张庆君, 李 堃, 吕 争
(中国空间技术研究院遥感卫星总体部, 北京 100094)
遥感卫星作为重要的近地空间信息获取手段，因其宽幅覆盖及全球重访能力等优势，受到行业用户的广泛青睐[1]。“十二五”“十三五”期间，我国通过“高分辨率对地观测重大科技专项”和“国家空间基础设施中长期规划”的实施，突破了卫星遥感高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率、高辐射分辨率以及全天时全天候数据获取等关键技术，在卫星及载荷指标上逐步向世界先进水平靠拢，有效地服务于国家应急减灾和国民经济建设等领域[2]。
然而，随着遥感应用的时效性、多元化、定量化、个性化需求不断提升，当前各天基遥感手段孤立工作，造成信息获取响应速度慢、目标针对性不强以及数据冗余、杂乱，再分析再利用困难等问题日益突出，使在轨遥感卫星难以体系化应用。不论是出于满足应用需求的目的，还是牵引未来发展的考虑，都使新一代卫星遥感系统的研究迫在眉睫。从应用角度出发，在设计中应考虑最大化系统整体效能，而非孤立遥感卫星的效能。因此，新一代遥感系统应以联合规划、联合响应、联合处理能力为特征，从信息获取、信息传输、信息处理和信息应用的全链条进行革新，构建空天地一体化智联系统。其中，卫星获取的对象应由传统数据向近实时信息转变，数据传输模式应由点对点的固定传输模式向动态近实时传输模式转变，通过卫星与卫星间、卫星与地面间的通信，实现观测需求、已观测区域及所获取信息的安全互通；
同时，卫星在功能上应具备在轨实时重构能力，系统内的节点应具备智能化特征，实现一体化智联遥感。
综观科技领域，物联网(Internet of Things)、第五代移动通信网络(5G)、云计算(Cloud Computing)、大数据(Big Data)、区块链(Blockchain)、人工智能(Artificial Intelligence)、软件定义(Software Defined)等新兴技术无疑是各行业的研究热点，也同样是上述问题的潜在解决手段。随着星上及地面终端硬件水平的不断提升、计算能力的大幅提高，这些新兴技术已初步具备在新一代智联遥感系统中应用的可能性，其在空间系统领域的交叉融合必将为卫星设计带来全新的思路。因此，研究基于物联网、5G、云计算、大数据、区块链、人工智能等技术的空天地一体化智联遥感系统，具有迫切的需求与深远的意义。
1.1 遥感卫星应用现状
我国遥感卫星在数十年的发展历程中，已由以技术进步为主、仅能满足单一信息获取需求的传统卫星遥感时期，逐步过渡到以技术进步与应用并重、能够实现多维信息获取的现代卫星遥感时期。然而，站在用户需求角度，卫星遥感距离好用易用仍存在较大差距。现有遥感卫星体系建设中存在一“重”一“轻”的情况，“重”的是卫星工程建设，“轻”的是卫星应用规划，导致在轨遥感卫星数量与应用效能不匹配，在应用中带来如下问题：
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。
5)相对独立的运行体系导致商业遥感等其他系统难以融入：空间基础设施的运营主要依托国有企业，而商业遥感的运营则主要依托商业公司，这使得商业卫星常常游离于核心体系之外，难以发挥其作用，且不利于引入竞争机制、优胜劣汰，制约了卫星遥感的长远发展和技术快速进步。
上述种种问题迫使我们必须在充分继承原有规划优势的基础上，综合利用物联网、5G、云计算、大数据、区块链、人工智能等先进技术，全面突破以上制约，打造“好用、管用、开放、共赢、可持续发展”的新一代空间遥感系统，实现由遥感卫星到卫星遥感的全流程规划。
1.2 未来趋势
随着时代的变革，航天技术引领信息技术发展的模式已逐步转变为信息技术驱动航天技术发展的模式。当今，国际航天领域正处于技术革新的机遇期，智能互联、大数据所带来的信息服务形式与便利性正深刻地影响着遥感用户的应用需求，受其影响，遥感卫星将由独立终端转变为智联系统中的信息节点，而未来的卫星遥感系统也将以联合规划、联合响应、联合处理能力为特征，在信息获取、信息传输、信息处理和信息应用等多方面发生重大转变，例如：
1)由“图像/数据获取”转变为“近实时信息/知识获取”；
