新型智能遥感卫星技术展望

杨芳 刘思远 赵键 郑清标

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

新型智能遥感卫星技术展望

杨芳 刘思远 赵键 郑清标

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

从遥感卫星技术与信息技术深度融合的角度,阐述了未来遥感卫星运营模式和服务模式可能的变革方向。提出了未来新型智能遥感卫星的总体概念设想及一种具备开放软件平台、网络接入、可以支持第三方灵活开发并上注应用程序(APP)的智能遥感卫星,给出了一种由智能遥感卫星、云服务中心、星地网络组成的智能遥感卫星系统,并对支撑该系统建设的网络通信架构、APP软件架构进行了初步设计,对星上智能处理技术进行了分析。

智能遥感;卫星系统;开放软件平台;星载应用程序

1 引言

作为重要的在近地空间获取地球信息的工具,遥感卫星以其高远的轨道视角、独有的全球访问能力,一直受到地球上各种用户的青睐。但是现有的遥感卫星在技术上更多的是追求高的时间、空间、辐射、光谱分辨率,在成像质量上花费绝大部分的技术攻关经费,而在用户对遥感卫星的运行和控制、空间遥感信息的获取与使用的便利性设计方面则普遍固守传统、技术鲜有进步。在大部分遥感卫星在轨运控的系统架构中,遥感卫星本身只负责完成最原始的成像功能,只能与拥有专业地面站的特殊用户组织进行联系,接受遥控指令、下传图像原始数据。遥感卫星技术体现了它“遥不可及”的特点,将活跃的地面个体用户排斥在外。

当前各类用户对遥感卫星所获取数据的需求,体现为在移动互联网时代,在云计算、大数据技术驱动下,催生用户对获取遥感卫星空间信息方式有了更多即时化、网络化、个性化、多样化等需求,遥感卫星需要与信息技术深度融合,使遥感卫星运营模式和服务模式发生重大变革。低轨遥感卫星将具备全球持续覆盖和数据实时更新能力,面向用户开放基于云平台的遥感数据远程在线访问服务,并可根据用户需求提供定制化、近实时的数据获取、分析和提示服务。还可利用大数据挖掘技术,分析潜在事件发生概率,兼备应急响应和提前预警能力。

不论是传统需求向现实需求转换,还是牵引未来需求,都启发我们积极思考“智能遥感卫星”技术体制的必要性、可行性。智能遥感卫星,是运行于太空中属于未来的星地网络系统中一个网络节点,将遥感卫星获取的信息从点对点的固定信息向动态近实时信息转换,能够利用有效的通信手段完成卫星与用户间的网络化通信,在建立有效的信息交互渠道后,还能够实现整个系统的活性功能,同时系统内的节点如卫星、地面站、用户终端实现单体的智能化。

本文从推进遥感卫星向普通大众提供灵活信息服务出发,提出了一种具备开放软件平台、支持第三方为卫星开发智能应用程序(APP),并通过星载APP为用户提供实时信息服务的智能遥感卫星,同时基于该卫星给出了一种可以通过手机移动终端与卫星进行信息交互的智能遥感卫星系统架构,目的是通过开放卫星平台的软件接口让更多的软件开发商参与卫星软件设计开发,深度挖掘卫星应用潜力,拉近卫星与大众用户间的距离,为更多的用户提供多样的服务。

2 国内外智能遥感技术的发展现状与启示

近些年来,伴随着信息技术的高速发展,基于互联网的大数据时代,不断拓展着数据的供给面与需求面。互联网巨头Google公司瞄准地球遥感应用推出的数据产品Google Map和Google Earth,在全球范围内极大扩展了遥感数据的应用与影响,而其随后也制定了雄心勃勃的百星遥感卫星网络计划。这种尝试,给欧美航天制造商在航天发展领域提供了更为广阔的思路,例如工业元器件应用、产品功能密度提高、航天器小型化等,国外不断涌现以IT公司为背景的新兴商业航天公司,它们纷纷组建自己的对地遥感卫星观测系统,虽然在对地遥感观测系统命名中并未体现智能化与网络化的技术性命名,但是从这些系统的介绍中,可以看到智能化与网络化的身影;另一方面传统遥感应用领域伴随现代化战争、灾害预警应急等需求,也提出了智能遥感对地观测系统。

