張慶君, 李 堃, 呂 爭

(中國空間技術研究院遙感衛(wèi)星總體部, 北京 100094)

0 引言

遙感衛(wèi)星作為重要的近地空間信息獲取手段，因其寬幅覆蓋及全球重訪能力等優(yōu)勢，受到行業(yè)用戶的廣泛青睞[1]?！笆濉薄笆濉逼陂g，我國通過“高分辨率對地觀測重大科技專項”和“國家空間基礎設施中長期規(guī)劃”的實施，突破了衛(wèi)星遙感高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率、高輻射分辨率以及全天時全天候數據獲取等關鍵技術，在衛(wèi)星及載荷指標上逐步向世界先進水平靠攏，有效地服務于國家應急減災和國民經濟建設等領域[2]。

然而，隨著遙感應用的時效性、多元化、定量化、個性化需求不斷提升，當前各天基遙感手段孤立工作，造成信息獲取響應速度慢、目標針對性不強以及數據冗余、雜亂，再分析再利用困難等問題日益突出，使在軌遙感衛(wèi)星難以體系化應用。不論是出于滿足應用需求的目的，還是牽引未來發(fā)展的考慮，都使新一代衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的研究迫在眉睫。從應用角度出發(fā)，在設計中應考慮最大化系統(tǒng)整體效能，而非孤立遙感衛(wèi)星的效能。因此，新一代遙感系統(tǒng)應以聯合規(guī)劃、聯合響應、聯合處理能力為特征，從信息獲取、信息傳輸、信息處理和信息應用的全鏈條進行革新，構建空天地一體化智聯系統(tǒng)。其中，衛(wèi)星獲取的對象應由傳統(tǒng)數據向近實時信息轉變，數據傳輸模式應由點對點的固定傳輸模式向動態(tài)近實時傳輸模式轉變，通過衛(wèi)星與衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面間的通信，實現觀測需求、已觀測區(qū)域及所獲取信息的安全互通；同時，衛(wèi)星在功能上應具備在軌實時重構能力，系統(tǒng)內的節(jié)點應具備智能化特征，實現一體化智聯遙感。

綜觀科技領域，物聯網(Internet of Things)、第五代移動通信網絡(5G)、云計算(Cloud Computing)、大數據(Big Data)、區(qū)塊鏈(Blockchain)、人工智能(Artificial Intelligence)、軟件定義(Software Defined)等新興技術無疑是各行業(yè)的研究熱點，也同樣是上述問題的潛在解決手段。隨著星上及地面終端硬件水平的不斷提升、計算能力的大幅提高，這些新興技術已初步具備在新一代智聯遙感系統(tǒng)中應用的可能性，其在空間系統(tǒng)領域的交叉融合必將為衛(wèi)星設計帶來全新的思路。因此，研究基于物聯網、5G、云計算、大數據、區(qū)塊鏈、人工智能等技術的空天地一體化智聯遙感系統(tǒng)，具有迫切的需求與深遠的意義。

1 現狀與趨勢

1.1 遙感衛(wèi)星應用現狀

我國遙感衛(wèi)星在數十年的發(fā)展歷程中，已由以技術進步為主、僅能滿足單一信息獲取需求的傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感時期，逐步過渡到以技術進步與應用并重、能夠實現多維信息獲取的現代衛(wèi)星遙感時期。然而，站在用戶需求角度，衛(wèi)星遙感距離好用易用仍存在較大差距?，F有遙感衛(wèi)星體系建設中存在一“重”一“輕”的情況，“重”的是衛(wèi)星工程建設，“輕”的是衛(wèi)星應用規(guī)劃，導致在軌遙感衛(wèi)星數量與應用效能不匹配，在應用中帶來如下問題：

1)衛(wèi)星信息獲取的準確性和可用性難以滿足應用需求：各衛(wèi)星獨立運行，衛(wèi)星遙感數據的獲取未形成體系，共同聚焦到應用目標，導致獲取的冗余信息和無用信息過多，形成大量重復性、同質化的數據，一方面給地面處理造成了很大壓力，另一方面有效信息難以滿足應用時效性的需要。

2)衛(wèi)星遙感數據的傳輸下傳是制約衛(wèi)星應用效能的瓶頸之一：當前，遙感衛(wèi)星唯一的數據通路通過地面站直接下傳，并未建立空間鏈路，沒有形成空間信息網絡。隨著發(fā)射衛(wèi)星數量的增加，衛(wèi)星在軌獲取的數據量成倍增長，該問題將越發(fā)突出，同樣大幅影響數據應用的時效性。

3)數據運營中心化模式制約衛(wèi)星遙感數據的有效分發(fā)和應用：我國衛(wèi)星管理和運營采用地面站接收+中心分發(fā)的模式，導致數據中心的處理工作量大、響應不及時，在遙感衛(wèi)星數量大規(guī)模增長的形勢下，易形成數據中心手忙腳亂、千頭萬緒，用戶卻翹首以盼、望眼欲穿的局面。

