基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)研究

趙菲 呂韞哲 孫浩 鄭夢圓 朱興鴻 沈宇飛

基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)研究

趙菲 呂韞哲 孫浩 鄭夢圓 朱興鴻 沈宇飛

（中國衛(wèi)通集團股份有限公司，北京 100190）

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

衛(wèi)星通信 衛(wèi)星導航 衛(wèi)星遙感 通導遙融合實時信息服務(wù)

0 引言

近年來，全球航天事業(yè)創(chuàng)下多個重要里程碑，在運載火箭、深空探測、載人航天和衛(wèi)星應(yīng)用等多個領(lǐng)域都呈現(xiàn)出創(chuàng)新發(fā)展新態(tài)勢，其中，以通信、導航、遙感為核心的衛(wèi)星應(yīng)用加速發(fā)展。中國航天事業(yè)發(fā)展五十余年，已建成了包括通信衛(wèi)星系列、導航衛(wèi)星系列、對地觀測衛(wèi)星系列和科學實驗衛(wèi)星系列在內(nèi)的較為完整的應(yīng)用衛(wèi)星體系，逐步夯實了中國各行業(yè)/領(lǐng)域衛(wèi)星應(yīng)用的空間設(shè)施基礎(chǔ)[1]。

新階段中國國民經(jīng)濟高質(zhì)量的發(fā)展，對通信、導航、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，難以滿足新一代信息服務(wù)實時化、智能化、多元化的更高要求[3-4]。以當前需求為導向，為了實現(xiàn)泛在、全域、實時感知與高速、靈活、實時通信的信息服務(wù)，建設(shè)基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)勢在必行。

通導遙衛(wèi)星在運行軌道、運行姿態(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、導航、遙感等功能集中于單顆衛(wèi)星來實現(xiàn)通導遙融合應(yīng)用的實例不多[5]，大多數(shù)通導遙融合應(yīng)用是選擇將多顆具備不同通導遙功能的衛(wèi)星構(gòu)成融合星座。本文從衛(wèi)星應(yīng)用實時信息服務(wù)的角度出發(fā)，針對當前通導遙衛(wèi)星體系化、融合化應(yīng)用水平不足，信息的空間分辨率、時間分辨率不高，數(shù)據(jù)智能處理和實時傳輸能力不強，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)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計實時感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)智能處理與分析中心、實時信息應(yīng)用與服務(wù)平臺等3個分系統(tǒng)，并結(jié)合應(yīng)急搶險救災(zāi)與海洋監(jiān)測等應(yīng)用場景來分析討論衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，探索衛(wèi)星支持的實時信息服務(wù)建設(shè)前景。

1 衛(wèi)星通導遙信息服務(wù)能力發(fā)展現(xiàn)狀

為了更深入地剖析衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)所面臨的主要問題，定位切實需求，本文對國內(nèi)外的衛(wèi)星資源及衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用進展情況進行了梳理。

1.1 國外發(fā)展

全球航天大國在衛(wèi)星建設(shè)及應(yīng)用方面成果斐然，同時也表現(xiàn)出重視通信、導航、遙感衛(wèi)星一體化發(fā)展的趨勢，注重推進全球范圍內(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)星導航星座[6]。美國在衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用方面起步較早，尤其注重應(yīng)急、國防等領(lǐng)域的衛(wèi)星融合應(yīng)用。例如，Viasat計劃為低軌遙感衛(wèi)星或航天器提供數(shù)據(jù)實時回傳的寬帶通信數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，旨在使LEO運營商能夠通過計劃中的ViaSat-3地球靜止軌道（GEO）網(wǎng)絡(luò)從全球各地實時進行對地觀測數(shù)據(jù)的回傳與分發(fā)，支持實時地球。遙感衛(wèi)星公司Planet預計在2023年發(fā)射Pelican衛(wèi)星星座來驗證低軌遙感衛(wèi)星與中地球軌道（Ka頻段）、地球靜止軌道（C頻段）通信衛(wèi)星間的實時通信鏈路，可連續(xù)實時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)實時傳回地球。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計劃推出Starshield衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座項目，同時具備對地觀測和衛(wèi)星通信功能，可實現(xiàn)空間觀測數(shù)據(jù)實時發(fā)送與全球加密安全通信。覆蓋全球的GPS導航網(wǎng)絡(luò)以高精度、低成本的全球?qū)Ш椒?wù)與衛(wèi)星、無人機遙感監(jiān)測深度融合，可為各行業(yè)領(lǐng)域提供實時位置服務(wù)。美國持續(xù)推進實時信息服務(wù)發(fā)展，據(jù)稱已經(jīng)具備了分鐘級應(yīng)急救援遙感信息響應(yīng)及全球范圍內(nèi)2 h鎖定目標的能力[7-8]。

