趙菲 呂韞哲 付東杰 劉韶菲 才藝 馬芳

(1 中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司,北京 100190)(2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101)(3 應(yīng)急管理部大數(shù)據(jù)中心,北京 100103)

在大數(shù)據(jù)與人工智能時(shí)代,智能交通、智慧城市、智慧海洋及智慧地球?qū)π畔⒎?wù)提出了實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、智能的強(qiáng)烈要求,以高時(shí)效性、高精準(zhǔn)性、高連續(xù)性為特征的信息服務(wù)已逐步演變?yōu)殛?、海、空、天、電、網(wǎng)絡(luò)6維一體的聯(lián)合行動(dòng)[1]。隨著全球航天事業(yè)的迅猛推進(jìn),以通信、導(dǎo)航、遙感(簡稱為通導(dǎo)遙)為核心的融合應(yīng)用呈現(xiàn)出創(chuàng)新發(fā)展的態(tài)勢(shì),為高時(shí)效性信息支持的智能服務(wù)與行動(dòng)提供了重要的資源基礎(chǔ)。

近年來,通導(dǎo)遙融合應(yīng)用逐漸出現(xiàn)在多個(gè)國家的空間發(fā)展探索議程上,各國力爭形成全球化、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)體系和應(yīng)急響應(yīng)能力[2]。國內(nèi)外對(duì)于集成通導(dǎo)遙功能于單顆衛(wèi)星的一星多用、通導(dǎo)遙融合星座的多星組網(wǎng)應(yīng)用均有探索,其中,在高軌寬帶通信衛(wèi)星與低軌遙感衛(wèi)星融合組網(wǎng)提升遙感圖像獲取時(shí)效性方面試驗(yàn)成果顯著,低軌星座中兼具通信、遙感融合功能的單星建造及低軌互聯(lián)網(wǎng)星座構(gòu)建也在逐步開展。從全球空間資源和衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)展上看,通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息服務(wù)探索仍處于初步階段,以通導(dǎo)遙融合應(yīng)用為特征的多星組網(wǎng)星座建造是提升信息服務(wù)響應(yīng)時(shí)效性的發(fā)展趨勢(shì)。因此,面向當(dāng)前新型信息智能服務(wù)的高時(shí)效性、高精準(zhǔn)性、高連續(xù)性的迫切需求,諸多研究工作集中在協(xié)同通導(dǎo)遙衛(wèi)星資源形成多星組網(wǎng)架構(gòu),以通導(dǎo)遙融合應(yīng)用支撐復(fù)雜環(huán)境下各行業(yè)對(duì)智能信息服務(wù)的高標(biāo)準(zhǔn)需求。目前,在通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的機(jī)制方面已有初步探索,但是對(duì)于通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的智能信息服務(wù)體系和系統(tǒng)方法研究不足,還未有效解決多源異構(gòu)平臺(tái)有機(jī)協(xié)同、多網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)及數(shù)據(jù)信息智能轉(zhuǎn)化等問題,尤其是在遙感數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等大容量數(shù)據(jù)的高時(shí)效回傳及實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等方面還面臨更多的挑戰(zhàn),因此有必要進(jìn)一步探討寬帶衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感融合機(jī)制與系統(tǒng)方法,優(yōu)化通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)機(jī)制及系統(tǒng)方法,以應(yīng)對(duì)當(dāng)前通導(dǎo)遙資源協(xié)同規(guī)劃薄弱、應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性能不足、信息評(píng)估自動(dòng)化與智能化不充分等挑戰(zhàn)。

信息智能服務(wù)全鏈條包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)治理等一系列環(huán)節(jié),響應(yīng)鏈的時(shí)效性、精準(zhǔn)性是當(dāng)前通導(dǎo)遙融合應(yīng)用要解決的關(guān)鍵問題,因此,需要從響應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)出發(fā),構(gòu)建一種新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)機(jī)制并進(jìn)行系統(tǒng)化實(shí)施。本文首先總結(jié)通導(dǎo)遙融合應(yīng)用在國內(nèi)外的進(jìn)展,提出當(dāng)前應(yīng)對(duì)信息智能服務(wù)的高實(shí)時(shí)性、高精準(zhǔn)性和高連續(xù)性迫切需求面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn);從多星組網(wǎng)角度提出一種新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)框架及各層面架構(gòu),分析該框架在覆蓋范圍、通信速率、響應(yīng)速度及精準(zhǔn)定位方面的一站式解決能力及關(guān)鍵技術(shù);最后選擇西藏察隅地區(qū)為試驗(yàn)區(qū),通過系統(tǒng)仿真模擬重大災(zāi)害日常監(jiān)測(cè)和應(yīng)急響應(yīng)2種場景,驗(yàn)證新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng)及方法的應(yīng)用效果。

