新型通导遥融合应用的信息智能服务研究

赵菲 吕韫哲 付东杰 刘韶菲 才艺 马芳

(1 中国卫通集团股份有限公司,北京 100190)(2 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)(3 应急管理部大数据中心,北京 100103)

在大数据与人工智能时代,智能交通、智慧城市、智慧海洋及智慧地球对信息服务提出了实时、精准、智能的强烈要求,以高时效性、高精准性、高连续性为特征的信息服务已逐步演变为陆、海、空、天、电、网络6维一体的联合行动[1]。随着全球航天事业的迅猛推进,以通信、导航、遥感(简称为通导遥)为核心的融合应用呈现出创新发展的态势,为高时效性信息支持的智能服务与行动提供了重要的资源基础。

近年来,通导遥融合应用逐渐出现在多个国家的空间发展探索议程上,各国力争形成全球化、近实时对地观测、互联互通、精准定位的信息服务体系和应急响应能力[2]。国内外对于集成通导遥功能于单颗卫星的一星多用、通导遥融合星座的多星组网应用均有探索,其中,在高轨宽带通信卫星与低轨遥感卫星融合组网提升遥感图像获取时效性方面试验成果显著,低轨星座中兼具通信、遥感融合功能的单星建造及低轨互联网星座构建也在逐步开展。从全球空间资源和卫星技术发展及应用进展上看,通导遥融合应用的信息服务探索仍处于初步阶段,以通导遥融合应用为特征的多星组网星座建造是提升信息服务响应时效性的发展趋势。因此,面向当前新型信息智能服务的高时效性、高精准性、高连续性的迫切需求,诸多研究工作集中在协同通导遥卫星资源形成多星组网架构,以通导遥融合应用支撑复杂环境下各行业对智能信息服务的高标准需求。目前,在通导遥融合应用的机制方面已有初步探索,但是对于通导遥融合应用的智能信息服务体系和系统方法研究不足,还未有效解决多源异构平台有机协同、多网络融合组网及数据信息智能转化等问题,尤其是在遥感数据、视频数据等大容量数据的高时效回传及实时视频会议等方面还面临更多的挑战,因此有必要进一步探讨宽带卫星通信、卫星导航、卫星遥感融合机制与系统方法,优化通导遥融合应用的信息智能服务机制及系统方法,以应对当前通导遥资源协同规划薄弱、应急通信网络抗毁性能不足、信息评估自动化与智能化不充分等挑战。

信息智能服务全链条包括数据采集、数据传输、数据治理等一系列环节,响应链的时效性、精准性是当前通导遥融合应用要解决的关键问题,因此,需要从响应链各环节出发,构建一种新型通导遥融合应用的信息智能服务机制并进行系统化实施。本文首先总结通导遥融合应用在国内外的进展,提出当前应对信息智能服务的高实时性、高精准性和高连续性迫切需求面临的难点与挑战;从多星组网角度提出一种新型通导遥融合应用的信息智能服务框架及各层面架构,分析该框架在覆盖范围、通信速率、响应速度及精准定位方面的一站式解决能力及关键技术;最后选择西藏察隅地区为试验区,通过系统仿真模拟重大灾害日常监测和应急响应2种场景,验证新型通导遥融合应用的信息智能服务系统及方法的应用效果。

1 国内外通导遥融合应用进展及面临挑战

1.1 国内外通导遥融合应用进展

随着信息服务需求逐渐趋向高实时性、高精准性和高连续性的特点,多个国家纷纷从通导遥融合应用角度对信息智能服务作出了一定的探索。国外率先探索通信遥感一体化,尝试从空间源头协同卫星资源,以提升遥感数据获取与应用的时效性。当前,关于通信遥感一体化的探索分为2种:①单星同时搭载多种载荷,实现集成通信、导航、遥感功能于单颗卫星的一星多用的通导遥融合应用;②多星搭载不同功能载荷构成庞大的星座,实现多星组网的通导遥融合应用。

