基于卫星通导遥融合的实时信息服务研究

赵菲 吕韫哲 孙浩 郑梦圆 朱兴鸿 沈宇飞

基于卫星通导遥融合的实时信息服务研究

赵菲 吕韫哲 孙浩 郑梦圆 朱兴鸿 沈宇飞

（中国卫通集团股份有限公司，北京 100190）

当前单类卫星应用存在一定短板，难以满足新一代信息服务实时化、智能化、多元化的需求，为了突破通导遥卫星单系统应用壁垒，构建通导遥融合的实时信息服务机制，为发展实时信息服务提供有效途径，文章首先总结了国内外卫星通导遥融合发展概况，剖析了当前通导遥融合面临的问题与需求，提出了基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统的总体架构并详细介绍了三大分系统（实时感知与传输网络、数据智能处理与分析中心、实时信息应用与服务平台），最后选择应急抢险救灾和海洋监测2个典型场景进行初步应用实践探讨，验证了在试验场景中基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统具备分钟级的响应效率优势，在复杂环境下具备1 h内的响应速度。

卫星通信 卫星导航 卫星遥感 通导遥融合实时信息服务

0 引言

近年来，全球航天事业创下多个重要里程碑，在运载火箭、深空探测、载人航天和卫星应用等多个领域都呈现出创新发展新态势，其中，以通信、导航、遥感为核心的卫星应用加速发展。中国航天事业发展五十余年，已建成了包括通信卫星系列、导航卫星系列、对地观测卫星系列和科学实验卫星系列在内的较为完整的应用卫星体系，逐步夯实了中国各行业/领域卫星应用的空间设施基础[1]。

新阶段中国国民经济高质量的发展，对通信、导航、遥感卫星提供的信息服务的覆盖范围、通信速率、响应速度及定位精度均提出了更高的要求[2]。目前，单类卫星应用存在体系分立、资源协调困难、响应滞后等痛点，难以满足新一代信息服务实时化、智能化、多元化的更高要求[3-4]。以当前需求为导向，为了实现泛在、全域、实时感知与高速、灵活、实时通信的信息服务，建设基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统势在必行。

通导遥卫星在运行轨道、运行姿态、应用系统等诸多方面存在巨大差异。目前，从卫星载荷技术方面将通信、导航、遥感等功能集中于单颗卫星来实现通导遥融合应用的实例不多[5]，大多数通导遥融合应用是选择将多颗具备不同通导遥功能的卫星构成融合星座。本文从卫星应用实时信息服务的角度出发，针对当前通导遥卫星体系化、融合化应用水平不足，信息的空间分辨率、时间分辨率不高，数据智能处理和实时传输能力不强，区域导航定位精度不够等问题，以多星组网的角度构建基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统，设计实时感知与传输网络、数据智能处理与分析中心、实时信息应用与服务平台等3个分系统，并结合应急抢险救灾与海洋监测等应用场景来分析讨论卫星通导遥融合的实时信息服务系统的应用效果，探索卫星支持的实时信息服务建设前景。