在“新航天经济”驱动下,美国大量硅谷IT企业开始进入航天领域,如天空盒子成像(Skybox Imaging)公司和行星实验室(Planet Labs)公司等,相继提出“小卫星、大数据”,“小卫星、大星座”商业计划[1-4],发展低轨新型商业对地观测系统。与传统对地观测系统相比,天空卫星(SkySat)星座和“鸽群”(Flock)星座等以小卫星为主体的新兴商业对地观测系统呈现出一些新的技术特点与运营模式:①卫星公司均是非传统航天企业,均以互联网企业自居,引入大数据、云计算等互联网理念,并提供在线数据浏览、直销和分发等业务;②提供云服务平台,鼓励用户或第三方开发专业化应用APP,尝试天基对地观测应用的近实时响应和定制化服务模式;③除提供天基对地观测图像数据外,还可提供变化监测信息,驱动对地观测应用从图像向信息发展;④系统重访周期高,对地观测数据更新快,能实现全球近实时观测,兼顾全球“热点”地区和“非热点”地区。

美国为了实现向作战单兵提供实时遥感情报分发,发射了战术星-3(TacSat-3)试验卫星,主要验证向战场指挥员提供实时数据的星上处理技术,它具有快速为战场指挥官和作战人员提供对所需目标区域进行侦察与监视图像的能力,能够在10分钟内完成从发出观测任务到作战人员接收信息的全过程[5-6]。

美国欧道明大学(ODU)的Gouqing Zhou,2003年提出了一种具备网络互连、在轨处理、在轨数据管理的未来智能地球观测卫星系统的构想[7],该系统可实现遥感数据获取、分析和通信系统的在轨集成,可为全球各类用户实时提供对地观测数据和满足各个领域应用需求的信息。武汉大学李德仁院士2005年对Gouqing Zhou提出的未来智能地球观测卫星的关键技术进行了分析[8]。中科院张兵研究员在2011年提出一种由前视预判遥感器、主遥感器以及星上数据实时处理和分析三部分组成的智能高光谱卫星有效载荷系统[9]。武汉大学李德仁院士2017年提出了“对地观测脑”的概念[10],设想在对地观测脑中,遥感、导航卫星星座作为对地观测脑的视觉功能,通信卫星星座作为对地观测脑的听觉功能,同时这些卫星还充当对地观测脑中大脑的分析节点(脑细胞),对获取的观测数据处理分析获取用户需求的数据信息。

通过上述实例系统,可以很清晰地了解到,过去的航天技术引领技术发展现在已经转变为信息技术驱动航天技术发展。卫星对地遥感数据的应用用户正身处在互联网时代,互联网、大数据所带来的信息服务形式与便利正深刻地改变着他们的应用需求,用户习惯通过互联网去探寻自己所关注和关心的信息,而获取信息类的航天器必将转化为互联网信息终端。一个卫星产品所能提供的应用或者说所能应对的需求,决定了它未来的生存价值和生存概率。大数据、互联网背景下的航天技术发展和应用,如何依托网络和数据云服务向广大用户服务,如何能从庞杂的对地遥感数据中获取并实时提供关键信息、快捷信息、精确信息,如何去设计未来对地遥感卫星系统,都值得研究。

3 智能遥感卫星总体概念设计研究

本文提出的智能遥感卫星概念,主要是受到智能手机技术的启发,提出了一种具备开放软件平台、网络接入、可以支持第三方灵活开发并上注APP的智能遥感卫星,主要由星上智能管理单元、星上智能处理单元、通用网络接入模块、高速数据传输模块、供配电、姿轨控、电源等部组件组成。核心是构建星上开放软件平台并向第三方开放星上软件服务接口,便于第三方开发商利用卫星数据和资源开发满足用户需求的APP,目标是实现以用户需求为驱动的星上图像智能获取、以用户兴趣为驱动的星上智能处理、以向用户移动终端提供服务为目标的星地智能网络互联。该智能遥感卫星由于提供了开放的软件平台及网络接入,一方面可以支持第三方软件开发商为终端用户开发多种多样的APP(如手机APP);另一方面,借鉴手机应用商店(AppStore)的运营和盈利模式,让开发者在为用户提供服务的同时,可以从中直接获利,最大限度地调动第三方开发商的积极性,从而深度挖掘遥感卫星为普通大众提供服务,充分地发挥卫星的应用潜能。本文设想的智能遥感卫星系统主要由智能遥感卫星(星座)、星地网络及云服务中心组成,如图1所示。

