精准化、高效化预警新方案：基于低轨物联网卫星的森林火灾监测系统
（一）涉及的物联网技术
本项目方案充分应用了物联网应用中的多项关键技术，包括卫星物联网传感器 技术、微光夜视采集技术、智能数据分析技术等。
1. 基于低轨卫星物联网的一体化传感器技术
通过基于卫星物联网星座通信的方法建设低轨卫星监测预警体系，实现在高 山通信盲区和复杂条件下高精度采集与预警“零突破”。基于现有 6 颗卫星，能够保证每个采集端卫星 3 小时过顶一次，每次 5~10 分钟，相对于人工巡查的方式，有了质的飞跃。根据国电高科的星座组网计划，未来三年将有 38 颗星座卫星在轨 运行，能够保证每个采集端准实时通信，实现全天候大范围广域覆盖，届时预警 时间将控制在 5 分钟内，理想情况下能够实时预警。
2. 微光夜视技术
针对森林防火敏感地带的监测与防控，特别是野外夜间超低照度条件下，针对 森林防火监测与预警及时性、准确性存在的问题，基于微光夜视技术，提升复杂森 林环境火情探测的灵敏度。研究提高低照度条件下影像信息的清晰度、真实性和实 时性技术，突破现有设备对照度、辅助光源及图像辨识能力的限制，研制具备超高 灵敏度、真彩色、高清晰度、低延迟的微光全彩相机，实现昼夜对森林防火敏感地 带的监测与防控，提高监测与预警的及时性、准确性。
3. 智能数据分析技术
针对森林火险预报模型适用性不强、火情识别预警精确度不高等问题，构建基 于人工智能与大数据的森林火情预警技术与系统。采用基于模糊神经网络和粒计算 等技术，突破多模态森林火情信息多粒度融合技术和精确预警模型构建技术，研究 实现高适用性、高精准度的森林火情预警系统原型。
（二）技术路线
1. 需求分析
要避免森林火灾，关键是应做好灵活的预警工作。但森林地区多数属于高山覆盖区域，采用遥感卫星也只能在火灾发生时拍摄照片，无法起到预警作用。基于卫星物联网技术和地理位置信息技术进行林火的卫星预警，在技术上是成熟的可行的； 再结合人工智能技术和大数据模型，通过热成像技术，可以全天候大范围地采集预 判火灾相关数据，实现灵活的早期预警，从而避免或降低森林火灾损失。
2. 技术方案
低轨卫星物联网星座可以为高山复杂盲覆盖区域提供现场数据采集、现场灾害防控、人工智能后台数据分析系统之间的通信链路，由运行支撑系统对卫星、卫星小基站、卫星终端、传感器、地面站、云计算中心之间的协同运行进行调度，形成火灾传感器、卫星终端、卫星小基站、天启星座、地面站、云计算平台的整条数据链路。
（1）第一阶段：低轨卫星星座和终端的研制。整个天启星座系统从空间段、地面段和用户段三个层次进行划分：空间段由 38颗天启卫星组成，构成天启卫星星座，实现全球覆盖；地面段包括网关站和中心站，分别实现与卫星间馈电链路的连接，终端接入鉴权、信道管理等运行控制，以及系统的运行管理维护；用户段主要由多种形式的天启终端和中速率应急通信终端组成，天启终端可根据不同的应用场景，分为微小终端、固定终端、移动终端、手持终端、抛撒终端等。在为用户提供数据采集服务过程中，首先由部署在各处的数据采集终端将各种类型数据采集传感器收集到的数据发送到数据采集终端，数据采集终端在完成与系统的同步后，在卫星经过终端覆盖区域上空时，将数据发送到天启卫星，天启卫星在经过地面站上空时，将接收到的采集数据发送到地面站，由地面站进行数据分类处理后，通过互联网、移动通信网向各领域用户提供数据分发服务。
（2）第二阶段：卫星物联网终端与传感器接口。为了使传感器采集数据与卫星终端能相互通信，需要定义相关的通信方式和数据接收格式。传感器是成套设备，与终端一体化集成。传感器数据采集内容包括温度、湿度、烟感、植被、光亮度、大气压力、气象等，支持地面无线数据传输。
（3）第三阶段：卫星地面站与信息系统通信。这一阶段的任务是解决卫星系统与地面信息分析系统相互通信。地面分析系统一般是由建在云平台上的计算机集群组成。卫星采集的信号要经过地面站进行转发。云平台上把他计算的结果和需要控制的信息，经由地面站卫星向终端发送。这一阶段要定义整个系统的通信过程、信令和数据格式。
3. 应用
随着近年来物联网技术的兴起，许多基于卫星物联网的设备被应用于植物表现和森林监测，由每天都在生成的大数据集，得出森林覆盖和火灾的年度变化规律，建立防灾数学模型。在此基础上建立可燃物浓度的火灾决策支持系统的框架，在此框架下开发物联网应用。从应用的角度出发，该模型可以预测可燃颗粒物及燃料水分对火灾发生的关键时刻。随着应用火灾增长和蔓延预测模型的发展，实际火灾应用数据的测量和分析也相应地演变完善，最终达到大覆盖广域和全天候的火灾监控及早期精确预警的目标。
三、项目创新点和实施效果
（一）项目先进性及创新点
1. 本项目的先进性
本项目的先进性体现在卫星载荷及终端通信模块设计技术的先进性上。卫星平台采用了新型推进等技术，卫星平台高度集成化，达到卫星低成本、小型化、实用化的目标。卫星一体化终端的先进性主要体现在以下两方面：
（1）体积小、功耗低、重量轻。用户终端设计统一的收发终端核心模块，在不降低功能指标和性能指标的前提下，充分利用成熟的射频模块设计经验，基于分离器件，实现小型化、低功耗收发通道；基带 FPGA+MCU 采用低功耗设计、射频采用低功耗集成芯片，显著降低系统功耗；整机模块采用屏蔽腔设计，结构优化降低了整机重量；选择成熟的商业器件（工业级），增加了集成度，降低了功耗，显著降低了单机成本。
（2）多种供电方式设计，提升终端续航能力。新型终端将采用“蓄电池 + 薄膜太阳电池片”的方案，只需要一块低容量的蓄电池用以应对突发的监听和传输，大部分的时间有一块终端面积大小的薄膜太阳电池片来充电即可。薄膜太阳电池片有以下优势：电池片轻，可以贴在终端表面，基本不影响终端的外形设计；薄膜太阳电池片价格便宜，在小面积添加的情况下基本不提高终端成本；在终端长时间无法充电的情况下，配有薄膜太阳电池片可以选用容量较小的蓄电池，降低电池成本，增加续航时间。
2. 本项目的创新点
项目创新点体现在通信方面，在技术上填补了国内低轨卫星物联网星座空白，达到国际先进水平。其创新点具体如下：在通信方面，星上采用频谱感知自动选频结合扩频干扰抵消技术，显著提高系统抗干扰能力；提出 DS-ALOHA 并行解调算法，支持海量用户接入；采用高灵敏度接收技术，实现百毫瓦级卫星物联网通信；提出并实现自适应星历的静默睡眠算法，结合定制化简洁交互协议，显著延长了终端待机时间。
（二）实施效果
1. 经济效益
本项目将无线传感器网络技术和低轨卫星物联网技术引入到森林火灾监测中来，着力在监测预警阶段构建了基于无线传感器网络的森林火灾监测系统，通过卫星信道，以短报文方式，将监测数据传到后台平台，从而实现对森林火灾的远程监控。项目具备大面积推广能力，市场前景良好。