1 卫星通导遥信息服务能力发展现状

为了更深入地剖析卫星通导遥融合的实时信息服务系统所面临的主要问题，定位切实需求，本文对国内外的卫星资源及卫星通导遥融合应用进展情况进行了梳理。

1.1 国外发展

全球航天大国在卫星建设及应用方面成果斐然，同时也表现出重视通信、导航、遥感卫星一体化发展的趋势，注重推进全球范围内快速高效可靠的空间信息智能化服务。

美国空间基础设施雄厚，空间资源在全球占据领先位置，卫星资源主要有以：1）以Viasat、O3b、Starlink等为代表的高中低轨通信卫星星座；2）以KH、WorldView、Flock为代表的遥感卫星星座；3）GPS全球卫星导航星座[6]。美国在卫星通导遥融合应用方面起步较早，尤其注重应急、国防等领域的卫星融合应用。例如，Viasat计划为低轨遥感卫星或航天器提供数据实时回传的宽带通信数据中继服务，旨在使LEO运营商能够通过计划中的ViaSat-3地球静止轨道（GEO）网络从全球各地实时进行对地观测数据的回传与分发，支持实时地球。遥感卫星公司Planet预计在2023年发射Pelican卫星星座来验证低轨遥感卫星与中地球轨道（Ka频段）、地球静止轨道（C频段）通信卫星间的实时通信链路，可连续实时将影像采集编程指令发送到遥感卫星，并将遥感影像在几分钟之内实时传回地球。鉴于Starlink在决策支持、卫星通信等方面的优异表现，Space X计划推出Starshield卫星互联网星座项目，同时具备对地观测和卫星通信功能，可实现空间观测数据实时发送与全球加密安全通信。覆盖全球的GPS导航网络以高精度、低成本的全球导航服务与卫星、无人机遥感监测深度融合，可为各行业领域提供实时位置服务。美国持续推进实时信息服务发展，据称已经具备了分钟级应急救援遥感信息响应及全球范围内2 h锁定目标的能力[7-8]。

欧洲地区航天基础扎实，卫星资源主要有SES-12/14/15、Intelsat Epic NG、Inmarsat GX、OneWeb等高低轨通信卫星星座，Sentinel、SPOT、Rapid Eye等各类光学及SAR遥感卫星星座和Galileo卫星导航系统。各国开展了通导遥融合支持遥感卫星数据快速获取的试验，法国Pleiades-Neo星座与欧洲数据中继系统激光通信基础设施协同支持遥感卫星每天高达40TiByte的实时数据回传至地球。西班牙DEIMOS-2光学卫星、德国的TerraSAR-X卫星与高轨通信卫星融合应用项目的目标是验证更智能、低时延的对地观测能力，受星上在轨智能处理能力限制，卫星原始数据经地面处理后由通信卫星全球分发，该项目经多次测试，已验证可在1 min内实现观测对象的检测、分类以及数据传输[5,9]。

与美欧一样，俄罗斯优先探索“通遥一体化”应用。基于丰富的通导遥卫星资源，俄罗斯于2021年正式实施SPHERE星座计划，用于提供全球覆盖的宽带通信和对地观测，实现全球高频次、全天候监测。与其他全球性星座系统不同，SPHERE星座采用多个区域性系统接入互联的方式建立高速激光通信通道以实现星间通信，整合了在地球静止轨道上部署的Yamal和Express通信卫星、在高椭圆轨道上部署的Express-RV卫星、在中轨道部署的SKIF宽带互联网接入设备和在低轨道部署的IoT Marathon全球数据传输系统，极大降低对地观测响应时延，以实现其全方位、实时信息服务目标。[10-11]

1.2 国内发展

中国的航天事业虽起步晚但发展迅速，目前已经建成了涵盖通信、导航、遥感、载人航天等多领域相对完善的航天工业系统。其中通信卫星领域已逐步走向自主可控，卫星资源主要包括以“中星”、“亚太”、“亚洲”卫星为代表的高轨通信广播卫星，以“鸿雁工程”、“虹云工程”和中国星网建设的低轨大型星座为代表的低轨通信卫星星座，以天通卫星为代表的移动卫星通信系统[12]。2023年3月发射的“中星26号”卫星，是中国首颗容量超百Gibit/s的Ka频段多波束宽带通信系统卫星，开启了中国高轨卫星互联网新时代。目前，中国已建成“北斗三号”卫星导航系统，可服务国内、一带一路和全球范围，具备全球区域定位精度优于10 m、亚太区域定位精度优于5 m、中国及周边地区定位精度优于0.3～0.6 m的服务能力[13]。在对地观测遥感卫星领域中国也取得了卓越的成果，初步建成了完善的陆地、气象和海洋三大卫星观测系统，以高分系列、风云系列和海洋系列卫星为代表，空间分辨率最高可达亚米级，时间响应最快可达小时级[14]。