智能遥感卫星和云服务中心由智能卫星系统运营商提供,并进行维护,第三方APP开发商可开发多种多样的APP软件为方便用户获取不同的服务。其系统运行场景设想如下:

(1)用户通过移动终端APP将用户的业务需求(包括成像区域、处理要求等)发送至地面云服务中心,云服务中心根据智能遥感卫星系统的资源(地面系统,星座系统,邻近卫星,时间规划)等进行初步规划,给出预期可以完成成像任务的卫星列表,并将任务发送至列表中的卫星。

(2)收到任务的智能遥感卫星根据自己的轨道、光照等情况,结合目标完成自主任务规划,将规划情况反馈至地面云服务中心,地面云服务中心确认后,选取最佳执行卫星,并发送执行指令给该卫星,收到执行指令后智能遥感卫星开始根据自主规划的指令完成观测任务,获取图像或视频信息。

(3)在获取图像或视频的基础上,智能卫星根据用户APP的处理需求,调用相应的星载APP处理软件,完成遥感数据的智能处理,形成用户专注的情报信息,并将处理后的结果通过链路传至地面云服务中心。

(4)地面云服务中心通过地面网络及无线网络,将用户最终需求信息传送至用户移动终端。

(5)如果智能遥感卫星所获取的数据在轨处理能力处理受限,可下发地面云服务中心进行高速处理,后由地面中心将信息发至用户。

在这个设想的未来场景中,该系统运行实现的最终状态是用户(个人、商业或者军事应用)与智能遥感系统任务需求与反馈的过程在短时间内完成,整个系统智能运行,争取无专人值守。

4 智能遥感卫星通信技术架构设想

智能遥感卫星系统是依托于互联网的、以为用户提供更便捷卫星服务为目的的新型遥感卫星体系。在智能遥感卫星系统中,遥感卫星已经不再是一颗孤立的卫星,而是作为整个系统中的一个网络节点,是信息获取网络节点向空间的延伸,未来的智能遥感卫星将成为互联网的重要成员。

国内现有遥感卫星的通信架构及协议尚不能支撑其灵活接入互联网,即实现端到端的数据服务。空间数据系统咨询委员会(CCSDS)针对航天器的互联网接入进行了适应空间应用的网络通信协议的研究,2012年CCSDS给出的IP over CCSDS空间链路推荐标准[11-12],提出了对IP数据包进行封装,进而通过CCSDS现有底层链路传输的思路,通过提供相关服务和协议,解决了空间任务中异构网络的互联问题,在空间通信实体间实现网络化的交互,提供端到端的数据传输服务。图2给出了CCSDS面向网络服务的通信协议架构。

针对智能遥感卫星的网络接入,星地链路可以采用CCSDS协议架构,数据链路层可以选用遥控空间数据链路层协议(TC SDLP)、遥测空间数据链路层协议(TMSDLP)或高级在轨系统空间数据链路层协议(AOS SDLP),网络层采用经过封装业务和IP over CCSDS封装的IP协议,传输层选用空间通信协议规范-传输协议(SCPS-TP)、传输控制协议(TCP)或用户数据报协议(UDP),应用层可以根据实际应用进行自定义,如图3所示。智能遥感卫星采用IP over CCSDS封装的IP协议后,便可以通过星地链路加入地面网络,成为网络中的一员,可以为遥感卫星分配IP地址,地面可以通过IP地址实现对智能遥感卫星的访问,甚至可以像浏览网页一样浏览卫星实时数据或存储的文件数据。

地面站与云服务中心之间采用以太网通信,云服务中心具备应用层协议的解析能力,可以对来自遥感卫星APP的数据进行解析处理,获取图像信息,也可以将需要上注到星上的APP软件通过地面站及星地链路上传到智能遥感卫星上。终端用户可以通过手机移动网络或WiFi等无线网络接入地面以太网,实现与云服务中心的数据交互,接收智能遥感卫星APP数据,或将终端APP的任务请求发送至智能遥感卫星。

