衛星移動通信在地質云中的應用

●　文| 中國地質調查局發展研究中心　　李超嶺

衛星移動通信在地質云中的應用

●文| 中國地質調查局發展研究中心李超嶺

現在每年都有成千上萬的地質工作者到我國西部等艱險地區開展國家公益性野外地質調查工作。這些地區通常為無人、無通信信號的高原與艱險地區，對傳統的地質調查工作模式和人員安全提出了挑戰。地質云（地質大數據）平臺的建設，為創新“地質調查+互聯網”的工作模式，為地質人員、地質科學家提供了更高水平的計算能力和理解大數據集的協作工具。本文就如何解決野外地質調查通信和數據傳輸盲區問題，把地質人員傳統的終端變成智慧地質云端，討論了衛星移動通信技術在地質云的位置、作用和大數據模式下的應用模式。

國土資源部公益性行業科研專項經費，基于3S技術的野外地質工作管理與服務關鍵技術研究與應用（201011010），地質礦產調查評價專項：智能地質調查支撐平臺建設與應用（12120115073201）、數字地質調查系統開發（1212011120436）、地質調查信息網格試點建設（綜合）（1212011120449）。

一、引言

隨著國務院《找礦突破戰略行動綱要（2011 —2020年）》實施，礦產勘查不斷向青藏高原的深部腹地、無人區及地質條件復雜的地區推進。2008年以來，每年都有成千上萬的地質工作者到我國西部等艱險地區開展國家公益性野外地質調查工作。這些地區通常為無人、無通信信號的高原與艱險地區，對傳統的地質調查工作模式和人員安全提出了挑戰。其次是野外環境艱苦、惡劣，危險性大，加上業務綜合性強，牽涉多專業、集成管理復雜，如何采用新一代信息技術，形成天地技術合一的現代化野外地質工作、管理及安全保障模式，構建新一代智能地質調查體系是該領域信息化的重點任務。其中衛星移動通信技術的應用更顯得尤為重要和迫切。

野外地質調查工作具有移動性大、單獨工作（或2～3人為一組）、分散性強等特點。我國現階段基礎地質調查工作的重點在西部地區，多為移動通信和地面通信網絡的盲區，野外地質調查工作進度和動態、野外工作的應急救援主要是采用衛星電話的聯絡方式，其推廣應用受自動化程度低和成本高的限制，很難滿足野外地質調查移動目標的動態跟蹤與導航，急需通過高技術手段提高野外地質調查的工作精度、數據通信服務和安全保障。

2015年，國務院發布《促進大數據發展行動綱要》，如何應用新一代信息技術，通過地質云（地質大數據）的建設，打造和創新“地質調查+互聯網”的工作模式，構建現代地質調查智能空間，形成下一代地質調查新模式，是地質調查信息化建設未來幾年追求的目標。而衛星系統地質應用網的建設是該目標實現的重要技術設施保障。

二、衛星系統技術在地質調查應用的現狀［1］

1.實現了北斗動態組網技術，建立了并行運行方式

（1）北斗動態組網技術

由于北斗指揮設備與所屬終端之間的從屬關系一般是靜態綁定的，即在出廠時北斗卡已經固化，不能由用戶任意動態調整。這對于地質工作中人員流動性大，從屬關系復雜的現狀是非常不利的。本項目與北斗設備廠商聯合攻關，對現有北斗指揮機進行技術改造，實現了從原來基于北斗卡的靜態從屬關系到目前基于北斗指揮機硬件的動態綁定的技術突破，并開發了簡單易用的從屬關系設置軟件，為建立統一靈活的地質調查北斗組網架構奠定了基礎。實現了北京中心、大區節點（或地調院節點）、野外駐地節點和野外地質一線人員四級隸屬關系的動態綁定（見圖1）。

圖1　基于3S技術的野外地質工作管理與服務多級動態組網模式圖

（2）工作區域管理網和單位隸屬網并行運行

動態綁定的四級組網技術，節點可任意進行N級擴展。首先可對進入相同工作區的不同單位動態綁定，實現水平管理，這種模式比較適合野外工作站或大區管理模式。但對于一個單位來說，希望對本單位不同工作區的項目進行隸屬（垂直）管理，比如地調院部門。通過四級動態組網模式，可以動態組成工作區域管理網（水平）和單位隸屬網（垂直）并行運行的模式。