通导遥卫星运行轨道高度、运行姿态及分系统等各方面的差异巨大,建造集成通导遥多功能于一体的单星难度较大。国外高轨宽带通信与遥感融合的单星建设探索较少,较典型的有韩国于2010年发射地球静止轨道卫星千里眼(COMS),同时搭载Ka频段宽带通信载荷、地球静止海洋水色成像仪(GOCI)和气象成像仪(MI)3个有效载荷,可每小时获取朝鲜半岛周边海洋环境和海洋生态等海洋监测数据,每隔8～15min获取高分辨率气象监测数据。随着低轨卫星通信技术的快速发展,低轨通信与遥感融合的单星建设逐步增多。美国太空探索技术(Space X)公司推出了面向军事的星盾(Starshield)卫星互联网星座项目计划,设计单星上同时搭载通信、遥感载荷,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。

国外在多星组网通导遥融合应用方面探索较多,通过构建由不同功能卫星组成的空间信息网络融合星座,可实现更加实时的通导遥卫星协同组网服务。其中,较突出的研究集中在遥感卫星与通信卫星组网提升遥感数据回传至地球的时效性。美国提出以高轨宽带通信卫星为通信中继点实时回传遥感卫星拍摄的遥感影像,卫星通信运营商卫讯(Viasat)公司、商业遥感卫星公司行星(Planet)公司均实施了类似项目试验,用于支持全球范围内的实时数字地球信息服务,Planet公司计划将现有星座的图像数据传输时间从几小时缩短到几分钟。目前,受限于遥感卫星在轨智能处理能力,通信遥感融合应用多采取卫星遥感原始数据落地后再由宽带通信卫星中继完成全球数据传输与分发,经西班牙德莫斯-2(DEIMOS-2)光学遥感卫星、德国陆地合成孔径雷达-X(TerraSAR-X)遥感卫星与高轨通信卫星协同验证,表明这种通信遥感融合应用可获得更智能、低时延的对地观测能力,在1min内能实现应急数据传输、对象检测及应急信息分发。俄罗斯计划实施球形卫星星座(SPHERE)计划,通过建立星间高速激光通信实现多区域通信接入,计划整合高轨通信卫星、高椭圆轨道卫星、中轨道宽带互联网接入设备、低轨道全球数据传输系统等不同轨道高度的卫星或设备,实现全方位通信服务及全球高频次、全天候监测对地观测[3]。随着全球低轨卫星互联网建设的持续推进,低轨宽带卫星通信星座与遥感卫星协同在支撑态势感知、实时通信与军事作战中发挥作用,其中,SpaceX公司的星链(Starlink)在“俄乌冲突”中提供军事信息智能服务,并且在星座V1.5中搭载星间激光链路通信模块,拓展即感即传的信息服务能力,以支持更多的高时效性信息应用场景。

我国已经在一星多用、多星组网、天地互连、多网融合方面进行了通导遥融合应用探索,力争形成全球化、近实时对地观测、互联互通、精准定位的信息智能服务能力。文献[4]中提出构建由数百颗具有遥感、导航与通信功能的低轨小卫星组成的天基网,协同高分辨率遥感卫星、北斗导航卫星,与卫星通信网、地面互联网、移动网的整体集成的新一代天基智能系统,提供高性能导航、定位、授时、遥感、通信的一体化实时服务的构想。我国北斗三号导航卫星兼具导航定位与短报文通信功能,应用成本低、终端便携性高、通信导航融合度较高,在一定程度上有利于通导遥融合应用。武汉大学尝试设计新一代智能测绘遥感卫星,可实现遥感数据实时获取、实时下传与应用终端的实时信息服务,珞珈一号科学试验卫星进行了单星通导融合试验与多星组网星座通导遥融合应用[5]。我国商业航天通过在低轨卫星上同时搭载通信与遥感载荷,并借助在轨任务调度与信息智能分发、高速综合信号处理、地面站网资源融合管控等关键技术,提升遥感数据分发速率和遥感任务实时响应能力。其中,银河航天公司发射6颗低轨宽带通信卫星同时搭载了遥感载荷,开展卫星通信、遥感一体化的创新应用模式探索及在轨演示验证。2023年,我国开展超低轨通信导航一体化星座布局,完成7颗卫星在轨组网运行并提供稳定的气象数据,具有距离地面近、延时短和通信耗损小等优势,可实现分米级精准分辨率、分钟级实时传输新型信息服务能力。在多星组网通导遥融合应用体系思维导向下,面向复杂环境实时感知[6]、尾矿区生态环境应急监测[7]、特殊区域水环境安全监测[8]等诸多场景,通导遥融合应用的系统机制研究初步开展,已经具有可行性的构想与设计。因此,本文选择多星组网角度进行通导遥融合应用机制分析。