1 國內(nèi)外通導(dǎo)遙融合應(yīng)用進(jìn)展及面臨挑戰(zhàn)

1.1 國內(nèi)外通導(dǎo)遙融合應(yīng)用進(jìn)展

隨著信息服務(wù)需求逐漸趨向高實(shí)時(shí)性、高精準(zhǔn)性和高連續(xù)性的特點(diǎn),多個(gè)國家紛紛從通導(dǎo)遙融合應(yīng)用角度對(duì)信息智能服務(wù)作出了一定的探索。國外率先探索通信遙感一體化,嘗試從空間源頭協(xié)同衛(wèi)星資源,以提升遙感數(shù)據(jù)獲取與應(yīng)用的時(shí)效性。當(dāng)前,關(guān)于通信遙感一體化的探索分為2種:①單星同時(shí)搭載多種載荷,實(shí)現(xiàn)集成通信、導(dǎo)航、遙感功能于單顆衛(wèi)星的一星多用的通導(dǎo)遙融合應(yīng)用;②多星搭載不同功能載荷構(gòu)成龐大的星座,實(shí)現(xiàn)多星組網(wǎng)的通導(dǎo)遙融合應(yīng)用。

通導(dǎo)遙衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度、運(yùn)行姿態(tài)及分系統(tǒng)等各方面的差異巨大,建造集成通導(dǎo)遙多功能于一體的單星難度較大。國外高軌寬帶通信與遙感融合的單星建設(shè)探索較少,較典型的有韓國于2010年發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星千里眼(COMS),同時(shí)搭載Ka頻段寬帶通信載荷、地球靜止海洋水色成像儀(GOCI)和氣象成像儀(MI)3個(gè)有效載荷,可每小時(shí)獲取朝鮮半島周邊海洋環(huán)境和海洋生態(tài)等海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),每隔8～15min獲取高分辨率氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。隨著低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展,低軌通信與遙感融合的單星建設(shè)逐步增多。美國太空探索技術(shù)(Space X)公司推出了面向軍事的星盾(Starshield)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目計(jì)劃,設(shè)計(jì)單星上同時(shí)搭載通信、遙感載荷,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。

國外在多星組網(wǎng)通導(dǎo)遙融合應(yīng)用方面探索較多,通過構(gòu)建由不同功能衛(wèi)星組成的空間信息網(wǎng)絡(luò)融合星座,可實(shí)現(xiàn)更加實(shí)時(shí)的通導(dǎo)遙衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)服務(wù)。其中,較突出的研究集中在遙感衛(wèi)星與通信衛(wèi)星組網(wǎng)提升遙感數(shù)據(jù)回傳至地球的時(shí)效性。美國提出以高軌寬帶通信衛(wèi)星為通信中繼點(diǎn)實(shí)時(shí)回傳遙感衛(wèi)星拍攝的遙感影像,衛(wèi)星通信運(yùn)營商衛(wèi)訊(Viasat)公司、商業(yè)遙感衛(wèi)星公司行星(Planet)公司均實(shí)施了類似項(xiàng)目試驗(yàn),用于支持全球范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)字地球信息服務(wù),Planet公司計(jì)劃將現(xiàn)有星座的圖像數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間從幾小時(shí)縮短到幾分鐘。目前,受限于遙感衛(wèi)星在軌智能處理能力,通信遙感融合應(yīng)用多采取衛(wèi)星遙感原始數(shù)據(jù)落地后再由寬帶通信衛(wèi)星中繼完成全球數(shù)據(jù)傳輸與分發(fā),經(jīng)西班牙德莫斯-2(DEIMOS-2)光學(xué)遙感衛(wèi)星、德國陸地合成孔徑雷達(dá)-X(TerraSAR-X)遙感衛(wèi)星與高軌通信衛(wèi)星協(xié)同驗(yàn)證,表明這種通信遙感融合應(yīng)用可獲得更智能、低時(shí)延的對(duì)地觀測(cè)能力,在1min內(nèi)能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)象檢測(cè)及應(yīng)急信息分發(fā)。俄羅斯計(jì)劃實(shí)施球形衛(wèi)星星座(SPHERE)計(jì)劃,通過建立星間高速激光通信實(shí)現(xiàn)多區(qū)域通信接入,計(jì)劃整合高軌通信衛(wèi)星、高橢圓軌道衛(wèi)星、中軌道寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備、低軌道全球數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等不同軌道高度的衛(wèi)星或設(shè)備,實(shí)現(xiàn)全方位通信服務(wù)及全球高頻次、全天候監(jiān)測(cè)對(duì)地觀測(cè)[3]。隨著全球低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn),低軌寬帶衛(wèi)星通信星座與遙感衛(wèi)星協(xié)同在支撐態(tài)勢(shì)感知、實(shí)時(shí)通信與軍事作戰(zhàn)中發(fā)揮作用,其中,SpaceX公司的星鏈(Starlink)在“俄烏沖突”中提供軍事信息智能服務(wù),并且在星座V1.5中搭載星間激光鏈路通信模塊,拓展即感即傳的信息服務(wù)能力,以支持更多的高時(shí)效性信息應(yīng)用場景。