（3）實現不同北斗運營商通信協議的互連互通

由于北斗指揮設備與下屬終端之間的從屬關系一般是靜態綁定的，即在出廠時已經固化，不能由用戶任意動態調整，很容易造成單一運營商運營的格局，不利于形成公平競爭的發展局面。通過從原來基于北斗卡的靜態從屬關系配置到目前基于北斗指揮機硬件的動態綁定，可以把不同運營商提供的北斗卡動態綁定在相應的指揮機上，從而實現不同北斗運營商通信協議的互連互通。

（4）建立北斗通信節點自治信息的自動同步機制

各級節點信息按照數據來源大致可以分為兩類：①北斗監控獲取的信息——包括定位信息和交互通信信息；②節點自治的信息——包括設備卡信息、單位信息、人員信息等。根據數據來源的不同，數據在節點之間的傳遞方式也不同。為了實現上級節點對下級節點的有效管理，下級節點必須實時上報其節點自治信息?；诘刭|調查信息網格GIS平臺，以WEB服務的方式建立了各級節點自治信息自動上報的同步更新機制，保證了上一級節點基礎信息的時效性。節點的同步機制通過逐級主動獲取的方式實現。在系統下級節點的WEB 服務器上部署對外提供數據服務的WEB接口，每個低級節點只對其上一級節點提供服務，而不對更高級別的節點提供服務，因此在服務接口中添加IP地址限制，確保只有指定的上級節點能夠獲取提供的數據服務，增加數據的安全性。在上級節點的WEB服務器上部署數據自動獲取更新程序，通過調用下一級節點的數據服務接口獲取下級節點的自治信息，并根據信息的關鍵字段更新、維護數據庫中的相關記錄，保證不同級別節點之間的自治信息的同步。

2.建立基于IP衛星技術的流媒體直播管理

根據野外工作特點，提出和實現基于IP衛星技術的多點單邊會商野外地質調查場景流媒體直播管理技術。同時實現了基于低成本3G智能手機終端的視頻實時回傳，音頻實時對講與網格技術的協同?；贗P衛星技術的多點單邊會商野外地質調查場景流媒體直播管理與服務技術與3G視頻通信技術的互補，補充完善了中國地質調查信息網格平臺的野外地質調查管理服務與安全保障，用戶可在任何可上網的地方進行野外地質調查工作+管理+安全保障+生產指揮的資源使用。多點單邊音視頻傳輸是野外地質調查工作+管理服務中的一項重要應用需求，依托中國已有地質調查信息網格和衛星資源網絡體系，在野外地質調查工作管理及遠程驗收等應用場景，專家組通過地質調查信息網格平臺就可以觀看現場工作組匯報，實時了解野外地質工作情況，實現各野外節點視音頻的調度管理及實時發布，提升了野外地質調查信息化服務水平及管理能力。多點單邊會商音視頻傳輸示意圖見圖2。

圖2　 多點單邊會商音視頻傳輸示意圖

針對野外地質調查等工作進行輕型地質調查實時傳輸系統設計與研發，從現場實用角度出發，將野外工作系統設計了便攜終端，其中包含天線、射頻集成和Modem等所有主要通信功能的設備。在野外地質調查現場工作的各類計算機終端可以通過LAN/WiFi方式接入輕型地質調查數據實時傳輸系統，訪問數字地質調查信息平臺（DGSInfo）與野外地質工作管理與服務網格平臺（GSIGrid），實現野外節點安全高效接入兩個平臺、完成數據共享交換、信息服務、單邊音視頻傳輸是完成集成與服務工作的主要需求，同時支持IP語音通話、Email、FTP文件傳輸、網頁訪問等互聯網訪問應用。

3.野外地質調查工作新模式

針對在無人、無通信信號高原與艱險地區地質調查的特點和智能與智慧地質調查發展趨勢，提出并實現多通信技術與網格GIS技術的協同集成，建立了我國野外地質調查工作+管理+安全保障服務的天地空一體化服務體系框架、軟件體系平臺，形成了天地空野外地質調查工作現場管理調度、野外現場技術指導與專家會診、艱苦地區安全保障服務一體化的新模式（見圖3）。

