新型通導遙融合應用的信息智能服務研究

趙菲 呂韞哲 付東杰 劉韶菲 才藝 馬芳

(1 中國衛通集團股份有限公司,北京 100190)(2 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101)(3 應急管理部大數據中心,北京 100103)

在大數據與人工智能時代,智能交通、智慧城市、智慧海洋及智慧地球對信息服務提出了實時、精準、智能的強烈要求,以高時效性、高精準性、高連續性為特征的信息服務已逐步演變為陸、海、空、天、電、網絡6維一體的聯合行動[1]。隨著全球航天事業的迅猛推進,以通信、導航、遙感(簡稱為通導遙)為核心的融合應用呈現出創新發展的態勢,為高時效性信息支持的智能服務與行動提供了重要的資源基礎。

近年來,通導遙融合應用逐漸出現在多個國家的空間發展探索議程上,各國力爭形成全球化、近實時對地觀測、互聯互通、精準定位的信息服務體系和應急響應能力[2]。國內外對于集成通導遙功能于單顆衛星的一星多用、通導遙融合星座的多星組網應用均有探索,其中,在高軌寬帶通信衛星與低軌遙感衛星融合組網提升遙感圖像獲取時效性方面試驗成果顯著,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網星座構建也在逐步開展。從全球空間資源和衛星技術發展及應用進展上看,通導遙融合應用的信息服務探索仍處于初步階段,以通導遙融合應用為特征的多星組網星座建造是提升信息服務響應時效性的發展趨勢。因此,面向當前新型信息智能服務的高時效性、高精準性、高連續性的迫切需求,諸多研究工作集中在協同通導遙衛星資源形成多星組網架構,以通導遙融合應用支撐復雜環境下各行業對智能信息服務的高標準需求。目前,在通導遙融合應用的機制方面已有初步探索,但是對于通導遙融合應用的智能信息服務體系和系統方法研究不足,還未有效解決多源異構平臺有機協同、多網絡融合組網及數據信息智能轉化等問題,尤其是在遙感數據、視頻數據等大容量數據的高時效回傳及實時視頻會議等方面還面臨更多的挑戰,因此有必要進一步探討寬帶衛星通信、衛星導航、衛星遙感融合機制與系統方法,優化通導遙融合應用的信息智能服務機制及系統方法,以應對當前通導遙資源協同規劃薄弱、應急通信網絡抗毀性能不足、信息評估自動化與智能化不充分等挑戰。

信息智能服務全鏈條包括數據采集、數據傳輸、數據治理等一系列環節,響應鏈的時效性、精準性是當前通導遙融合應用要解決的關鍵問題,因此,需要從響應鏈各環節出發,構建一種新型通導遙融合應用的信息智能服務機制并進行系統化實施。本文首先總結通導遙融合應用在國內外的進展,提出當前應對信息智能服務的高實時性、高精準性和高連續性迫切需求面臨的難點與挑戰;從多星組網角度提出一種新型通導遙融合應用的信息智能服務框架及各層面架構,分析該框架在覆蓋范圍、通信速率、響應速度及精準定位方面的一站式解決能力及關鍵技術;最后選擇西藏察隅地區為試驗區,通過系統仿真模擬重大災害日常監測和應急響應2種場景,驗證新型通導遙融合應用的信息智能服務系統及方法的應用效果。

1 國內外通導遙融合應用進展及面臨挑戰

1.1 國內外通導遙融合應用進展

隨著信息服務需求逐漸趨向高實時性、高精準性和高連續性的特點,多個國家紛紛從通導遙融合應用角度對信息智能服務作出了一定的探索。國外率先探索通信遙感一體化,嘗試從空間源頭協同衛星資源,以提升遙感數據獲取與應用的時效性。當前,關于通信遙感一體化的探索分為2種:①單星同時搭載多種載荷,實現集成通信、導航、遙感功能于單顆衛星的一星多用的通導遙融合應用;②多星搭載不同功能載荷構成龐大的星座,實現多星組網的通導遙融合應用。