我國已經(jīng)在一星多用、多星組網(wǎng)、天地互連、多網(wǎng)融合方面進(jìn)行了通導(dǎo)遙融合應(yīng)用探索,力爭形成全球化、近實(shí)時(shí)對(duì)地觀測(cè)、互聯(lián)互通、精準(zhǔn)定位的信息智能服務(wù)能力。文獻(xiàn)[4]中提出構(gòu)建由數(shù)百顆具有遙感、導(dǎo)航與通信功能的低軌小衛(wèi)星組成的天基網(wǎng),協(xié)同高分辨率遙感衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,與衛(wèi)星通信網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)的整體集成的新一代天基智能系統(tǒng),提供高性能導(dǎo)航、定位、授時(shí)、遙感、通信的一體化實(shí)時(shí)服務(wù)的構(gòu)想。我國北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星兼具導(dǎo)航定位與短報(bào)文通信功能,應(yīng)用成本低、終端便攜性高、通信導(dǎo)航融合度較高,在一定程度上有利于通導(dǎo)遙融合應(yīng)用。武漢大學(xué)嘗試設(shè)計(jì)新一代智能測(cè)繪遙感衛(wèi)星,可實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、實(shí)時(shí)下傳與應(yīng)用終端的實(shí)時(shí)信息服務(wù),珞珈一號(hào)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行了單星通導(dǎo)融合試驗(yàn)與多星組網(wǎng)星座通導(dǎo)遙融合應(yīng)用[5]。我國商業(yè)航天通過在低軌衛(wèi)星上同時(shí)搭載通信與遙感載荷,并借助在軌任務(wù)調(diào)度與信息智能分發(fā)、高速綜合信號(hào)處理、地面站網(wǎng)資源融合管控等關(guān)鍵技術(shù),提升遙感數(shù)據(jù)分發(fā)速率和遙感任務(wù)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。其中,銀河航天公司發(fā)射6顆低軌寬帶通信衛(wèi)星同時(shí)搭載了遙感載荷,開展衛(wèi)星通信、遙感一體化的創(chuàng)新應(yīng)用模式探索及在軌演示驗(yàn)證。2023年,我國開展超低軌通信導(dǎo)航一體化星座布局,完成7顆衛(wèi)星在軌組網(wǎng)運(yùn)行并提供穩(wěn)定的氣象數(shù)據(jù),具有距離地面近、延時(shí)短和通信耗損小等優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)分米級(jí)精準(zhǔn)分辨率、分鐘級(jí)實(shí)時(shí)傳輸新型信息服務(wù)能力。在多星組網(wǎng)通導(dǎo)遙融合應(yīng)用體系思維導(dǎo)向下,面向復(fù)雜環(huán)境實(shí)時(shí)感知[6]、尾礦區(qū)生態(tài)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)[7]、特殊區(qū)域水環(huán)境安全監(jiān)測(cè)[8]等諸多場景,通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的系統(tǒng)機(jī)制研究初步開展,已經(jīng)具有可行性的構(gòu)想與設(shè)計(jì)。因此,本文選擇多星組網(wǎng)角度進(jìn)行通導(dǎo)遙融合應(yīng)用機(jī)制分析。

1.2 面臨的挑戰(zhàn)