2)由“单打独斗”转变为“群策群力”，实现系统内信息完整、及时、可信、可靠的互联互通，满足智能观测需求；
3)由“模式推演为主、测量为辅”转变为“测量为主、模式为辅”；
4)真正在应用方式上有所突破，例如，由灾后救治向灾前预防转变。
因此，依托物联网、5G、云计算、大数据、区块链、人工智能等技术，利用系统工程理论，开展空天地一体化智联遥感系统研究，有望为卫星遥感行业带来全新的突破。
2.1 体系架构设计
面向卫星用户灵活多变的观测需求，针对不同用户的定制数据应相互保密、无法修改等特点，在未来遥感任务牵引下，拟构建基于物联网、5G、云计算、大数据、区块链、人工智能等技术的空天地一体化智联遥感系统，以适应高时效性、多元化融合、定量化监测、个性化服务的要求。系统包含管理层、感知层、传输层、处理层、信息层、应用层等多层结构，初步设想如图1所示。
图1 智联遥感系统体系架构
1)管理层：用于智能管理，实现卫星系统的同规划、同调度、同处理，以满足系统自主运行、效能最优的需求；
2)感知层：包含各类数据获取传感器，可根据观测需求进行实时重构，实现遥感信息的智能、灵活获取；
3)传输层：用于信息传输，实现星间、星地的高速通信，实现“一星获取，全网皆知”；
4)处理层：用于智能处理，实现遥感数据与有效信息间的近实时转换，真正提升信息获取时效性；
5)信息层：用于信息归类和表征，实现信息高效利用，提升成像计划数据获取针对性，并为用户使用或政策制订提供决策信息；
6)应用层：直接面向行业、商业、个人等各类用户，统筹在轨卫星资源，实现个性化定制服务，降低卫星使用门槛，提高卫星使用率。
2.2 关键技术
上述体系架构有望大幅优化卫星遥感系统综合性能，对信息获取、传输、处理和应用流程进行全面革新，其实现建立在各项新技术支撑的前提下。例如，应用物联网技术可将天基、空基遥感载荷与地面站、用户终端构建为空天地一体化系统；
应用5G技术可为遥感卫星建立高速率、高容量、大规模的通信链路，解决遥感卫星“不可见”、遥感数据“下不来”的问题；
应用大数据技术可建立遥感数据实时、动态管理机制，形成全球、全国信息一张图，提升成像任务的针对性及信息使用的便捷性；
应用云计算技术可融合空天地多域、散布、异构、动态的计算资源，为协同智能处理提供算力；
应用区块链技术建立的访问控制与维护策略可为空间信息资源共享创造可靠的合作机制，使用户可直接面向卫星，卫星亦可识别用户，实现区分优先级的响应；
应用人工智能技术可建立系统、卫星、载荷三级智能架构，精确匹配用户需求、精细规划系统任务、精准获取目标信息；
应用软件定义技术可实现多星协同、一星多用，优化信息获取与传输能力。综上，对空天地一体化智联遥感系统关键技术梳理如下：
(1)基于区块链的分布式多中心系统管理技术
区块链技术起源于信息技术领域，从本质上讲，区块链是一个共享数据库，存储于其中的数据或信息，具有去中心化、不可伪造、全程留痕、可以追溯、公开透明、集体维护等特征。基于上述特征，区块链技术奠定了坚实的信任基础，为空间信息管理与交互创造了可靠的合作机制。因此，区块链可构建管理层的基础，打造分布式、多中心，可支持同规划、同调度、同处理的系统管理机制。
当前，区块链技术虽然在金融等行业中取得了广泛的应用，但在天基领域的应用仍属起步阶段。国外方面，根据文献报道，美国开展了基于区块链技术的多传感器卫星架构技术研究[3]，以及基于区块链技术的卫星通信网络框架研究；
国内方面，开展了基于卫星传输的区块链数据同步系统研究。总体而言，该项技术在天基领域的应用尚接近于空白，迫切需要开展基于区块链的分布式多中心系统管理技术研究。
(2)基于人工智能的系统、卫星、载荷多级智能体系设计技术
人工智能技术是计算机科学的一个分支，是研究利用计算机来模拟人的某些思维过程和智能的学科(如学习、推理、思考、规划等)，近年来在各领域中获得了广泛应用，同样为空间信息的智能获取提供了有效途径，可用以构造系统、卫星、载荷的多级智能体系，实现对观测需求的最优感知。