大数据时代中国迫切需要形成全球化、近实时对地观测、互联互通、精准定位的信息服务能力，以行业领域和国家安全的需求为牵引，逐步开展卫星通导遥融合应用、实时或近实时信息服务总体设计与场景应用的初步探索[15]。从星座组网的角度，国内一线专家提出了定位、导航、授时、遥感、通信（PNTRC）一体化的天基信息服务系统建设构想[1-2]。在复杂环境下，基于通导遥融合的复杂环境实时感知服务系统表现出优于单系统应用的优势[2]。同时网络信息体系思维对于构建基于天地一体化信息网络的通导遥融合的立体式天基网络信息体系架构设想提出了新的解决思路[3]。面向尾矿库区应急环境监测、特殊水域安全监测等场景，通导遥融合应用的信息服务也有了初步探索[5]，数据最快响应时间为2～4 h。

2 中国现实需求和面临的挑战

当前，中国许多行业领域对实时信息服务提出了更高需求，具体数据详见表1。可以看出，以实时位置、实时通信为特征的信息服务在数据通信容量、通信响应时延及响应范围等方面均有较高的要求。综合考虑国内外卫星资源与通导遥融合研究进展，单系统难以满足上述实时性、连续性和精准性的现实需求，需要探索卫星通导遥融合支持的实时信息服务系统。

表1 实时信息服务现实需求

Tab.1 Requirements of real-time information service

注：1）实时，代表通信时延在毫秒级；近实时，代表通信时延小于1 s。

从全球实时信息服务发展现状来看，卫星支持的实时信息服务仍处于探索期，进一步推进卫星通导遥融合应用研究面临诸多挑战，尤其是如下两方面：

1）卫星通导遥空间资源协同不足，感知数据时空基准不统一。面向观测对象的实时信息服务首先需要快速明确可用的卫星资源，由于协同多星资源难度大，需要投入大量的人力进行协调。感知数据多源异构，遥感数据、导航定位数据以及各传感器数据的时空基准不统一，这些问题直接影响数据的利用率，进而导致全域感知数据获取速度慢、时效性低，信息的推送与分发无法做到实时与智能。

2）通信融合组网不充分，难以支撑信息服务的实时高效需求。单类通信网络独立服务均存在一定自限性，其中窄带卫星通信限于文字、语音等数据容量较小的实时信息传输；宽带卫星通信虽实时信息传输容量大，但对终端设备要求高；地面网络速度快、资费低，但空间覆盖能力不足。当前，通信融合组网是解决单类通信网络对实时信息获取支撑不足的有效途径，但目前星地融合组网、宽窄带融合组网等通信融合组网不充分，还需要进一步从网络架构、组网方式和空口传输等多方面进行技术突破。

3 基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统

3.1 体系架构

本研究融合多类型卫星资源、天地网络资源、智能终端等，提出基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统，该系统将通导遥卫星空间资源与技术方法协同到同一系统中，在一定程度上打破了单类卫星平台和系统之间的体系壁垒，依托一体化的系统平台，面向各行业领域提供天地一体的实时监测、通信、导航等信息服务，支持区域及全球范围内的高分辨率、高精度、实时的信息服务，这种高度综合的异构网络系统具备广覆盖、快速响应、协同服务的优势。该系统的具体架构如图1所示。

图1 基于卫星通导遥融合的实时信息服务体系架构

3.2 系统构成

基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统主要由实时感知与传输网络、数据智能处理与分析中心、场景应用平台等3个分系统组成，网络、中心、平台这3部分依次对应系统结构中的网络层、管理层、应用层。在统一的系统框架下，通过3个分系统实现对信息的采集——传输——处理——应用——分发等全流程的实时或近实时响应。具体系统结构见图2。

