趙菲 呂韞哲 孫浩 鄭夢(mèng)圓 朱興鴻 沈宇飛

基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)研究

趙菲 呂韞哲 孫浩 鄭夢(mèng)圓 朱興鴻 沈宇飛

（中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100190）

當(dāng)前單類衛(wèi)星應(yīng)用存在一定短板，難以滿足新一代信息服務(wù)實(shí)時(shí)化、智能化、多元化的需求，為了突破通導(dǎo)遙衛(wèi)星單系統(tǒng)應(yīng)用壁壘，構(gòu)建通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)機(jī)制，為發(fā)展實(shí)時(shí)信息服務(wù)提供有效途徑，文章首先總結(jié)了國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合發(fā)展概況，剖析了當(dāng)前通導(dǎo)遙融合面臨的問題與需求，提出了基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)并詳細(xì)介紹了三大分系統(tǒng)（實(shí)時(shí)感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)智能處理與分析中心、實(shí)時(shí)信息應(yīng)用與服務(wù)平臺(tái)），最后選擇應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)和海洋監(jiān)測(cè)2個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行初步應(yīng)用實(shí)踐探討，驗(yàn)證了在試驗(yàn)場(chǎng)景中基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)具備分鐘級(jí)的響應(yīng)效率優(yōu)勢(shì)，在復(fù)雜環(huán)境下具備1 h內(nèi)的響應(yīng)速度。

衛(wèi)星通信 衛(wèi)星導(dǎo)航 衛(wèi)星遙感 通導(dǎo)遙融合實(shí)時(shí)信息服務(wù)

0 引言

近年來(lái)，全球航天事業(yè)創(chuàng)下多個(gè)重要里程碑，在運(yùn)載火箭、深空探測(cè)、載人航天和衛(wèi)星應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域都呈現(xiàn)出創(chuàng)新發(fā)展新態(tài)勢(shì)，其中，以通信、導(dǎo)航、遙感為核心的衛(wèi)星應(yīng)用加速發(fā)展。中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展五十余年，已建成了包括通信衛(wèi)星系列、導(dǎo)航衛(wèi)星系列、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系列和科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系列在內(nèi)的較為完整的應(yīng)用衛(wèi)星體系，逐步夯實(shí)了中國(guó)各行業(yè)/領(lǐng)域衛(wèi)星應(yīng)用的空間設(shè)施基礎(chǔ)[1]。

新階段中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量的發(fā)展，對(duì)通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星提供的信息服務(wù)的覆蓋范圍、通信速率、響應(yīng)速度及定位精度均提出了更高的要求[2]。目前，單類衛(wèi)星應(yīng)用存在體系分立、資源協(xié)調(diào)困難、響應(yīng)滯后等痛點(diǎn)，難以滿足新一代信息服務(wù)實(shí)時(shí)化、智能化、多元化的更高要求[3-4]。以當(dāng)前需求為導(dǎo)向，為了實(shí)現(xiàn)泛在、全域、實(shí)時(shí)感知與高速、靈活、實(shí)時(shí)通信的信息服務(wù)，建設(shè)基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

通導(dǎo)遙衛(wèi)星在運(yùn)行軌道、運(yùn)行姿態(tài)、應(yīng)用系統(tǒng)等諸多方面存在巨大差異。目前，從衛(wèi)星載荷技術(shù)方面將通信、導(dǎo)航、遙感等功能集中于單顆衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的實(shí)例不多[5]，大多數(shù)通導(dǎo)遙融合應(yīng)用是選擇將多顆具備不同通導(dǎo)遙功能的衛(wèi)星構(gòu)成融合星座。本文從衛(wèi)星應(yīng)用實(shí)時(shí)信息服務(wù)的角度出發(fā)，針對(duì)當(dāng)前通導(dǎo)遙衛(wèi)星體系化、融合化應(yīng)用水平不足，信息的空間分辨率、時(shí)間分辨率不高，數(shù)據(jù)智能處理和實(shí)時(shí)傳輸能力不強(qiáng)，區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ痪炔粔虻葐栴}，以多星組網(wǎng)的角度構(gòu)建基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)智能處理與分析中心、實(shí)時(shí)信息應(yīng)用與服務(wù)平臺(tái)等3個(gè)分系統(tǒng)，并結(jié)合應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)與海洋監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)分析討論衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，探索衛(wèi)星支持的實(shí)時(shí)信息服務(wù)建設(shè)前景。