（1）天地空多環野外地質調查數據服務及工作現場管理指導和調度模式

該模式以北斗衛星和通信衛星為主，網絡通信為輔，構成多環野外地質調查工作現場管理調度模式。

內環模式：通過北斗通信定位模塊與DGSInfo構成野外地質調查工作現場管理調度模式，野外駐地管理人員可在任何時間對野外地質人員、車輛進行指揮調度和管理。

多環模式：通過北斗通信定位模塊、DGSInfo及中國地質調查信息網格平臺構成野外地質調查工作現場管理調度模式，項目的各上級主管部門（可涉及項目承擔單位的部門、大區地調中心、直至北京中心）可在任何時間以短信息的方式對野外駐地管理人員、野外地質人員、車輛進行指揮調度和管理。

（2）天地空分布式野外地質調查野外現場技術指導與專家會診模式

該模式以IP衛星技術應用為主，衛星通信定位和網絡通信為輔，構成分布式天地空野外地質調查野外現場技術指導與專家會診模式。

圖3　野外地質調查工作三種新模式

在艱險無人地區的野外地質調查驗收，或有重大發現時，老專家無法直接到現場，或專家分布在各地不易集中，利用中國地質調查信息網格GIS平臺和基于IP衛星技術的野外地質調查場多點單邊會商系統，專家可以在任何可以上網的地方進行野外現場技術指導與專家聯合會診，改變了只能在指定會議室（指含視頻會議系統裝備的房間）進行視頻會議的模式。通過中國地質調查信息網格GIS平臺和基于IP衛星技術的野外地質調查場多點單邊會商系統，分布的專家可以看到野外現場在不同比例尺地質圖及地理的位置（通過北斗傳回位置），通過視頻傳回野外現場場景，專家根據視頻，把會診的意見通過聲頻傳回野外現場。

（3）天地空多級同步的艱苦地區安全保障服務模式

多級是指一條指令可以同時連通野外同伴、駐地、單位主管、大區中心直至北京指揮中心。各節點可實時了解野外人員的工作態勢，掌握其行進軌跡和位置，如果野外人員遇險求救，可第一時間趕往出事地點救援，其模式特點如下：①在危險地帶，野外地質人員可利用北斗設備快速向臨近路線或駐地發出求救信號，附近隊員或駐地可及時組織救援；同時，通過后臺的中國地質調查信息網格GIS平臺，野外求救人員可獲得尋找最近伙伴救援空間分析的結果，向最近人員求救。②通過中國地質調查信息網格GIS平臺，實現主動危險區的自動報警等服務。野外人員只需要發送一條獲取安全信息的報文給中心式指揮機，就可以獲知所在區域存在的風險、規避方法與突發事件發生時的應急處置措施，這都大大提升了野外地質工作安全系數。

該模式以衛星通信定位為主，網絡通信為輔，構成多級同步天地空艱苦地區安全保障服務模式。

三、衛星系統地質應用網在地質云架構的位置與作用

1.地質云

地質云是以地質數據共享開放，驅動地質數據強局建設、創新“地質調查+互聯網”工作模式的基礎平臺，也是展現中國地質調查局擁有數據規模、運用數據和服務能力的窗口。地質云為地質人員、地質科學家提供更高水平的計算能力和理解大數據集的協作工具，進一步催化地球系統科學的創新思維和創新步伐。

從業務視角，地質云主要建設內容可概括為：“一個統一平臺，1+X個云中心，三張網，三類用戶”，總體業務架構見圖4。

地質云業務架構主要構成：

1）一個統一平臺。指依據整合共建原則建立的中國地質調查局地質云統一平臺，在同一標準下實現地質數據匯集。

2）1+X云中心。包括新建設云中心（主中心或分中心）、已建設數據中心兩種類型。新建設云中心，按照三級等保安全標準，采用云技術建設，實現工程之間數據隔離、項目之間數據隔離和單位之間數據隔離、管理數據隔離、公開數據隔離，以確保數據安全。云中心可根據關鍵業務需要建設相應的分中心，統一采用大數據集中管理，實現數據共享；新建設云中心和已建設數據中心之間使用光纖互聯，并通過云管理系統進行對接和共享。

3）三張網。指“地質業務網”、“地質互聯網”和“衛星系統地質應用網”。地質業務網為物理隔離的網絡，可與衛星系統地質應用網連接。衛星系統地質應用網主要是與北斗系統及其他衛星系統的連成的專門應用網絡。根據數據特征可與地質業務網、互聯網連接，實現地質調查局50個工程數據采集、天地一體數據傳輸、綜合分析與建模及新產生的全過程業務數據共享服務。