4)模式推演結合人工判讀的方式使衛(wèi)星遙感數據難以高效利用：在信息提取和使用方面，我國大多衛(wèi)星數據處于“填圖拼圖、看圖說話、模式推演”的狀態(tài)，同時面對爆發(fā)式產生的多元數據，完全依賴人工判讀的方式已不現實。

5)相對獨立的運行體系導致商業(yè)遙感等其他系統(tǒng)難以融入：空間基礎設施的運營主要依托國有企業(yè)，而商業(yè)遙感的運營則主要依托商業(yè)公司，這使得商業(yè)衛(wèi)星常常游離于核心體系之外，難以發(fā)揮其作用，且不利于引入競爭機制、優(yōu)勝劣汰，制約了衛(wèi)星遙感的長遠發(fā)展和技術快速進步。

上述種種問題迫使我們必須在充分繼承原有規(guī)劃優(yōu)勢的基礎上，綜合利用物聯網、5G、云計算、大數據、區(qū)塊鏈、人工智能等先進技術，全面突破以上制約，打造“好用、管用、開放、共贏、可持續(xù)發(fā)展”的新一代空間遙感系統(tǒng)，實現由遙感衛(wèi)星到衛(wèi)星遙感的全流程規(guī)劃。

1.2 未來趨勢

隨著時代的變革，航天技術引領信息技術發(fā)展的模式已逐步轉變?yōu)樾畔⒓夹g驅動航天技術發(fā)展的模式。當今，國際航天領域正處于技術革新的機遇期，智能互聯、大數據所帶來的信息服務形式與便利性正深刻地影響著遙感用戶的應用需求，受其影響，遙感衛(wèi)星將由獨立終端轉變?yōu)橹锹撓到y(tǒng)中的信息節(jié)點，而未來的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)也將以聯合規(guī)劃、聯合響應、聯合處理能力為特征，在信息獲取、信息傳輸、信息處理和信息應用等多方面發(fā)生重大轉變，例如：

1)由“圖像/數據獲取”轉變?yōu)椤敖鼘崟r信息/知識獲取”；

2)由“單打獨斗”轉變?yōu)椤叭翰呷毫Α?，實現系統(tǒng)內信息完整、及時、可信、可靠的互聯互通，滿足智能觀測需求；

3)由“模式推演為主、測量為輔”轉變?yōu)椤皽y量為主、模式為輔”；

4)真正在應用方式上有所突破，例如，由災后救治向災前預防轉變。

因此，依托物聯網、5G、云計算、大數據、區(qū)塊鏈、人工智能等技術，利用系統(tǒng)工程理論，開展空天地一體化智聯遙感系統(tǒng)研究，有望為衛(wèi)星遙感行業(yè)帶來全新的突破。

2 天地一體化智聯遙感系統(tǒng)構想

2.1 體系架構設計

面向衛(wèi)星用戶靈活多變的觀測需求，針對不同用戶的定制數據應相互保密、無法修改等特點，在未來遙感任務牽引下，擬構建基于物聯網、5G、云計算、大數據、區(qū)塊鏈、人工智能等技術的空天地一體化智聯遙感系統(tǒng)，以適應高時效性、多元化融合、定量化監(jiān)測、個性化服務的要求。系統(tǒng)包含管理層、感知層、傳輸層、處理層、信息層、應用層等多層結構，初步設想如圖1所示。

圖1 智聯遙感系統(tǒng)體系架構

1)管理層：用于智能管理，實現衛(wèi)星系統(tǒng)的同規(guī)劃、同調度、同處理，以滿足系統(tǒng)自主運行、效能最優(yōu)的需求；

2)感知層：包含各類數據獲取傳感器，可根據觀測需求進行實時重構，實現遙感信息的智能、靈活獲??；

3)傳輸層：用于信息傳輸，實現星間、星地的高速通信，實現“一星獲取，全網皆知”；

4)處理層：用于智能處理，實現遙感數據與有效信息間的近實時轉換，真正提升信息獲取時效性；

5)信息層：用于信息歸類和表征，實現信息高效利用，提升成像計劃數據獲取針對性，并為用戶使用或政策制訂提供決策信息；

6)應用層：直接面向行業(yè)、商業(yè)、個人等各類用戶，統(tǒng)籌在軌衛(wèi)星資源，實現個性化定制服務，降低衛(wèi)星使用門檻，提高衛(wèi)星使用率。