1 衛(wèi)星通導(dǎo)遙信息服務(wù)能力發(fā)展現(xiàn)狀

為了更深入地剖析衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)所面臨的主要問題，定位切實(shí)需求，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外的衛(wèi)星資源及衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用進(jìn)展情況進(jìn)行了梳理。

1.1 國(guó)外發(fā)展

全球航天大國(guó)在衛(wèi)星建設(shè)及應(yīng)用方面成果斐然，同時(shí)也表現(xiàn)出重視通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星一體化發(fā)展的趨勢(shì)，注重推進(jìn)全球范圍內(nèi)快速高效可靠的空間信息智能化服務(wù)。

美國(guó)空間基礎(chǔ)設(shè)施雄厚，空間資源在全球占據(jù)領(lǐng)先位置，衛(wèi)星資源主要有以：1）以Viasat、O3b、Starlink等為代表的高中低軌通信衛(wèi)星星座；2）以KH、WorldView、Flock為代表的遙感衛(wèi)星星座；3）GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座[6]。美國(guó)在衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用方面起步較早，尤其注重應(yīng)急、國(guó)防等領(lǐng)域的衛(wèi)星融合應(yīng)用。例如，Viasat計(jì)劃為低軌遙感衛(wèi)星或航天器提供數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳的寬帶通信數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，旨在使LEO運(yùn)營(yíng)商能夠通過計(jì)劃中的ViaSat-3地球靜止軌道（GEO）網(wǎng)絡(luò)從全球各地實(shí)時(shí)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的回傳與分發(fā)，支持實(shí)時(shí)地球。遙感衛(wèi)星公司Planet預(yù)計(jì)在2023年發(fā)射Pelican衛(wèi)星星座來(lái)驗(yàn)證低軌遙感衛(wèi)星與中地球軌道（Ka頻段）、地球靜止軌道（C頻段）通信衛(wèi)星間的實(shí)時(shí)通信鏈路，可連續(xù)實(shí)時(shí)將影像采集編程指令發(fā)送到遙感衛(wèi)星，并將遙感影像在幾分鐘之內(nèi)實(shí)時(shí)傳回地球。鑒于Starlink在決策支持、衛(wèi)星通信等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，Space X計(jì)劃推出Starshield衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目，同時(shí)具備對(duì)地觀測(cè)和衛(wèi)星通信功能，可實(shí)現(xiàn)空間觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送與全球加密安全通信。覆蓋全球的GPS導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)以高精度、低成本的全球?qū)Ш椒?wù)與衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)深度融合，可為各行業(yè)領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)位置服務(wù)。美國(guó)持續(xù)推進(jìn)實(shí)時(shí)信息服務(wù)發(fā)展，據(jù)稱已經(jīng)具備了分鐘級(jí)應(yīng)急救援遙感信息響應(yīng)及全球范圍內(nèi)2 h鎖定目標(biāo)的能力[7-8]。

歐洲地區(qū)航天基礎(chǔ)扎實(shí)，衛(wèi)星資源主要有SES-12/14/15、Intelsat Epic NG、Inmarsat GX、OneWeb等高低軌通信衛(wèi)星星座，Sentinel、SPOT、Rapid Eye等各類光學(xué)及SAR遙感衛(wèi)星星座和Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。各國(guó)開展了通導(dǎo)遙融合支持遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)快速獲取的試驗(yàn)，法國(guó)Pleiades-Neo星座與歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)激光通信基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同支持遙感衛(wèi)星每天高達(dá)40TiByte的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳至地球。西班牙DEIMOS-2光學(xué)衛(wèi)星、德國(guó)的TerraSAR-X衛(wèi)星與高軌通信衛(wèi)星融合應(yīng)用項(xiàng)目的目標(biāo)是驗(yàn)證更智能、低時(shí)延的對(duì)地觀測(cè)能力，受星上在軌智能處理能力限制，衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)經(jīng)地面處理后由通信衛(wèi)星全球分發(fā)，該項(xiàng)目經(jīng)多次測(cè)試，已驗(yàn)證可在1 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)對(duì)象的檢測(cè)、分類以及數(shù)據(jù)傳輸[5,9]。

