展望5G/6G时代的地球空间信息技术

2020-01-06李德仁

测绘学报 2019年12期

李德仁

1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉 430079； 2. 地球空间信息技术协同创新中心，湖北武汉 430079

自1987年我国引入国外移动通信技术到2013年工信部宣布向中国移动、中国电信、中国联通颁布4G牌照以来，我国移动通信技术已经历了从1G、2G到3G、4G的转变，移动通信的方式由原始的移动电话、短信和语音发展到了图片和视频等多种形式，传输速率由1G时代的2.4 KB/s提升到了4G时代的100 MB/s[1]。如今，4G已经融入人们生活的各方面，给人们的日常工作与生活带来了众多便利，但是，随着新型移动设备、通信业务和网络流量的不断增加，4G已无法满足当今社会的需求[2]。5G技术应运而生，而且6G技术也将接踵而至。

5G/6G技术的快速发展，信息基础设施的逐步完善，以及时空大数据的爆发式增长，地球空间信息技术的发展迎来了新的机遇和挑战。随着天基5G/6G的发展，实现一星多用、多星组网、天地多网融合和智能服务将成为可能。在新的时代背景下，如何把握机遇，实现空间感知和空间认知的智能化，实现空间信息的实时智能服务，为地球空间信息技术的发展寻求新的突破口，是人们研究的重点。本文首先介绍5G/6G时代的特点和应用场景。然后，介绍新一代移动通信背景下地球空间信息技术的发展趋势，即真三维实景地理信息技术的形成、地球空间信息处理的智能化与自动化、地球空间信息服务的社会化和大众化。最后，分析了在新的时代背景下建设我国空天信息实时智能服务系统的必要性，发展路线和已具备的技术储备，并对地球空间信息技术的未来发展进行了展望。

1 5G/6G时代的到来

5G是第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，自从2013年提出5G计划以来，多种业务、多个技术融合以满足大连接、高宽带和低时延场景下的高速通信成为可能，预期2020年之后上市[3]。5G下载的速率理论上能够实现20 GB/s，是4G时代的20倍，如果说4G改变生活，5G将改变整个社会，如果说4G服务于人，5G将支持万物互联。5G有3个典型的应用场景和关键指标，即增强移动带宽、海量机器类通信和超高可靠、低时延通信，有了这3个特点，可以实现高清视频、全息视频或交互现实，可以实现智慧物流、环境智能监管、智慧城市或智能城市的计算，可以解决自动驾驶、机器人无人操作、工业互联网、远程医疗和智能电网。5G主要的垂直行业应用包括视频识别分析、VR/AR业务、工业物联、车联网和智慧交通，5G与云计算、大数据、人工智能、区块链等新技术相结合，能够颠覆一些传统产业，升级变革一些产业(包括我们地球空间信息产业)，并孵化新应用，催生新业态、新商业模式。

5G产业的发展也是不平衡的，其关键元器件与核心芯片技术依然薄弱，产业发展缺少典型的示范应用，垂直行业存在着跨界融合问题，运营商在建网成本和应用创新方面也面临着巨大的难题，除此之外，5G主要覆盖人口集中的城市，不可能覆盖全部陆地，而陆地在地球上只占29%，所以5G需要靠6G卫星通信来补充。

6G技术就是把陆地无线通信技术和中高低轨的卫星移动通信技术及短距离直接通信技术融合在一起，可以应用于通信、计算、导航、遥感、人工智能等领域，为空、天、地、海泛在的移动通信网建设，实行全球泛在覆盖的高速宽带网提供基础支撑。

6G的特点主要有3方面：①具有更高的接入速率(10 GB～1 Tbps)，更低的接入时延(ms级以下)，更快的运动速度(马赫级)，更广的通信覆盖(空天海地)；②能够实现新媒体(全息远程呈现)，新空口(多种异构无线传输接入)，新架构(地面和卫星融合的移动网络)和新融合(通信、计算、导航、感知)；③构建空、天、地、海泛在移动通信网，6G将整合卫星通信，通过扩展频段和覆盖范围来取得更大的传输带宽、支持更广泛覆盖的用户接入速率，实现各类移动载体和通信信号的全球覆盖。