2.2 關鍵技術

上述體系架構有望大幅優(yōu)化衛(wèi)星遙感系統(tǒng)綜合性能，對信息獲取、傳輸、處理和應用流程進行全面革新，其實現建立在各項新技術支撐的前提下。例如，應用物聯網技術可將天基、空基遙感載荷與地面站、用戶終端構建為空天地一體化系統(tǒng)；應用5G技術可為遙感衛(wèi)星建立高速率、高容量、大規(guī)模的通信鏈路，解決遙感衛(wèi)星“不可見”、遙感數據“下不來”的問題；應用大數據技術可建立遙感數據實時、動態(tài)管理機制，形成全球、全國信息一張圖，提升成像任務的針對性及信息使用的便捷性；應用云計算技術可融合空天地多域、散布、異構、動態(tài)的計算資源，為協(xié)同智能處理提供算力；應用區(qū)塊鏈技術建立的訪問控制與維護策略可為空間信息資源共享創(chuàng)造可靠的合作機制，使用戶可直接面向衛(wèi)星，衛(wèi)星亦可識別用戶，實現區(qū)分優(yōu)先級的響應；應用人工智能技術可建立系統(tǒng)、衛(wèi)星、載荷三級智能架構，精確匹配用戶需求、精細規(guī)劃系統(tǒng)任務、精準獲取目標信息；應用軟件定義技術可實現多星協(xié)同、一星多用，優(yōu)化信息獲取與傳輸能力。綜上，對空天地一體化智聯遙感系統(tǒng)關鍵技術梳理如下：

(1)基于區(qū)塊鏈的分布式多中心系統(tǒng)管理技術

區(qū)塊鏈技術起源于信息技術領域，從本質上講，區(qū)塊鏈是一個共享數據庫，存儲于其中的數據或信息，具有去中心化、不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護等特征?；谏鲜鎏卣?，區(qū)塊鏈技術奠定了堅實的信任基礎，為空間信息管理與交互創(chuàng)造了可靠的合作機制。因此，區(qū)塊鏈可構建管理層的基礎，打造分布式、多中心，可支持同規(guī)劃、同調度、同處理的系統(tǒng)管理機制。

當前，區(qū)塊鏈技術雖然在金融等行業(yè)中取得了廣泛的應用，但在天基領域的應用仍屬起步階段。國外方面，根據文獻報道，美國開展了基于區(qū)塊鏈技術的多傳感器衛(wèi)星架構技術研究[3]，以及基于區(qū)塊鏈技術的衛(wèi)星通信網絡框架研究；國內方面，開展了基于衛(wèi)星傳輸的區(qū)塊鏈數據同步系統(tǒng)研究?？傮w而言，該項技術在天基領域的應用尚接近于空白，迫切需要開展基于區(qū)塊鏈的分布式多中心系統(tǒng)管理技術研究。

(2)基于人工智能的系統(tǒng)、衛(wèi)星、載荷多級智能體系設計技術

人工智能技術是計算機科學的一個分支，是研究利用計算機來模擬人的某些思維過程和智能的學科(如學習、推理、思考、規(guī)劃等)，近年來在各領域中獲得了廣泛應用，同樣為空間信息的智能獲取提供了有效途徑，可用以構造系統(tǒng)、衛(wèi)星、載荷的多級智能體系，實現對觀測需求的最優(yōu)感知。

遙感是一個與人工智能關聯密切的領域，然而，在遙感衛(wèi)星與載荷設計方面，國內外并未形成系統(tǒng)性研究。在系統(tǒng)設計方面，基于人工智能的衛(wèi)星系統(tǒng)技術研究成果主要包括：以遙感衛(wèi)星為對象的遙感自主智能感知技術，以衛(wèi)星組網觀測為對象的遙感群體智能感知技術[4]。在載荷設計方面，主要研究成果包括基于人工智能技術的光學遙感載荷系統(tǒng)等[5]。綜上所述，人工智能在遙感衛(wèi)星系統(tǒng)設計中的應用是點狀的，如何結合多中心系統(tǒng)管理架構，構造智能、互聯的遙感衛(wèi)星體系，仍需開展大量的研究工作。

(3)基于軟件定義的衛(wèi)星、載荷多功能可重構技術

軟件定義技術來源于軟件定義無線電概念，其天基領域的應用即采取軟件定義的手段,在相同的載荷硬件設備上通過超算等手段實現不同功能的即時切換。該技術可通過功能更新使衛(wèi)星適應不斷發(fā)展的用戶需求；可通過加載不同的軟件，實現衛(wèi)星的多功能化；可改變目前以有效載荷為核心的衛(wèi)星設計理念，使衛(wèi)星具備功能的可重構能力和靈活性。