與美歐一樣，俄羅斯優(yōu)先探索“通遙一體化”應(yīng)用?；谪S富的通導(dǎo)遙衛(wèi)星資源，俄羅斯于2021年正式實(shí)施SPHERE星座計(jì)劃，用于提供全球覆蓋的寬帶通信和對(duì)地觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)全球高頻次、全天候監(jiān)測(cè)。與其他全球性星座系統(tǒng)不同，SPHERE星座采用多個(gè)區(qū)域性系統(tǒng)接入互聯(lián)的方式建立高速激光通信通道以實(shí)現(xiàn)星間通信，整合了在地球靜止軌道上部署的Yamal和Express通信衛(wèi)星、在高橢圓軌道上部署的Express-RV衛(wèi)星、在中軌道部署的SKIF寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備和在低軌道部署的IoT Marathon全球數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，極大降低對(duì)地觀測(cè)響應(yīng)時(shí)延，以實(shí)現(xiàn)其全方位、實(shí)時(shí)信息服務(wù)目標(biāo)。[10-11]

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展

中國(guó)的航天事業(yè)雖起步晚但發(fā)展迅速，目前已經(jīng)建成了涵蓋通信、導(dǎo)航、遙感、載人航天等多領(lǐng)域相對(duì)完善的航天工業(yè)系統(tǒng)。其中通信衛(wèi)星領(lǐng)域已逐步走向自主可控，衛(wèi)星資源主要包括以“中星”、“亞太”、“亞洲”衛(wèi)星為代表的高軌通信廣播衛(wèi)星，以“鴻雁工程”、“虹云工程”和中國(guó)星網(wǎng)建設(shè)的低軌大型星座為代表的低軌通信衛(wèi)星星座，以天通衛(wèi)星為代表的移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)[12]。2023年3月發(fā)射的“中星26號(hào)”衛(wèi)星，是中國(guó)首顆容量超百Gibit/s的Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)衛(wèi)星，開啟了中國(guó)高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新時(shí)代。目前，中國(guó)已建成“北斗三號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可服務(wù)國(guó)內(nèi)、一帶一路和全球范圍，具備全球區(qū)域定位精度優(yōu)于10 m、亞太區(qū)域定位精度優(yōu)于5 m、中國(guó)及周邊地區(qū)定位精度優(yōu)于0.3～0.6 m的服務(wù)能力[13]。在對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星領(lǐng)域中國(guó)也取得了卓越的成果，初步建成了完善的陸地、氣象和海洋三大衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)，以高分系列、風(fēng)云系列和海洋系列衛(wèi)星為代表，空間分辨率最高可達(dá)亞米級(jí)，時(shí)間響應(yīng)最快可達(dá)小時(shí)級(jí)[14]。

大數(shù)據(jù)時(shí)代中國(guó)迫切需要形成全球化、近實(shí)時(shí)對(duì)地觀測(cè)、互聯(lián)互通、精準(zhǔn)定位的信息服務(wù)能力，以行業(yè)領(lǐng)域和國(guó)家安全的需求為牽引，逐步開展衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用、實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)信息服務(wù)總體設(shè)計(jì)與場(chǎng)景應(yīng)用的初步探索[15]。從星座組網(wǎng)的角度，國(guó)內(nèi)一線專家提出了定位、導(dǎo)航、授時(shí)、遙感、通信（PNTRC）一體化的天基信息服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想[1-2]。在復(fù)雜環(huán)境下，基于通導(dǎo)遙融合的復(fù)雜環(huán)境實(shí)時(shí)感知服務(wù)系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)于單系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)[2]。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)信息體系思維對(duì)于構(gòu)建基于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的通導(dǎo)遙融合的立體式天基網(wǎng)絡(luò)信息體系架構(gòu)設(shè)想提出了新的解決思路[3]。面向尾礦庫(kù)區(qū)應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測(cè)、特殊水域安全監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景，通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息服務(wù)也有了初步探索[5]，數(shù)據(jù)最快響應(yīng)時(shí)間為2～4 h。

