通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星技術(shù)在應(yīng)急管理領(lǐng)域的應(yīng)用

文｜彭珺

橢圓時(shí)空（北京）科技有限公司

一、前言

全球氣候變暖背景下，我國(guó)極端天氣氣候事件多發(fā)頻發(fā)，高溫、暴雨、洪澇、干旱等自然災(zāi)害易發(fā)高發(fā)。亟需強(qiáng)化衛(wèi)星遙感、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合創(chuàng)新應(yīng)用，加強(qiáng)綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，提高預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)效性準(zhǔn)確性。目前,我國(guó)高分辨率衛(wèi)星遙感、北斗導(dǎo)航、衛(wèi)星通信等民用空間基礎(chǔ)設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用水平不斷提升，但衛(wèi)星監(jiān)測(cè)預(yù)警精準(zhǔn)性和衛(wèi)星服務(wù)時(shí)效性尚有欠缺。尤其是衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感服務(wù)體系各自孤立，導(dǎo)致衛(wèi)星通導(dǎo)遙一體化服務(wù)和融合應(yīng)用方面存在困難?！丁笆奈濉眹?guó)家綜合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃》提出，開(kāi)展“通導(dǎo)遙”一體化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與示范工程建設(shè)，提升衛(wèi)星監(jiān)測(cè)預(yù)警能力；推動(dòng)研發(fā)多體制融合衛(wèi)星通信系統(tǒng)和綜合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理中心建設(shè)，配套研制一體化融合通信裝備，實(shí)現(xiàn)全天候、全時(shí)段、復(fù)雜地形條件下的實(shí)時(shí)雙向通信和數(shù)據(jù)傳輸，提高人員定位、應(yīng)急救援等服務(wù)水平。因此，探索通導(dǎo)遙一體化的衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

二、背景及現(xiàn)狀

我國(guó)航天領(lǐng)域經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，形成了覆蓋通信、導(dǎo)航、遙感的衛(wèi)星譜系。隨著高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)國(guó)家科技重大專項(xiàng)、《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》的有力推進(jìn)，中國(guó)航天進(jìn)入創(chuàng)新發(fā)展“快車(chē)道”，衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感等服務(wù)得到快速發(fā)展。

在衛(wèi)星通信方面，目前衛(wèi)星通信應(yīng)用仍以衛(wèi)星廣播和固定通訊業(yè)務(wù)為主；衛(wèi)星移動(dòng)通信主要提供語(yǔ)音、窄帶通信服務(wù)，主要用于應(yīng)急行業(yè)、野外作業(yè)等場(chǎng)景，成本較高，大眾化應(yīng)用尚不廣泛。

在衛(wèi)星導(dǎo)航方面，2020年，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成開(kāi)通。北斗系統(tǒng)具備定位導(dǎo)航授時(shí)、全球短報(bào)文通信、區(qū)域短報(bào)文通信、國(guó)際搜救、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位共七類服務(wù)能力，服務(wù)性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。目前，北斗系統(tǒng)的行業(yè)應(yīng)用處于規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展期，應(yīng)用市場(chǎng)前景良好、潛力較大。

在衛(wèi)星遙感方面，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，遙感衛(wèi)星民用分辨率由幾十米逐步提高至亞米級(jí)，遙感衛(wèi)星服務(wù)朝著更精細(xì)、更高頻等方向發(fā)展，并衍生出多星組網(wǎng)等衛(wèi)星星座運(yùn)營(yíng)模式。目前衛(wèi)星遙感服務(wù)仍以提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為主，服務(wù)模式以常規(guī)重訪監(jiān)測(cè)模式為主，直接應(yīng)用產(chǎn)值低于導(dǎo)航和通信應(yīng)用。

綜上，目前我國(guó)衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感各自積累了顯著成果。而在空天信息一體化綜合服務(wù)方面，尤其是面向具有即時(shí)性服務(wù)需求的領(lǐng)域，比如應(yīng)急管理的災(zāi)害救援、態(tài)勢(shì)推演等場(chǎng)景，由于衛(wèi)星遙感、導(dǎo)航、通信服務(wù)體系各自孤立，導(dǎo)致實(shí)時(shí)融合困難，尚且無(wú)法滿足即時(shí)服務(wù)等應(yīng)用需求。因此，亟需突破現(xiàn)有衛(wèi)星的服務(wù)體系，探索衛(wèi)星通導(dǎo)遙一體化的服務(wù)模式，推動(dòng)形成天基綜合服務(wù)的全新業(yè)態(tài)，為應(yīng)急管理等應(yīng)用領(lǐng)域提供更快、更準(zhǔn)、更全的多維綜合數(shù)據(jù)服務(wù)。

三、應(yīng)用探索

在應(yīng)用探索方面，衛(wèi)星通導(dǎo)遙技術(shù)在應(yīng)急管理領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在自然災(zāi)害場(chǎng)景方面，包括地質(zhì)災(zāi)害/洪澇災(zāi)害/林火災(zāi)害/地震及海洋災(zāi)害等場(chǎng)景，整體可分為事前、事發(fā)、事中、事后幾個(gè)階段（圖1）。

