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低轨卫星通信遥感融合:架构、技术与试验.docx
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低轨卫星通信遥感融合:架构、技术与试验.docx
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低轨遥感卫星系统为对地观测提供了数据保障,已广泛应用于森林火灾监
测、应急救援、大气观测等领域,促进了社会与经济发展,同时在国防领域的
重要战略地位也日益凸显。另一方面,低轨宽带通信卫星近年来受到广泛关注 ,
美国以 OneWeb、Starlink 为代表的低轨商业互联网星座已进入快速建设期,
并为“黑杰克”“空间传输层”等项目提供服务
[1]
;我国也相继提出了鸿雁星座、虹
云工程等一系列低轨星座发展计划
[2]
,在商业等领域均有巨大应用前景。现有遥
感系统采用周期性、批处理的运行方式,存在卫星过顶时间短、地面接收资源
不足、各处理环节相对独立烦杂等问题,难以满足大量、低时延的遥感信息获
取需求
[3]
。为解决上述问题,结合低轨卫星通信系统的发展,以及节省有限的低
轨卫星载荷、轨道和频率等宝贵资源,低轨卫星系统的遥感和通信融合大势所
趋。实际上 , 6G 的一个重 要技术特征就是采 用非体面网络( non-terrestrial
network,NTN),在提供 10 100 倍于 5G 传输速率的同时,开发新的空中接
口,实现传感、通信、导航、计算的融合
[4]
。
为克服传统遥感卫星系统性能瓶颈,通信遥感功能可依托低轨卫星进行融
合,最终实现即感即传的愿景。具体而言,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。
国内外对卫星遥感通信融合展开了初步研究。文献 [5]设计了一个快记录慢
发布模式的遥感数据传输子系统和对应的下行链路,实现了数据无损压缩准实
时下传。针对遥感卫星的通信任务规划,文献[6]综合考虑数据采集链中的各类
资源,提出了一个标签约束最短路径的框架以实现快速响应。针对多星协同问
题,文献[7]比较了地面和低轨小星座无线感知网络的异同,提出一种从卫星负
责感知、主卫星负责与地面站通信的多星协同通感方案。此外,文献[8]基于具
备星间链的 Walker 低轨遥感星座提出了一种遥感数据转发算法,能够最小化遥
感数据请求和数据下传的时间。通过在应急导航/通信系统中集成地球观测信息、
在地面/卫星混合网络基础设施中集成纳米卫星,文献[9]提出了面向应急场景的
通信、导航、遥感三网协同方法。与此同时,各国关于卫星通感融合的相关项
目也在推进当中:2018 年,美国国防高级研究计划局发起“黑杰克”项目,计划
开发一个搭载军用通信、导航、侦察、预警等多类任务载荷的自主智能低轨星
座
[10]
;美国陆军融合项目计划借助低轨星座通信传输能力连接传感器与作战武器,
构建 20 秒杀伤链;俄罗斯于 2018 年提出打造通导遥一体化星座——“球体”,提
供宽带通信、机器对机器通信、侦察、导航等多种功能
[11]
;针对集成遥感、通信、
导航系统的空间基础设施,我国在《国家民用空间基础设施中长期发展规划
(2015—2025 年)》中提出了一星多用、多星组网、多网协同、数据集成发展
的思路。总体来说,基于低轨星座的遥感通信融合研究已取得一些进展,但低
轨卫星同时部署遥感和通信载荷的试验目前尚无公开案例。
1 低轨卫星遥感技术发展
遥感起源于航空探测,经过半个多世纪的发展,现代遥感系统借助光学相
机、合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)等传感器,接收来自地
球空间的各种电磁波信息并进行处理分析,能实现全天候观测从而得到目标的
物理特征及变化规律,具有宏观动态的优点。随着遥感技术在生态环境监测、
国防战略安全等领域应用愈加广泛,全球各国积极组织遥感卫星技术研发,空