2 中國(guó)現(xiàn)實(shí)需求和面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，中國(guó)許多行業(yè)領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)信息服務(wù)提出了更高需求，具體數(shù)據(jù)詳見表1?？梢钥闯?，以實(shí)時(shí)位置、實(shí)時(shí)通信為特征的信息服務(wù)在數(shù)據(jù)通信容量、通信響應(yīng)時(shí)延及響應(yīng)范圍等方面均有較高的要求。綜合考慮國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星資源與通導(dǎo)遙融合研究進(jìn)展，單系統(tǒng)難以滿足上述實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和精準(zhǔn)性的現(xiàn)實(shí)需求，需要探索衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合支持的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)。

表1 實(shí)時(shí)信息服務(wù)現(xiàn)實(shí)需求

Tab.1 Requirements of real-time information service

注：1）實(shí)時(shí)，代表通信時(shí)延在毫秒級(jí)；近實(shí)時(shí)，代表通信時(shí)延小于1 s。

從全球?qū)崟r(shí)信息服務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，衛(wèi)星支持的實(shí)時(shí)信息服務(wù)仍處于探索期，進(jìn)一步推進(jìn)衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用研究面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是如下兩方面：

1）衛(wèi)星通導(dǎo)遙空間資源協(xié)同不足，感知數(shù)據(jù)時(shí)空基準(zhǔn)不統(tǒng)一。面向觀測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)信息服務(wù)首先需要快速明確可用的衛(wèi)星資源，由于協(xié)同多星資源難度大，需要投入大量的人力進(jìn)行協(xié)調(diào)。感知數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，遙感數(shù)據(jù)、導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)以及各傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)空基準(zhǔn)不統(tǒng)一，這些問題直接影響數(shù)據(jù)的利用率，進(jìn)而導(dǎo)致全域感知數(shù)據(jù)獲取速度慢、時(shí)效性低，信息的推送與分發(fā)無(wú)法做到實(shí)時(shí)與智能。

2）通信融合組網(wǎng)不充分，難以支撐信息服務(wù)的實(shí)時(shí)高效需求。單類通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立服務(wù)均存在一定自限性，其中窄帶衛(wèi)星通信限于文字、語(yǔ)音等數(shù)據(jù)容量較小的實(shí)時(shí)信息傳輸；寬帶衛(wèi)星通信雖實(shí)時(shí)信息傳輸容量大，但對(duì)終端設(shè)備要求高；地面網(wǎng)絡(luò)速度快、資費(fèi)低，但空間覆蓋能力不足。當(dāng)前，通信融合組網(wǎng)是解決單類通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)信息獲取支撐不足的有效途徑，但目前星地融合組網(wǎng)、寬窄帶融合組網(wǎng)等通信融合組網(wǎng)不充分，還需要進(jìn)一步從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組網(wǎng)方式和空口傳輸?shù)榷喾矫孢M(jìn)行技術(shù)突破。

3 基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)

3.1 體系架構(gòu)