1.2 面临的挑战

美国注重保持空间信息和决策优势,表示通过通导遥融合应用已经实现了分钟级全球应急救援信息响应能力。与美国相比,我国目前是小时级的遥感过境传输网络和小时级的处理服务,对于应急事件的反应速度相对滞后[9-10]。

信息智能服务要求分钟级的遥感图像获取能力、时延在毫秒级或纳秒级的语音、图像、视频等通信传输能力和快速指令分发能力、亚米级精准定位能力[11-14]。为了一站式满足上述需求,需要重点解决以下几个问题。①全面协同各空间维度感知平台,统一多源感知平台空间基准[15],形成立体感知与有机协同的数据获取通道;②融合多类型数据传输网络,灵活组网,形成资源利用率高、抗损毁、快速组网的数据回传与指令分发网络[16-17];③融入海量感知数据智能化高效率处理模型与算法,实现动态决策支撑[18];④新型通导遥融合应用的信息智能服务机制与系统,一站式实现①～③。

2 新型通导遥融合应用的信息智能服务框架

为应对信息智能服务需求,解决全面立体感知协同不足,多源感知平台空间基准不统一,数据传输网络融合组网不足,通信资源配置不灵活,海量感知数据智能化处理效率不高,动态决策支撑不足等现实问题,本文从多星组网角度提出新型通导遥融合应用的信息智能服务框架。该框架充分协同多源感知平台、天地网络资源、智能终端、融合人工智能与空天信息系统,可支持区域及全球范围内的信息服务,尤其是在偏远地区或者应急响应中实现空天地一体的实时监测、快速响应、协同服务。

新型通导遥融合应用的信息智能服务框架见图1。该框架主要包括感知层、传输层、智能处理层、应用与服务层,确保在统一的框架下实现信息的感知-传输-处理-分发全链条的高实时性、高精准性和高连续性响应。

图1 新型通导遥融合应用的信息智能服务框架Fig.1 Framework for new CNR-integrated application information intelligence service

2.1 感知层

感知层是信息智能服务框架的基础,位于金字塔最底部,解决时间域和空间域上的信息感知与传输问题。感知范围包括对象的全要素特征、音频、视频、时空属性、社会属性等多维度立体范畴,感知平台具有立体多源异构特征,感知层形成面向具体任务、可动态调整所需各类传感平台和可自主恰当选用遥感器获取充足时空分辨率的感知大数据能力,从时空分辨率、精度、感知方式及感知维度等方面实现动态协同、信息互补。

多源异构感知平台按照空间维度分为天基、空基、地基和海基4个部分,如图2所示。天基部分由遥感星座、导航卫星和高低轨通信卫星星座构成,提供实时信息智能服务所需的通导遥卫星资源及服务能力。空基部分由热气球、飞艇、载人航空飞机、无人机等装载的光学、微波、红外等遥感器和导航定位及通信模块构成。地基部分由智能机器人、视频终端、智能移动设备、测绘车、北斗终端等硬件、北斗连续运行卫星定位服务站(CORS)网、辅助北斗定位系统、视频网、局域无线网等软件组成,可感知局域环境地理信息。海基平台由舰艇、潜艇、航母装备的通信、导航、遥感等硬软件组成,可以提供实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和通信等服务。在我国北斗卫星定位导航授时服务系统支持下,各类感知数据具备基本一致的时空基准,具有精确时间和空间属性的感知信息可快速通过数据挖掘和知识发现支撑最终的信息服务。