4）三類用戶指業務用戶、地質調查管理用戶（含行業用戶）和社會服務用戶，地質云向三類用戶分別提供“地質業務管理服務”、“地質數據共享服務”以及“地質數據開放服務”。

圖4　地質云業務架構

2.建設衛星系統地質應用網，實現天地空一體化數據傳輸

在云平臺上要實現野外數據、監測數據、遙感數據、會商數據和挖掘數據的動態采集、存儲、管理、計算和數據服務，基于衛星觀測、通信地質應用網是地質云的重要任務之一。

利用我國現有或即將發射的通信衛星為基礎，把原來僅限于短報文的通信擴大到視頻、數據和音頻，聯合北斗系統，建設比較成熟的天地空一體化野外數據采集和數據傳輸體系。

地質人員采用兼容多模態定位導航設備和衛星移動通信系統，進行不同地質專業領域的信息采集；可以與云中心進行互操作，野外實時使用云中心資源；野外實時與云中心進行數據比對和空間分析；采集數據可實時上傳到云中心，設置為公有或私有數據，同組人員共享；云中心可對野外作業人員進行實時監控等。

四、地質云野外地質調查工作實例［2］

1.地質調查智能空間應用服務

智能空間應用服務以大數據知識體系為核心，通過互聯網、衛星通信網和物聯網把信息與物理空間組合成整個地質調查智能空間。在智能地質調查業務基礎平臺的支持下，使地質調查從數據采集、分析、建模和數據挖掘形成一個完整的數據知識生產鏈。地質調查服務對象端在該體系獲得智能位置知識服務的同時，又可以把地質調查成果及時地為云節點提供實時的數據知識源，以此循環構成地質調查智能空間生態環境。公眾服務對象在天地空一體化地質調查智能空間基礎平臺支持下，通過云節點構建的知識體系資源，智能地獲得泛在位置知識服務。圖5是地質調查智能空間服務應用模式圖。

圖5　地質調查智能空間服務應用模式圖

2.地質調查智能空間感知服務示范

為了驗證地質調查智能空間感知服務框架的適用性、先進性和精確性，2015年9月在中國地質調查局成都地質調查中心西藏阿木雄地區地質礦產綜合調查工作區進行了示范。該工作區位于青藏高原，平均海拔高度5000m以上。

示范內容是應用數字地質調查系統對火山巖區穿越性路線地質調查進行了現場智能感知服務示范。首先，將當前坐標位置自適應通過IP衛星或北斗衛星傳回中國地質調查智能空間平臺，通過大數據技術，對西藏地區地質報告的數據挖掘，給出當前位置的有關的地質體特征（包括地質剖面、地層單位、地層對比、巖石化學特征、地質構造等內容知識庫），并通過IP衛星返回野外數據采集器?，F場在野外數據采集器屏幕上可以找到9部相關地質報告并挖掘出的當前填圖單位的159個相關知識片段，通過IP衛星返回野外數據采集器的界面和內容，如當前地層單位的地質特征和巖石地球化學特征，其他地層單位巖石地球化學特征對比等知識片段。

該示范在衛星通信技術的支撐下，體現了在無人艱險區、無地面通信區域的現代地質調查工作的模式，即野外地質員后面都有一個強大的實時知識庫在支撐野外地質調查。如果有衛星移動通信技術支撐，該工作模式即可落地應用了。

五、結語

1）通過地質云的建設，特別在衛星移動通用技術的支撐下，彌補了地質云在通信方面的短板，為創建地質調查云時代，把地質人員傳統的終端變成智慧地質云端奠定了不可缺少的基礎。

2）在衛星移動通用技術的支撐下，通過“云”與“端”的結合的，實現野外作業人員隨時、隨地、隨需、隨意的應用。數據采集、數據處理、數據產品加工、發布服務與成果推送，通過云平臺與GIS基于高性能、模型快速加載、智能分布式處理、一鍵式服務推送，實現全流程智能化，才有可能沒有盲區。

3）有了衛星移動通用地質應用的支撐，“地質調查+互聯網”為云端（野外）提供更高水平的計算能力和理解大數據集的協作工具，創新地質工作、管理與服務模式，才能真正落地。

［1］李超嶺，劉暢，劉園園等.基于3S技術的野外地質調查工作與管理服務關鍵技術研究與應用示范［M］.地質出版社.2013.

［2］ 李超嶺等.智能地質調查大數據應用體系架構與關鍵技術［J］.地質通報.2015，vol.34（7） p：1288-1299.