新型智能遙感衛(wèi)星技術(shù)展望

楊芳 劉思遠(yuǎn) 趙鍵 鄭清標(biāo)

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

新型智能遙感衛(wèi)星技術(shù)展望

楊芳 劉思遠(yuǎn) 趙鍵 鄭清標(biāo)

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

從遙感衛(wèi)星技術(shù)與信息技術(shù)深度融合的角度,闡述了未來(lái)遙感衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)模式和服務(wù)模式可能的變革方向。提出了未來(lái)新型智能遙感衛(wèi)星的總體概念設(shè)想及一種具備開(kāi)放軟件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)接入、可以支持第三方靈活開(kāi)發(fā)并上注應(yīng)用程序(APP)的智能遙感衛(wèi)星,給出了一種由智能遙感衛(wèi)星、云服務(wù)中心、星地網(wǎng)絡(luò)組成的智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng),并對(duì)支撐該系統(tǒng)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)、APP軟件架構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì),對(duì)星上智能處理技術(shù)進(jìn)行了分析。

智能遙感;衛(wèi)星系統(tǒng);開(kāi)放軟件平臺(tái);星載應(yīng)用程序

1 引言

作為重要的在近地空間獲取地球信息的工具,遙感衛(wèi)星以其高遠(yuǎn)的軌道視角、獨(dú)有的全球訪(fǎng)問(wèn)能力,一直受到地球上各種用戶(hù)的青睞。但是現(xiàn)有的遙感衛(wèi)星在技術(shù)上更多的是追求高的時(shí)間、空間、輻射、光譜分辨率,在成像質(zhì)量上花費(fèi)絕大部分的技術(shù)攻關(guān)經(jīng)費(fèi),而在用戶(hù)對(duì)遙感衛(wèi)星的運(yùn)行和控制、空間遙感信息的獲取與使用的便利性設(shè)計(jì)方面則普遍固守傳統(tǒng)、技術(shù)鮮有進(jìn)步。在大部分遙感衛(wèi)星在軌運(yùn)控的系統(tǒng)架構(gòu)中,遙感衛(wèi)星本身只負(fù)責(zé)完成最原始的成像功能,只能與擁有專(zhuān)業(yè)地面站的特殊用戶(hù)組織進(jìn)行聯(lián)系,接受遙控指令、下傳圖像原始數(shù)據(jù)。遙感衛(wèi)星技術(shù)體現(xiàn)了它“遙不可及”的特點(diǎn),將活躍的地面?zhèn)€體用戶(hù)排斥在外。

當(dāng)前各類(lèi)用戶(hù)對(duì)遙感衛(wèi)星所獲取數(shù)據(jù)的需求,體現(xiàn)為在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)下,催生用戶(hù)對(duì)獲取遙感衛(wèi)星空間信息方式有了更多即時(shí)化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、多樣化等需求,遙感衛(wèi)星需要與信息技術(shù)深度融合,使遙感衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)模式和服務(wù)模式發(fā)生重大變革。低軌遙感衛(wèi)星將具備全球持續(xù)覆蓋和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新能力,面向用戶(hù)開(kāi)放基于云平臺(tái)的遙感數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù),并可根據(jù)用戶(hù)需求提供定制化、近實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)獲取、分析和提示服務(wù)。還可利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),分析潛在事件發(fā)生概率,兼?zhèn)鋺?yīng)急響應(yīng)和提前預(yù)警能力。

不論是傳統(tǒng)需求向現(xiàn)實(shí)需求轉(zhuǎn)換,還是牽引未來(lái)需求,都啟發(fā)我們積極思考“智能遙感衛(wèi)星”技術(shù)體制的必要性、可行性。智能遙感衛(wèi)星,是運(yùn)行于太空中屬于未來(lái)的星地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),將遙感衛(wèi)星獲取的信息從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定信息向動(dòng)態(tài)近實(shí)時(shí)信息轉(zhuǎn)換,能夠利用有效的通信手段完成衛(wèi)星與用戶(hù)間的網(wǎng)絡(luò)化通信,在建立有效的信息交互渠道后,還能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的活性功能,同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)如衛(wèi)星、地面站、用戶(hù)終端實(shí)現(xiàn)單體的智能化。