通導遙衛星運行軌道高度、運行姿態及分系統等各方面的差異巨大,建造集成通導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探索較少,較典型的有韓國于2010年發射地球靜止軌道衛星千里眼(COMS),同時搭載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個有效載荷,可每小時獲取朝鮮半島周邊海洋環境和海洋生態等海洋監測數據,每隔8～15min獲取高分辨率氣象監測數據。隨著低軌衛星通信技術的快速發展,低軌通信與遙感融合的單星建設逐步增多。美國太空探索技術(Space X)公司推出了面向軍事的星盾(Starshield)衛星互聯網星座項目計劃,設計單星上同時搭載通信、遙感載荷,具備對地觀測和衛星通信功能,可實現空間觀測數據實時發送與全球加密安全通信。

國外在多星組網通導遙融合應用方面探索較多,通過構建由不同功能衛星組成的空間信息網絡融合星座,可實現更加實時的通導遙衛星協同組網服務。其中,較突出的研究集中在遙感衛星與通信衛星組網提升遙感數據回傳至地球的時效性。美國提出以高軌寬帶通信衛星為通信中繼點實時回傳遙感衛星拍攝的遙感影像,衛星通信運營商衛訊(Viasat)公司、商業遙感衛星公司行星(Planet)公司均實施了類似項目試驗,用于支持全球范圍內的實時數字地球信息服務,Planet公司計劃將現有星座的圖像數據傳輸時間從幾小時縮短到幾分鐘。目前,受限于遙感衛星在軌智能處理能力,通信遙感融合應用多采取衛星遙感原始數據落地后再由寬帶通信衛星中繼完成全球數據傳輸與分發,經西班牙德莫斯-2(DEIMOS-2)光學遙感衛星、德國陸地合成孔徑雷達-X(TerraSAR-X)遙感衛星與高軌通信衛星協同驗證,表明這種通信遙感融合應用可獲得更智能、低時延的對地觀測能力,在1min內能實現應急數據傳輸、對象檢測及應急信息分發。俄羅斯計劃實施球形衛星星座(SPHERE)計劃,通過建立星間高速激光通信實現多區域通信接入,計劃整合高軌通信衛星、高橢圓軌道衛星、中軌道寬帶互聯網接入設備、低軌道全球數據傳輸系統等不同軌道高度的衛星或設備,實現全方位通信服務及全球高頻次、全天候監測對地觀測[3]。隨著全球低軌衛星互聯網建設的持續推進,低軌寬帶衛星通信星座與遙感衛星協同在支撐態勢感知、實時通信與軍事作戰中發揮作用,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,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能力,以支持更多的高時效性信息應用場景。

我國已經在一星多用、多星組網、天地互連、多網融合方面進行了通導遙融合應用探索,力爭形成全球化、近實時對地觀測、互聯互通、精準定位的信息智能服務能力。文獻[4]中提出構建由數百顆具有遙感、導航與通信功能的低軌小衛星組成的天基網,協同高分辨率遙感衛星、北斗導航衛星,與衛星通信網、地面互聯網、移動網的整體集成的新一代天基智能系統,提供高性能導航、定位、授時、遙感、通信的一體化實時服務的構想。我國北斗三號導航衛星兼具導航定位與短報文通信功能,應用成本低、終端便攜性高、通信導航融合度較高,在一定程度上有利于通導遙融合應用。武漢大學嘗試設計新一代智能測繪遙感衛星,可實現遙感數據實時獲取、實時下傳與應用終端的實時信息服務,珞珈一號科學試驗衛星進行了單星通導融合試驗與多星組網星座通導遙融合應用[5]。我國商業航天通過在低軌衛星上同時搭載通信與遙感載荷,并借助在軌任務調度與信息智能分發、高速綜合信號處理、地面站網資源融合管控等關鍵技術,提升遙感數據分發速率和遙感任務實時響應能力。其中,銀河航天公司發射6顆低軌寬帶通信衛星同時搭載了遙感載荷,開展衛星通信、遙感一體化的創新應用模式探索及在軌演示驗證。2023年,我國開展超低軌通信導航一體化星座布局,完成7顆衛星在軌組網運行并提供穩定的氣象數據,具有距離地面近、延時短和通信耗損小等優勢,可實現分米級精準分辨率、分鐘級實時傳輸新型信息服務能力。在多星組網通導遙融合應用體系思維導向下,面向復雜環境實時感知[6]、尾礦區生態環境應急監測[7]、特殊區域水環境安全監測[8]等諸多場景,通導遙融合應用的系統機制研究初步開展,已經具有可行性的構想與設計。因此,本文選擇多星組網角度進行通導遙融合應用機制分析。