美國注重保持空間信息和決策優(yōu)勢(shì),表示通過通導(dǎo)遙融合應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了分鐘級(jí)全球應(yīng)急救援信息響應(yīng)能力。與美國相比,我國目前是小時(shí)級(jí)的遙感過境傳輸網(wǎng)絡(luò)和小時(shí)級(jí)的處理服務(wù),對(duì)于應(yīng)急事件的反應(yīng)速度相對(duì)滯后[9-10]。

信息智能服務(wù)要求分鐘級(jí)的遙感圖像獲取能力、時(shí)延在毫秒級(jí)或納秒級(jí)的語音、圖像、視頻等通信傳輸能力和快速指令分發(fā)能力、亞米級(jí)精準(zhǔn)定位能力[11-14]。為了一站式滿足上述需求,需要重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問題。①全面協(xié)同各空間維度感知平臺(tái),統(tǒng)一多源感知平臺(tái)空間基準(zhǔn)[15],形成立體感知與有機(jī)協(xié)同的數(shù)據(jù)獲取通道;②融合多類型數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),靈活組網(wǎng),形成資源利用率高、抗損毀、快速組網(wǎng)的數(shù)據(jù)回傳與指令分發(fā)網(wǎng)絡(luò)[16-17];③融入海量感知數(shù)據(jù)智能化高效率處理模型與算法,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)決策支撐[18];④新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)機(jī)制與系統(tǒng),一站式實(shí)現(xiàn)①～③。

2 新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)框架

為應(yīng)對(duì)信息智能服務(wù)需求,解決全面立體感知協(xié)同不足,多源感知平臺(tái)空間基準(zhǔn)不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)不足,通信資源配置不靈活,海量感知數(shù)據(jù)智能化處理效率不高,動(dòng)態(tài)決策支撐不足等現(xiàn)實(shí)問題,本文從多星組網(wǎng)角度提出新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)框架。該框架充分協(xié)同多源感知平臺(tái)、天地網(wǎng)絡(luò)資源、智能終端、融合人工智能與空天信息系統(tǒng),可支持區(qū)域及全球范圍內(nèi)的信息服務(wù),尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或者應(yīng)急響應(yīng)中實(shí)現(xiàn)空天地一體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、快速響應(yīng)、協(xié)同服務(wù)。

新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)框架見圖1。該框架主要包括感知層、傳輸層、智能處理層、應(yīng)用與服務(wù)層,確保在統(tǒng)一的框架下實(shí)現(xiàn)信息的感知-傳輸-處理-分發(fā)全鏈條的高實(shí)時(shí)性、高精準(zhǔn)性和高連續(xù)性響應(yīng)。

圖1 新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)框架Fig.1 Framework for new CNR-integrated application information intelligence service

2.1 感知層

感知層是信息智能服務(wù)框架的基礎(chǔ),位于金字塔最底部,解決時(shí)間域和空間域上的信息感知與傳輸問題。感知范圍包括對(duì)象的全要素特征、音頻、視頻、時(shí)空屬性、社會(huì)屬性等多維度立體范疇,感知平臺(tái)具有立體多源異構(gòu)特征,感知層形成面向具體任務(wù)、可動(dòng)態(tài)調(diào)整所需各類傳感平臺(tái)和可自主恰當(dāng)選用遙感器獲取充足時(shí)空分辨率的感知大數(shù)據(jù)能力,從時(shí)空分辨率、精度、感知方式及感知維度等方面實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)協(xié)同、信息互補(bǔ)。

多源異構(gòu)感知平臺(tái)按照空間維度分為天基、空基、地基和?；?個(gè)部分,如圖2所示。天基部分由遙感星座、導(dǎo)航衛(wèi)星和高低軌通信衛(wèi)星星座構(gòu)成,提供實(shí)時(shí)信息智能服務(wù)所需的通導(dǎo)遙衛(wèi)星資源及服務(wù)能力?？栈糠钟蔁釟馇?、飛艇、載人航空飛機(jī)、無人機(jī)等裝載的光學(xué)、微波、紅外等遙感器和導(dǎo)航定位及通信模塊構(gòu)成。地基部分由智能機(jī)器人、視頻終端、智能移動(dòng)設(shè)備、測(cè)繪車、北斗終端等硬件、北斗連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)站(CORS)網(wǎng)、輔助北斗定位系統(tǒng)、視頻網(wǎng)、局域無線網(wǎng)等軟件組成,可感知局域環(huán)境地理信息。?；脚_(tái)由艦艇、潛艇、航母裝備的通信、導(dǎo)航、遙感等硬軟件組成,可以提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和通信等服務(wù)。在我國北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)支持下,各類感知數(shù)據(jù)具備基本一致的時(shí)空基準(zhǔn),具有精確時(shí)間和空間屬性的感知信息可快速通過數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)支撐最終的信息服務(wù)。

