卫星移动通信在地质云中的应用

2016-09-01中国地质调查局发展研究中心李超岭

卫星应用 2016年6期

●　文| 中国地质调查局发展研究中心　　李超岭

卫星移动通信在地质云中的应用

●文| 中国地质调查局发展研究中心李超岭

现在每年都有成千上万的地质工作者到我国西部等艰险地区开展国家公益性野外地质调查工作。这些地区通常为无人、无通信信号的高原与艰险地区，对传统的地质调查工作模式和人员安全提出了挑战。地质云（地质大数据）平台的建设，为创新“地质调查+互联网”的工作模式，为地质人员、地质科学家提供了更高水平的计算能力和理解大数据集的协作工具。本文就如何解决野外地质调查通信和数据传输盲区问题，把地质人员传统的终端变成智慧地质云端，讨论了卫星移动通信技术在地质云的位置、作用和大数据模式下的应用模式。

国土资源部公益性行业科研专项经费，基于3S技术的野外地质工作管理与服务关键技术研究与应用（201011010），地质矿产调查评价专项：智能地质调查支撑平台建设与应用（12120115073201）、数字地质调查系统开发（1212011120436）、地质调查信息网格试点建设（综合）（1212011120449）。

一、引言

随着国务院《找矿突破战略行动纲要（2011 —2020年）》实施，矿产勘查不断向青藏高原的深部腹地、无人区及地质条件复杂的地区推进。2008年以来，每年都有成千上万的地质工作者到我国西部等艰险地区开展国家公益性野外地质调查工作。这些地区通常为无人、无通信信号的高原与艰险地区，对传统的地质调查工作模式和人员安全提出了挑战。其次是野外环境艰苦、恶劣，危险性大，加上业务综合性强，牵涉多专业、集成管理复杂，如何采用新一代信息技术，形成天地技术合一的现代化野外地质工作、管理及安全保障模式，构建新一代智能地质调查体系是该领域信息化的重点任务。其中卫星移动通信技术的应用更显得尤为重要和迫切。

野外地质调查工作具有移动性大、单独工作（或2～3人为一组）、分散性强等特点。我国现阶段基础地质调查工作的重点在西部地区，多为移动通信和地面通信网络的盲区，野外地质调查工作进度和动态、野外工作的应急救援主要是采用卫星电话的联络方式，其推广应用受自动化程度低和成本高的限制，很难满足野外地质调查移动目标的动态跟踪与导航，急需通过高技术手段提高野外地质调查的工作精度、数据通信服务和安全保障。

2015年，国务院发布《促进大数据发展行动纲要》，如何应用新一代信息技术，通过地质云（地质大数据）的建设，打造和创新“地质调查+互联网”的工作模式，构建现代地质调查智能空间，形成下一代地质调查新模式，是地质调查信息化建设未来几年追求的目标。而卫星系统地质应用网的建设是该目标实现的重要技术设施保障。

二、卫星系统技术在地质调查应用的现状［1］

1.实现了北斗动态组网技术，建立了并行运行方式

（1）北斗动态组网技术

由于北斗指挥设备与所属终端之间的从属关系一般是静态绑定的，即在出厂时北斗卡已经固化，不能由用户任意动态调整。这对于地质工作中人员流动性大，从属关系复杂的现状是非常不利的。本项目与北斗设备厂商联合攻关，对现有北斗指挥机进行技术改造，实现了从原来基于北斗卡的静态从属关系到目前基于北斗指挥机硬件的动态绑定的技术突破，并开发了简单易用的从属关系设置软件，为建立统一灵活的地质调查北斗组网架构奠定了基础。实现了北京中心、大区节点（或地调院节点）、野外驻地节点和野外地质一线人员四级隶属关系的动态绑定（见图1）。