歐洲地區(qū)航天基礎(chǔ)扎實，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等各類光學及SAR遙感衛(wèi)星星座和Galileo衛(wèi)星導航系統(tǒng)。各國開展了通導遙融合支持遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)快速獲取的試驗，法國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40TiByte的實時數(shù)據(jù)回傳至地球。西班牙DEIMOS-2光學衛(wèi)星、德國的TerraSAR-X衛(wèi)星與高軌通信衛(wèi)星融合應(yīng)用項目的目標是驗證更智能、低時延的對地觀測能力，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)，該項目經(jīng)多次測試，已驗證可在1 min內(nèi)實現(xiàn)觀測對象的檢測、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富的通導遙衛(wèi)星資源，俄羅斯于2021年正式實施SPHERE星座計劃，用于提供全球覆蓋的寬帶通信和對地觀測，實現(xiàn)全球高頻次、全天候監(jiān)測。與其他全球性星座系統(tǒng)不同，SPHERE星座采用多個區(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)，極大降低對地觀測響應(yīng)時延，以實現(xiàn)其全方位、實時信息服務(wù)目標。[10-11]

1.2 國內(nèi)發(fā)展

中國的航天事業(yè)雖起步晚但發(fā)展迅速，目前已經(jīng)建成了涵蓋通信、導航、遙感、載人航天等多領(lǐng)域相對完善的航天工業(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)星為代表的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)[12]。2023年3月發(fā)射的“中星26號”衛(wèi)星，是中國首顆容量超百Gibit/s的Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)衛(wèi)星，開啟了中國高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新時代。目前，中國已建成“北斗三號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可服務(wù)國內(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]。在對地觀測遙感衛(wèi)星領(lǐng)域中國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)星觀測系統(tǒng)，以高分系列、風云系列和海洋系列衛(wèi)星為代表，空間分辨率最高可達亞米級，時間響應(yīng)最快可達小時級[14]。

大數(shù)據(jù)時代中國迫切需要形成全球化、近實時對地觀測、互聯(lián)互通、精準定位的信息服務(wù)能力，以行業(yè)領(lǐng)域和國家安全的需求為牽引，逐步開展衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用、實時或近實時信息服務(wù)總體設(shè)計與場景應(yīng)用的初步探索[15]。從星座組網(wǎng)的角度，國內(nèi)一線專家提出了定位、導航、授時、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]。在復雜環(huán)境下，基于通導遙融合的復雜環(huán)境實時感知服務(wù)系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)于單系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢[2]。同時網(wǎng)絡(luò)信息體系思維對于構(gòu)建基于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的通導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]。面向尾礦庫區(qū)應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測、特殊水域安全監(jiān)測等場景，通導遙融合應(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)時間為2～4 h。

2 中國現(xiàn)實需求和面臨的挑戰(zhàn)

當前，中國許多行業(yè)領(lǐng)域?qū)崟r信息服務(wù)提出了更高需求，具體數(shù)據(jù)詳見表1?？梢钥闯觯詫崟r位置、實時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)時延及響應(yīng)范圍等方面均有較高的要求。綜合考慮國內(nèi)外衛(wèi)星資源與通導遙融合研究進展，單系統(tǒng)難以滿足上述實時性、連續(xù)性和精準性的現(xiàn)實需求，需要探索衛(wèi)星通導遙融合支持的實時信息服務(wù)系統(tǒng)。