本文從推進(jìn)遙感衛(wèi)星向普通大眾提供靈活信息服務(wù)出發(fā),提出了一種具備開(kāi)放軟件平臺(tái)、支持第三方為衛(wèi)星開(kāi)發(fā)智能應(yīng)用程序(APP),并通過(guò)星載APP為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)信息服務(wù)的智能遙感衛(wèi)星,同時(shí)基于該衛(wèi)星給出了一種可以通過(guò)手機(jī)移動(dòng)終端與衛(wèi)星進(jìn)行信息交互的智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu),目的是通過(guò)開(kāi)放衛(wèi)星平臺(tái)的軟件接口讓更多的軟件開(kāi)發(fā)商參與衛(wèi)星軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),深度挖掘衛(wèi)星應(yīng)用潛力,拉近衛(wèi)星與大眾用戶(hù)間的距離,為更多的用戶(hù)提供多樣的服務(wù)。

2 國(guó)內(nèi)外智能遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與啟示

近些年來(lái),伴隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展,基于互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代,不斷拓展著數(shù)據(jù)的供給面與需求面。互聯(lián)網(wǎng)巨頭Google公司瞄準(zhǔn)地球遙感應(yīng)用推出的數(shù)據(jù)產(chǎn)品Google Map和Google Earth,在全球范圍內(nèi)極大擴(kuò)展了遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用與影響,而其隨后也制定了雄心勃勃的百星遙感衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。這種嘗試,給歐美航天制造商在航天發(fā)展領(lǐng)域提供了更為廣闊的思路,例如工業(yè)元器件應(yīng)用、產(chǎn)品功能密度提高、航天器小型化等,國(guó)外不斷涌現(xiàn)以IT公司為背景的新興商業(yè)航天公司,它們紛紛組建自己的對(duì)地遙感衛(wèi)星觀(guān)測(cè)系統(tǒng),雖然在對(duì)地遙感觀(guān)測(cè)系統(tǒng)命名中并未體現(xiàn)智能化與網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)性命名,但是從這些系統(tǒng)的介紹中,可以看到智能化與網(wǎng)絡(luò)化的身影;另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)遙感應(yīng)用領(lǐng)域伴隨現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)、災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急等需求,也提出了智能遙感對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。

在“新航天經(jīng)濟(jì)”驅(qū)動(dòng)下,美國(guó)大量硅谷IT企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入航天領(lǐng)域,如天空盒子成像(Skybox Imaging)公司和行星實(shí)驗(yàn)室(Planet Labs)公司等,相繼提出“小衛(wèi)星、大數(shù)據(jù)”,“小衛(wèi)星、大星座”商業(yè)計(jì)劃[1-4],發(fā)展低軌新型商業(yè)對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)相比,天空衛(wèi)星(SkySat)星座和“鴿群”(Flock)星座等以小衛(wèi)星為主體的新興商業(yè)對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出一些新的技術(shù)特點(diǎn)與運(yùn)營(yíng)模式:①衛(wèi)星公司均是非傳統(tǒng)航天企業(yè),均以互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)自居,引入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)理念,并提供在線(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、直銷(xiāo)和分發(fā)等業(yè)務(wù);②提供云服務(wù)平臺(tái),鼓勵(lì)用戶(hù)或第三方開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)化應(yīng)用APP,嘗試天基對(duì)地觀(guān)測(cè)應(yīng)用的近實(shí)時(shí)響應(yīng)和定制化服務(wù)模式;③除提供天基對(duì)地觀(guān)測(cè)圖像數(shù)據(jù)外,還可提供變化監(jiān)測(cè)信息,驅(qū)動(dòng)對(duì)地觀(guān)測(cè)應(yīng)用從圖像向信息發(fā)展;④系統(tǒng)重訪(fǎng)周期高,對(duì)地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)更新快,能實(shí)現(xiàn)全球近實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè),兼顧全球“熱點(diǎn)”地區(qū)和“非熱點(diǎn)”地區(qū)。