1.2 面臨的挑戰

美國注重保持空間信息和決策優勢,表示通過通導遙融合應用已經實現了分鐘級全球應急救援信息響應能力。與美國相比,我國目前是小時級的遙感過境傳輸網絡和小時級的處理服務,對于應急事件的反應速度相對滯后[9-10]。

信息智能服務要求分鐘級的遙感圖像獲取能力、時延在毫秒級或納秒級的語音、圖像、視頻等通信傳輸能力和快速指令分發能力、亞米級精準定位能力[11-14]。為了一站式滿足上述需求,需要重點解決以下幾個問題。①全面協同各空間維度感知平臺,統一多源感知平臺空間基準[15],形成立體感知與有機協同的數據獲取通道;②融合多類型數據傳輸網絡,靈活組網,形成資源利用率高、抗損毀、快速組網的數據回傳與指令分發網絡[16-17];③融入海量感知數據智能化高效率處理模型與算法,實現動態決策支撐[18];④新型通導遙融合應用的信息智能服務機制與系統,一站式實現①～③。

2 新型通導遙融合應用的信息智能服務框架

為應對信息智能服務需求,解決全面立體感知協同不足,多源感知平臺空間基準不統一,數據傳輸網絡融合組網不足,通信資源配置不靈活,海量感知數據智能化處理效率不高,動態決策支撐不足等現實問題,本文從多星組網角度提出新型通導遙融合應用的信息智能服務框架。該框架充分協同多源感知平臺、天地網絡資源、智能終端、融合人工智能與空天信息系統,可支持區域及全球范圍內的信息服務,尤其是在偏遠地區或者應急響應中實現空天地一體的實時監測、快速響應、協同服務。

新型通導遙融合應用的信息智能服務框架見圖1。該框架主要包括感知層、傳輸層、智能處理層、應用與服務層,確保在統一的框架下實現信息的感知-傳輸-處理-分發全鏈條的高實時性、高精準性和高連續性響應。

圖1 新型通導遙融合應用的信息智能服務框架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框架的基礎,位于金字塔最底部,解決時間域和空間域上的信息感知與傳輸問題。感知范圍包括對象的全要素特征、音頻、視頻、時空屬性、社會屬性等多維度立體范疇,感知平臺具有立體多源異構特征,感知層形成面向具體任務、可動態調整所需各類傳感平臺和可自主恰當選用遙感器獲取充足時空分辨率的感知大數據能力,從時空分辨率、精度、感知方式及感知維度等方面實現動態協同、信息互補。

多源異構感知平臺按照空間維度分為天基、空基、地基和海基4個部分,如圖2所示。天基部分由遙感星座、導航衛星和高低軌通信衛星星座構成,提供實時信息智能服務所需的通導遙衛星資源及服務能力。空基部分由熱氣球、飛艇、載人航空飛機、無人機等裝載的光學、微波、紅外等遙感器和導航定位及通信模塊構成。地基部分由智能機器人、視頻終端、智能移動設備、測繪車、北斗終端等硬件、北斗連續運行衛星定位服務站(CORS)網、輔助北斗定位系統、視頻網、局域無線網等軟件組成,可感知局域環境地理信息。海基平臺由艦艇、潛艇、航母裝備的通信、導航、遙感等硬軟件組成,可以提供實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和通信等服務。在我國北斗衛星定位導航授時服務系統支持下,各類感知數據具備基本一致的時空基準,具有精確時間和空間屬性的感知信息可快速通過數據挖掘和知識發現支撐最終的信息服務。