表1 實時信息服務(wù)現(xiàn)實需求

Tab.1 Requirements of real-time information service

注：1）實時，代表通信時延在毫秒級；近實時，代表通信時延小于1 s。

從全球?qū)崟r信息服務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，衛(wèi)星支持的實時信息服務(wù)仍處于探索期，進一步推進衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用研究面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是如下兩方面：

1）衛(wèi)星通導遙空間資源協(xié)同不足，感知數(shù)據(jù)時空基準不統(tǒng)一。面向觀測對象的實時信息服務(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行協(xié)調(diào)。感知數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，遙感數(shù)據(jù)、導航定位數(shù)據(jù)以及各傳感器數(shù)據(jù)的時空基準不統(tǒng)一，這些問題直接影響數(shù)據(jù)的利用率，進而導致全域感知數(shù)據(jù)獲取速度慢、時效性低，信息的推送與分發(fā)無法做到實時與智能。

2）通信融合組網(wǎng)不充分，難以支撐信息服務(wù)的實時高效需求。單類通信網(wǎng)絡(luò)獨立服務(wù)均存在一定自限性，其中窄帶衛(wèi)星通信限于文字、語音等數(shù)據(jù)容量較小的實時信息傳輸；寬帶衛(wèi)星通信雖實時信息傳輸容量大，但對終端設(shè)備要求高；地面網(wǎng)絡(luò)速度快、資費低，但空間覆蓋能力不足。當前，通信融合組網(wǎng)是解決單類通信網(wǎng)絡(luò)對實時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行技術(shù)突破。

3 基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(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)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將通導遙衛(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)星平臺和系統(tǒng)之間的體系壁壘，依托一體化的系統(tǒng)平臺，面向各行業(yè)領(lǐng)域提供天地一體的實時監(jiān)測、通信、導航等信息服務(wù)，支持區(qū)域及全球范圍內(nèi)的高分辨率、高精度、實時的信息服務(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。該系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)體系架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)主要由實時感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)智能處理與分析中心、場景應(yīng)用平臺等3個分系統(tǒng)組成，網(wǎng)絡(luò)、中心、平臺這3部分依次對應(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個分系統(tǒng)實現(xiàn)對信息的采集——傳輸——處理——應(yīng)用——分發(fā)等全流程的實時或近實時響應(yīng)。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.1 實時感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)

實時感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)是支撐基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括時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)兩個部分。

全域泛在感知包括多源異構(gòu)感知平臺、感知時空分辨率、精度以及感知維度等方面。感知平臺主要由遙感衛(wèi)星、無人機和地面監(jiān)測站構(gòu)成，是立體全面的空天地一體化綜合感知網(wǎng)，具備全時空、全方位的多域覆蓋能力。其中遙感衛(wèi)星包括光學遙感衛(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)星可獲取更高時空分辨率的遙感大數(shù)據(jù)。網(wǎng)格化無人機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)、機群智能調(diào)度與智能基站通信中繼等優(yōu)勢，可機動靈活進行小目標精準觀測并快速回傳數(shù)據(jù)。地面監(jiān)測站包括移動和固定監(jiān)測站兩種類型，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監(jiān)測儀可直接獲取觀測對象最真實的數(shù)據(jù)。多源感知平臺在我國北斗衛(wèi)星定位導航授時服務(wù)系統(tǒng)支持下，獲取的數(shù)據(jù)時空基準基本一致，具有精確時間和空間屬性，有利于下一步的數(shù)據(jù)挖掘和知識抽取。