图1　基于3S技术的野外地质工作管理与服务多级动态组网模式图

（2）工作区域管理网和单位隶属网并行运行

动态绑定的四级组网技术，节点可任意进行N级扩展。首先可对进入相同工作区的不同单位动态绑定，实现水平管理，这种模式比较适合野外工作站或大区管理模式。但对于一个单位来说，希望对本单位不同工作区的项目进行隶属（垂直）管理，比如地调院部门。通过四级动态组网模式，可以动态组成工作区域管理网（水平）和单位隶属网（垂直）并行运行的模式。

（3）实现不同北斗运营商通信协议的互连互通

由于北斗指挥设备与下属终端之间的从属关系一般是静态绑定的，即在出厂时已经固化，不能由用户任意动态调整，很容易造成单一运营商运营的格局，不利于形成公平竞争的发展局面。通过从原来基于北斗卡的静态从属关系配置到目前基于北斗指挥机硬件的动态绑定，可以把不同运营商提供的北斗卡动态绑定在相应的指挥机上，从而实现不同北斗运营商通信协议的互连互通。

（4）建立北斗通信节点自治信息的自动同步机制

各级节点信息按照数据来源大致可以分为两类：①北斗监控获取的信息——包括定位信息和交互通信信息；②节点自治的信息——包括设备卡信息、单位信息、人员信息等。根据数据来源的不同，数据在节点之间的传递方式也不同。为了实现上级节点对下级节点的有效管理，下级节点必须实时上报其节点自治信息。基于地质调查信息网格GIS平台，以WEB服务的方式建立了各级节点自治信息自动上报的同步更新机制，保证了上一级节点基础信息的时效性。节点的同步机制通过逐级主动获取的方式实现。在系统下级节点的WEB 服务器上部署对外提供数据服务的WEB接口，每个低级节点只对其上一级节点提供服务，而不对更高级别的节点提供服务，因此在服务接口中添加IP地址限制，确保只有指定的上级节点能够获取提供的数据服务，增加数据的安全性。在上级节点的WEB服务器上部署数据自动获取更新程序，通过调用下一级节点的数据服务接口获取下级节点的自治信息，并根据信息的关键字段更新、维护数据库中的相关记录，保证不同级别节点之间的自治信息的同步。

2.建立基于IP卫星技术的流媒体直播管理

根据野外工作特点，提出和实现基于IP卫星技术的多点单边会商野外地质调查场景流媒体直播管理技术。同时实现了基于低成本3G智能手机终端的视频实时回传，音频实时对讲与网格技术的协同。基于IP卫星技术的多点单边会商野外地质调查场景流媒体直播管理与服务技术与3G视频通信技术的互补，补充完善了中国地质调查信息网格平台的野外地质调查管理服务与安全保障，用户可在任何可上网的地方进行野外地质调查工作+管理+安全保障+生产指挥的资源使用。多点单边音视频传输是野外地质调查工作+管理服务中的一项重要应用需求，依托中国已有地质调查信息网格和卫星资源网络体系，在野外地质调查工作管理及远程验收等应用场景，专家组通过地质调查信息网格平台就可以观看现场工作组汇报，实时了解野外地质工作情况，实现各野外节点视音频的调度管理及实时发布，提升了野外地质调查信息化服务水平及管理能力。多点单边会商音视频传输示意图见图2。

图2　多点单边会商音视频传输示意图

针对野外地质调查等工作进行轻型地质调查实时传输系统设计与研发，从现场实用角度出发，将野外工作系统设计了便携终端，其中包含天线、射频集成和Modem等所有主要通信功能的设备。在野外地质调查现场工作的各类计算机终端可以通过LAN/WiFi方式接入轻型地质调查数据实时传输系统，访问数字地质调查信息平台（DGSInfo）与野外地质工作管理与服务网格平台（GSIGrid），实现野外节点安全高效接入两个平台、完成数据共享交换、信息服务、单边音视频传输是完成集成与服务工作的主要需求，同时支持IP语音通话、Email、FTP文件传输、网页访问等互联网访问应用。