图2 通导遥融合应用的典型感知平台Fig.2 Typical sensing platforms for CNR-integrated application

2.2 传输层

传输层与感知层共同位于信息智能服务框架的底层。传输层对感知数据进行实时、安全、快速的传输,各感知平台通过传输层融合网络互联、互通、共享互操作,可实现全球高时空分辨率的数据采集及大容量数据高时效回传。传输层主要包括传输网络与接入网络,其中星地一体化网络是传输网络的核心部分。构建星地一体化网络的关键是实现宽窄带卫星通信融合组网、高低轨卫星通信融合组网和卫星与地面网融合组网,形成宽窄带结合、天地网协同的通信与传输系统,保障各类感知节点的数据快速高效传输。例如,遥感卫星数据(尤其境外数据),可通过大带宽的星间链路避开过境传输限制实现实时或准实时回传,大大提升遥感信息获取的时效性和回传能力。当前,星地一体化网络能力还不足,需要融合互联网协议第6版(IPv6)、5G/6G、星载基站等下一代互联网和通信新技术,以达到广覆盖、低时延、大容量的通信传输能力。

2.3 智能处理层

智能处理层位于信息智能服务框架的中间层,包括数据接入、元数据服务、数据清洗、数据挖掘、数据管理在内的时空大数据处理环节,涵盖数据智能处理与分析中心、数据存储管理库、算法模型库、基础信息服务库。海量的数据处理是该层的核心内容。智能处理层既保证了对感知信息的汇集以获得更全面丰富的知识,也极大地支持了信息的流动,保障场景中的信息服务的精准性、持续性需求。

2.4 应用与服务层

应用与服务层位于信息智能服务框架的最高层,直接面向应急救援、指挥调度等行业领域应用,用于信息的发布与应用,提供信息的可视化显示、专题信息生成、信息发布等功能,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。各行业领域对于动态决策智能辅助需求日益增长,应用与服务层需要具备展现系统数字孪生、平行仿真功能的能力,以支撑辅助指挥透视和预测未来环境态势。

2.5 关键技术

在新型通导遥融合应用的信息智能服务框架组成中,实现全面感知与协同感知、融合组网、信息智能处理及高效应用服务所需的关键技术,如图3所示。

(1)感知层。①动态感知技术解决协同空天地各感知平台的各种遥感器,形成单遥感器独立感知感测与多遥感器动态协同观测能力。通过智能感知技术、遥感器智能识别技术、高效软硬件协同技术、分布式管理技术,动态整合感知层下所有节点遥感器,在预先设定的行动流程和分析流程规则下,针对不同观测对象自主触发并调动所需遥感器,并根据任务动态适应、自主配置感知层的微结构。②多源异构感知平台协同核心是解决感知时空基准问题[18],时空基准统一技术解决时间基准统一。相同的时间尺度和相同的空间基准是感知信息集成、融合、规律挖掘的基础,关联同时空表征,通过北斗地基增强技术、网络授时技术、高精度匹配技术与智能终端,将感知数据统一到相同的时间尺度和相同的空间基准,有利于信息的集成、融合、知识挖掘等。

(2)传输层。融合组网的核心是打破不同网络之间的通信壁垒,真正实现互联互通[19],星地融合组网、高低轨卫星融合组网是该层的主要技术[20]。针对星地融合组网架构中多层跨域组网问题,需要从网络架构、组网方式和空口传输3个方面进行技术突破。通过采用软件定义网络(SDN)和虚拟网络功能化(NFV)技术,实现星地一体化网络切片,解决网络中异构设备的通信和兼容。考虑到动态、复杂的网络架构,需要星地融合资源管控技术实现网络中多维资源协调管理,包括地面-卫星通信网络的频谱资源管理、多层网络间自适应路由管理和无缝切换[20]。另外,在空口传输方面,关键在于卫星通信标准与地面移动通信标准的协同演进,以支持业务融合及终端接入融合节点的选择[21]。高低轨卫星融合组网技术主要是为了协同稳定的高轨通信卫星与低时延的低轨通信卫星,保障重点区域实时卫星通信覆盖、大容量数据实时回传与分发。但是,目前国内外对此探讨并不成熟,随着低轨卫星互联网的布局,高低轨卫星融合组网技术将逐步发展。