圖2 通導遙融合應用的典型感知平臺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框架的底層。傳輸層對感知數據進行實時、安全、快速的傳輸,各感知平臺通過傳輸層融合網絡互聯、互通、共享互操作,可實現全球高時空分辨率的數據采集及大容量數據高時效回傳。傳輸層主要包括傳輸網絡與接入網絡,其中星地一體化網絡是傳輸網絡的核心部分。構建星地一體化網絡的關鍵是實現寬窄帶衛星通信融合組網、高低軌衛星通信融合組網和衛星與地面網融合組網,形成寬窄帶結合、天地網協同的通信與傳輸系統,保障各類感知節點的數據快速高效傳輸。例如,遙感衛星數據(尤其境外數據),可通過大帶寬的星間鏈路避開過境傳輸限制實現實時或準實時回傳,大大提升遙感信息獲取的時效性和回傳能力。當前,星地一體化網絡能力還不足,需要融合互聯網協議第6版(IPv6)、5G/6G、星載基站等下一代互聯網和通信新技術,以達到廣覆蓋、低時延、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框架的中間層,包括數據接入、元數據服務、數據清洗、數據挖掘、數據管理在內的時空大數據處理環節,涵蓋數據智能處理與分析中心、數據存儲管理庫、算法模型庫、基礎信息服務庫。海量的數據處理是該層的核心內容。智能處理層既保證了對感知信息的匯集以獲得更全面豐富的知識,也極大地支持了信息的流動,保障場景中的信息服務的精準性、持續性需求。

2.4 應用與服務層

應用與服務層位于信息智能服務框架的最高層,直接面向應急救援、指揮調度等行業領域應用,用于信息的發布與應用,提供信息的可視化顯示、專題信息生成、信息發布等功能,是針對不同的用戶群體、不同的場景、不同的需求實現實時信息按需服務的前臺。各行業領域對于動態決策智能輔助需求日益增長,應用與服務層需要具備展現系統數字孿生、平行仿真功能的能力,以支撐輔助指揮透視和預測未來環境態勢。

2.5 關鍵技術

在新型通導遙融合應用的信息智能服務框架組成中,實現全面感知與協同感知、融合組網、信息智能處理及高效應用服務所需的關鍵技術,如圖3所示。

(1)感知層。①動態感知技術解決協同空天地各感知平臺的各種遙感器,形成單遙感器獨立感知感測與多遙感器動態協同觀測能力。通過智能感知技術、遙感器智能識別技術、高效軟硬件協同技術、分布式管理技術,動態整合感知層下所有節點遙感器,在預先設定的行動流程和分析流程規則下,針對不同觀測對象自主觸發并調動所需遙感器,并根據任務動態適應、自主配置感知層的微結構。②多源異構感知平臺協同核心是解決感知時空基準問題[18],時空基準統一技術解決時間基準統一。相同的時間尺度和相同的空間基準是感知信息集成、融合、規律挖掘的基礎,關聯同時空表征,通過北斗地基增強技術、網絡授時技術、高精度匹配技術與智能終端,將感知數據統一到相同的時間尺度和相同的空間基準,有利于信息的集成、融合、知識挖掘等。

(2)傳輸層。融合組網的核心是打破不同網絡之間的通信壁壘,真正實現互聯互通[19],星地融合組網、高低軌衛星融合組網是該層的主要技術[20]。針對星地融合組網架構中多層跨域組網問題,需要從網絡架構、組網方式和空口傳輸3個方面進行技術突破。通過采用軟件定義網絡(SDN)和虛擬網絡功能化(NFV)技術,實現星地一體化網絡切片,解決網絡中異構設備的通信和兼容。考慮到動態、復雜的網絡架構,需要星地融合資源管控技術實現網絡中多維資源協調管理,包括地面-衛星通信網絡的頻譜資源管理、多層網絡間自適應路由管理和無縫切換[20]。另外,在空口傳輸方面,關鍵在于衛星通信標準與地面移動通信標準的協同演進,以支持業務融合及終端接入融合節點的選擇[21]。高低軌衛星融合組網技術主要是為了協同穩定的高軌通信衛星與低時延的低軌通信衛星,保障重點區域實時衛星通信覆蓋、大容量數據實時回傳與分發。但是,目前國內外對此探討并不成熟,隨著低軌衛星互聯網的布局,高低軌衛星融合組網技術將逐步發展。