图2 基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统结构

3.2.1 实时感知与传输网络

实时感知与传输网络是支撑基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统的基础，包括时间域和空间域上的全域泛在感知与天地一体通信与传输网络两个部分。

全域泛在感知包括多源异构感知平台、感知时空分辨率、精度以及感知维度等方面。感知平台主要由遥感卫星、无人机和地面监测站构成，是立体全面的空天地一体化综合感知网，具备全时空、全方位的多域覆盖能力。其中遥感卫星包括光学遥感卫星、资源环境卫星、气象卫星以及商业遥感星座，基于多源遥感卫星可获取更高时空分辨率的遥感大数据。网格化无人机与配套智能基站具备分布式、高频次、高精度、自主协同作业、机群智能调度与智能基站通信中继等优势，可机动灵活进行小目标精准观测并快速回传数据。地面监测站包括移动和固定监测站两种类型，传感器终端以小型化、集成型、智能型为主，通过广布的固定传感器与移动监测仪可直接获取观测对象最真实的数据。多源感知平台在我国北斗卫星定位导航授时服务系统支持下，获取的数据时空基准基本一致，具有精确时间和空间属性，有利于下一步的数据挖掘和知识抽取。

天地一体通信与传输网络主要由宽窄带卫星通信网络及地面网络组成，通过宽窄带、天地网协同来实现感知数据的实时高效传输。例如，遥感卫星数据（尤其全球遥感数据），可通过激光星间链路或者宽带卫星通信链路实现实时或准实时回传，与常规遥感数据回传相比，天地一体通信与传输网络能够极大提升遥感信息获取的时效性。构建传输网络的关键技术主要有多星组网技术、空间分布式管理技术、星地组网技术等。

3.2.2 数据智能处理与分析中心

数据智能处理与分析中心作为处理多源异构时空大数据的核心环节，以遥感数据管理与处理数据库、无人机数据管理与处理数据库、地面数据管理与处理数据库和异构数据处理与分析算法库为支撑，负责数据接入、元数据服务、数据清洗、数据挖掘、数据管理等管理层工作。

数据智能处理与分析中心提供了实时感知数据的汇集平台，支持多源异构数据快速高效转化为知识与信息，具备AI技术的知识抽取算法使信息服务的实时性、精准性和持续性要求进一步得到了保障。海量的数据智能处理与分析涉及的关键技术包括时空大数据深度学习技术、信息挖掘与分析技术等。

3.2.3 实时信息应用与服务平台

实时信息应用与服务平台属于直接面向应急救援、决策支持、执法等各行业应用的层面，支持动态决策与信息快速分发，功能主要包括实时信息三维可视化展示、专题信息生成、辅助透视指挥、预警预测、决策信息发布等，是针对不同的用户群体、不同的场景、不同的需求实现实时信息按需服务的前台。其关键技术有时空信息可视化技术、全息影像技术、三维渲染技术、数字孪生技术等。

4 典型应用

在应急抢险救灾和海洋监测等场景中，对卫星通导遥融合应用实时信息服务系统的应用效果分别进行了验证，对比当前单类卫星应用的24 h级响应时效，该系统以1 h内的信息服务响应时效优势，具备提升数据采集、数据实时传输、信息抽取和决策分发等全链条实时响应的能力，尤其是在遥感数据采集与传输环节，该系统可实现最快15 min的高效数据采集与数据实时回传。本文在以下2个场景中，选择国内现有的民商用通信、导航、遥感卫星资源，开展了卫星通导遥融合应用实时信息服务系统具体应用分析，验证该系统的实时态势感知能力以及在信息分析方面所具备的高实时性、精准性和连续性的优势。