美國(guó)為了實(shí)現(xiàn)向作戰(zhàn)單兵提供實(shí)時(shí)遙感情報(bào)分發(fā),發(fā)射了戰(zhàn)術(shù)星-3(TacSat-3)試驗(yàn)衛(wèi)星,主要驗(yàn)證向戰(zhàn)場(chǎng)指揮員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的星上處理技術(shù),它具有快速為戰(zhàn)場(chǎng)指揮官和作戰(zhàn)人員提供對(duì)所需目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行偵察與監(jiān)視圖像的能力,能夠在10分鐘內(nèi)完成從發(fā)出觀(guān)測(cè)任務(wù)到作戰(zhàn)人員接收信息的全過(guò)程[5-6]。

美國(guó)歐道明大學(xué)(ODU)的Gouqing Zhou,2003年提出了一種具備網(wǎng)絡(luò)互連、在軌處理、在軌數(shù)據(jù)管理的未來(lái)智能地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)的構(gòu)想[7],該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)獲取、分析和通信系統(tǒng)的在軌集成,可為全球各類(lèi)用戶(hù)實(shí)時(shí)提供對(duì)地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和滿(mǎn)足各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用需求的信息。武漢大學(xué)李德仁院士2005年對(duì)Gouqing Zhou提出的未來(lái)智能地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析[8]。中科院張兵研究員在2011年提出一種由前視預(yù)判遙感器、主遙感器以及星上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和分析三部分組成的智能高光譜衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)[9]。武漢大學(xué)李德仁院士2017年提出了“對(duì)地觀(guān)測(cè)腦”的概念[10],設(shè)想在對(duì)地觀(guān)測(cè)腦中,遙感、導(dǎo)航衛(wèi)星星座作為對(duì)地觀(guān)測(cè)腦的視覺(jué)功能,通信衛(wèi)星星座作為對(duì)地觀(guān)測(cè)腦的聽(tīng)覺(jué)功能,同時(shí)這些衛(wèi)星還充當(dāng)對(duì)地觀(guān)測(cè)腦中大腦的分析節(jié)點(diǎn)(腦細(xì)胞),對(duì)獲取的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析獲取用戶(hù)需求的數(shù)據(jù)信息。

通過(guò)上述實(shí)例系統(tǒng),可以很清晰地了解到,過(guò)去的航天技術(shù)引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓夹g(shù)驅(qū)動(dòng)航天技術(shù)發(fā)展。衛(wèi)星對(duì)地遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用用戶(hù)正身處在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)所帶來(lái)的信息服務(wù)形式與便利正深刻地改變著他們的應(yīng)用需求,用戶(hù)習(xí)慣通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)去探尋自己所關(guān)注和關(guān)心的信息,而獲取信息類(lèi)的航天器必將轉(zhuǎn)化為互聯(lián)網(wǎng)信息終端。一個(gè)衛(wèi)星產(chǎn)品所能提供的應(yīng)用或者說(shuō)所能應(yīng)對(duì)的需求,決定了它未來(lái)的生存價(jià)值和生存概率。大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)背景下的航天技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用,如何依托網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)云服務(wù)向廣大用戶(hù)服務(wù),如何能從龐雜的對(duì)地遙感數(shù)據(jù)中獲取并實(shí)時(shí)提供關(guān)鍵信息、快捷信息、精確信息,如何去設(shè)計(jì)未來(lái)對(duì)地遙感衛(wèi)星系統(tǒng),都值得研究。