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)同來實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的實時高效傳輸。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)星通信鏈路實現(xiàn)實時或準實時回傳，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、無人機數(shù)據(jù)管理與處理數(shù)據(jù)庫、地面數(shù)據(jù)管理與處理數(shù)據(jù)庫和異構(gòu)數(shù)據(jù)處理與分析算法庫為支撐，負責數(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時感知數(shù)據(jù)的匯集平臺，支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)快速高效轉(zhuǎn)化為知識與信息，具備AI技術(shù)的知識抽取算法使信息服務(wù)的實時性、精準性和持續(xù)性要求進一步得到了保障。海量的數(shù)據(jù)智能處理與分析涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括時空大數(shù)據(jù)深度學習技術(shù)、信息挖掘與分析技術(shù)等。

3.2.3 實時信息應(yīng)用與服務(wù)平臺

實時信息應(yīng)用與服務(wù)平臺屬于直接面向應(yīng)急救援、決策支持、執(zhí)法等各行業(yè)應(yīng)用的層面，支持動態(tài)決策與信息快速分發(fā)，功能主要包括實時信息三維可視化展示、專題信息生成、輔助透視指揮、預警預測、決策信息發(fā)布等，是針對不同的用戶群體、不同的場景、不同的需求實現(xiàn)實時信息按需服務(wù)的前臺。其關(guān)鍵技術(shù)有時空信息可視化技術(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)急搶險救災(zāi)和海洋監(jiān)測等場景中，對衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用實時信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用效果分別進行了驗證，對比當前單類衛(wèi)星應(yīng)用的24 h級響應(yīng)時效，該系統(tǒng)以1 h內(nèi)的信息服務(wù)響應(yīng)時效優(yōu)勢，具備提升數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時傳輸、信息抽取和決策分發(fā)等全鏈條實時響應(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)可實現(xiàn)最快15 min的高效數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)實時回傳。本文在以下2個場景中，選擇國內(nèi)現(xiàn)有的民商用通信、導航、遙感衛(wèi)星資源，開展了衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用實時信息服務(wù)系統(tǒng)具體應(yīng)用分析，驗證該系統(tǒng)的實時態(tài)勢感知能力以及在信息分析方面所具備的高實時性、精準性和連續(xù)性的優(yōu)勢。

4.1 應(yīng)急搶險救災(zāi)實時信息服務(wù)

重大災(zāi)害具有瞬時突發(fā)性強、破壞力強、不確定性強等特點，通常會引發(fā)人民生命財產(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，對救援時間窗口要求高，一般需要在重特大災(zāi)害發(fā)生后幾小時甚至幾十分鐘內(nèi)快速獲取災(zāi)后有效信息，輔助指揮中心進行應(yīng)急動態(tài)決策，為救援前線高效搶險救災(zāi)提供支撐。當前我國海外遙感數(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)星在可供觀測的窗口期內(nèi)完成緊急任務(wù)。與單一系統(tǒng)平臺相比，基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)在高時效高頻次災(zāi)害全要素監(jiān)測、大容量且安全的通信保障、精準定位支持等多方面優(yōu)勢突出，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)急搶險救災(zāi)，基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果如下：

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

2）在該系統(tǒng)支持下，裝載有衛(wèi)星通信終端和光學或熱紅外等機載成像載荷的無人機可快速機動抵達受災(zāi)現(xiàn)場，通過無人機遙感將現(xiàn)場災(zāi)情信息快速回傳至指揮中心。經(jīng)試驗驗證，數(shù)據(jù)智能處理與分析中心獲得無人機遙感圖像的最短時間為30 s，指揮中心獲得災(zāi)情決策支撐信息的時間在分鐘級。圖3（b）、（c）為該系統(tǒng)應(yīng)用測試中的幾個重要試驗界面。

3）該系統(tǒng)具備動態(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)星導航模塊的智能終端，實時接收來自指揮中心的救災(zāi)指令，同時可將受災(zāi)現(xiàn)場圖片、語音、視頻等數(shù)據(jù)實時回傳至指揮中心，并支持任意區(qū)域的在線視頻會議。系統(tǒng)有效保障了救援一線與救援中心的實時聯(lián)動，實現(xiàn)了一線救援力量的動態(tài)調(diào)整與精準投放，使有限的救援隊伍發(fā)揮了最大的應(yīng)急救援效果。