4.1 应急抢险救灾实时信息服务

重大灾害具有瞬时突发性强、破坏力强、不确定性强等特点，通常会引发人民生命财产的巨大损失，因此，此类应急救援和救助通常任务紧急，对救援时间窗口要求高，一般需要在重特大灾害发生后几小时甚至几十分钟内快速获取灾后有效信息，辅助指挥中心进行应急动态决策，为救援前线高效抢险救灾提供支撑。当前我国海外遥感数据接收站网不足，而卫星通遥一体化能够保障遥感卫星在可供观测的窗口期内完成紧急任务。与单一系统平台相比，基于卫星通导遥融合的实时信息服务在高时效高频次灾害全要素监测、大容量且安全的通信保障、精准定位支持等多方面优势突出，是防灾、减灾、救灾领域不可或缺的重要手段。

面向应急抢险救灾，基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统的应用结果如下：

1）该系统支撑卫星遥感实现紧急观测，基于天地一体通信网络完成了遥感卫星紧急观测指令传达、遥感影像（见图3（a））实时传送回地面指挥中心、灾情分发等流程。经试验验证，指挥中心最快获取遥感原始数据的时间可缩短至15 min，复杂环境下指挥中心获取灾情决策支撑信息的时间最短至1 h。

2）在该系统支持下，装载有卫星通信终端和光学或热红外等机载成像载荷的无人机可快速机动抵达受灾现场，通过无人机遥感将现场灾情信息快速回传至指挥中心。经试验验证，数据智能处理与分析中心获得无人机遥感图像的最短时间为30 s，指挥中心获得灾情决策支撑信息的时间在分钟级。图3（b）、（c）为该系统应用测试中的几个重要试验界面。

3）该系统具备动态决策辅助能力，通过为一线救援人员配备小型化、便携性的融合卫星通信与北斗卫星导航模块的智能终端，实时接收来自指挥中心的救灾指令，同时可将受灾现场图片、语音、视频等数据实时回传至指挥中心，并支持任意区域的在线视频会议。系统有效保障了救援一线与救援中心的实时联动，实现了一线救援力量的动态调整与精准投放，使有限的救援队伍发挥了最大的应急救援效果。

图3 基于卫星通导遥融合的无人机实时信息服务

4.2 海洋监测实时信息服务

随着“智慧海洋”“海洋强国”等工程不断推进，卫星通导遥融合技术被认为是应对海洋复杂多变的环境、支撑海洋监测的重要手段。基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统用于海洋监测，服务海洋环境监测与预警、渔船非法捕捞、海上交通安全保障、海上重大事件应急处理、海上巡航执法等业务，解决了我国执法部门智慧海事监管服务平台实时感知不足、通信网络覆盖不全的难题，进一步巩固了海洋空间执法能力。

面向海洋监测，该系统协同可靠精确的数据感知设备和网络、全球覆盖的数据传输网络和高性能海洋空间信息数据中心，可提供面向海洋监测业务应用的多种智能数据服务。以中国某海域为试验区，将基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统在海域日常监测与预警、快速响应与执法两大关键场景中进行应用测试，试验结果如下：

1）在海域日常监测与预警中，该系统支持天-空-岸-海全天候立体化海洋环境感知与监测，通过浮标、船载AI视频监控、高分辨率海洋遥感卫星与北斗/天通卫星采集海洋环境实况数据，并回传有关海上溢油、非捕渔期渔船、异常船只、非法侵占岛屿等关键数据，支持海洋环境污染监测、非法捕捞监视、海岛权益维护等多场景监测。在该系统中，海洋执法获取了某岛屿非法开采遥感数据、海洋溢油遥感数据、浮标监测海洋环境要素数据，部分结果见图4（a），其中海洋遥感数据及海洋信息响应时效为每天上下午各观测一次。

