卫星遥感与6G通信遥感一体化

卫星遥感与6G通信遥感一体化

陈序

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摘要：现代遥感技术起源于20世纪60年代，1960年，美国成功发射了世界上第一颗气象卫星TIROS-1，并随后于1972年发射了第一颗地球资源技术卫星ERTS-1。随着众多国家的跟进研究，卫星的空间分辨率和时间分辨率得到不断提升，卫星遥感逐渐形成了百花齐放的繁荣局面：1986年法国发射的SPOT-1将空间分辨率提高到10m；1999年美国发射的伊科诺斯（IKNOS）卫星将空间分辨率提高到1m；我国自2013年开始发射的部分“高分”系列卫星更是将空间分辨率提高到亚米级。卫星遥感实现了人类观测地物在距离和观测手段两个维度的延伸。卫星可以在数万千米外观测地球，从全局气象观测、地物变化检测，到局部目标的监测和地表植被、作物分类，卫星遥感实现了多层次对地观测能力。

关键词：卫星遥感；6G通信；通信遥感一体化；

引言

卫星遥感系统通常由遥感卫星和地面测控系统、控制系统和数据处理系统组成。测控系统利用地面站进行卫星跟踪、遥控和轨道维护,计算最新卫星轨道并发送至控制系统,由控制系统生成的卫星控制命令由站内卫星执行。控制系统接受各种遥感要求,协调卫星和数据接收站的规划,生成发送到测控系统卫星的卫星控制命令,生成发送到数据接收站的数据接收计划;根据控制命令对地球进行观测的遥感卫星,以收集遥感数据并将其传输到接收站,接收站在接收后将其传输到数据处理系统;数据处理系统处理原始遥感数据,并创建数据产品或信息产品以发送给遥感用户。

1、卫星遥感领域智能化的现状

1)传统遥感解译方法不适应海量数据信息的深度挖掘。随着高分辨率卫星的快速发展和国产卫星数量的增多,国产卫星实现了高、中、低分辨率影像的全覆盖,影像数据呈现高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的“三高”现象,从海量的遥感影像数据中获取有效信息特征是当前的迫切需求。卫星遥感数据量的激增、数据分析的急迫和传统技术瓶颈之间的沟壑需要一种全新高效的技术手段来解决。伴随着大数据、云计算、人工智能技术近年来的蓬勃发展和广泛应用,遥感技术对新型解译能力的需求迫切,越来越多的科研院所和高科技公司着手尝试利用深度学习方法解决海量遥感影像的解译问题,在目标识别、变化检测、地表信息提取、土地利用等算法、算例方面取得了一些阶段性进展和成果,将遥感技术与人工智能技术相结合,人工智能赋能遥感技术,探索出一条贯穿海量多源影像数据从处理、分析到应用的全链路,大幅缩短遥感图像解译周期,提高解译精准度,促进遥感技术应用的变革,催生新遥感应用领域的生成。2)样本标注数量远远不够支撑人工智能解译模型的训练。样本集是人工智能解译进行样本标注和模型训练、测试验证的集合,解译样本库的好坏直接影响遥感智能解译的精度。样本标注一般采用监督分类学习方法进行人工样本标注或者半自动化标注,自动化程度不高,需要投入大量的人力成本。目前国内缺乏内容全面、高质量的样本库。而遥感应用场景的丰富性,多样性,甚至同一解译对象在不同空间、时间维度下所展现出不同的特性,同物异谱、异物同谱,使样本数据的复杂性呈几何倍数增长,导致将大部分遥感应用领域中正确标注的样本集合成库进行人工神经网络模型训练时,获得有效解译模型的可能性极低。

2、我国遥感技术发展

时至今日，以对地观测为核心的卫星遥感技术已经应用到国防安全和国民经济行业的方方面面，成为国家经济水平、科技水平、国防军事水平的综合体现，也是大国科技博弈的主要赛道之一。我国卫星遥感领域起步于20世纪80年代，经过40年的发展，我国的空间探测技术实现了弯道超车，目前处于国际先进水平。1999年，中巴地球资源卫星成功发射标志着我国陆地遥感系统的起步。在20余年的发展之后，我国已经成功构建了包括资源系列、环境系列、高分系列在内的多个对地观测系统，广泛应用于灾害检测、气象环境监测、国土资源规划等领域。2013年，我国的第一颗高分系列卫星“高分一号”发射成功，在单星上实现了大幅宽与高空间分辨率的结合，其全色空间分辨率达到2m，是我国高分辨率卫星的里程碑。次年，“高分二号”在此基础上进一步提高空间分辨率，星下点分辨率达到0.8m。在随后的几年，高分系列工程稳步推进，2016年发射首颗搭载SAR的“高分三号”，2019年发射首颗载有激光测高仪的全色多光谱立体相机，2020年发射高分多模卫星，其全波段分辨率均可达到0.5m，这是目前国内民用遥感卫星所能达到的最高分辨率。