近年來，軟件定義技術在衛(wèi)星設計中的應用逐步成為行業(yè)的一項研究熱點。在頂層設計方面，主要研究成果包括軟件定義衛(wèi)星的系統(tǒng)架構設計、空間路由算法及資源管理技術等[6-7]；在衛(wèi)星與載荷功能設計方面，國內外在光學及雷達系統(tǒng)中均開展了初步研究，主要包括光學圖像增強、雷達數字波束形成研究等[8]。相對其他新興技術，軟件定義在衛(wèi)星中的應用研究具有一定基礎，但如何綜合衛(wèi)星平臺計算能力及硬件資源，真正實現衛(wèi)星及載荷功能的可重構，仍有漫長的道路需要探索。

(4)基于大數據、云計算的星地協(xié)同遙感信息挖掘技術

大數據技術屬于信息技術領域，是采用新處理模式來獲取無法通過常規(guī)手段捕捉的高價值信息資產的一門學科，隨著云時代的來臨，該技術在海量信息的深度分析中展現出很強的應用潛力。云計算技術是由多種技術長期演變并融合的產物，涵蓋了信息技術、互聯網技術中的分布式計算、并行計算等。云計算技術的出現大幅降低了大數據的應用門檻，是大數據的有力承載。數據量龐大是遙感衛(wèi)星的典型特征，數據的分布、并行存儲與處理，以及星地協(xié)同的信息挖掘可提升信息獲取、知識共享及任務規(guī)劃的效率與針對性，因此，大數據、云計算技術相結合，可為遙感衛(wèi)星與衛(wèi)星遙感數據的高效利用提供可行的技術途徑。

隨著深度學習等技術的突飛猛進，大數據、云計算技術在衛(wèi)星遙感數據中的應用已經成為了可能。國內外針對遙感數據異構特征明顯、數據規(guī)模急速增長、應用時效性高等特點[9]，開展了數據中心體系架構設計與實現[10]、數據并行存儲[11]與調度機制研究[12]、程序架構設計，以及針對特定遙感手段的目標自動識別等技術研究，但距離多元、多譜段(頻段)、海量數據的分布式存取及星地協(xié)同近實時信息挖掘尚有較大差距，亟待通過關鍵技術攻關真正滿足應用需求。

(5)基于物聯網、5G技術的星間、星地數據傳輸與通信技術

物聯網技術是解決物與物、人與物、人與人之間的互聯互通的網絡，5G技術是最新一代移動通信技術，其性能目標是高速率、低延遲、低能耗、大容量、低成本。物聯網技術與5G技術相結合的天基實現，將為遙感衛(wèi)星系統(tǒng)星間、星地的數據傳輸與通信提供便捷的技術手段，并使傳輸速率取得質的飛躍，成為系統(tǒng)管理及信息分發(fā)的高速公路。

國內外對天基物聯網技術已有一定研究基礎，主要探索了異構網絡節(jié)點接入、信息處理、應用協(xié)議標準等[13-15]，但高速移動下的衛(wèi)星間物聯網組網問題仍有待深入研究。5G技術起源于地面移動通信，但隨著低軌商用通信星座建設的不斷深入，已出現了將5G技術擴展到天基實現的研究，但尚面臨多項技術制約，其核心主要包括基于5G標準的衛(wèi)星系統(tǒng)網絡架構設計、衛(wèi)星星座動態(tài)重構與協(xié)同組網、動態(tài)路由等問題[16-17]?？傮w上，基于物聯網與5G技術的星間、星地數據傳輸與通信距離實現尚有較大的差距。

3 總結與展望

當前，區(qū)塊鏈、人工智能、軟件定義、大數據、云計算、物聯網、5G等技術飛速發(fā)展，不斷提升信息技術在當前時代的影響力，提高了人類的生活質量。受制于衛(wèi)星系統(tǒng)的復雜性與產業(yè)的封閉性，上述技術在遙感衛(wèi)星設計中的應用仍處于空白階段或起步階段。然而，近年來，隨著民用航天、商業(yè)航天項目的爆炸式增長，傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星設計對用戶需求的滿足度逐步降低，將上述先進技術引入航天系統(tǒng)設計中，實現從遙感衛(wèi)星至衛(wèi)星遙感的全流程革新，已刻不容緩。本文基于現有遙感衛(wèi)星體系的不足，提出了具有管理層、感知層、傳輸層、處理層、信息層、應用層等多層結構的天地一體化智聯遙感系統(tǒng)架構，以真正實現遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的同規(guī)劃、同調度、同處理的多元協(xié)同。在此基礎上，梳理了5項亟待突破的關鍵技術，由于本領域涉及諸多交叉學科，后續(xù)需聯合各領域的優(yōu)勢科研院所、高等院校和業(yè)務用戶，共同開展體系規(guī)劃與建設，建立共享協(xié)同的技術創(chuàng)新體系，推動關鍵技術攻關，共同突破新興技術在遙感衛(wèi)星領域中的應用，實現遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的升級換代，為我國建設航天強國的宏偉目標提供堅實的技術基礎。