(3)智能處理層。智能服務是以人工智能算法模型、遙感圖像智能處理技術、時空大數據智能學習技術、信息挖掘與分析、高性能計算為基礎[22],對空間信息進行自動化學習與知識形成,尤其是人工智能(如神經網絡深度學習算法、模糊計算、進化計算)方法的有效融入,是實現空間信息的智能化處理的可靠途徑[23]。

(4)應用與服務層。為實現專題信息、行業與場景信息的可視化展示與動態展示功能,該層關鍵技術包括3維可視化技術、專題信息展示技術等。

3 試驗與討論

3.1 試驗區域

本文在我國西藏自治區察隅縣某點進行了仿真模擬試驗。察隅位于西藏自治區的東南端,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,地形條件復雜;同時,察隅又位于緬甸、印度交界,擁有綿延數百千米邊境線。因此,察隅對我國東南部乃至南亞地區穩定發展均具有重要的意義。該試驗區域屬于我國偏遠地區之一,地面網絡不完善,環境條件復雜,同時邊界戰略地位十分重要,加強對該區域的日常監測與實時應急響應是一項非常關鍵的工作,為此,面向重大災害場景,本文選擇該地區開展基于新型通導遙融合應用的信息智能服務架構驗證。

在試驗區域選取中心點(97.5°E,28.7°N)用于仿真模擬相關計算,中心點海拔高度2401m,圖4(a)是中心點周圍經緯度±1°范圍內區域的世界觀測-3(Wordview-3)衛星高分辨率光學遙感數據,圖4(b)為同區域的等高線數據(ASTER_GDEMv3)。

圖4 試驗區域Fig.4 Test area

3.2 新型通導遙融合應用的信息智能服務系統

面向察隅地區生態環境監測與應急響應需求,試驗分為常規監測和應急響應2種業務。在常規監測業務中,遙感衛星與北斗監測站完成覆蓋全區域的周期性觀測,當監測到的指標值超過一定的閾值時,就會觸發相應的告警。本次模擬試驗中,設定監測站A在某一時刻監測桿抬升0.05m用于模擬地表形變中的急速沉降,當監測垂直方向位移監測超過閾值0.01m立刻發出告警,即進入應急響應。在應急響應業務中,協調中星16號和天通一號衛星,對衛星通信無人機、衛星通信便攜站、手持通信終端提供實時通信網絡,并為現場數據實時回傳提供無間斷傳輸支撐;同時,啟動應急衛星通信車到達預定位置,衛星通信無人機起飛至應急空域提供通信信號覆蓋,光學遙感無人機與一線人員手持形變監測傳感器進行機動靈活的環境數據采集。

根據第2.1節中提出的基于通導遙融合應用的典型感知平臺進行具體技術裝備選型。這里使用的通信資源包括通信衛星、衛星通信便攜終端、應急衛星通信車和通信無人機;導航資源包括北斗衛星、北斗形變監測站、手持終端等;遙感資源包括遙感衛星、光學遙感無人機。資源信息見表1。在實際應用中,本文采用我國北斗衛星定位導航授時服務系統支持統一時空基準,在各類遙感器上攜載北斗衛星導航終端,各類感知信息就具有精確的時間和空間屬性,同時感知信息的空間基準與我國2000國家大地坐標系(CGCS2000)基準一致。

基于第2節提出的服務框架,構建新型通導遙融合應用的信息智能服務系統,見圖5。該系統在試驗中實現衛星資源分析、數據匯集、日常自動化監測、輔助應急智能決策等功能。

圖5 新型通導遙融合應用的信息智能服務系統Fig.5 Information intelligence service system for new CNR-integrated application