3 智能遙感衛(wèi)星總體概念設(shè)計(jì)研究

本文提出的智能遙感衛(wèi)星概念,主要是受到智能手機(jī)技術(shù)的啟發(fā),提出了一種具備開(kāi)放軟件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)接入、可以支持第三方靈活開(kāi)發(fā)并上注APP的智能遙感衛(wèi)星,主要由星上智能管理單元、星上智能處理單元、通用網(wǎng)絡(luò)接入模塊、高速數(shù)據(jù)傳輸模塊、供配電、姿軌控、電源等部組件組成。核心是構(gòu)建星上開(kāi)放軟件平臺(tái)并向第三方開(kāi)放星上軟件服務(wù)接口,便于第三方開(kāi)發(fā)商利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和資源開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足用戶(hù)需求的APP,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)以用戶(hù)需求為驅(qū)動(dòng)的星上圖像智能獲取、以用戶(hù)興趣為驅(qū)動(dòng)的星上智能處理、以向用戶(hù)移動(dòng)終端提供服務(wù)為目標(biāo)的星地智能網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。該智能遙感衛(wèi)星由于提供了開(kāi)放的軟件平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)接入,一方面可以支持第三方軟件開(kāi)發(fā)商為終端用戶(hù)開(kāi)發(fā)多種多樣的APP(如手機(jī)APP);另一方面,借鑒手機(jī)應(yīng)用商店(AppStore)的運(yùn)營(yíng)和盈利模式,讓開(kāi)發(fā)者在為用戶(hù)提供服務(wù)的同時(shí),可以從中直接獲利,最大限度地調(diào)動(dòng)第三方開(kāi)發(fā)商的積極性,從而深度挖掘遙感衛(wèi)星為普通大眾提供服務(wù),充分地發(fā)揮衛(wèi)星的應(yīng)用潛能。本文設(shè)想的智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)主要由智能遙感衛(wèi)星(星座)、星地網(wǎng)絡(luò)及云服務(wù)中心組成,如圖1所示。

智能遙感衛(wèi)星和云服務(wù)中心由智能衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提供,并進(jìn)行維護(hù),第三方APP開(kāi)發(fā)商可開(kāi)發(fā)多種多樣的APP軟件為方便用戶(hù)獲取不同的服務(wù)。其系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景設(shè)想如下:

(1)用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)終端APP將用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求(包括成像區(qū)域、處理要求等)發(fā)送至地面云服務(wù)中心,云服務(wù)中心根據(jù)智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的資源(地面系統(tǒng),星座系統(tǒng),鄰近衛(wèi)星,時(shí)間規(guī)劃)等進(jìn)行初步規(guī)劃,給出預(yù)期可以完成成像任務(wù)的衛(wèi)星列表,并將任務(wù)發(fā)送至列表中的衛(wèi)星。

(2)收到任務(wù)的智能遙感衛(wèi)星根據(jù)自己的軌道、光照等情況,結(jié)合目標(biāo)完成自主任務(wù)規(guī)劃,將規(guī)劃情況反饋至地面云服務(wù)中心,地面云服務(wù)中心確認(rèn)后,選取最佳執(zhí)行衛(wèi)星,并發(fā)送執(zhí)行指令給該衛(wèi)星,收到執(zhí)行指令后智能遙感衛(wèi)星開(kāi)始根據(jù)自主規(guī)劃的指令完成觀(guān)測(cè)任務(wù),獲取圖像或視頻信息。

(3)在獲取圖像或視頻的基礎(chǔ)上,智能衛(wèi)星根據(jù)用戶(hù)APP的處理需求,調(diào)用相應(yīng)的星載APP處理軟件,完成遙感數(shù)據(jù)的智能處理,形成用戶(hù)專(zhuān)注的情報(bào)信息,并將處理后的結(jié)果通過(guò)鏈路傳至地面云服務(wù)中心。

(4)地面云服務(wù)中心通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),將用戶(hù)最終需求信息傳送至用戶(hù)移動(dòng)終端。

(5)如果智能遙感衛(wèi)星所獲取的數(shù)據(jù)在軌處理能力處理受限,可下發(fā)地面云服務(wù)中心進(jìn)行高速處理,后由地面中心將信息發(fā)至用戶(hù)。