3.野外地质调查工作新模式

针对在无人、无通信信号高原与艰险地区地质调查的特点和智能与智慧地质调查发展趋势，提出并实现多通信技术与网格GIS技术的协同集成，建立了我国野外地质调查工作+管理+安全保障服务的天地空一体化服务体系框架、软件体系平台，形成了天地空野外地质调查工作现场管理调度、野外现场技术指导与专家会诊、艰苦地区安全保障服务一体化的新模式（见图3）。

（1）天地空多环野外地质调查数据服务及工作现场管理指导和调度模式

该模式以北斗卫星和通信卫星为主，网络通信为辅，构成多环野外地质调查工作现场管理调度模式。

内环模式：通过北斗通信定位模块与DGSInfo构成野外地质调查工作现场管理调度模式，野外驻地管理人员可在任何时间对野外地质人员、车辆进行指挥调度和管理。

多环模式：通过北斗通信定位模块、DGSInfo及中国地质调查信息网格平台构成野外地质调查工作现场管理调度模式，项目的各上级主管部门（可涉及项目承担单位的部门、大区地调中心、直至北京中心）可在任何时间以短信息的方式对野外驻地管理人员、野外地质人员、车辆进行指挥调度和管理。

（2）天地空分布式野外地质调查野外现场技术指导与专家会诊模式

该模式以IP卫星技术应用为主，卫星通信定位和网络通信为辅，构成分布式天地空野外地质调查野外现场技术指导与专家会诊模式。

图3　野外地质调查工作三种新模式

在艰险无人地区的野外地质调查验收，或有重大发现时，老专家无法直接到现场，或专家分布在各地不易集中，利用中国地质调查信息网格GIS平台和基于IP卫星技术的野外地质调查场多点单边会商系统，专家可以在任何可以上网的地方进行野外现场技术指导与专家联合会诊，改变了只能在指定会议室（指含视频会议系统装备的房间）进行视频会议的模式。通过中国地质调查信息网格GIS平台和基于IP卫星技术的野外地质调查场多点单边会商系统，分布的专家可以看到野外现场在不同比例尺地质图及地理的位置（通过北斗传回位置），通过视频传回野外现场场景，专家根据视频，把会诊的意见通过声频传回野外现场。

（3）天地空多级同步的艰苦地区安全保障服务模式

多级是指一条指令可以同时连通野外同伴、驻地、单位主管、大区中心直至北京指挥中心。各节点可实时了解野外人员的工作态势，掌握其行进轨迹和位置，如果野外人员遇险求救，可第一时间赶往出事地点救援，其模式特点如下：①在危险地带，野外地质人员可利用北斗设备快速向临近路线或驻地发出求救信号，附近队员或驻地可及时组织救援；同时，通过后台的中国地质调查信息网格GIS平台，野外求救人员可获得寻找最近伙伴救援空间分析的结果，向最近人员求救。②通过中国地质调查信息网格GIS平台，实现主动危险区的自动报警等服务。野外人员只需要发送一条获取安全信息的报文给中心式指挥机，就可以获知所在区域存在的风险、规避方法与突发事件发生时的应急处置措施，这都大大提升了野外地质工作安全系数。

该模式以卫星通信定位为主，网络通信为辅，构成多级同步天地空艰苦地区安全保障服务模式。

三、卫星系统地质应用网在地质云架构的位置与作用

1.地质云

地质云是以地质数据共享开放，驱动地质数据强局建设、创新“地质调查+互联网”工作模式的基础平台，也是展现中国地质调查局拥有数据规模、运用数据和服务能力的窗口。地质云为地质人员、地质科学家提供更高水平的计算能力和理解大数据集的协作工具，进一步催化地球系统科学的创新思维和创新步伐。

从业务视角，地质云主要建设内容可概括为：“一个统一平台，1+X个云中心，三张网，三类用户”，总体业务架构见图4。

地质云业务架构主要构成：

1）一个统一平台。指依据整合共建原则建立的中国地质调查局地质云统一平台，在同一标准下实现地质数据汇集。

2）1+X云中心。包括新建设云中心（主中心或分中心）、已建设数据中心两种类型。新建设云中心，按照三级等保安全标准，采用云技术建设，实现工程之间数据隔离、项目之间数据隔离和单位之间数据隔离、管理数据隔离、公开数据隔离，以确保数据安全。云中心可根据关键业务需要建设相应的分中心，统一采用大数据集中管理，实现数据共享；新建设云中心和已建设数据中心之间使用光纤互联，并通过云管理系统进行对接和共享。

