ICARUS

动物联网投入运行

4月 21, 2021

雄心勃勃的 ICARUS 项目旨在利用国际空间站 (ISS) 进行大规模的动物观察,并已成功完成测试,能够开始运行初期项目。

这项全球知名的研究项目正在德国马普动物行为研究所 (MPIAB) 的领导下在博登湖畔的拉多尔夫采尔地区展开,合作伙伴包括德国航空航天中心 (DLR) 和俄罗斯航空机构俄罗斯联邦航天局。罗德与施瓦茨为附着在动物体表的发射机提供无线电技术支持。

乌鸫是德国马普研究所将借助 ICARUS 进行观察的动物之一。
乌鸫是德国马普研究所将借助 ICARUS 进行观察的动物之一。

它们将飞往哪里?

由于电子设备和传感器的小型化发展,目前早已可以为动物配备小型发射机。这样可以在不侵入动物生存空间的情况下方便地观察动物行为。但是,由于所用发射机采用移动通信技术或简单的模拟无线电方法,因此能观察到的范围有限。相反,基于空间的 ICARUS 观察系统可在全球范围内进行观察。无论鸟类和其他迁徙动物前往何处,此系统始终能以高分辨率无缝跟踪动物行动,甚至能够跨越大洲。尽管我们已经了解了许多迁徙物种和它们的目的地,但到目前为止,研究人员还尚未了解这些动物的确切迁徙路线、行为和迁徙途中的环境条件。对于这些问题,ICARUS 能够给出准确而最新的回答。

Mission ICARUS
ICARUS 使命:有益于生物学的卫星技术。

有益于生物学的卫星技术

ICARUS 系统的核心在于国际空间站 (ISS)。国际空间站在近圆形轨道上运行,每天可观察地球上 90% 以上的地区。由于轨道高度仅约为 400 km,因此低功率无线电发射机能够轻松接入信号。由此,ICARUS 项目合作伙伴考虑将 ISS 用作动物观察的远程站。

但是,并没有现成可用的合适无线电技术。罗德与施瓦茨子公司 INRADIOS 专门从事卫星无线电业务,提供了适合的解决方案。INRADIOS 与 MPIAB 衍生机构 ICARUS Global Observation System (I-GOS) 以及 SpaceTech 和 DLR 携手合作,开发了无线电技术、动物发射机、国际空间站的信号处理模块和可以代替国际空间站接收信号的地面站。

除了标准发射机,还将提供用于海洋生物和大型动物的其他版发射机。
动物发射机(标签)是罗德与施瓦茨与德国马普鸟类研究所和 I‑GOS 合作开发的产品。除了标准发射机,还将提供用于海洋生物和大象等大型动物的特殊版发射机。

标记所有动物

罗德与施瓦茨生产的动物发射机(标签)在体积方面达到极限。该发射机非常紧凑 (2 cm2)、轻巧(不足 5 g),因此即便是小型动物也可轻松携带。它包含处理器和存储器、GPS 接收机、无线电模块、可充电电池、太阳能电池以及多个用于捕获环境和运动数据的传感器。这可以提供有关动物的位置、行为、体温以及湿度和气压等环境条件的信息。

海洋版标签将额外增加防水、抗压和浮力功能,因此可以附着在海洋生物上。标签附着装置设计为在一段时间后释放标签,使其漂浮到海面并与 ISS 建立无线电链路。

ISS 轨道更新
第 1 步:标签处于节能睡眠模式,并等待内部定时器在 ISS 在其顶部经过的预期时间唤醒标签。第 2 步:唤醒之后,标签以短时间间隔查看是否正在接收 ISS 下载信号。第 3 步:信号接收完毕之后,标签提取当前星历数据并将其与自己的 GPS 位置数据相结合,从而计算下一次传输时间。之后如果没有尚未处理的数据记录,标签则恢复睡眠模式。
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从鹳到 ISS:请回复

ISS 类似于数据接收器,在经过附着标签的动物时接收它们的数据。连接至 ISS 的数据传输时间非常短。在一天当中,动物仅有 15 秒时间正好处于无线电范围内。因此,必须精确预测这个时间段。根据定期发送给标签的 ISS 星历数据,标签可以计算该时间段,并准备好在既定时刻发送和接收数据。标签大部分时间都处于低功耗睡眠模式,只有在根据程序准备接收数据或建立无线电连接时才会被定时器唤醒。