间分辨率、时间分辨率等性能指标不断提高。
1.1 国内外研究现状
全球在轨运行的遥感卫星主要运行在 300 800 km 的低轨道,运行速度快、
周期短,相比于无人机、浮空器等遥感类型具备独有的周期性广域覆盖和全球
快速访问优势
[12]
,因此遥感卫星建设已成为各国科技发展竞争的焦点,美国、法
国、俄罗斯、日本、欧洲航天局等国家和机构均展开了卫星遥感系统的建设和
规划。目前具有代表性的先进高分辨率系统有美国的 WorldView 系列、法国的
SPOT 系列、加拿大的 RadarSat 系列以及中国“高分”系列等。总体而言,全球
低轨遥感卫星规模不断壮大,美国在其中仍处于领先水平。我国航天事业发展
40 多年,现已跻身航天大国行列,卫星事业正面临难得的发展机遇。基于我国
全球发展战略和国民经济产业发展需求,近年来国家接连论证发布了《高分辨
率对地观测系统重大专项》《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—
2025 年)》和《中国面 向全球的综合地球观测 系统十年执行计划(2016—
2025 年)》,计划构建多分辨率配置、多观测技术组合的卫星遥感系统以提升
全球观测和数据获取能力,加快中国的空间信息与应用技术发展
[13]
。
1.2 传统遥感卫星体系架构
卫星遥感系统完成一次任务操作,涉及的环节包括指令上注、数据获取、
星上处理、数据下传、数据处理与分发。遥感卫星的工作模式则包括成像记录、
数据回放、准实时数传任务等 10 种,同一时刻只能工作在一种工作模式中,具
体由运控指令进行控制。传统遥感卫星系统的体系架构如图 1 所示,由卫星平
台、有效载荷、星地链路、地面系统 4 个子系统组成,各系统有序协同配合,
完成遥感作业
[14]
。
● 卫星平台:遥感卫星常采用太阳同步轨道、回归轨道等 1 000 km 以下低
轨
[15]
,也有部分处于地球同步轨道,本文主要针对低轨遥感卫星与星座进行探讨。
低轨卫星具有发射成本低、重访次数高、数据传输率高等优点,更利于完成全
球观测任务和观测数据快速下传。
● 有效载荷:有效载荷即卫星平台搭载的对地感知观测设备,目前已投入
使用的包括光学、合成孔径雷达、多光谱/高光谱等各类载荷,其性能直接关系
到遥感的分辨率和成像质量。我国高分二号卫星已具有全色 0.8 m 的高空间分
辨率。
图 1
图 1传统遥感卫星系统的体系架构
● 星地链路:主要包括测控链路和数传链路,测控链路主要以 S/X 频段为
主,数据传输链路主要以 X 频段为主
[15]
。我国部分地面站具备 Ka 频段的下行数
据接收能力,码速率可达 4×1.5 Gbit/s
[16]
。
● 地面系统:地面段主要包括运控系统、测控系统、数据接收站、数据处
理系统
[3]
。
运控系统作为地面控制中心,根据遥感需求生成卫星控制指令和遥感任务
计划、统筹调度地面站网资源;测控系统负责卫星遥测与轨道保持、上注运控
系统分发的控制指令、监视卫星平台和载荷运行工况;数据接收站根据运控系
统发布的工作计划,完成遥感数据下行接收;数据处理系统对原始遥感数据做
辐射校正及几何校正等进一步处理,生成对应的遥感信息产品分发给用户。目
前,我国遥感卫星地面站承担着中国全部的民用陆地观测卫星和空间科学卫星
任务,呈现了以北京总部为中心,连接密云、喀什、三亚、昆明、北极 5 个卫
星接收站的结构,形成了完整的卫星数据接收、传输、存档、处理、分发体系
[16]
。
1.3 问题挑战
随着遥感精度不断提升,原始遥感数据量成倍增长,每日生成数据量可达
几十 TB。同时,遥感作为抢险救灾、海域监察、全球目标监测等场景中的重要
辅助手段,应实现分钟级的响应。然而,以下因素严重限制了遥感信息获取的
时效性。
● 地面系统由于各种因素无法实现全球布站,大部分测控站和接收站都处
于境内且发展较为滞后,测控和接收资源都非常有限。
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