2 5G/6G时代的地球空间信息技术

地球空间信息学于20世纪90年代提出，其主要围绕测绘、遥感和地理信息技术来进行地球空间信息学研究，可为地球科学问题研究和全面精确服务提供技术方法和时空信息支撑[4-6]。随着科技的发展，5G/6G的进步，地球空间信息技术也迎来了新的发展趋势。本节主要就真三维实景地理信息技术的形成与应用、地球空间信息处理的智能化与自动化和地球空间信息服务的社会化和大众化3个方面作一些分析。

2.1 真三维实景地理信息技术

实景三维模型是室内外、地(水)上下等各类地物的精准三维几何信息、丰富语义属性、准确空间关系和按需多细节表达的空间数据集，其表达直观，便于分层，可用于各类空间分析和辅助决策，是集数据、结构、功能为一体的三维数据智能表达模型。随着5G/6G技术和摄影测量技术的发展，三维数据采集方式呈爆炸式增长(图1为三维数据采集方式)，为实景三维模型的建立提供了更加精细和可靠的三维数据，推动着真三维实景地理信息技术的快速向前发展。

实景三维模型的主要特点是精准三维几何信息、丰富地形要素、精准空间关系和多细节层次表达。实景三维模型表示的地形要素更丰富，包含有测量控制点、工矿建筑物及其他设施、城市部件及附属设施等10大类、800余小类地图要素，具有层次(包含)关系、拓扑关系、逻辑关系等组成的精准空间关系。实景三维模型的表达方式也从由固定比例尺表达到按需多细节层次表达(LOD)的跨越，图2为纹理多细节层次表达。实景三维模型具有很大的市场应用场景，其在海量数据组织管理，空天地多源三维点云数据融合，全息地物要素结构化提取，室内场景结构化模型重建，实景三维示范区构建等方面已取得了初步的成果[7]。除此之外，三维实景地图在5G信号仿真，高清驾驶地图，污染、爆炸扩散模拟，城市精细化管理，可视域分析和战场态势评估等领域也具有一定的潜在应用价值。

图1 三维数据采集方式Fig.1 Three dimension data collection method

图2 纹理多细节层次表达Fig.2 Texture multi-level of detail representation

在5G/6G技术支撑下未来实景三维模型可从以下几方面进行发展：①现阶段，应推进符合国家、市场、大众等多方需求，符合国际行业发展和5G时代整体趋势的实景三维模型建设，应尽快组织论证，制定标准和规划；②先满足重要应用部门和主要街区、干道需求，按照从二维到三维，先城市后乡村，从室外到室内，从地上到地下的顺序，逐步推进；③发展空-天-地立体化、组合式、全空间高效观测手段；④借助人工智能、5G网络、云计算、边缘计算和区块链等技术，提高海量数据处理能力和智能化水平；⑤开拓实景三维模型在智能驾驶高精地图、5G信号仿真、城市精细化管理、城市空间安全、国防建设等领域的应用；⑥布局融合实景三维模型和物联网动态传感数据流的城市数字孪生技术。

2.2 地球空间信息处理的智能化与自动化

随着人工智能和通信技术的发展，地球空间信息处理技术逐渐趋于智能化和自动化。目前，遥感数据在无控定位，目标识别和信息提取方面已从人机交互逐渐迈向全自动化处理阶段，随着智能卫星的发展，遥感数据实时在轨处理也将成为可能[8-9]。在卫星导航数据方面，随着我国北斗卫星系统的成功组网和5G/6G的发展，导航定位精度将有望达到亚米级，进一步推动地球空间信息处理的智能化发展。

在无控制全球测图方面，资源三号已可以实现无控制区域网平差，通过对资源三号卫星拍摄的8810×3景覆盖全国的影像数据进行多节点GPU+CPU计算，使得影像自主定位精度提高到5 m以内，满足全球测图需求[10]。若将资源三号数据与激光测高数据进行联合平差，可以进一步将无控制平差的高程精度提高到3 m以内。此外，GF7号卫星上天后，可望推进1∶10 000无地面控制的全球自动测图，满足全球测图重大工程的需求。

在影像目标搜索方面，在5G/6G支持下，利用基于深度学习的自动影像搜索引擎，可以秒级速度从大量遥感影像中自动搜索目标[11]。在无人机视频数据实时目标检测与跟踪方面，通过建立目标影像凸面模型，来对影像进行对比分析和变化要素提取，从而实现变化检测，同时，通过无人机实时摄影测量技术，可以在移动端(近)实时显示处理结果，即无人机一边飞数据，服务器在一边处理数据，飞完数据即可处理完成[12]。