传输传感器数据
第 1 步:在即将到达向 ISS 传输数据的时间段时,标签被从睡眠模式中唤醒。标签将在时长约 15 秒的短传输时间段内随机开始上传数据,大约耗时 3 秒,因此所有的邻近标签不会同时发送数据。第 2 步:数据上传完毕之后,标签将暂时进入接收模式,以防后续有任何标签控制命令。ISS 仅在根据新近上传的数据获悉标签正处于无线电范围内,才会发送这些命令。第 3 步:标签会计算下一次连接时间,然后恢复睡眠模式。定时器是标签的关键组件之一, 并且仅在需要采取相应操作的时候才会唤醒标签,例如记录传感器数据或准备传输数据。
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可以为每个标签单独定义要收集和传输的数据以及收集和传输间隔。与物联网中的事物一样,ICARUS 也能够确定动物联网中每个动物的位置。为了简化操作,并且由于需要标记的动物群落通常规模较大,因此可以按群落组织标签并集体确定标签位置。

ISS 机载计算机会积累接收的数据,并将捆绑好的数据集发送到由俄罗斯联邦航天局负责运行的 ICARUS 地面站。地面站将这些数据转发到位于德国的操作控制中心,并在该中心将数据上传至 www.movebank.org 网站的中央数据库,且全球范围内均可通过互联网访问。

研究果蝠行踪的 ICARUS 项目负责人 Martin Wikelski 博士。
研究果蝠行踪的 ICARUS 项目负责人 Martin Wikelski 博士。
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期望高,需求强

ICARUS 已为生物学家开创了独特的研究机会,全球科学家已向 MPIAB 提交了数百份问询。MPIAB 将为已获批准的申请者提供必要数量的标签以及所收集数据的三年独家使用权限,之后这些收集的数据将开放公开访问权限。MPIAB 也自行开展了一些其他项目。例如,目前的乌鸫研究项目将使用 ICARUS 升级为更高级项目。长期以来,非洲果蝠因播撒种子和作为埃博拉病毒感染源的“嗅探犬”而一直成为研究焦点,而 ICARUS 可以精确跟踪这种动物的行踪。意大利西西里岛正在开展调研项目,研究动物是否真正拥有第六感,能够感受到即将发生的自然灾害和提前感应到埃特纳火山爆发。此项目计划在山羊身上附着传感器。ICARUS 为生物学家的想象力插上了翅膀。

计划于第四季度开启常规研究

研究活动已经开始

ISS 远程站在一开始并不可用,因此使用罗德与施瓦茨制造的地面无线电台测试标签。这种操作模式被规划为备选方案。与等待 ISS 在标签上空经过相比,这种方案具有多种优势,数据率更高,数据传输更频繁。科学家能够方便地开展小规模观察研究,例如在鸟类栖息地的繁殖地。

2019 年 7 月首次利用 ISS 进行的系统测试失败,原因在于机载计算机的冷却问题。由于需要获取一些备件,项目推迟了数月。新型冠状病毒的爆发进一步推迟了项目。但是,系统仍在 2020 年进行了大量测试并成功通过。无线电设备的性能也远超预期。首个观察乌鸫和画眉迁徙行为的跨洲项目已于 2020 年 9 月开始。在系统加速发展的同时,INRADIOS 与 MPIAB 携手继续开发无线电标签。开发目标是进一步减小标签体积,同时延长电池寿命。未来,标签将极其微小,甚至可以附着在昆虫身上。

技术转化为行动

冰川上的三代薪火相传

数十年来,罗德与施瓦茨的短波技术一直为意大利南极研究站工作人员与家人之间的通信提供保障。

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救援就在路上

自 2018 年 4 月起,欧盟地区的所有新车型都必须配备汽车电子紧急救援呼叫系统 eCall,并且继任系统也已出现。

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移动电视重装上阵

推出 5G 将使以前的一个古老想法焕发新机:在移动设备上观看电视。传输技术现已准备就绪、等待部署。

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