5 支持APP的智能遥感卫星系统软件架构

软件是智能遥感卫星系统实现智能的核心,智能遥感卫星系统为用户提供服务需要三部分基本软件的支持(如图4所示):①运行在用户客户端APP(APP-User,用户终端软件),可以支持用户通过终端发送用户需求给智能卫星系统,还可以从智能卫星系统接收信息反馈,并显示给用户;②运行在卫星上的星载APP(APP-Sat,星载应用软件),可根据用户需求完成图像数据的深度处理,形成用户关注的图像或数据;③服务器端APP(APP-Server,服务端软件),可以配合星载APP完成进一步的图像数据处理,然后发送给用户。以上三部分APP的有效运行需要星上和地面软件架构的支持。

1)智能遥感卫星软件架构

智能遥感卫星软件分为两大部分,一部分为运行在卫星平台管理单元中的智能管理软件,另一部分为运行在星载智能处理平台中的智能处理软件。

卫星平台管理软件主要负责卫星平台的常规管理,同时根据云服务中心任务指令,完成自主任务规划和执行,将成像结果提供给星上智能处理平台。卫星平台管理软件主要由嵌入式实时操作系统、星务管理软件、自主故障处理软件、星上自主任务规划软件等组成。

星上智能处理软件主要由嵌入式操作系统、载荷数据服务系列软件、平台信息服务系列软件、星载APP调度管理软件、星载APP组成,如图5所示。该软件框架的核心为星载APP调度管理软件,其功能包括:通过星地测控通道接收来自云服务中心的一系列APP软件包,并进行安装;管理APP软件运行、停止,删除APP软件;传递载荷数据、平台信息(平台时间、轨道、姿态等信息)给APP软件;从APP软件接收处理后的数据通过卫星数传通道传至地面。

为了拓展遥感卫星的应用,为用户提供更为广泛的服务,智能遥感卫星的APP需要借鉴App-Store的运营模式,即要构建开放平台,首先是便于第三方开发商基于该平台开发APP来获取遥感卫星的资源或在轨实时处理遥感卫星的资源;其次明确第三方开发商的盈利模式,让开发者在为用户提供服务的同时,可以从中获得利益,最大限度地调动第三方开发者的积极性,深度挖掘遥感卫星可为普通大众提供的服务,形成良性发展的生态环境,从而不断开发出多样的APP。

2)云服务中心软件架构

云服务中心是智能卫星系统的重要组成部分,云服务中心由智能卫星系统运营商搭建,卫星云服务中心软件架构如图6所示,主要由运营服务器操作系统、智能卫星系统管理维护软件、星载APP管理平台、服务端APP管理平台、客户端APP管理平台、用户任务请求接收机服务软件、用户任务分解及卫星任务调度软件、卫星历史数据存储及检索服务软件组成。

云服务中心软件主要具备以下功能:①通过地面网络与卫星地面测控站、数传站连接,管理并维护整个智能遥感卫星(星座)系统;②可通过网络同时接收多个用户终端软件(APP-User)的并发需求,通过对卫星状态预估及资源的智能配置,完成任务分解,将分解后的用户任务通过星地链路发送至智能遥感卫星,此过程中,用户并不需要关注卫星系统的运行状态,也不需要关注卫星是否在为其他用户服务;③接收经过卫星星载APP处理后的图像或数据,并与云服务中心运行的服务软件服务器端APP联合完成图像或数据的进一步处理,然后将处理后的图像或数据通过网络发送给用户终端软件客户端APP;④对接收自卫星的图像或数据进行长期存储,对用户的请求数据进行适量缓存,长期存储数据可以供需要进行长期数据分析的用户使用,数据缓存可以为相同需求请求的用户提供快速的数据反馈,减少对卫星的直接数据请求。

此外,云服务中心还需要对APP进行管理与维护,包括:通过网络接收第三方开发商针对用户需求开发的APP软件,包括服务器端APP、客户端APP、星载APP,存储在云服务中心;对客户端APP,云服务中心提供软件AppStore功能,即存储、维护,为用户提供下载服务,为APP开发商提供上传和更新服务;对星载APP,云服务中心提供验证和上传功能,即对该软件完成安全性、可靠性验证后,将星载APP通过网络和星地链路上注至智能遥感卫星;对服务器端APP,云服务中心提供运行环境,即该软件可运行在云服务中心的硬件平台上,配合星载APP和客户端APP完成图像或数据的处理。