在智能测量机器人与自动驾驶方面，根据已知地图生成由起点至目标点的静态路径，并优先选择距离较短、安全系数较高的路径，可以实现全局路径的规划；通过传感器获取周围小范围动态地图，并通过采样预测的方式实时确定可通过的路径，实现动态避障，可以完成局部路径的规划，从而实现机器人的智能导航。智能汽车面向复杂的城市使用场景(建筑物遮挡、隧道、地下车库)，需要高精度、高可靠解决“最后一公里”的问题，由此需要重点研究低成本智能感知定位和测姿系统，解决室内外高精度连续定位问题，提升多源数据融合性能。目前，L4等级的智能驾驶即将在量产车型上实现，能够在城市峡谷，地下车库等复杂条件下实现最后一公里的自动驾驶。

智能分析到智能决策的目标是面向重要基础设施健康安全的实时、精准地理信息获取与分析，实现从可视化量测到可计算分析。以电力走廊无人机巡检与智能监测系统为例，由于电网输电线路规模增加、自然灾害频发、运行环境变差，使得巡检压力增大，现有巡检方式存在严重缺陷，无法满足智能电网巡检的所有要求，急需建立安全、高效、智能的巡检模式。在5G通信技术快速发展的当下，充分利用5G技术，将智能采集端搭载在边缘数据采集平台(机载平台及地面平台)上，对监测目标进行数据采集，通过5G基站将数据传回到边缘云数据处理终端，并运用5G基站将诊断结果实时发布回互联网，从而实现高效的数据采集、传输、处理、故障诊断和发布，其成果已在全国15个省市电力部门得到应用[13]。

2.3 地球空间信息服务的社会化与大众化

长期以来，地球空间信息学是利用测绘遥感对地观测技术，识别地表地物特征，来研究人地关系。在5G和大数据时代，可以实现从“对地观测”向“对人(社会)观测”的转变，通过对地观测和对人观测的结合来更好地研究人地关系，促进地球空间信息服务的社会化和大众化。表1为近年来夜光遥感的典型应用，从表中可以看出，地球空间信息服务已应用于分析社会经济发展和生活质量、能源消耗和城市发展等社会化和大众化层面[14]。

表1 近年来夜光遥感的典型应用

除此之外，地球空间信息服务在战争影响评估、区域发展发面也有着实际应用价值[15-17]。如利用时空数据聚类技术，对叙利亚2011—2015年夜间灯光数据进行分析，通过挖掘叙利亚夜光的时空变化模式，对叙利亚战争的影响进行评估。通过对中国2012—2016年期间的夜光遥感影像进行分析，得出4年内灯光增长较快的省份有贵州、重庆、新疆、湖南、青海等，通过分析这些省份所在的地理位置，得出中国西部和中部的城市建设发展速度超过了东部地区，从而证明了区域协调发展政策已经发挥了作用。

目前，运用人工智能的手段对大量数据进行挖掘和管理，可以有效地服务于社会和大众。如面对大量城市出行轨迹数据，建立基于众包数据的智慧交通管理和应急系统(如图3所示)，利用智慧交通脑来缓解道路拥堵情况[18]。这一系统自2017年1月在武汉市上线起，15个月内武汉市拥堵排名从第23名降到53名，下降了30位，交通拥堵延时指数从2.34下降至1.676，降幅高达30%，实现了地球空间信息服务于智慧交通的目标[19]。

图3 基于众包出行数据的武汉智慧交管应急系统Fig.3 Intelligent traffic management emergency system based on crowd sourcing data for Wuhan

3 空天信息实时智能服务系统(PNTRC)

地球空间信息的实时与智能服务是现代化战争、灾害应急和大众化服务的迫切需求，也是目前地球空间信息学科的短板。我国现有的通信、导航和遥感卫星系统各成体系，其中通信卫星对遥感和导航的传输能力受限，导航卫星缺乏宽带传输能力，遥感卫星数据下传受限，接收、处理与服务模式尚未服务大众[20]。为解决军民系统孤立，信息分离和服务滞后的问题[21]，急需建立通信、导航和遥感一体化的空天信息实时智能服务系统(PNTRC)，结合对地观测脑模型[22]，实现系统连通、时空融合和服务畅通，推动空天信息和产业发展从专业服务和国家扶持向大众服务、军民应用和市场化、国际化发展，这是当前5G/6G时代急需研究和解决的重大任务。