本研究融合多類型衛(wèi)星資源、天地網(wǎng)絡(luò)資源、智能終端等，提出基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將通導(dǎo)遙衛(wèi)星空間資源與技術(shù)方法協(xié)同到同一系統(tǒng)中，在一定程度上打破了單類衛(wèi)星平臺(tái)和系統(tǒng)之間的體系壁壘，依托一體化的系統(tǒng)平臺(tái)，面向各行業(yè)領(lǐng)域提供天地一體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、通信、導(dǎo)航等信息服務(wù)，支持區(qū)域及全球范圍內(nèi)的高分辨率、高精度、實(shí)時(shí)的信息服務(wù)，這種高度綜合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備廣覆蓋、快速響應(yīng)、協(xié)同服務(wù)的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)體系架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)智能處理與分析中心、場(chǎng)景應(yīng)用平臺(tái)等3個(gè)分系統(tǒng)組成，網(wǎng)絡(luò)、中心、平臺(tái)這3部分依次對(duì)應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層、管理層、應(yīng)用層。在統(tǒng)一的系統(tǒng)框架下，通過3個(gè)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的采集——傳輸——處理——應(yīng)用——分發(fā)等全流程的實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)響應(yīng)。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.1 實(shí)時(shí)感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)

實(shí)時(shí)感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)是支撐基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括時(shí)間域和空間域上的全域泛在感知與天地一體通信與傳輸網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。

全域泛在感知包括多源異構(gòu)感知平臺(tái)、感知時(shí)空分辨率、精度以及感知維度等方面。感知平臺(tái)主要由遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)和地面監(jiān)測(cè)站構(gòu)成，是立體全面的空天地一體化綜合感知網(wǎng)，具備全時(shí)空、全方位的多域覆蓋能力。其中遙感衛(wèi)星包括光學(xué)遙感衛(wèi)星、資源環(huán)境衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星以及商業(yè)遙感星座，基于多源遙感衛(wèi)星可獲取更高時(shí)空分辨率的遙感大數(shù)據(jù)。網(wǎng)格化無(wú)人機(jī)與配套智能基站具備分布式、高頻次、高精度、自主協(xié)同作業(yè)、機(jī)群智能調(diào)度與智能基站通信中繼等優(yōu)勢(shì)，可機(jī)動(dòng)靈活進(jìn)行小目標(biāo)精準(zhǔn)觀測(cè)并快速回傳數(shù)據(jù)。地面監(jiān)測(cè)站包括移動(dòng)和固定監(jiān)測(cè)站兩種類型，傳感器終端以小型化、集成型、智能型為主，通過廣布的固定傳感器與移動(dòng)監(jiān)測(cè)儀可直接獲取觀測(cè)對(duì)象最真實(shí)的數(shù)據(jù)。多源感知平臺(tái)在我國(guó)北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)支持下，獲取的數(shù)據(jù)時(shí)空基準(zhǔn)基本一致，具有精確時(shí)間和空間屬性，有利于下一步的數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)抽取。

天地一體通信與傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由寬窄帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)及地面網(wǎng)絡(luò)組成，通過寬窄帶、天地網(wǎng)協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)高效傳輸。例如，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)（尤其全球遙感數(shù)據(jù)），可通過激光星間鏈路或者寬帶衛(wèi)星通信鏈路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)回傳，與常規(guī)遙感數(shù)據(jù)回傳相比，天地一體通信與傳輸網(wǎng)絡(luò)能夠極大提升遙感信息獲取的時(shí)效性。構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要有多星組網(wǎng)技術(shù)、空間分布式管理技術(shù)、星地組網(wǎng)技術(shù)等。

3.2.2 數(shù)據(jù)智能處理與分析中心

數(shù)據(jù)智能處理與分析中心作為處理多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)的核心環(huán)節(jié)，以遙感數(shù)據(jù)管理與處理數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)管理與處理數(shù)據(jù)庫(kù)、地面數(shù)據(jù)管理與處理數(shù)據(jù)庫(kù)和異構(gòu)數(shù)據(jù)處理與分析算法庫(kù)為支撐，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接入、元數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)管理等管理層工作。

數(shù)據(jù)智能處理與分析中心提供了實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的匯集平臺(tái)，支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)快速高效轉(zhuǎn)化為知識(shí)與信息，具備AI技術(shù)的知識(shí)抽取算法使信息服務(wù)的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性和持續(xù)性要求進(jìn)一步得到了保障。海量的數(shù)據(jù)智能處理與分析涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括時(shí)空大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)技術(shù)、信息挖掘與分析技術(shù)等。

3.2.3 實(shí)時(shí)信息應(yīng)用與服務(wù)平臺(tái)