(3)智能处理层。智能服务是以人工智能算法模型、遥感图像智能处理技术、时空大数据智能学习技术、信息挖掘与分析、高性能计算为基础[22],对空间信息进行自动化学习与知识形成,尤其是人工智能(如神经网络深度学习算法、模糊计算、进化计算)方法的有效融入,是实现空间信息的智能化处理的可靠途径[23]。

(4)应用与服务层。为实现专题信息、行业与场景信息的可视化展示与动态展示功能,该层关键技术包括3维可视化技术、专题信息展示技术等。

3 试验与讨论

3.1 试验区域

本文在我国西藏自治区察隅县某点进行了仿真模拟试验。察隅位于西藏自治区的东南端,地处喜马拉雅山脉东段和横断山脉西段地带的高山峡谷区,地形条件复杂;同时,察隅又位于缅甸、印度交界,拥有绵延数百千米边境线。因此,察隅对我国东南部乃至南亚地区稳定发展均具有重要的意义。该试验区域属于我国偏远地区之一,地面网络不完善,环境条件复杂,同时边界战略地位十分重要,加强对该区域的日常监测与实时应急响应是一项非常关键的工作,为此,面向重大灾害场景,本文选择该地区开展基于新型通导遥融合应用的信息智能服务架构验证。

在试验区域选取中心点(97.5°E,28.7°N)用于仿真模拟相关计算,中心点海拔高度2401m,图4(a)是中心点周围经纬度±1°范围内区域的世界观测-3(Wordview-3)卫星高分辨率光学遥感数据,图4(b)为同区域的等高线数据(ASTER_GDEMv3)。

图4 试验区域Fig.4 Test area

3.2 新型通导遥融合应用的信息智能服务系统

面向察隅地区生态环境监测与应急响应需求,试验分为常规监测和应急响应2种业务。在常规监测业务中,遥感卫星与北斗监测站完成覆盖全区域的周期性观测,当监测到的指标值超过一定的阈值时,就会触发相应的告警。本次模拟试验中,设定监测站A在某一时刻监测杆抬升0.05m用于模拟地表形变中的急速沉降,当监测垂直方向位移监测超过阈值0.01m立刻发出告警,即进入应急响应。在应急响应业务中,协调中星16号和天通一号卫星,对卫星通信无人机、卫星通信便携站、手持通信终端提供实时通信网络,并为现场数据实时回传提供无间断传输支撑;同时,启动应急卫星通信车到达预定位置,卫星通信无人机起飞至应急空域提供通信信号覆盖,光学遥感无人机与一线人员手持形变监测传感器进行机动灵活的环境数据采集。

根据第2.1节中提出的基于通导遥融合应用的典型感知平台进行具体技术装备选型。这里使用的通信资源包括通信卫星、卫星通信便携终端、应急卫星通信车和通信无人机;导航资源包括北斗卫星、北斗形变监测站、手持终端等;遥感资源包括遥感卫星、光学遥感无人机。资源信息见表1。在实际应用中,本文采用我国北斗卫星定位导航授时服务系统支持统一时空基准,在各类遥感器上携载北斗卫星导航终端,各类感知信息就具有精确的时间和空间属性,同时感知信息的空间基准与我国2000国家大地坐标系(CGCS2000)基准一致。

基于第2节提出的服务框架,构建新型通导遥融合应用的信息智能服务系统,见图5。该系统在试验中实现卫星资源分析、数据汇集、日常自动化监测、辅助应急智能决策等功能。

图5 新型通导遥融合应用的信息智能服务系统Fig.5 Information intelligence service system for new CNR-integrated application