3.3 試驗結果及討論

在日常監測中,通過衛星數字高程模型(DEM)與無人機傾斜攝影測量DEM獲取的數據生成3維立體影像如圖6(a)所示,周期性獲取了Worldview-3、高分二號等0.6m高分辨率遙感影像,自動分類察隅地區用地類型,可自動識別房屋建筑,如圖6(b)和圖6(c)所示;通過固定形變監測傳感器實時獲取坡面形變監測數據,北斗監測站與基準站空間分布見圖6(d),監測結果見6(e)。在應急響應中,通信衛星中星16號在察隅地區資源可用性分析如圖6(f)和圖6(g)所示。基于新型通導遙融合應用的信息智能服務系統,一站式獲取多源感知數據并對大數據進行智能化處理,面向各應用場景支撐動態決策。例如,在監測到察隅地區發生重大地質災害時,圖6(a)～圖6(g)可支撐應急響應中的救援路線規劃與靈活調整,圖6(h)為不同優勢的應急救援路線的智能規劃與對比,本次試驗結果包括通導遙資源覆蓋最完善的路線、救援路況最優路線和融合網絡覆蓋路線。

面向應急響應與指揮,常規的通信、導航、遙感系統分立響應,全流程需要大量的人力,響應效率一般為天級,其中,針對尾礦庫環境監測,通導遙融合應用的最快應急響應范圍為2～4h[7]。經過仿真模擬試驗,表2結果顯示新型通導遙融合應用的信息智能服務系統在應急響應業務中,全鏈條響應時間可縮短至1h(其中,遙感衛星圖像獲取時間最快15min,融合網絡實時回傳,智能化分析與決策在30min之內)。只需要1～2人進行調度與系統操作,可實現自動化、智能化分析,優勢明顯。本文試驗為仿真模擬驗證,環境條件設置在一定程度上受人為因素影響,在實際應急響應中,環境條件更為復雜,可能會降低響應效率。因此,新型通導遙融合應用的實時信息智能服務系統仍需要在實踐中不斷優化響應機制與相關計算機執行規則等。

表2 新型通導遙融合應用的信息智能服務系統響應時效Table 2 Response of information intelligence service system for new CNR-integrated application

4 結束語

面向各行業領域對信息智能服務的高時效性、高精準性、高連續性需求,本文分析當前待解決的難點與挑戰,從多星組網角度提出基于通導遙融合應用提升實時信息智能服務能力的思路,設計構建新型通導遙融合應用的信息智能服務架構,可一站式實現空間資源協同應用分析及快速高效信息響應。該架構補充了以往研究中遙感大數據、視頻數據高效回傳的空白,在多源感知平臺協同、融合組網傳輸與智能處理、信息分發與展示的全鏈條信息服務上,優化了通導遙融合應用的信息智能服務機制及系統方法。選擇西藏察隅地區,面向重大災害進行日常監測和應急響應進行試驗,在時空大數據智能處理技術、3維可視化技術、網絡融合技術與智能終端的支持下,驗證了新型通導遙融合應用的信息服務系統在通導遙資源協同規劃、應急通信融合網絡抗毀性能、災情評估自動化與智能化等方面的優勢。

與當前成熟的單系統和以往的通導遙融合應用系統相比,新型通導遙融合應用的信息智能服務系統在一定程度上突破了通信、導航和遙感衛星系統壁壘,可一站式仿真模擬可用的通導遙空間資源,提高資源協同效率,進而提升信息服務的響應時效性。該系統對于提升實時信息智能服務系統節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效響應優勢。當前,我國的通導遙資源各自所屬不同的系統管理,仍需要各自發送指令進行通導遙的資源調動。因此,通導遙融合應用的新型信息服務探索空間很大,在載荷技術融合、多星組網、信息情報智能處理等方面也仍舊面臨諸多技術挑戰。

新型通導遙融合應用的信息智能服務是衛星應用與數字化、智能化、網絡化技術結合的一種新思路,具有一定的理論探索意義。本文的研究可為通導遙融合應用的信息智能服務系統開發提供頂層設計參考,有助于進一步推動以實時位置、通信為特征的即時信息服務產業發展,提升衛星應用規模化應用。