實(shí)時(shí)信息應(yīng)用與服務(wù)平臺(tái)屬于直接面向應(yīng)急救援、決策支持、執(zhí)法等各行業(yè)應(yīng)用的層面，支持動(dòng)態(tài)決策與信息快速分發(fā)，功能主要包括實(shí)時(shí)信息三維可視化展示、專題信息生成、輔助透視指揮、預(yù)警預(yù)測(cè)、決策信息發(fā)布等，是針對(duì)不同的用戶群體、不同的場(chǎng)景、不同的需求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息按需服務(wù)的前臺(tái)。其關(guān)鍵技術(shù)有時(shí)空信息可視化技術(shù)、全息影像技術(shù)、三維渲染技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等。

4 典型應(yīng)用

在應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)和海洋監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中，對(duì)衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果分別進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)比當(dāng)前單類衛(wèi)星應(yīng)用的24 h級(jí)響應(yīng)時(shí)效，該系統(tǒng)以1 h內(nèi)的信息服務(wù)響應(yīng)時(shí)效優(yōu)勢(shì)，具備提升數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、信息抽取和決策分發(fā)等全鏈條實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力，尤其是在遙感數(shù)據(jù)采集與傳輸環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最快15 min的高效數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳。本文在以下2個(gè)場(chǎng)景中，選擇國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的民商用通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星資源，開展了衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)具體應(yīng)用分析，驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知能力以及在信息分析方面所具備的高實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性和連續(xù)性的優(yōu)勢(shì)。

4.1 應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)實(shí)時(shí)信息服務(wù)

重大災(zāi)害具有瞬時(shí)突發(fā)性強(qiáng)、破壞力強(qiáng)、不確定性強(qiáng)等特點(diǎn)，通常會(huì)引發(fā)人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失，因此，此類應(yīng)急救援和救助通常任務(wù)緊急，對(duì)救援時(shí)間窗口要求高，一般需要在重特大災(zāi)害發(fā)生后幾小時(shí)甚至幾十分鐘內(nèi)快速獲取災(zāi)后有效信息，輔助指揮中心進(jìn)行應(yīng)急動(dòng)態(tài)決策，為救援前線高效搶險(xiǎn)救災(zāi)提供支撐。當(dāng)前我國(guó)海外遙感數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)不足，而衛(wèi)星通遙一體化能夠保障遙感衛(wèi)星在可供觀測(cè)的窗口期內(nèi)完成緊急任務(wù)。與單一系統(tǒng)平臺(tái)相比，基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)在高時(shí)效高頻次災(zāi)害全要素監(jiān)測(cè)、大容量且安全的通信保障、精準(zhǔn)定位支持等多方面優(yōu)勢(shì)突出，是防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)領(lǐng)域不可或缺的重要手段。

面向應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)，基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果如下：

1）該系統(tǒng)支撐衛(wèi)星遙感實(shí)現(xiàn)緊急觀測(cè)，基于天地一體通信網(wǎng)絡(luò)完成了遙感衛(wèi)星緊急觀測(cè)指令傳達(dá)、遙感影像（見圖3（a））實(shí)時(shí)傳送回地面指揮中心、災(zāi)情分發(fā)等流程。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，指揮中心最快獲取遙感原始數(shù)據(jù)的時(shí)間可縮短至15 min，復(fù)雜環(huán)境下指揮中心獲取災(zāi)情決策支撐信息的時(shí)間最短至1 h。

2）在該系統(tǒng)支持下，裝載有衛(wèi)星通信終端和光學(xué)或熱紅外等機(jī)載成像載荷的無(wú)人機(jī)可快速機(jī)動(dòng)抵達(dá)受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，通過無(wú)人機(jī)遙感將現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情信息快速回傳至指揮中心。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)智能處理與分析中心獲得無(wú)人機(jī)遙感圖像的最短時(shí)間為30 s，指揮中心獲得災(zāi)情決策支撐信息的時(shí)間在分鐘級(jí)。圖3（b）、（c）為該系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試中的幾個(gè)重要試驗(yàn)界面。