3.3 试验结果及讨论

在日常监测中,通过卫星数字高程模型(DEM)与无人机倾斜摄影测量DEM获取的数据生成3维立体影像如图6(a)所示,周期性获取了Worldview-3、高分二号等0.6m高分辨率遥感影像,自动分类察隅地区用地类型,可自动识别房屋建筑,如图6(b)和图6(c)所示;通过固定形变监测传感器实时获取坡面形变监测数据,北斗监测站与基准站空间分布见图6(d),监测结果见6(e)。在应急响应中,通信卫星中星16号在察隅地区资源可用性分析如图6(f)和图6(g)所示。基于新型通导遥融合应用的信息智能服务系统,一站式获取多源感知数据并对大数据进行智能化处理,面向各应用场景支撑动态决策。例如,在监测到察隅地区发生重大地质灾害时,图6(a)～图6(g)可支撑应急响应中的救援路线规划与灵活调整,图6(h)为不同优势的应急救援路线的智能规划与对比,本次试验结果包括通导遥资源覆盖最完善的路线、救援路况最优路线和融合网络覆盖路线。

面向应急响应与指挥,常规的通信、导航、遥感系统分立响应,全流程需要大量的人力,响应效率一般为天级,其中,针对尾矿库环境监测,通导遥融合应用的最快应急响应范围为2～4h[7]。经过仿真模拟试验,表2结果显示新型通导遥融合应用的信息智能服务系统在应急响应业务中,全链条响应时间可缩短至1h(其中,遥感卫星图像获取时间最快15min,融合网络实时回传,智能化分析与决策在30min之内)。只需要1～2人进行调度与系统操作,可实现自动化、智能化分析,优势明显。本文试验为仿真模拟验证,环境条件设置在一定程度上受人为因素影响,在实际应急响应中,环境条件更为复杂,可能会降低响应效率。因此,新型通导遥融合应用的实时信息智能服务系统仍需要在实践中不断优化响应机制与相关计算机执行规则等。

表2 新型通导遥融合应用的信息智能服务系统响应时效Table 2 Response of information intelligence service system for new CNR-integrated application

4 结束语

面向各行业领域对信息智能服务的高时效性、高精准性、高连续性需求,本文分析当前待解决的难点与挑战,从多星组网角度提出基于通导遥融合应用提升实时信息智能服务能力的思路,设计构建新型通导遥融合应用的信息智能服务架构,可一站式实现空间资源协同应用分析及快速高效信息响应。该架构补充了以往研究中遥感大数据、视频数据高效回传的空白,在多源感知平台协同、融合组网传输与智能处理、信息分发与展示的全链条信息服务上,优化了通导遥融合应用的信息智能服务机制及系统方法。选择西藏察隅地区,面向重大灾害进行日常监测和应急响应进行试验,在时空大数据智能处理技术、3维可视化技术、网络融合技术与智能终端的支持下,验证了新型通导遥融合应用的信息服务系统在通导遥资源协同规划、应急通信融合网络抗毁性能、灾情评估自动化与智能化等方面的优势。

与当前成熟的单系统和以往的通导遥融合应用系统相比,新型通导遥融合应用的信息智能服务系统在一定程度上突破了通信、导航和遥感卫星系统壁垒,可一站式仿真模拟可用的通导遥空间资源,提高资源协同效率,进而提升信息服务的响应时效性。该系统对于提升实时信息智能服务系统节省了部分人力及其他资源成本,在决策支撑方面具备一定的高时效响应优势。当前,我国的通导遥资源各自所属不同的系统管理,仍需要各自发送指令进行通导遥的资源调动。因此,通导遥融合应用的新型信息服务探索空间很大,在载荷技术融合、多星组网、信息情报智能处理等方面也仍旧面临诸多技术挑战。

新型通导遥融合应用的信息智能服务是卫星应用与数字化、智能化、网络化技术结合的一种新思路,具有一定的理论探索意义。本文的研究可为通导遥融合应用的信息智能服务系统开发提供顶层设计参考,有助于进一步推动以实时位置、通信为特征的即时信息服务产业发展,提升卫星应用规模化应用。