在這個(gè)設(shè)想的未來(lái)場(chǎng)景中,該系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的最終狀態(tài)是用戶(hù)(個(gè)人、商業(yè)或者軍事應(yīng)用)與智能遙感系統(tǒng)任務(wù)需求與反饋的過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)完成,整個(gè)系統(tǒng)智能運(yùn)行,爭(zhēng)取無(wú)專(zhuān)人值守。

4 智能遙感衛(wèi)星通信技術(shù)架構(gòu)設(shè)想

智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)是依托于互聯(lián)網(wǎng)的、以為用戶(hù)提供更便捷衛(wèi)星服務(wù)為目的的新型遙感衛(wèi)星體系。在智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)中,遙感衛(wèi)星已經(jīng)不再是一顆孤立的衛(wèi)星,而是作為整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),是信息獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)向空間的延伸,未來(lái)的智能遙感衛(wèi)星將成為互聯(lián)網(wǎng)的重要成員。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有遙感衛(wèi)星的通信架構(gòu)及協(xié)議尚不能支撐其靈活接入互聯(lián)網(wǎng),即實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)服務(wù)?？臻g數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)(CCSDS)針對(duì)航天器的互聯(lián)網(wǎng)接入進(jìn)行了適應(yīng)空間應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的研究,2012年CCSDS給出的IP over CCSDS空間鏈路推薦標(biāo)準(zhǔn)[11-12],提出了對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝,進(jìn)而通過(guò)CCSDS現(xiàn)有底層鏈路傳輸?shù)乃悸?通過(guò)提供相關(guān)服務(wù)和協(xié)議,解決了空間任務(wù)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)問(wèn)題,在空間通信實(shí)體間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的交互,提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。圖2給出了CCSDS面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通信協(xié)議架構(gòu)。

針對(duì)智能遙感衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)接入,星地鏈路可以采用CCSDS協(xié)議架構(gòu),數(shù)據(jù)鏈路層可以選用遙控空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(TC SDLP)、遙測(cè)空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(TMSDLP)或高級(jí)在軌系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(AOS SDLP),網(wǎng)絡(luò)層采用經(jīng)過(guò)封裝業(yè)務(wù)和IP over CCSDS封裝的IP協(xié)議,傳輸層選用空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議(SCPS-TP)、傳輸控制協(xié)議(TCP)或用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP),應(yīng)用層可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行自定義,如圖3所示。智能遙感衛(wèi)星采用IP over CCSDS封裝的IP協(xié)議后,便可以通過(guò)星地鏈路加入地面網(wǎng)絡(luò),成為網(wǎng)絡(luò)中的一員,可以為遙感衛(wèi)星分配IP地址,地面可以通過(guò)IP地址實(shí)現(xiàn)對(duì)智能遙感衛(wèi)星的訪(fǎng)問(wèn),甚至可以像瀏覽網(wǎng)頁(yè)一樣瀏覽衛(wèi)星實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)的文件數(shù)據(jù)。

地面站與云服務(wù)中心之間采用以太網(wǎng)通信,云服務(wù)中心具備應(yīng)用層協(xié)議的解析能力,可以對(duì)來(lái)自遙感衛(wèi)星APP的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理,獲取圖像信息,也可以將需要上注到星上的APP軟件通過(guò)地面站及星地鏈路上傳到智能遙感衛(wèi)星上。終端用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或WiFi等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入地面以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)中心的數(shù)據(jù)交互,接收智能遙感衛(wèi)星APP數(shù)據(jù),或?qū)⒔K端APP的任務(wù)請(qǐng)求發(fā)送至智能遙感衛(wèi)星。