圖2 通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的典型感知平臺(tái)Fig.2 Typical sensing platforms for CNR-integrated application

2.2 傳輸層

傳輸層與感知層共同位于信息智能服務(wù)框架的底層。傳輸層對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、安全、快速的傳輸,各感知平臺(tái)通過傳輸層融合網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、互通、共享互操作,可實(shí)現(xiàn)全球高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)采集及大容量數(shù)據(jù)高時(shí)效回傳。傳輸層主要包括傳輸網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò),其中星地一體化網(wǎng)絡(luò)是傳輸網(wǎng)絡(luò)的核心部分。構(gòu)建星地一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)寬窄帶衛(wèi)星通信融合組網(wǎng)、高低軌衛(wèi)星通信融合組網(wǎng)和衛(wèi)星與地面網(wǎng)融合組網(wǎng),形成寬窄帶結(jié)合、天地網(wǎng)協(xié)同的通信與傳輸系統(tǒng),保障各類感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)快速高效傳輸。例如,遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)(尤其境外數(shù)據(jù)),可通過大帶寬的星間鏈路避開過境傳輸限制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)回傳,大大提升遙感信息獲取的時(shí)效性和回傳能力。當(dāng)前,星地一體化網(wǎng)絡(luò)能力還不足,需要融合互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版(IPv6)、5G/6G、星載基站等下一代互聯(lián)網(wǎng)和通信新技術(shù),以達(dá)到廣覆蓋、低時(shí)延、大容量的通信傳輸能力。

2.3 智能處理層

智能處理層位于信息智能服務(wù)框架的中間層,包括數(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)管理在內(nèi)的時(shí)空大數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié),涵蓋數(shù)據(jù)智能處理與分析中心、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理庫、算法模型庫、基礎(chǔ)信息服務(wù)庫。海量的數(shù)據(jù)處理是該層的核心內(nèi)容。智能處理層既保證了對(duì)感知信息的匯集以獲得更全面豐富的知識(shí),也極大地支持了信息的流動(dòng),保障場景中的信息服務(wù)的精準(zhǔn)性、持續(xù)性需求。

2.4 應(yīng)用與服務(wù)層

應(yīng)用與服務(wù)層位于信息智能服務(wù)框架的最高層,直接面向應(yīng)急救援、指揮調(diào)度等行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用,用于信息的發(fā)布與應(yīng)用,提供信息的可視化顯示、專題信息生成、信息發(fā)布等功能,是針對(duì)不同的用戶群體、不同的場景、不同的需求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息按需服務(wù)的前臺(tái)。各行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ趧?dòng)態(tài)決策智能輔助需求日益增長,應(yīng)用與服務(wù)層需要具備展現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生、平行仿真功能的能力,以支撐輔助指揮透視和預(yù)測(cè)未來環(huán)境態(tài)勢(shì)。

2.5 關(guān)鍵技術(shù)

在新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)框架組成中,實(shí)現(xiàn)全面感知與協(xié)同感知、融合組網(wǎng)、信息智能處理及高效應(yīng)用服務(wù)所需的關(guān)鍵技術(shù),如圖3所示。

(1)感知層。①動(dòng)態(tài)感知技術(shù)解決協(xié)同空天地各感知平臺(tái)的各種遙感器,形成單遙感器獨(dú)立感知感測(cè)與多遙感器動(dòng)態(tài)協(xié)同觀測(cè)能力。通過智能感知技術(shù)、遙感器智能識(shí)別技術(shù)、高效軟硬件協(xié)同技術(shù)、分布式管理技術(shù),動(dòng)態(tài)整合感知層下所有節(jié)點(diǎn)遙感器,在預(yù)先設(shè)定的行動(dòng)流程和分析流程規(guī)則下,針對(duì)不同觀測(cè)對(duì)象自主觸發(fā)并調(diào)動(dòng)所需遙感器,并根據(jù)任務(wù)動(dòng)態(tài)適應(yīng)、自主配置感知層的微結(jié)構(gòu)。②多源異構(gòu)感知平臺(tái)協(xié)同核心是解決感知時(shí)空基準(zhǔn)問題[18],時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一技術(shù)解決時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一。相同的時(shí)間尺度和相同的空間基準(zhǔn)是感知信息集成、融合、規(guī)律挖掘的基礎(chǔ),關(guān)聯(lián)同時(shí)空表征,通過北斗地基增強(qiáng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)、高精度匹配技術(shù)與智能終端,將感知數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的時(shí)間尺度和相同的空間基準(zhǔn),有利于信息的集成、融合、知識(shí)挖掘等。

