通導遙一體化衛星技術在應急管理領域的應用

文｜彭珺

橢圓時空（北京）科技有限公司

一、前言

全球氣候變暖背景下，我國極端天氣氣候事件多發頻發，高溫、暴雨、洪澇、干旱等自然災害易發高發。亟需強化衛星遙感、大數據、云計算、物聯網等技術融合創新應用，加強綜合監測預警系統建設，提高預報預警時效性準確性。目前,我國高分辨率衛星遙感、北斗導航、衛星通信等民用空間基礎設施防災減災應用水平不斷提升，但衛星監測預警精準性和衛星服務時效性尚有欠缺。尤其是衛星通信、導航、遙感服務體系各自孤立，導致衛星通導遙一體化服務和融合應用方面存在困難。《“十四五”國家綜合防災減災規劃》提出，開展“通導遙”一體化應用關鍵技術攻關與示范工程建設，提升衛星監測預警能力；推動研發多體制融合衛星通信系統和綜合數據業務處理中心建設，配套研制一體化融合通信裝備，實現全天候、全時段、復雜地形條件下的實時雙向通信和數據傳輸，提高人員定位、應急救援等服務水平。因此，探索通導遙一體化的衛星應用服務，具有重要的應用價值。

二、背景及現狀

我國航天領域經過幾十年的發展，形成了覆蓋通信、導航、遙感的衛星譜系。隨著高分辨率對地觀測系統國家科技重大專項、《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025年）》的有力推進，中國航天進入創新發展“快車道”，衛星通信、導航、遙感等服務得到快速發展。

在衛星通信方面，目前衛星通信應用仍以衛星廣播和固定通訊業務為主；衛星移動通信主要提供語音、窄帶通信服務，主要用于應急行業、野外作業等場景，成本較高，大眾化應用尚不廣泛。

在衛星導航方面，2020年，北斗三號全球衛星導航系統全面建成開通。北斗系統具備定位導航授時、全球短報文通信、區域短報文通信、國際搜救、星基增強、地基增強、精密單點定位共七類服務能力，服務性能達到世界先進水平。目前，北斗系統的行業應用處于規模化應用發展期，應用市場前景良好、潛力較大。

在衛星遙感方面，經過幾十年的發展，遙感衛星民用分辨率由幾十米逐步提高至亞米級，遙感衛星服務朝著更精細、更高頻等方向發展，并衍生出多星組網等衛星星座運營模式。目前衛星遙感服務仍以提供基礎數據為主，服務模式以常規重訪監測模式為主，直接應用產值低于導航和通信應用。

綜上，目前我國衛星通信、導航、遙感各自積累了顯著成果。而在空天信息一體化綜合服務方面，尤其是面向具有即時性服務需求的領域，比如應急管理的災害救援、態勢推演等場景，由于衛星遙感、導航、通信服務體系各自孤立，導致實時融合困難，尚且無法滿足即時服務等應用需求。因此，亟需突破現有衛星的服務體系，探索衛星通導遙一體化的服務模式，推動形成天基綜合服務的全新業態，為應急管理等應用領域提供更快、更準、更全的多維綜合數據服務。

三、應用探索

在應用探索方面，衛星通導遙技術在應急管理領域的應用主要體現在自然災害場景方面，包括地質災害/洪澇災害/林火災害/地震及海洋災害等場景，整體可分為事前、事發、事中、事后幾個階段（圖1）。

圖1 衛星通導遙技術在應急管理領域的應用階段示意圖

1.事前階段：透徹感知

在事前階段，核心是進行透徹感知，融合空/天/地/人四個維度的災害監測“一張網”，實現自然災害的早發現/早預警/早處置（圖2）。在此階段，衛星通導遙技術能提供的核心能力為：一是利用衛星遙感的面狀拍攝和感知能力，對潛在風險區進行常態化感知監測；二是提供廣域的物聯點位的通信能力，可以為多種災害監測的地面點位物聯傳感器提供數據通信傳輸服務，解決在山地/海洋等偏遠沒有信號的區域布設物聯網的數據傳輸難題；三是可提供定位增強服務，支持在重點區域布設多個定位終端設備，及時感知與地表形變相關的災害情況，比如泥石流/滑坡等災害，并及時進行預報預警。在數據維度劃分上，遙感數據實現了空間面上全覆蓋而在時間維度上屬于抽樣觀測；物聯定位數據實現了時間維度連續觀測而在空間維度上抽樣布設，因此借助通導遙一體化服務可以整合多種數據源實現時空立體化觀測，并將過去的多源異構數據服務模式轉換為同源同時相服務，進而實現天地融合的即時觀測和透徹感知。

圖2 事前階段示意圖

2.事發階段：即時服務

在事發階段，借助通導遙一體化衛星可實現天地聯動策略，支持策略響應式的新型即時遙感服務模式（圖3）。典型場景為，利用地面的物聯點位觀測網絡，一旦監測到地面災害發生，便可自動觸發指令調度衛星進行即時拍攝，基于衛星通信能力快速把融合處理后的數據成果第一時間傳達至戶地面終端，為后續的應急救災過程提供一手的衛星觀測資料。

圖3 事發階段示意圖

3.事中階段：精準救援

在事中階段，可利用通導遙一體化的多維感知數據和災害機理模型，對災害態勢進行數字孿生推演預測（圖4），例如泥石流的動態仿真與預測、滑坡趨勢分析、火情走勢分析，洪水蔓延淹沒預測等，來為應急救災的指揮調度和精準救援提供依據。面對災害事件中易發斷電及地面通信信號缺失的情況，通導遙一體化衛星服務可以為災中精準救援提供通信保障和定位增強服務，便于在缺失地面信號的情況下開展救援作業工作，提高人員及裝備定位精度和應急救援服務水平。

圖4 事中階段示意圖

4.事后階段：災后評估

在事后階段，服務災后的損失評估，包括整體的受災范圍測算，以及具體的房屋受災/林地受災/耕地及其他財產受災情況的統計調查（圖5）。衛星數據可為受災評估提供直接的客觀觀測資料，有助于為災后救助資源配置和保險定損等業務提供客觀數據依據。

圖5 事后階段示意圖

四、展望

通導遙一體化衛星有助于轉變傳統的事后感知到新型的即時感知衛星服務模式，進而催生新的應用。相比于傳統的遙感衛星，通導遙一體化衛星可實現全天時全球覆蓋的廣域物聯，實現更為及時的時間維度連續感知；利用遙感與物聯定位數據進行同時相數據融合，有助于發展在軌融合計算和即時遙感等新型衛星服務模式。

在業務應用方面，通導遙一體化衛星可以服務于應急管理/精準作業等典型場景，實現物聯與遙感的時空融合感知以及天基服務保障；通導遙一體化衛星服務可以綜合提供通信、遙感以及導航定位增強服務，有助于保障全天候、全時段、復雜地形條件下的實時雙向通信和數據傳輸能力，實現天地聯動的自主作業大閉環。

在太空科技領域，各國商業公司正在以科技創新為驅動展開新的競賽。自2018年起，俄羅斯、美國等國際航天大國均陸續推出通導遙一體化衛星星座研制計劃。我國商業衛星公司橢圓時空提出星池計劃，可為全球用戶提供通導遙一體化衛星服務，目前已在研制通導遙一體化衛星并計劃組建衛星星座。通過研制和運營通導遙一體化衛星星座，中國的商業衛星公司有望在這場新型太空科技競賽中實現彎道超車。