遥感是一个与人工智能关联密切的领域，然而，在遥感卫星与载荷设计方面，国内外并未形成系统性研究。在系统设计方面，基于人工智能的卫星系统技术研究成果主要包括：以遥感卫星为对象的遥感自主智能感知技术，以卫星组网观测为对象的遥感群体智能感知技术[4]。在载荷设计方面，主要研究成果包括基于人工智能技术的光学遥感载荷系统等[5]。综上所述，人工智能在遥感卫星系统设计中的应用是点状的，如何结合多中心系统管理架构，构造智能、互联的遥感卫星体系，仍需开展大量的研究工作。
(3)基于软件定义的卫星、载荷多功能可重构技术
软件定义技术来源于软件定义无线电概念，其天基领域的应用即采取软件定义的手段,在相同的载荷硬件设备上通过超算等手段实现不同功能的即时切换。该技术可通过功能更新使卫星适应不断发展的用户需求；
可通过加载不同的软件，实现卫星的多功能化；
可改变目前以有效载荷为核心的卫星设计理念，使卫星具备功能的可重构能力和灵活性。
近年来，软件定义技术在卫星设计中的应用逐步成为行业的一项研究热点。在顶层设计方面，主要研究成果包括软件定义卫星的系统架构设计、空间路由算法及资源管理技术等[6-7]；
在卫星与载荷功能设计方面，国内外在光学及雷达系统中均开展了初步研究，主要包括光学图像增强、雷达数字波束形成研究等[8]。相对其他新兴技术，软件定义在卫星中的应用研究具有一定基础，但如何综合卫星平台计算能力及硬件资源，真正实现卫星及载荷功能的可重构，仍有漫长的道路需要探索。
(4)基于大数据、云计算的星地协同遥感信息挖掘技术
大数据技术属于信息技术领域，是采用新处理模式来获取无法通过常规手段捕捉的高价值信息资产的一门学科，随着云时代的来临，该技术在海量信息的深度分析中展现出很强的应用潜力。云计算技术是由多种技术长期演变并融合的产物，涵盖了信息技术、互联网技术中的分布式计算、并行计算等。云计算技术的出现大幅降低了大数据的应用门槛，是大数据的有力承载。数据量庞大是遥感卫星的典型特征，数据的分布、并行存储与处理，以及星地协同的信息挖掘可提升信息获取、知识共享及任务规划的效率与针对性，因此，大数据、云计算技术相结合，可为遥感卫星与卫星遥感数据的高效利用提供可行的技术途径。
随着深度学习等技术的突飞猛进，大数据、云计算技术在卫星遥感数据中的应用已经成为了可能。国内外针对遥感数据异构特征明显、数据规模急速增长、应用时效性高等特点[9]，开展了数据中心体系架构设计与实现[10]、数据并行存储[11]与调度机制研究[12]、程序架构设计，以及针对特定遥感手段的目标自动识别等技术研究，但距离多元、多谱段(频段)、海量数据的分布式存取及星地协同近实时信息挖掘尚有较大差距，亟待通过关键技术攻关真正满足应用需求。
(5)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[13-15]，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[16-17]。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。
当前，区块链、人工智能、软件定义、大数据、云计算、物联网、5G等技术飞速发展，不断提升信息技术在当前时代的影响力，提高了人类的生活质量。受制于卫星系统的复杂性与产业的封闭性，上述技术在遥感卫星设计中的应用仍处于空白阶段或起步阶段。然而，近年来，随着民用航天、商业航天项目的爆炸式增长，传统的遥感卫星设计对用户需求的满足度逐步降低，将上述先进技术引入航天系统设计中，实现从遥感卫星至卫星遥感的全流程革新，已刻不容缓。本文基于现有遥感卫星体系的不足，提出了具有管理层、感知层、传输层、处理层、信息层、应用层等多层结构的天地一体化智联遥感系统架构，以真正实现遥感卫星系统的同规划、同调度、同处理的多元协同。在此基础上，梳理了5项亟待突破的关键技术，由于本领域涉及诸多交叉学科，后续需联合各领域的优势科研院所、高等院校和业务用户，共同开展体系规划与建设，建立共享协同的技术创新体系，推动关键技术攻关，共同突破新兴技术在遥感卫星领域中的应用，实现遥感卫星系统的升级换代，为我国建设航天强国的宏伟目标提供坚实的技术基础。
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