高通量卫星及融合组网技术在自然保护地生物多样性监测领域的应用研究

2022.11.03

顾环宇段冀新谢小芳张晓张露

【摘? 要】建立自然保护地是保护生态环境和生物多样性的有效措施，是设立生态屏障、维护国土生态安全的重要手段。自然保护地区域辽阔、基础设施薄弱，现场数据和态势的及时传输成为关键。针对保护地广阔、分散、基础设施安装困难的特点，论文选用高通量卫星及组网通信技术，开展在自然保护地生物多样性监测领域的应用研究。

【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.

【关键词】高通量卫星;自然保护地;生物多样性监测;物联网;VPN;OSPF

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

【中图分类号】P74? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2020）08-0192-03

1 引言

自然保护地地域辽阔，红外相机、视频等手段采集难度大、空照片空视频较多，回收数据可用率较低;巡护科考人员数据采集量较大，缺少数据上传网络环境;驻守保障人员存在工作环境通信配套设施需完善，工作人员稳定性有待提高等问题。基于多点波束、星地融合物联网平台技术和面向卫星基站的融合通信覆盖技术等高通量卫星相关关键技术，有效解决偏远自然保护地的红外相机、视频、环境因子等数据监测和回传问题。

2 关键技术介绍

2.1 高通量卫星关键技术

2.1.1 多点波束技术

为了满足日益增长的通信带宽需求，Ka高通量宽带卫星使用大量的点波束实现广域范围覆盖，利用频率复用技术及区域波束组网技术，以满足同频、同时向多点通信的目的。

2.1.2 频率复用技术

将带宽分为多个子波段，基于多点波束技术，使得大量不相邻的点波束之间可以使用相同频率，显著增加了频率利用率和卫星通信容量。为了保障波束间无干扰，使用窄波束且波束间有一定间隔。但实际中为保证覆盖和通信的连续性，波束间会有重叠，采用极化复用和地区隔离相结合的方式重复使用频率，以扩展通信容量。

2.1.3 高增益波束

采用多波束技术和频率复用技术增大通信容量，为了提高频谱资源复用率，需确保波束数量尽量多，同时波束宽度尽量小。因此，Ka高通量卫星系统采用了高增益、低噪声射频设计、窄波束等技术，成为未来的发展趋势，高增益天线技术大大提高了卫星G/T值，并简化了地面终端设备，使其小型化。

2.2 物联网平台关键技术

2.2.1 数据统一接入技术

针对物联网平台中，不同传感器、摄像头等采集设备多样复杂，数据格式繁多的特点，需要建立数据的统一物联网数据标准规范。在数据采集层，建立起统一的数据采集接口和方法，简化设备对接的工作、同时使得各类设备快速接入物联网平台;在平台侧，采用领域模型方法，抽象出属性、测量值、告警等通用信息，对各类设备统一进行数学建模，形成统一规范的模型数据，便于分析管理，赋能上层应用构建。

2.2.2 物联网数据分析及存储技术

面对物联网数据异构多样化、数量及类型完全不同的情况，以大数据技术为基础，研究数据提取、清洗、分析、存储等技术，通過模型来构建用户业务预警机制的技术，为构建业务应用场景提供支撑。

2.3 融合通信技术研究

2.3.1 OSPF技术

网络通信中存在多类路由通信协议，其中OSPF协议是特点较为鲜明的一种。OSPF路由协议全称为Open Shortest Path First，即开放的最短路径优先协议，用于在链路状态数据库的基础上通过最短路径优先算法计算得到路由表，因此OSPF的收敛速度较快。由于其特有的开放性以及良好的扩展性，被绝大部分客户所认可并实际在网络中广泛部署，OSPF协议广泛应用于各个行业，如教育、金融、医疗、政府、运营商、企业等，不论组网模型是复杂还是简单，设备数量多少，路由条目多少，OSPF都能很好地满足各类需求。

2.3.2 IPSec VPN技术

IPSec协议全称为Internet Protocol Security，是实现远程接入的一种VPN技术，在公网上为两个私有网络提供安全通信通道，通过加密通道保证连接的安全。

3 高通量卫星在自然保护地监测的实践探究

3.1 总体架构

充分依托全国保护地信息化基础设施，在全国自然保护地构建卫星通信系统，作为监测平台传输层的实现手段之一，与现有地面网络共同构成空天地一体化监测与通信保障体系。自然保护地卫星通信系统包括空间段和地面段，其中空间段包括Ka频段高通量卫星、卫星主站和远端站，卫星主站与自然保护地监控平台之间利用地面光纤专网互联互通。

该系统将红外相机监测数据、视频监测数据、环境因子监测数据、无人机巡护监测数据、野生动物追踪数据、巡护科考数据通过自组网回传至卫星终端，再由卫星终端上传至高通量卫星，再由高通量卫星信关站传至北京运营中心，依据业务需求，由公网和专线两种形式传至自然保护地监测监管平台，支撑行业应用，辅助管理决策。

3.2 网络拓扑

卫星通信网与其他通信网络相结合，打通各种数据通路，可以实现自然保护地图像、视频、数据采集和监测的实时回传，为自然保护地内的科考、巡护和日常驻守工作提供通信保障。

自然保护地监管中心与各个自然保护区通过高通量卫星链路及地面交换网络，构成星状网组网，各自然保护区的采集数据统一汇集至运管中心进行实时监控与分析。

为保障采集数据的传输安全及保密性，考虑在地面互联网中采用IPsecVPN技术进行专网数据传播。运管中心将通过宽带通信卫星网络与各采集端站组成VPN专用通信网络，保障数据传输安全。

对于专网数据传输，有多种路由协议可供选择，如OSPF（Open Shortest Path First，开放式最短路径优先）、BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）、静态路由等，选择合适的路由组网协议，对于链路传输效率和安全性具有重大意义。路由传输协议的选取基于以下原则：

①协议开放性：路由协议选择需要遵循协议标准开放的原则，避免使用私有路由协议，满足兼容性和扩展性要求;

②可平滑迁移性：对路由协议的选择必须考虑能够平滑过渡，减少设备投资。

根据上表中不同路由协议的特点，我们建议：

①在自然保护地监管中心及各采集点内网采用OSPF和静态路由结合的方式（包含浮动静态路由及策略路由）;

②自然保护地众多，OSPF路由域规模较大，采用分层结构，即将OSPF路由域分割成几个区域（AREA），区域之间通过一个骨干区域（AREA 0）互联，每个非骨干区域都需要直接与骨干区域连接。

4 结语

全国林草行业有万余个自然保护地，生物多样性监测一直是林草领域的重点课题，通过高通量卫星、物联网、通信组网、大数据等技术，开展对生物的影像自动识别、行迹追踪、行为可视化分析等工作，可有效解决偏远自然保护地的通信难题，实现高通量卫星在全国林草领域的全面应用。

【参考文献】

【1】张媛.森林生态系统类型自然保护区生物多样性监测体系构建探索[J].林业资源管理，2018（3）：29-34.

【2】赵阳，王海龙，黄楷博，等.基于人口密度分布的高通量衛星覆盖方案设计[J].数字通信世界，2018（10）：28-29.

【3】胡杰.物云融合的IoT云系统架构与服务提供[J].信息通信技术，2018（4）：53-58.

【4】杨永斌.路由器在广域网中的应用[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2004（2）：154-157.

【作者简介】顾环宇（1989-），女，辽宁丹东人，工程师，从事卫星通信应用研究。