圖1 衛(wèi)星通導(dǎo)遙技術(shù)在應(yīng)急管理領(lǐng)域的應(yīng)用階段示意圖

1.事前階段：透徹感知

在事前階段，核心是進(jìn)行透徹感知，融合空/天/地/人四個(gè)維度的災(zāi)害監(jiān)測(cè)“一張網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)自然災(zāi)害的早發(fā)現(xiàn)/早預(yù)警/早處置（圖2）。在此階段，衛(wèi)星通導(dǎo)遙技術(shù)能提供的核心能力為：一是利用衛(wèi)星遙感的面狀拍攝和感知能力，對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行常態(tài)化感知監(jiān)測(cè)；二是提供廣域的物聯(lián)點(diǎn)位的通信能力，可以為多種災(zāi)害監(jiān)測(cè)的地面點(diǎn)位物聯(lián)傳感器提供數(shù)據(jù)通信傳輸服務(wù)，解決在山地/海洋等偏遠(yuǎn)沒(méi)有信號(hào)的區(qū)域布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸難題；三是可提供定位增強(qiáng)服務(wù)，支持在重點(diǎn)區(qū)域布設(shè)多個(gè)定位終端設(shè)備，及時(shí)感知與地表形變相關(guān)的災(zāi)害情況，比如泥石流/滑坡等災(zāi)害，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警。在數(shù)據(jù)維度劃分上，遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了空間面上全覆蓋而在時(shí)間維度上屬于抽樣觀測(cè)；物聯(lián)定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間維度連續(xù)觀測(cè)而在空間維度上抽樣布設(shè)，因此借助通導(dǎo)遙一體化服務(wù)可以整合多種數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)時(shí)空立體化觀測(cè)，并將過(guò)去的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)服務(wù)模式轉(zhuǎn)換為同源同時(shí)相服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天地融合的即時(shí)觀測(cè)和透徹感知。

圖2 事前階段示意圖

2.事發(fā)階段：即時(shí)服務(wù)

在事發(fā)階段，借助通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)天地聯(lián)動(dòng)策略，支持策略響應(yīng)式的新型即時(shí)遙感服務(wù)模式（圖3）。典型場(chǎng)景為，利用地面的物聯(lián)點(diǎn)位觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，一旦監(jiān)測(cè)到地面災(zāi)害發(fā)生，便可自動(dòng)觸發(fā)指令調(diào)度衛(wèi)星進(jìn)行即時(shí)拍攝，基于衛(wèi)星通信能力快速把融合處理后的數(shù)據(jù)成果第一時(shí)間傳達(dá)至戶地面終端，為后續(xù)的應(yīng)急救災(zāi)過(guò)程提供一手的衛(wèi)星觀測(cè)資料。

圖3 事發(fā)階段示意圖

3.事中階段：精準(zhǔn)救援

在事中階段，可利用通導(dǎo)遙一體化的多維感知數(shù)據(jù)和災(zāi)害機(jī)理模型，對(duì)災(zāi)害態(tài)勢(shì)進(jìn)行數(shù)字孿生推演預(yù)測(cè)（圖4），例如泥石流的動(dòng)態(tài)仿真與預(yù)測(cè)、滑坡趨勢(shì)分析、火情走勢(shì)分析，洪水蔓延淹沒(méi)預(yù)測(cè)等，來(lái)為應(yīng)急救災(zāi)的指揮調(diào)度和精準(zhǔn)救援提供依據(jù)。面對(duì)災(zāi)害事件中易發(fā)斷電及地面通信信號(hào)缺失的情況，通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星服務(wù)可以為災(zāi)中精準(zhǔn)救援提供通信保障和定位增強(qiáng)服務(wù)，便于在缺失地面信號(hào)的情況下開(kāi)展救援作業(yè)工作，提高人員及裝備定位精度和應(yīng)急救援服務(wù)水平。

圖4 事中階段示意圖

4.事后階段：災(zāi)后評(píng)估

在事后階段，服務(wù)災(zāi)后的損失評(píng)估，包括整體的受災(zāi)范圍測(cè)算，以及具體的房屋受災(zāi)/林地受災(zāi)/耕地及其他財(cái)產(chǎn)受災(zāi)情況的統(tǒng)計(jì)調(diào)查（圖5）。衛(wèi)星數(shù)據(jù)可為受災(zāi)評(píng)估提供直接的客觀觀測(cè)資料，有助于為災(zāi)后救助資源配置和保險(xiǎn)定損等業(yè)務(wù)提供客觀數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖5 事后階段示意圖

四、展望

通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星有助于轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的事后感知到新型的即時(shí)感知衛(wèi)星服務(wù)模式，進(jìn)而催生新的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星，通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全球覆蓋的廣域物聯(lián)，實(shí)現(xiàn)更為及時(shí)的時(shí)間維度連續(xù)感知；利用遙感與物聯(lián)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)相數(shù)據(jù)融合，有助于發(fā)展在軌融合計(jì)算和即時(shí)遙感等新型衛(wèi)星服務(wù)模式。

在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星可以服務(wù)于應(yīng)急管理/精準(zhǔn)作業(yè)等典型場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)與遙感的時(shí)空融合感知以及天基服務(wù)保障；通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星服務(wù)可以綜合提供通信、遙感以及導(dǎo)航定位增強(qiáng)服務(wù)，有助于保障全天候、全時(shí)段、復(fù)雜地形條件下的實(shí)時(shí)雙向通信和數(shù)據(jù)傳輸能力，實(shí)現(xiàn)天地聯(lián)動(dòng)的自主作業(yè)大閉環(huán)。

在太空科技領(lǐng)域，各國(guó)商業(yè)公司正在以科技創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)展開(kāi)新的競(jìng)賽。自2018年起，俄羅斯、美國(guó)等國(guó)際航天大國(guó)均陸續(xù)推出通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星星座研制計(jì)劃。我國(guó)商業(yè)衛(wèi)星公司橢圓時(shí)空提出星池計(jì)劃，可為全球用戶提供通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星服務(wù)，目前已在研制通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星并計(jì)劃組建衛(wèi)星星座。通過(guò)研制和運(yùn)營(yíng)通導(dǎo)遙一體化衛(wèi)星星座，中國(guó)的商業(yè)衛(wèi)星公司有望在這場(chǎng)新型太空科技競(jìng)賽中實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。