2）在快速响应执法中，该系统具备主动告警能力，融合装载有卫星通信终端的执法船舰、北斗卫星、卫星通信、无人机遥感等多源感知平台，最快15 min就可获取遥感数据。该系统以违法执法模型数据库为基础，进行执法船舶任务规划、位置监控、船舶导航、执法调度指挥以及执法信息的实时发布。通过支撑海洋通信的全球网络，可获取船只实时位置（图4（b））以及深远海船舶的实时监控画面（图4（c））等实时信息，并将这些信息回传至该系统，辅助快速精准执法。信息响应时效在1 h内，全链条只需1～2名预判专家和1～2名系统操纵人员，极大的节省了人力成本。

图4 基于卫星通导遥融合的海洋监测实时信息服务

5 结束语

大数据与人工智能时代，卫星通导遥融合应用可为实时信息服务提供全域感知、实时通信、精准导航等保障，进一步满足了各行业领域对实时化、智能化、多元化的新一代信息服务需求。本文提出基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统顶层设计，通过建立卫星通导遥融合应用机制与系统架构，协同智能感知技术、时空数据智能处理技术、三维可视化技术、网络融合技术与智能终端等关键技术，构建实时感知与传输网络、数据智能处理与分析中心、实时信息与应用服务等3个完整的分系统，从信息实时与智能化角度突破通导遥单类卫星应用的局限性，可为更深层次的卫星通导遥融合信息服务研究提供一定的借鉴。同时，在应急抢险救灾和海洋监测应用实践中探讨了该系统的应用场景与应用模式。经分析发现，相对于单类卫星应用，基于卫星通导遥融合的实时信息服务系统从整体上提升了感知维度，缩短了响应时延，保障了响应效率和执行质量。

目前国内外卫星通导遥融合应用尚未形成系统性、实用性的体系，卫星通导遥融合的实时信息服务的探索空间还很大，在载荷技术融合、多星组网、信息智能处理等方面仍需深入探讨，进一步优化卫星通导遥的网络融合机制以及实时信息服务效能。

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Research of Real-Time Information Service Based on Fusion of Communication, Navigation and Remote Sensing Satellite

ZHAO Fei LYU Yunzhe SUN Hao ZHENG Mengyuan ZHU Xinghong SHEN Yufei

（China Satellite Communications Co., Ltd., Beijing 100190, China）

At present, there are certain shortcomings in single-function satellite applications, which are difficult to meet the needs of real-time, intelligent and diversified information services of the new generation. The paper is aimed to break through the barriers of communication, navigation and remote sensing (CNR) applications, build a real-time information service mechanism in CNR fusion, and provide an effective way for the development of real-time information service.Firstly, an overview about CNR fusion at home and abroad is summarized, and the current problems and needs faced by CNR fusion are analyzed.Then a general architecture of the real-time information service system based on CNR fusion is proposed, including three major subsystems (a real-time sensing and transmission network, a data intelligent processing and analysis center and a real-time information application and service platform). Finally, a discussion about applications is given on two typical scenarios of emergency rescue, disaster relief and marine monitoring. It is verified that the real-time information service system based on CNR fusion has the advantage of minute level response efficiency in trial scenarios anda response speed within 1 hour in complex environment.

communication satellite; navigation satellite; remote sensing satellite; CNR fusion; real-time information service

V19

A

1009-8518(2023)04-0001-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.04.001

2023-05-22

水利部重大科技项目（SKS-2022129）

赵菲, 吕韫哲, 孙浩, 等. 基于卫星通导遥融合的实时信息服务研究[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(4): 1-10.

ZHAO Fei, LYU Yunzhe, SUN Hao, et al. Research of Real-Time Information Service Based on Fusion of Communication, Navigation and Remote Sensing Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(4): 1-10. (in Chinese)

赵菲，女，1990年生，2020年获中国科学院空天信息创新研究院地图学与地理信息系统专业博士学位，工程师。研究方向是卫星通信与卫星遥感一体化应用。E-mail：zhaofei@chinasatcom.com。

吕韫哲，女，1988年生，2011年获英国萨里大学移动卫星通信专业硕士学位，工程师。研究方向是通信卫星设计。

（编辑：夏淑密）