3.1 PNTRC(定位、导航、授时、遥感、通信一体化实时服务)发展路线

PNTRC的发展路线可按照局域服务系统、区域服务系统、全球服务系统3步来进行进展[23]，具体介绍如下：

(1) 建设局域服务系统(如南中国海及大湾区)。其星座由40颗低轨遥感/导航增强卫星，1—3颗GEO高轨通信卫星组成，核心能力主要包括：①目标信息获取空间和时间分辨率达到0.5 m和5 min；②实时导航定位精度达到亚米级；③移动通信能力实现90个波束覆盖全亚太，每个波束出向带宽最大1 Gbps，入向200 Mps，点对点或广播，落地后通过5G上手机。通过在大湾区建设PNTRC系统规划得到的初步结论是，利用700 km高度、24°倾角的Walker星座的40颗卫星(光学卫星20颗、SAR20颗)可实现对任务区域平均5 min内重访。

(2) 建设区域服务系统(如中国及一带一路)。其星座由150颗低轨通信/导航增强卫星，120颗低轨多角度遥感卫星(具备星间通信能力)组成，核心能力主要包括：①目标信息获取空间和时间分辨率优于0.5 m和5 min；②实时导航定位精度达到亚米级；③移动通信能力实现自适应变带宽，单波束最高速率达到40 Mbps。其中低轨通信卫星可依托国内具有星间链路的低轨通信星座发展计划，如鸿雁、虹云等，通过增加导航增强载荷，发射具备星间通信能力的遥感卫星，为区域服务打下基础。

(3) 建设全球服务系统。其星座由300颗低轨通信/导航增强卫星，200颗低轨遥感卫星(具备星间通信能力)组成，核心能力包括：①遥感信息获取空间和时间分辨率优于0.5 m和4 min；②实时导航定位精度达到亚米级；③移动通信能力方面，全网通信容量不低于600 Gbps，在高速移动过程中支持音视频通话和遥感影像接收。研制PNTRC系统多功能软件定义的智能卫星，通过小型化、批量化来降低系统建设成本。

3.2 PNTRC相关技术储备

目前，我国在PNTRC建设方面已有一些技术储备，主要如下：

(1) 在低轨星基增强技术方面，通过导航卫星和具有导航增强的低轨遥感和通信卫星进行组网，可以无须境外地面增强CORS站，实现全球高精度覆盖，且实时定位精度优于0.5 m，模糊度收敛小于1 min[24]。例如2018年上天的珞珈一号01星具有对天接收、在轨处理、对地发射，避免地面建站等特点，通过地面验证和在轨测试，初步结果表明，珞珈一号01星增强信号伪距测量精度为2～3 m，载波相位测量精度为2～3 cm，实时定位精度为30 cm，实现了导航信号的增强。

(2) 在智能编码方面，基于长程背景字典的卫星视频编码技术可在保证视频清晰度的基础上，大幅度降低卫星视频数据的压缩码率，满足无线网络传输需求。

(3) 预计2020年发射的新体制雷达卫星——珞珈二号01星，可实现多角度雷达遥感，视频雷达遥感和低轨导航增强，解决全天时全天候的目标监测。

(4) 处于研制阶段的天基信息实时服务智能卫星——珞珈三号01星，能够完成视频成像、在轨智能处理和灵巧通信，打通星地通信和星间中继通信两条链路，提供在轨处理和稀疏压缩的验证，实现全球范围遥感数据从获取到手机等智能应用终端的分钟级遥感信息高效服务。

(5) 在低轨智能通信卫星研发方面，清华大学于2016年成功发射了清华灵巧通信卫星[25]。该卫星重量131 kg,轨道高度800 km。主要特色是：自主可控、可持续发展通信小卫星技术；一体化小卫星、星务计算机、操作系统、软件系统、星上处理交换、关键电路、硬件模块均立足自主创新；首次实现空地协同智能通信，灵巧波束、按需覆盖，突破卫星宽带移动通信难题；首次试验基于Linux-OS的软件卫星技术；软件定义卫星、按需重构，实现多功能小卫星新途径[25]。

这些相关技术储备良好且在不断进步，为PNTRC的构建提供了可能。除此之外，国家的政策环境和人才队伍的组建也在逐渐完善，为建设我国空天信息实时服务系统提供了很有力的支撑[26]。