6 智能遥感卫星星上智能处理技术

随着遥感卫星分辨率的不断提升,遥感卫星产生的数据量呈现几何级数增长态势。光学遥感可见光谱段地面分辨率已经达到几米甚至1 m以下、超光谱的谱段数达数百个、动态范围与辐射分辨率不断提高、像元量化位数增加,使得星载遥感器的原始数据率达到数个甚至几十个Gbps。这就与遥感平台上有限的传输、存储资源之间产生了巨大矛盾,使得星上对海量数据进行有效的处理成了遥感技术发展中迫切需要解决的一个问题。

不同应用领域的用户对遥感信息有不同要求,但目前处理模式提供给用户的数据产品基本上是单纯的遥感影像数据,而不是用户所需的产品。发展星上智能处理能够根据用户需求在轨实时生产产品,并将产品直接分发给不同用户,就可以使用户通过简单的操作获取所需的数据,从而将大大拓宽遥感领域的应用市场。目前,卫星数据出现了“既多又少”的矛盾局面。一方面,地面系统每天获得海量的对地观测数据;另一方面,由于信息处理技术落后,大量数据不能及时处理,造成极大的浪费。发展星上智能处理能够有效、自动地对获取的大量对地观测数据进行快速处理和信息提取;同时使地面站和接收设备小型化、简单化,从而实现从现有系统的数据服务向快速信息服务的转型。智能遥感卫星需要通过星载软件的智能处理或与地面处理相结合,为大众用户提供个性化、多样化的信息服务,遥感图像的识别技术在地面已经得到广泛应用,如体育赛事实时数据统计技术、智能监控技术、自动驾驶技术,这些技术具有一定的相通性,都可以作为智能遥感卫星图像处理的参考。此外,机器深度学习技术的逐步成熟,多核CPU(中心处理单元)+多核GPU(图像处理单元)等高性能计算平台的迅速发展,大数据、云计算技术的支持,都为智能遥感卫星的星上处理提供了技术支撑。

7 结束语

卫星对地遥感数据的应用用户正处在互联网时代,互联网、大数据所带来的信息服务形式与便利正深刻地改变着他们的应用需求,用户习惯通过互联网去探寻自己所关注的信息,而获取信息类的航天器必将转化为互联网信息终端。综观近年来国际上互联网属性公司通过拓展对地遥感卫星的应用,对获取遥感卫星空间信息提出了即时化、网络化、个性化、多样化等崭新的、潜在的需求。遥感卫星技术必须与信息技术深度融合,必须创新未来遥感卫星运营模式和服务模式,将传统遥感卫星带入未来新型智能时代。面向国内、国际未来卫星应用的需求,集成信息领域若干技术方向的研究进展与成果,研究智能遥感卫星星地一体智能运行控制新体系,以及在此体系下的智能遥感卫星星地一体化的通信网络架构、星上信息处理架构、APP服务开发软件架构等的技术发展方向,是必然的技术发展趋势。

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Technology Prospective of Intelligent Remote Sensing Satellite

YANG Fang LIU Siyuan ZHAO Jian ZHENG Qingbiao
(DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

Considering the combination or integration of remote sensing satellite technology with the information technology,this paper describes the expective deformation direction of the future remote sensing satellite operation mode and service mode.Concept of future intelligent remote sensing satellite system and a kind of intelligent remote sensing satellite with the feature of open software platform,network connecting and third part application supporting is proposed in this paper,and a kind of intelligent remote sensing satellite system consist of intelligent remote sensing satellites,network and cloud service centers is presented.It introduces the primary design of network architecture and software architecture,and on-board information processing technology.

intelligent remote sensing;satellite system;open software platform;onboard application

V11

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.012

2017-09-05;

2017-09-30

国家重大科技专项工程

杨芳,女,研究员,遥感卫星总设计师,研究方向为卫星总体设计。Email:yangfangdfh@spacechina.com。

(编辑:张小琳)