5 支持APP的智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件是智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能的核心,智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)為用戶(hù)提供服務(wù)需要三部分基本軟件的支持(如圖4所示):①運(yùn)行在用戶(hù)客戶(hù)端APP(APP-User,用戶(hù)終端軟件),可以支持用戶(hù)通過(guò)終端發(fā)送用戶(hù)需求給智能衛(wèi)星系統(tǒng),還可以從智能衛(wèi)星系統(tǒng)接收信息反饋,并顯示給用戶(hù);②運(yùn)行在衛(wèi)星上的星載APP(APP-Sat,星載應(yīng)用軟件),可根據(jù)用戶(hù)需求完成圖像數(shù)據(jù)的深度處理,形成用戶(hù)關(guān)注的圖像或數(shù)據(jù);③服務(wù)器端APP(APP-Server,服務(wù)端軟件),可以配合星載APP完成進(jìn)一步的圖像數(shù)據(jù)處理,然后發(fā)送給用戶(hù)。以上三部分APP的有效運(yùn)行需要星上和地面軟件架構(gòu)的支持。

1)智能遙感衛(wèi)星軟件架構(gòu)

智能遙感衛(wèi)星軟件分為兩大部分,一部分為運(yùn)行在衛(wèi)星平臺(tái)管理單元中的智能管理軟件,另一部分為運(yùn)行在星載智能處理平臺(tái)中的智能處理軟件。

衛(wèi)星平臺(tái)管理軟件主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)的常規(guī)管理,同時(shí)根據(jù)云服務(wù)中心任務(wù)指令,完成自主任務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行,將成像結(jié)果提供給星上智能處理平臺(tái)。衛(wèi)星平臺(tái)管理軟件主要由嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、星務(wù)管理軟件、自主故障處理軟件、星上自主任務(wù)規(guī)劃軟件等組成。

星上智能處理軟件主要由嵌入式操作系統(tǒng)、載荷數(shù)據(jù)服務(wù)系列軟件、平臺(tái)信息服務(wù)系列軟件、星載APP調(diào)度管理軟件、星載APP組成,如圖5所示。該軟件框架的核心為星載APP調(diào)度管理軟件,其功能包括:通過(guò)星地測(cè)控通道接收來(lái)自云服務(wù)中心的一系列APP軟件包,并進(jìn)行安裝;管理APP軟件運(yùn)行、停止,刪除APP軟件;傳遞載荷數(shù)據(jù)、平臺(tái)信息(平臺(tái)時(shí)間、軌道、姿態(tài)等信息)給APP軟件;從APP軟件接收處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星數(shù)傳通道傳至地面。

為了拓展遙感衛(wèi)星的應(yīng)用,為用戶(hù)提供更為廣泛的服務(wù),智能遙感衛(wèi)星的APP需要借鑒App-Store的運(yùn)營(yíng)模式,即要構(gòu)建開(kāi)放平臺(tái),首先是便于第三方開(kāi)發(fā)商基于該平臺(tái)開(kāi)發(fā)APP來(lái)獲取遙感衛(wèi)星的資源或在軌實(shí)時(shí)處理遙感衛(wèi)星的資源;其次明確第三方開(kāi)發(fā)商的盈利模式,讓開(kāi)發(fā)者在為用戶(hù)提供服務(wù)的同時(shí),可以從中獲得利益,最大限度地調(diào)動(dòng)第三方開(kāi)發(fā)者的積極性,深度挖掘遙感衛(wèi)星可為普通大眾提供的服務(wù),形成良性發(fā)展的生態(tài)環(huán)境,從而不斷開(kāi)發(fā)出多樣的APP。

2)云服務(wù)中心軟件架構(gòu)

云服務(wù)中心是智能衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分,云服務(wù)中心由智能衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商搭建,衛(wèi)星云服務(wù)中心軟件架構(gòu)如圖6所示,主要由運(yùn)營(yíng)服務(wù)器操作系統(tǒng)、智能衛(wèi)星系統(tǒng)管理維護(hù)軟件、星載APP管理平臺(tái)、服務(wù)端APP管理平臺(tái)、客戶(hù)端APP管理平臺(tái)、用戶(hù)任務(wù)請(qǐng)求接收機(jī)服務(wù)軟件、用戶(hù)任務(wù)分解及衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度軟件、衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢索服務(wù)軟件組成。