3、遥感卫星应用现状

１）卫星信息获取的准确性和可用性难以满足应用需求：各卫星独立运行，卫星遥感数据的获取未形成体系，共同聚焦到应用目标，导致获取的冗余信息和无用信息过多，形成大量重复性、同质化的数据，一方面给地面处理造成了很大压力，另一方面有效信息难以满足应用时效性的需要。２）卫星遥感数据的传输下传是制约卫星应用效能的瓶颈之一：当前，遥感卫星唯一的数据通路通过地面站直接下传，并未建立空间链路，没有形成空间信息网络。随着发射卫星数量的增加，卫星在轨获取的数据量成倍增长，该问题将越发突出，同样大幅影响数据应用的时效性。３）数据运营中心化模式制约卫星遥感数据的有效分发和应用：我国卫星管理和运营采用地面站接收＋中心分发的模式，导致数据中心的处理工作量大、响应不及时，在遥感卫星数量大规模增长的形势下，易形成数据中心手忙脚乱、千头万绪，用户却翘首以盼、望眼欲穿的局面。４）模式推演结合人工判读的方式使卫星遥感数据难以高效利用：在信息提取和使用方面，我国大多卫星数据处于“填图拼图、看图说话、模式推演”的状态，同时面对爆发式产生的多元数据，完全依赖人工判读的方式已不现实。

4、6G通信遥感一体化体系架构设想

未来的6G技术会将卫星与地面通信深度融合，构建空天地一体化的全球全域网络，这个网络构建完成后，将形成一个对全球近地空间无缝覆盖的宽带网络，全球近地空间任意位置将可以采用无线方式快速接入网络进行数据传输。其中地面部分可以将传统的地面站（数据处理系统、运控系统、测控系统等）整合为一个地面遥感中心，其主要职能包括卫星测量控轨、卫星控制和任务指令生成与上注、原始遥感数据接收处理以及遥感信息分发。地基接入点是一些配备对空天线的基站，遥感卫星可以通过地面网络的空中接口接入。信关站主要由射频分系统、基带分系统组成，总体功能包括卫星馈电侧无线信号收发和射频信号处理、基带信号处理和空口协议处理等，卫星可以通过信关站进行星地传输。此外，地面重要用户节点可以通过搭载便携终端，实现卫星直连，完成用户端直接上注指令并获取遥感数据。

5、6G通信对卫星遥感系统的影响

6G综合宽带网络建成后,将形成覆盖全球近地空间的无缝宽带网络,近地空间任何地方都可以通过无线通信快速接入数据传输。卫星遥感系统的组成和运行方式也正在发生革命性的变化,当测量和控制时间窗口、数据传输时间窗口的概念不复存在时,系统将不再依赖于有限的测量和控制站在给定时间窗口注释卫星指令,而是借助于随时随地的天地宽带网络,卫星可以在近地空间的任何地方。同样,遥感数据的传输也将摆脱数据接收站适当的时间窗口的限制,卫星可以将遥感数据传输到世界任何地方的任何地方,数据存储的延迟和再现这种数据传输模式将成为历史,卫星数据传输模式将主要是实时传输。在一定程度上可以认为,测控资源和接收资源是无限的,遥感卫星将不再局限于测控资源和接收资源,可以充分利用卫星的能力,实现对需求的最大满足和资源的最大利用。

6、6G通信时代卫星遥感系统展望

6.1基于物联网、５Ｇ技术的星间、星地数据传输与通信技术

物联网技术是解决物与物、人与物、人与人之间的互联互通的网络，５Ｇ技术是最新一代移动通信技术，其性能目标是高速率、低延迟、低能耗、大容量、低成本。物联网技术与５Ｇ技术相结合的天基实现，将为遥感卫星系统星间、星地的数据传输与通信提供便捷的技术手段，并使传输速率取得质的飞跃，成为系统管理及信息分发的高速公路。国内外对天基物联网技术已有一定研究基础，主要探索了异构网络节点接入、信息处理、应用协议标准等，但高速移动下的卫星间物联网组网问题仍有待深入研究。５Ｇ技术起源于地面移动通信，但随着低轨商用通信星座建设的不断深入，已出现了将５Ｇ技术扩展到天基实现的研究，但尚面临多项技术制约，其核心主要包括基于５Ｇ标准的卫星系统网络架构设计、卫星星座动态重构与协同组网、动态路由等问题。总体上，基于物联网与５Ｇ技术的星间、星地数据传输与通信距离实现尚有较大的差距。

6.2三维建模

遥感图像的三维建模在资源检测、自然地理研究、城市规划建设等诸多领域都有着十分重要的应用。根据数据处理、建模、渲染等关键方法的不同，业界将遥感图像三维模型生成分为表面模型生成方法、模式匹配生成方法和三维过程化内容生成（3Dproceduralcontentgeneration，3D-PCG）方法3种。3种方法在不同的建模场景中各有优势：表面模型生成方法基于点云和过程化生成网络，主要应用于视觉场景的建模生成过程；模式匹配生成方法将遥感地图中的不同位置轮廓信息与数据库中已知的建筑结构相匹配，之后再将拆分的子结构组装起来形成建模构图；3D-PCG方法将三维建模中的建筑生成工作抽象为二维地表网络的结构化运算，其建模能力更强、渲染效果更好。近年来，基于多源数据融合的三维建模成为主流研究方向，常见的融合建模方法主要结合航空摄影技术或地面近景摄影技术。

结束语

6G通信技术能够连接地面无线网络与卫星通信网络，以超快的传输速度实现全球覆盖与空天地一体，为卫星遥感实现“即感即传、全球实时覆盖”提供发展机遇。本文回顾了国内卫星遥感系统的发展历程，详述了卫星遥感技术的应用与挑战。最后分析了6G通信遥感一体化架构、发展实时大众化卫星遥感服务、开展高低轨卫星协同观测的空天信息智能服务的若干展望与技术挑战，希望能助力我国天基信息实时智能服务系统建设和空天地海一体化的相关研究。

参考文献

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