°；辅助轨道面有两个（F、G），每个平面均匀配置2颗卫星，轨道高度为775km，倾角为70°和108°。其还计划在赤道面增设由6颗卫星组成的轨道面E，轨道高度为975km。这样就能较好地覆盖整个服务区，并有一定的冗余。ORBCOMM系统卫星的分布示意如图2-80所示，卫星外形示意如图2-81所示，星座和卫星的主要技术特性如表2-62所示。
表2-62 ORBCOMM系统星座和卫星的主要技术特性
续表
图2-80 ORBCOMM系统卫星的分布示意
图2-81 ORBCOMM系统卫星外形示意
2.12.3 地面段
ORBCOMM系统地面段包括全球一定数量的信关站、网络控制中心（NCC）和卫星控制中心（SCC），以及将它们连接成一个整体的ORBCOMM指令控制网（OCCNet）。
1.信关站
信关站的主要任务是在一定的服务区内进行报文处理和对用户进行管理。它主要分成信关控制中心（GCC）和网端站（GES）两个子系统，如图2-82所示。
图2-82 信关站
在图2-82中，信关控制中心主要由信关报文交换系统（GSS）和网络管理系统（NMS）组成。信关报文交换系统由一系列的计算机软件和硬件组成，用来处理报文、选择路由和在X.400协议与简单邮件传输协议（SMTP）之间进行格式转换。网络管理系统用来管理ORBCOMM系统信关的系统性能和报文流量，并对报文进行检错。
在图2-82中，网端站的任务是在信关控制中心和卫星之间提供射频通信连接。它包含跟踪天线、射频和调制设备，以及用来发送和接收数据分组的通信软件及硬件。网端站设备和选址都是为了无人维护而设计的，它采用增益为14～17dB的全动VHF屏蔽天线。两个完全独立的天线系统加上其相关的射频和调制设备就能够提供完全的、功能上的冗余。
2.卫星控制中心和网络控制中心
卫星控制中心的主要设施是ORBCOMM系统星座的测控与管理站，它的任务是通过遥测监测、指令控制和任务分析，对星座进行测控管理，保证各卫星正常运作。网络控制中心负责管理整个ORBCOMM系统，并且具有信关控制中心的功能。卫星控制中心和网络控制中心统一设在美国弗吉尼亚州的杜勒斯。
3.ORBCOMM指令控制网
ORBCOMM指令控制网把网络控制中心在全球范围内所拥有的局域网连接成一个完整的、世界范围的广域网，它包含了路由器、网桥、调制解调器和互联电路，还包含了将信关站管理系统、信关报文交换系统和网端站相互连接的接续设备。
2.12.4 用户段
ORBCOMM系统的用户终端实际上是一部无线电收发信机。内装的电子器件包含一个VHF发送机、一个VHF接收机、一个可选的UHF接收机、一根天线和数据处理集成块。它有两种类型：一种用于偏远固定地点的数据采集和传输；另一种用于移动载体的双向数据和信息通信。
固定用户终端：采用低成本的VHF电子器件，天线设计简易，设备结构简单，可以灵活安装，电子器件功耗低，可以使用电池、太阳能板或其他可用的电源设备来支持长时间的工作。
移动用户终端：一种便携式的手持机，通常带有字母数字键盘和小显示屏。用户可以随时通过键盘和显示屏收发信息、数据及传真，从而与其他用户进行交互式通信。
典型的PDA-PRO产品终端如图2-83所示。
图2-83 典型的PDA-PRO产品终端
用户终端的主要特性：信息双向传输、双向电子邮件、道路救援、个性化服务和数据采集、远程信号捕获及数据传输。
2.12.5 应用领域
ORBCOMM系统的应用领域如下，部分应用示意如图2-84所示。
（1）车辆、船只、飞机的跟踪定位。
（2）工业设备、输油气管道、海洋与河流水位状态的远程监测。
（3）森林火灾、环境污染的监测。
（4）气象资料、地震情报的收集，商业信息、金融证券、股票期货市场的信息交流。
（5）船队、车队及个人之间的通信。
（6）公安、消防、银行等部门的专业应用。
（7）如果在台式计算机上配置ORBCOMM PCMCIA卡，可很方便地收发电子邮件。
图2-84 部分应用示意
2.12.6 第二代ORBCOMM系统
2007年12月，ORBCOMM公司启动了18颗第二代卫星的研制计划。ORBCOMM公司的第二代卫星称为ORBCOMM OG2卫星，其外形如图2-85所示。2014—2015年，第二代卫星的发射工作完成；2016年3月，最后11颗第二代卫星启动了商业服务。ORBCOMM公司的第二代卫星将为其全球客户提供M2M通信和AIS数据服务。
图2-85 ORBCOMM OG2卫星的外形
ORBCOMM OG2卫星与第一代卫星相比，在卫星平台和通信能力方面都有了显著的提升，如表2-63所示。
表2-63 ORBCOMM OG2卫星与第一代卫星的技术性能比较
2.12.7 AIS数据服务
ORBCOMM公司的AIS数据服务主要用于船舶的位置识别和船舶的交通管理。ORBCOMM公司的AIS数据服务通过从卫星和地面AIS接收器获取数据，为全球船舶活动提供最完整的态势图像，是全球最全面的AIS服务系统，可一站式可靠地采集地面和卫星的AIS数据。ORBCOMM公司的AIS工作流程示意如图2-86所示。
图2-86 ORBCOMM公司的AIS工作流程示意
AIS数据主要用于船舶的定位和避碰，且越来越多地用于其他新型应用，其主要应用如下。
（1）加强监察和保安：使船只能改善能见度及对海上异常做出快速反应。
（2）反海盗攻击：定位可疑活动，识别感兴趣的船只，并发出潜在威胁的警报。
（3）改善搜救：向海岸警卫队提供第一手AIS数据，以改善海上安全和全球搜救工作。
（4）支持渔业和环境监测：为海洋保护提供船舶交通的全面情况。