云服務(wù)中心軟件主要具備以下功能:①通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星地面測(cè)控站、數(shù)傳站連接,管理并維護(hù)整個(gè)智能遙感衛(wèi)星(星座)系統(tǒng);②可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接收多個(gè)用戶(hù)終端軟件(APP-User)的并發(fā)需求,通過(guò)對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)預(yù)估及資源的智能配置,完成任務(wù)分解,將分解后的用戶(hù)任務(wù)通過(guò)星地鏈路發(fā)送至智能遙感衛(wèi)星,此過(guò)程中,用戶(hù)并不需要關(guān)注衛(wèi)星系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),也不需要關(guān)注衛(wèi)星是否在為其他用戶(hù)服務(wù);③接收經(jīng)過(guò)衛(wèi)星星載APP處理后的圖像或數(shù)據(jù),并與云服務(wù)中心運(yùn)行的服務(wù)軟件服務(wù)器端APP聯(lián)合完成圖像或數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理,然后將處理后的圖像或數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶(hù)終端軟件客戶(hù)端APP;④對(duì)接收自衛(wèi)星的圖像或數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ),對(duì)用戶(hù)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)進(jìn)行適量緩存,長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可以供需要進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)分析的用戶(hù)使用,數(shù)據(jù)緩存可以為相同需求請(qǐng)求的用戶(hù)提供快速的數(shù)據(jù)反饋,減少對(duì)衛(wèi)星的直接數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

此外,云服務(wù)中心還需要對(duì)APP進(jìn)行管理與維護(hù),包括:通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收第三方開(kāi)發(fā)商針對(duì)用戶(hù)需求開(kāi)發(fā)的APP軟件,包括服務(wù)器端APP、客戶(hù)端APP、星載APP,存儲(chǔ)在云服務(wù)中心;對(duì)客戶(hù)端APP,云服務(wù)中心提供軟件AppStore功能,即存儲(chǔ)、維護(hù),為用戶(hù)提供下載服務(wù),為APP開(kāi)發(fā)商提供上傳和更新服務(wù);對(duì)星載APP,云服務(wù)中心提供驗(yàn)證和上傳功能,即對(duì)該軟件完成安全性、可靠性驗(yàn)證后,將星載APP通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和星地鏈路上注至智能遙感衛(wèi)星;對(duì)服務(wù)器端APP,云服務(wù)中心提供運(yùn)行環(huán)境,即該軟件可運(yùn)行在云服務(wù)中心的硬件平臺(tái)上,配合星載APP和客戶(hù)端APP完成圖像或數(shù)據(jù)的處理。

6 智能遙感衛(wèi)星星上智能處理技術(shù)

隨著遙感衛(wèi)星分辨率的不斷提升,遙感衛(wèi)星產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。光學(xué)遙感可見(jiàn)光譜段地面分辨率已經(jīng)達(dá)到幾米甚至1 m以下、超光譜的譜段數(shù)達(dá)數(shù)百個(gè)、動(dòng)態(tài)范圍與輻射分辨率不斷提高、像元量化位數(shù)增加,使得星載遙感器的原始數(shù)據(jù)率達(dá)到數(shù)個(gè)甚至幾十個(gè)Gbps。這就與遙感平臺(tái)上有限的傳輸、存儲(chǔ)資源之間產(chǎn)生了巨大矛盾,使得星上對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理成了遙感技術(shù)發(fā)展中迫切需要解決的一個(gè)問(wèn)題。