(2)傳輸層。融合組網(wǎng)的核心是打破不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信壁壘,真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通[19],星地融合組網(wǎng)、高低軌衛(wèi)星融合組網(wǎng)是該層的主要技術(shù)[20]。針對(duì)星地融合組網(wǎng)架構(gòu)中多層跨域組網(wǎng)問題,需要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組網(wǎng)方式和空口傳輸3個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)突破。通過采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能化(NFV)技術(shù),實(shí)現(xiàn)星地一體化網(wǎng)絡(luò)切片,解決網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)設(shè)備的通信和兼容?？紤]到動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),需要星地融合資源管控技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中多維資源協(xié)調(diào)管理,包括地面-衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源管理、多層網(wǎng)絡(luò)間自適應(yīng)路由管理和無縫切換[20]。另外,在空口傳輸方面,關(guān)鍵在于衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)與地面移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同演進(jìn),以支持業(yè)務(wù)融合及終端接入融合節(jié)點(diǎn)的選擇[21]。高低軌衛(wèi)星融合組網(wǎng)技術(shù)主要是為了協(xié)同穩(wěn)定的高軌通信衛(wèi)星與低時(shí)延的低軌通信衛(wèi)星,保障重點(diǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)衛(wèi)星通信覆蓋、大容量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳與分發(fā)。但是,目前國內(nèi)外對(duì)此探討并不成熟,隨著低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的布局,高低軌衛(wèi)星融合組網(wǎng)技術(shù)將逐步發(fā)展。

(3)智能處理層。智能服務(wù)是以人工智能算法模型、遙感圖像智能處理技術(shù)、時(shí)空大數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)技術(shù)、信息挖掘與分析、高性能計(jì)算為基礎(chǔ)[22],對(duì)空間信息進(jìn)行自動(dòng)化學(xué)習(xí)與知識(shí)形成,尤其是人工智能(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法、模糊計(jì)算、進(jìn)化計(jì)算)方法的有效融入,是實(shí)現(xiàn)空間信息的智能化處理的可靠途徑[23]。

(4)應(yīng)用與服務(wù)層。為實(shí)現(xiàn)專題信息、行業(yè)與場景信息的可視化展示與動(dòng)態(tài)展示功能,該層關(guān)鍵技術(shù)包括3維可視化技術(shù)、專題信息展示技術(shù)等。

3 試驗(yàn)與討論

3.1 試驗(yàn)區(qū)域

本文在我國西藏自治區(qū)察隅縣某點(diǎn)進(jìn)行了仿真模擬試驗(yàn)。察隅位于西藏自治區(qū)的東南端,地處喜馬拉雅山脈東段和橫斷山脈西段地帶的高山峽谷區(qū),地形條件復(fù)雜;同時(shí),察隅又位于緬甸、印度交界,擁有綿延數(shù)百千米邊境線。因此,察隅對(duì)我國東南部乃至南亞地區(qū)穩(wěn)定發(fā)展均具有重要的意義。該試驗(yàn)區(qū)域?qū)儆谖覈h(yuǎn)地區(qū)之一,地面網(wǎng)絡(luò)不完善,環(huán)境條件復(fù)雜,同時(shí)邊界戰(zhàn)略地位十分重要,加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的日常監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)應(yīng)急響應(yīng)是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工作,為此,面向重大災(zāi)害場景,本文選擇該地區(qū)開展基于新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)架構(gòu)驗(yàn)證。

在試驗(yàn)區(qū)域選取中心點(diǎn)(97.5°E,28.7°N)用于仿真模擬相關(guān)計(jì)算,中心點(diǎn)海拔高度2401m,圖4(a)是中心點(diǎn)周圍經(jīng)緯度±1°范圍內(nèi)區(qū)域的世界觀測(cè)-3(Wordview-3)衛(wèi)星高分辨率光學(xué)遙感數(shù)據(jù),圖4(b)為同區(qū)域的等高線數(shù)據(jù)(ASTER_GDEMv3)。