圖3 基于衛(wèi)星通導遙融合的無人機實時信息服務(wù)

4.2 海洋監(jiān)測實時信息服務(wù)

隨著“智慧海洋”“海洋強國”等工程不斷推進，衛(wèi)星通導遙融合技術(shù)被認為是應(yīng)對海洋復雜多變的環(huán)境、支撐海洋監(jiān)測的重要手段?；谛l(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)用于海洋監(jiān)測，服務(wù)海洋環(huán)境監(jiān)測與預警、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)，解決了我國執(zhí)法部門智慧海事監(jiān)管服務(wù)平臺實時感知不足、通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全的難題，進一步鞏固了海洋空間執(zhí)法能力。

面向海洋監(jiān)測，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)測業(yè)務(wù)應(yīng)用的多種智能數(shù)據(jù)服務(wù)。以中國某海域為試驗區(qū)，將基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)在海域日常監(jiān)測與預警、快速響應(yīng)與執(zhí)法兩大關(guān)鍵場景中進行應(yīng)用測試，試驗結(jié)果如下：

1）在海域日常監(jiān)測與預警中，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，通過浮標、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、非法捕撈監(jiān)視、海島權(quán)益維護等多場景監(jiān)測。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)、浮標監(jiān)測海洋環(huán)境要素數(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)時效為每天上下午各觀測一次。

2）在快速響應(yīng)執(zhí)法中，該系統(tǒng)具備主動告警能力，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、無人機遙感等多源感知平臺，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)庫為基礎(chǔ)，進行執(zhí)法船舶任務(wù)規(guī)劃、位置監(jiān)控、船舶導航、執(zhí)法調(diào)度指揮以及執(zhí)法信息的實時發(fā)布。通過支撐海洋通信的全球網(wǎng)絡(luò)，可獲取船只實時位置（圖4（b））以及深遠海船舶的實時監(jiān)控畫面（圖4（c））等實時信息，并將這些信息回傳至該系統(tǒng)，輔助快速精準執(zhí)法。信息響應(yīng)時效在1 h內(nèi)，全鏈條只需1～2名預判專家和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)星通導遙融合的海洋監(jiān)測實時信息服務(wù)

5 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)與人工智能時代，衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用可為實時信息服務(wù)提供全域感知、實時通信、精準導航等保障，進一步滿足了各行業(yè)領(lǐng)域?qū)崟r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)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)頂層設(shè)計，通過建立衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用機制與系統(tǒng)架構(gòu)，協(xié)同智能感知技術(shù)、時空數(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)建實時感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)智能處理與分析中心、實時信息與應(yīng)用服務(wù)等3個完整的分系統(tǒng)，從信息實時與智能化角度突破通導遙單類衛(wèi)星應(yīng)用的局限性，可為更深層次的衛(wèi)星通導遙融合信息服務(wù)研究提供一定的借鑒。同時，在應(yīng)急搶險救災(zāi)和海洋監(jiān)測應(yīng)用實踐中探討了該系統(tǒng)的應(yīng)用場景與應(yīng)用模式。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，相對于單類衛(wèi)星應(yīng)用，基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(wù)系統(tǒng)從整體上提升了感知維度，縮短了響應(yīng)時延，保障了響應(yīng)效率和執(zhí)行質(zhì)量。

目前國內(nèi)外衛(wèi)星通導遙融合應(yīng)用尚未形成系統(tǒng)性、實用性的體系，衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(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，進一步優(yōu)化衛(wèi)星通導遙的網(wǎng)絡(luò)融合機制以及實時信息服務(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

水利部重大科技項目（SKS-2022129）

趙菲, 呂韞哲, 孫浩, 等. 基于衛(wèi)星通導遙融合的實時信息服務(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年獲中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院地圖學與地理信息系統(tǒng)專業(yè)博士學位，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年獲英國薩里大學移動衛(wèi)星通信專業(yè)碩士學位，工程師。研究方向是通信衛(wèi)星設(shè)計。

（編輯：夏淑密）