3）該系統(tǒng)具備動(dòng)態(tài)決策輔助能力，通過為一線救援人員配備小型化、便攜性的融合衛(wèi)星通信與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模塊的智能終端，實(shí)時(shí)接收來(lái)自指揮中心的救災(zāi)指令，同時(shí)可將受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖片、語(yǔ)音、視頻等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至指揮中心，并支持任意區(qū)域的在線視頻會(huì)議。系統(tǒng)有效保障了救援一線與救援中心的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一線救援力量的動(dòng)態(tài)調(diào)整與精準(zhǔn)投放，使有限的救援隊(duì)伍發(fā)揮了最大的應(yīng)急救援效果。

圖3 基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)信息服務(wù)

4.2 海洋監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)信息服務(wù)

隨著“智慧海洋”“海洋強(qiáng)國(guó)”等工程不斷推進(jìn)，衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合技術(shù)被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)海洋復(fù)雜多變的環(huán)境、支撐海洋監(jiān)測(cè)的重要手段?；谛l(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)用于海洋監(jiān)測(cè)，服務(wù)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警、漁船非法捕撈、海上交通安全保障、海上重大事件應(yīng)急處理、海上巡航執(zhí)法等業(yè)務(wù)，解決了我國(guó)執(zhí)法部門智慧海事監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)感知不足、通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全的難題，進(jìn)一步鞏固了海洋空間執(zhí)法能力。

面向海洋監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)協(xié)同可靠精確的數(shù)據(jù)感知設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)、全球覆蓋的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和高性能海洋空間信息數(shù)據(jù)中心，可提供面向海洋監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用的多種智能數(shù)據(jù)服務(wù)。以中國(guó)某海域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，將基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)在海域日常監(jiān)測(cè)與預(yù)警、快速響應(yīng)與執(zhí)法兩大關(guān)鍵場(chǎng)景中進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）在海域日常監(jiān)測(cè)與預(yù)警中，該系統(tǒng)支持天-空-岸-海全天候立體化海洋環(huán)境感知與監(jiān)測(cè)，通過浮標(biāo)、船載AI視頻監(jiān)控、高分辨率海洋遙感衛(wèi)星與北斗/天通衛(wèi)星采集海洋環(huán)境實(shí)況數(shù)據(jù)，并回傳有關(guān)海上溢油、非捕漁期漁船、異常船只、非法侵占島嶼等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，支持海洋環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、非法捕撈監(jiān)視、海島權(quán)益維護(hù)等多場(chǎng)景監(jiān)測(cè)。在該系統(tǒng)中，海洋執(zhí)法獲取了某島嶼非法開采遙感數(shù)據(jù)、海洋溢油遙感數(shù)據(jù)、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)，部分結(jié)果見圖4（a），其中海洋遙感數(shù)據(jù)及海洋信息響應(yīng)時(shí)效為每天上下午各觀測(cè)一次。

2）在快速響應(yīng)執(zhí)法中，該系統(tǒng)具備主動(dòng)告警能力，融合裝載有衛(wèi)星通信終端的執(zhí)法船艦、北斗衛(wèi)星、衛(wèi)星通信、無(wú)人機(jī)遙感等多源感知平臺(tái)，最快15 min就可獲取遙感數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)以違法執(zhí)法模型數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行執(zhí)法船舶任務(wù)規(guī)劃、位置監(jiān)控、船舶導(dǎo)航、執(zhí)法調(diào)度指揮以及執(zhí)法信息的實(shí)時(shí)發(fā)布。通過支撐海洋通信的全球網(wǎng)絡(luò)，可獲取船只實(shí)時(shí)位置（圖4（b））以及深遠(yuǎn)海船舶的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面（圖4（c））等實(shí)時(shí)信息，并將這些信息回傳至該系統(tǒng)，輔助快速精準(zhǔn)執(zhí)法。信息響應(yīng)時(shí)效在1 h內(nèi)，全鏈條只需1～2名預(yù)判專家和1～2名系統(tǒng)操縱人員，極大的節(jié)省了人力成本。