不同應(yīng)用領(lǐng)域的用戶(hù)對(duì)遙感信息有不同要求,但目前處理模式提供給用戶(hù)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品基本上是單純的遙感影像數(shù)據(jù),而不是用戶(hù)所需的產(chǎn)品。發(fā)展星上智能處理能夠根據(jù)用戶(hù)需求在軌實(shí)時(shí)生產(chǎn)產(chǎn)品,并將產(chǎn)品直接分發(fā)給不同用戶(hù),就可以使用戶(hù)通過(guò)簡(jiǎn)單的操作獲取所需的數(shù)據(jù),從而將大大拓寬遙感領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)。目前,衛(wèi)星數(shù)據(jù)出現(xiàn)了“既多又少”的矛盾局面。一方面,地面系統(tǒng)每天獲得海量的對(duì)地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù);另一方面,由于信息處理技術(shù)落后,大量數(shù)據(jù)不能及時(shí)處理,造成極大的浪費(fèi)。發(fā)展星上智能處理能夠有效、自動(dòng)地對(duì)獲取的大量對(duì)地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和信息提取;同時(shí)使地面站和接收設(shè)備小型化、簡(jiǎn)單化,從而實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)向快速信息服務(wù)的轉(zhuǎn)型。智能遙感衛(wèi)星需要通過(guò)星載軟件的智能處理或與地面處理相結(jié)合,為大眾用戶(hù)提供個(gè)性化、多樣化的信息服務(wù),遙感圖像的識(shí)別技術(shù)在地面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,如體育賽事實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、自動(dòng)駕駛技術(shù),這些技術(shù)具有一定的相通性,都可以作為智能遙感衛(wèi)星圖像處理的參考。此外,機(jī)器深度學(xué)習(xí)技術(shù)的逐步成熟,多核CPU(中心處理單元)+多核GPU(圖像處理單元)等高性能計(jì)算平臺(tái)的迅速發(fā)展,大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的支持,都為智能遙感衛(wèi)星的星上處理提供了技術(shù)支撐。

7 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星對(duì)地遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用用戶(hù)正處在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)所帶來(lái)的信息服務(wù)形式與便利正深刻地改變著他們的應(yīng)用需求,用戶(hù)習(xí)慣通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)去探尋自己所關(guān)注的信息,而獲取信息類(lèi)的航天器必將轉(zhuǎn)化為互聯(lián)網(wǎng)信息終端。綜觀(guān)近年來(lái)國(guó)際上互聯(lián)網(wǎng)屬性公司通過(guò)拓展對(duì)地遙感衛(wèi)星的應(yīng)用,對(duì)獲取遙感衛(wèi)星空間信息提出了即時(shí)化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、多樣化等嶄新的、潛在的需求。遙感衛(wèi)星技術(shù)必須與信息技術(shù)深度融合,必須創(chuàng)新未來(lái)遙感衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)模式和服務(wù)模式,將傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星帶入未來(lái)新型智能時(shí)代。面向國(guó)內(nèi)、國(guó)際未來(lái)衛(wèi)星應(yīng)用的需求,集成信息領(lǐng)域若干技術(shù)方向的研究進(jìn)展與成果,研究智能遙感衛(wèi)星星地一體智能運(yùn)行控制新體系,以及在此體系下的智能遙感衛(wèi)星星地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、星上信息處理架構(gòu)、APP服務(wù)開(kāi)發(fā)軟件架構(gòu)等的技術(shù)發(fā)展方向,是必然的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

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Technology Prospective of Intelligent Remote Sensing Satellite

YANG Fang LIU Siyuan ZHAO Jian ZHENG Qingbiao
(DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

Considering the combination or integration of remote sensing satellite technology with the information technology,this paper describes the expective deformation direction of the future remote sensing satellite operation mode and service mode.Concept of future intelligent remote sensing satellite system and a kind of intelligent remote sensing satellite with the feature of open software platform,network connecting and third part application supporting is proposed in this paper,and a kind of intelligent remote sensing satellite system consist of intelligent remote sensing satellites,network and cloud service centers is presented.It introduces the primary design of network architecture and software architecture,and on-board information processing technology.

intelligent remote sensing;satellite system;open software platform;onboard application

V11

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.012

2017-09-05;

2017-09-30

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程

楊芳,女,研究員,遙感衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師,研究方向?yàn)樾l(wèi)星總體設(shè)計(jì)。Email:yangfangdfh@spacechina.com。

(編輯:張小琳)