圖4 試驗(yàn)區(qū)域Fig.4 Test area

3.2 新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng)

面向察隅地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與應(yīng)急響應(yīng)需求,試驗(yàn)分為常規(guī)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急響應(yīng)2種業(yè)務(wù)。在常規(guī)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中,遙感衛(wèi)星與北斗監(jiān)測(cè)站完成覆蓋全區(qū)域的周期性觀測(cè),當(dāng)監(jiān)測(cè)到的指標(biāo)值超過一定的閾值時(shí),就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的告警。本次模擬試驗(yàn)中,設(shè)定監(jiān)測(cè)站A在某一時(shí)刻監(jiān)測(cè)桿抬升0.05m用于模擬地表形變中的急速沉降,當(dāng)監(jiān)測(cè)垂直方向位移監(jiān)測(cè)超過閾值0.01m立刻發(fā)出告警,即進(jìn)入應(yīng)急響應(yīng)。在應(yīng)急響應(yīng)業(yè)務(wù)中,協(xié)調(diào)中星16號(hào)和天通一號(hào)衛(wèi)星,對(duì)衛(wèi)星通信無人機(jī)、衛(wèi)星通信便攜站、手持通信終端提供實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò),并為現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳提供無間斷傳輸支撐;同時(shí),啟動(dòng)應(yīng)急衛(wèi)星通信車到達(dá)預(yù)定位置,衛(wèi)星通信無人機(jī)起飛至應(yīng)急空域提供通信信號(hào)覆蓋,光學(xué)遙感無人機(jī)與一線人員手持形變監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行機(jī)動(dòng)靈活的環(huán)境數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)第2.1節(jié)中提出的基于通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的典型感知平臺(tái)進(jìn)行具體技術(shù)裝備選型。這里使用的通信資源包括通信衛(wèi)星、衛(wèi)星通信便攜終端、應(yīng)急衛(wèi)星通信車和通信無人機(jī);導(dǎo)航資源包括北斗衛(wèi)星、北斗形變監(jiān)測(cè)站、手持終端等;遙感資源包括遙感衛(wèi)星、光學(xué)遙感無人機(jī)。資源信息見表1。在實(shí)際應(yīng)用中,本文采用我國北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)支持統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn),在各類遙感器上攜載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端,各類感知信息就具有精確的時(shí)間和空間屬性,同時(shí)感知信息的空間基準(zhǔn)與我國2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)基準(zhǔn)一致。

基于第2節(jié)提出的服務(wù)框架,構(gòu)建新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng),見圖5。該系統(tǒng)在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源分析、數(shù)據(jù)匯集、日常自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、輔助應(yīng)急智能決策等功能。

圖5 新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng)Fig.5 Information intelligence service system for new CNR-integrated application

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

在日常監(jiān)測(cè)中,通過衛(wèi)星數(shù)字高程模型(DEM)與無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量DEM獲取的數(shù)據(jù)生成3維立體影像如圖6(a)所示,周期性獲取了Worldview-3、高分二號(hào)等0.6m高分辨率遙感影像,自動(dòng)分類察隅地區(qū)用地類型,可自動(dòng)識(shí)別房屋建筑,如圖6(b)和圖6(c)所示;通過固定形變監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)獲取坡面形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),北斗監(jiān)測(cè)站與基準(zhǔn)站空間分布見圖6(d),監(jiān)測(cè)結(jié)果見6(e)。在應(yīng)急響應(yīng)中,通信衛(wèi)星中星16號(hào)在察隅地區(qū)資源可用性分析如圖6(f)和圖6(g)所示。基于新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng),一站式獲取多源感知數(shù)據(jù)并對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理,面向各應(yīng)用場景支撐動(dòng)態(tài)決策。例如,在監(jiān)測(cè)到察隅地區(qū)發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害時(shí),圖6(a)～圖6(g)可支撐應(yīng)急響應(yīng)中的救援路線規(guī)劃與靈活調(diào)整,圖6(h)為不同優(yōu)勢(shì)的應(yīng)急救援路線的智能規(guī)劃與對(duì)比,本次試驗(yàn)結(jié)果包括通導(dǎo)遙資源覆蓋最完善的路線、救援路況最優(yōu)路線和融合網(wǎng)絡(luò)覆蓋路線。