圖4 基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的海洋監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)信息服務(wù)

5 結(jié)束語(yǔ)

大數(shù)據(jù)與人工智能時(shí)代，衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用可為實(shí)時(shí)信息服務(wù)提供全域感知、實(shí)時(shí)通信、精準(zhǔn)導(dǎo)航等保障，進(jìn)一步滿足了各行業(yè)領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)化、智能化、多元化的新一代信息服務(wù)需求。本文提出基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，通過建立衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用機(jī)制與系統(tǒng)架構(gòu)，協(xié)同智能感知技術(shù)、時(shí)空數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)、三維可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)與智能終端等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建實(shí)時(shí)感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)智能處理與分析中心、實(shí)時(shí)信息與應(yīng)用服務(wù)等3個(gè)完整的分系統(tǒng)，從信息實(shí)時(shí)與智能化角度突破通導(dǎo)遙單類衛(wèi)星應(yīng)用的局限性，可為更深層次的衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合信息服務(wù)研究提供一定的借鑒。同時(shí)，在應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)和海洋監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)踐中探討了該系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景與應(yīng)用模式。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于單類衛(wèi)星應(yīng)用，基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)系統(tǒng)從整體上提升了感知維度，縮短了響應(yīng)時(shí)延，保障了響應(yīng)效率和執(zhí)行質(zhì)量。

目前國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合應(yīng)用尚未形成系統(tǒng)性、實(shí)用性的體系，衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)的探索空間還很大，在載荷技術(shù)融合、多星組網(wǎng)、信息智能處理等方面仍需深入探討，進(jìn)一步優(yōu)化衛(wèi)星通導(dǎo)遙的網(wǎng)絡(luò)融合機(jī)制以及實(shí)時(shí)信息服務(wù)效能。

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Research of Real-Time Information Service Based on Fusion of Communication, Navigation and Remote Sensing Satellite

ZHAO Fei LYU Yunzhe SUN Hao ZHENG Mengyuan ZHU Xinghong SHEN Yufei

（China Satellite Communications Co., Ltd., Beijing 100190, China）

At present, there are certain shortcomings in single-function satellite applications, which are difficult to meet the needs of real-time, intelligent and diversified information services of the new generation. The paper is aimed to break through the barriers of communication, navigation and remote sensing (CNR) applications, build a real-time information service mechanism in CNR fusion, and provide an effective way for the development of real-time information service.Firstly, an overview about CNR fusion at home and abroad is summarized, and the current problems and needs faced by CNR fusion are analyzed.Then a general architecture of the real-time information service system based on CNR fusion is proposed, including three major subsystems (a real-time sensing and transmission network, a data intelligent processing and analysis center and a real-time information application and service platform). Finally, a discussion about applications is given on two typical scenarios of emergency rescue, disaster relief and marine monitoring. It is verified that the real-time information service system based on CNR fusion has the advantage of minute level response efficiency in trial scenarios anda response speed within 1 hour in complex environment.

communication satellite; navigation satellite; remote sensing satellite; CNR fusion; real-time information service

V19

A

1009-8518(2023)04-0001-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.04.001

2023-05-22

水利部重大科技項(xiàng)目（SKS-2022129）

趙菲, 呂韞哲, 孫浩, 等. 基于衛(wèi)星通導(dǎo)遙融合的實(shí)時(shí)信息服務(wù)研究[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(4): 1-10.

ZHAO Fei, LYU Yunzhe, SUN Hao, et al. Research of Real-Time Information Service Based on Fusion of Communication, Navigation and Remote Sensing Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(4): 1-10. (in Chinese)

趙菲，女，1990年生，2020年獲中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，工程師。研究方向是衛(wèi)星通信與衛(wèi)星遙感一體化應(yīng)用。E-mail：zhaofei@chinasatcom.com。

呂韞哲，女，1988年生，2011年獲英國(guó)薩里大學(xué)移動(dòng)衛(wèi)星通信專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。研究方向是通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)。

（編輯：夏淑密）