3）三张网。指“地质业务网”、“地质互联网”和“卫星系统地质应用网”。地质业务网为物理隔离的网络，可与卫星系统地质应用网连接。卫星系统地质应用网主要是与北斗系统及其他卫星系统的连成的专门应用网络。根据数据特征可与地质业务网、互联网连接，实现地质调查局50个工程数据采集、天地一体数据传输、综合分析与建模及新产生的全过程业务数据共享服务。

4）三类用户指业务用户、地质调查管理用户（含行业用户）和社会服务用户，地质云向三类用户分别提供“地质业务管理服务”、“地质数据共享服务”以及“地质数据开放服务”。

图4　地质云业务架构

2.建设卫星系统地质应用网，实现天地空一体化数据传输

在云平台上要实现野外数据、监测数据、遥感数据、会商数据和挖掘数据的动态采集、存储、管理、计算和数据服务，基于卫星观测、通信地质应用网是地质云的重要任务之一。

利用我国现有或即将发射的通信卫星为基础，把原来仅限于短报文的通信扩大到视频、数据和音频，联合北斗系统，建设比较成熟的天地空一体化野外数据采集和数据传输体系。

地质人员采用兼容多模态定位导航设备和卫星移动通信系统，进行不同地质专业领域的信息采集；可以与云中心进行互操作，野外实时使用云中心资源；野外实时与云中心进行数据比对和空间分析；采集数据可实时上传到云中心，设置为公有或私有数据，同组人员共享；云中心可对野外作业人员进行实时监控等。

四、地质云野外地质调查工作实例［2］

1.地质调查智能空间应用服务

智能空间应用服务以大数据知识体系为核心，通过互联网、卫星通信网和物联网把信息与物理空间组合成整个地质调查智能空间。在智能地质调查业务基础平台的支持下，使地质调查从数据采集、分析、建模和数据挖掘形成一个完整的数据知识生产链。地质调查服务对象端在该体系获得智能位置知识服务的同时，又可以把地质调查成果及时地为云节点提供实时的数据知识源，以此循环构成地质调查智能空间生态环境。公众服务对象在天地空一体化地质调查智能空间基础平台支持下，通过云节点构建的知识体系资源，智能地获得泛在位置知识服务。图5是地质调查智能空间服务应用模式图。

图5　地质调查智能空间服务应用模式图

2.地质调查智能空间感知服务示范

为了验证地质调查智能空间感知服务框架的适用性、先进性和精确性，2015年9月在中国地质调查局成都地质调查中心西藏阿木雄地区地质矿产综合调查工作区进行了示范。该工作区位于青藏高原，平均海拔高度5000m以上。

示范内容是应用数字地质调查系统对火山岩区穿越性路线地质调查进行了现场智能感知服务示范。首先，将当前坐标位置自适应通过IP卫星或北斗卫星传回中国地质调查智能空间平台，通过大数据技术，对西藏地区地质报告的数据挖掘，给出当前位置的有关的地质体特征（包括地质剖面、地层单位、地层对比、岩石化学特征、地质构造等内容知识库），并通过IP卫星返回野外数据采集器。现场在野外数据采集器屏幕上可以找到9部相关地质报告并挖掘出的当前填图单位的159个相关知识片段，通过IP卫星返回野外数据采集器的界面和内容，如当前地层单位的地质特征和岩石地球化学特征，其他地层单位岩石地球化学特征对比等知识片段。

该示范在卫星通信技术的支撑下，体现了在无人艰险区、无地面通信区域的现代地质调查工作的模式，即野外地质员后面都有一个强大的实时知识库在支撑野外地质调查。如果有卫星移动通信技术支撑，该工作模式即可落地应用了。