面向應(yīng)急響應(yīng)與指揮,常規(guī)的通信、導(dǎo)航、遙感系統(tǒng)分立響應(yīng),全流程需要大量的人力,響應(yīng)效率一般為天級(jí),其中,針對(duì)尾礦庫環(huán)境監(jiān)測(cè),通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的最快應(yīng)急響應(yīng)范圍為2～4h[7]。經(jīng)過仿真模擬試驗(yàn),表2結(jié)果顯示新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng)在應(yīng)急響應(yīng)業(yè)務(wù)中,全鏈條響應(yīng)時(shí)間可縮短至1h(其中,遙感衛(wèi)星圖像獲取時(shí)間最快15min,融合網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳,智能化分析與決策在30min之內(nèi))。只需要1～2人進(jìn)行調(diào)度與系統(tǒng)操作,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化分析,優(yōu)勢(shì)明顯。本文試驗(yàn)為仿真模擬驗(yàn)證,環(huán)境條件設(shè)置在一定程度上受人為因素影響,在實(shí)際應(yīng)急響應(yīng)中,環(huán)境條件更為復(fù)雜,可能會(huì)降低響應(yīng)效率。因此,新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的實(shí)時(shí)信息智能服務(wù)系統(tǒng)仍需要在實(shí)踐中不斷優(yōu)化響應(yīng)機(jī)制與相關(guān)計(jì)算機(jī)執(zhí)行規(guī)則等。

表2 新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)效Table 2 Response of information intelligence service system for new CNR-integrated application

4 結(jié)束語

面向各行業(yè)領(lǐng)域?qū)π畔⒅悄芊?wù)的高時(shí)效性、高精準(zhǔn)性、高連續(xù)性需求,本文分析當(dāng)前待解決的難點(diǎn)與挑戰(zhàn),從多星組網(wǎng)角度提出基于通導(dǎo)遙融合應(yīng)用提升實(shí)時(shí)信息智能服務(wù)能力的思路,設(shè)計(jì)構(gòu)建新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)架構(gòu),可一站式實(shí)現(xiàn)空間資源協(xié)同應(yīng)用分析及快速高效信息響應(yīng)。該架構(gòu)補(bǔ)充了以往研究中遙感大數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)高效回傳的空白,在多源感知平臺(tái)協(xié)同、融合組網(wǎng)傳輸與智能處理、信息分發(fā)與展示的全鏈條信息服務(wù)上,優(yōu)化了通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)機(jī)制及系統(tǒng)方法。選擇西藏察隅地區(qū),面向重大災(zāi)害進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)和應(yīng)急響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn),在時(shí)空大數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)、3維可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)與智能終端的支持下,驗(yàn)證了新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息服務(wù)系統(tǒng)在通導(dǎo)遙資源協(xié)同規(guī)劃、應(yīng)急通信融合網(wǎng)絡(luò)抗毀性能、災(zāi)情評(píng)估自動(dòng)化與智能化等方面的優(yōu)勢(shì)。

與當(dāng)前成熟的單系統(tǒng)和以往的通導(dǎo)遙融合應(yīng)用系統(tǒng)相比,新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng)在一定程度上突破了通信、導(dǎo)航和遙感衛(wèi)星系統(tǒng)壁壘,可一站式仿真模擬可用的通導(dǎo)遙空間資源,提高資源協(xié)同效率,進(jìn)而提升信息服務(wù)的響應(yīng)時(shí)效性。該系統(tǒng)對(duì)于提升實(shí)時(shí)信息智能服務(wù)系統(tǒng)節(jié)省了部分人力及其他資源成本,在決策支撐方面具備一定的高時(shí)效響應(yīng)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前,我國的通導(dǎo)遙資源各自所屬不同的系統(tǒng)管理,仍需要各自發(fā)送指令進(jìn)行通導(dǎo)遙的資源調(diào)動(dòng)。因此,通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的新型信息服務(wù)探索空間很大,在載荷技術(shù)融合、多星組網(wǎng)、信息情報(bào)智能處理等方面也仍舊面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

新型通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)是衛(wèi)星應(yīng)用與數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)結(jié)合的一種新思路,具有一定的理論探索意義。本文的研究可為通導(dǎo)遙融合應(yīng)用的信息智能服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)提供頂層設(shè)計(jì)參考,有助于進(jìn)一步推動(dòng)以實(shí)時(shí)位置、通信為特征的即時(shí)信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提升衛(wèi)星應(yīng)用規(guī)?；瘧?yīng)用。