3月5日14時(shí)01分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭，成功將我國(guó)首次批量研制的銀河航天02批批產(chǎn)衛(wèi)星（包括“北郵-銀河號(hào)”衛(wèi)星在內(nèi)的六顆低軌寬帶通信衛(wèi)星和一顆遙感衛(wèi)星）送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。該批衛(wèi)星主要用于低軌互聯(lián)網(wǎng)星座組網(wǎng)技術(shù)和服務(wù)能力驗(yàn)證，以及通信遙感技術(shù)融合試驗(yàn)。此次成功發(fā)射驗(yàn)證了我國(guó)具備建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)巨型星座所必須的衛(wèi)星低成本、批量研制以及組網(wǎng)運(yùn)營(yíng)能力，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)商業(yè)低軌衛(wèi)星通信遙感一體化技術(shù)發(fā)展具有積極意義。
低軌衛(wèi)星通信遙感融合：架構(gòu)、技術(shù)與試驗(yàn)
彭木根1，張世杰2,3，許宏濤1，張夢(mèng)菲1，孫耀華1，程瑛3
1.?北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京?100876；
2.?銀河航天（北京）科技有限公司，北京?100192；
3.?媒體融合生產(chǎn)技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京?100803
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【摘 要】低軌衛(wèi)星系統(tǒng)是獲取空間信息和破解寬帶數(shù)字鴻溝的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，通信與遙感融合是解決現(xiàn)有遙感和通信分治、衛(wèi)星重置、應(yīng)急業(yè)務(wù)響應(yīng)不及時(shí)等問(wèn)題的有效途徑。概述了低軌通信和遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)狀，針對(duì)通信和遙感融合需求，提出了通信遙感融合方案及體系架構(gòu)，闡述了基于該體系架構(gòu)的硬件組成及融合試驗(yàn)方案，最后探討了相關(guān)挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展。【關(guān)鍵詞】通信遙感融合；低軌衛(wèi)星；即感即傳【Abstract】Low earth?orbit (LEO) satellite system is one of the most important infrastructures to gather spatial information and break the broadband digital divide. The integration of communication and remote sensing is an effective way to solve the existing problems of system independence, satellite resource waste, and late response to emergency service requests. Firstly, the status of communication?and remote sensing in LEO satellite systems?were outlined, and then a communication and remote sensing integrated scheme and architecture were put forward?to meet the integration requirements.?In addition,?a hardware composition and corresponding experiment based on this architecture was?introduced. Finally, the relevant challenges and future development were?discused.
【key words】integration of communication and remote sensing, LEO satellite, real-time remote sensing and transmission
論文引用格式：
彭木根, 張世杰, 許宏濤, 等. 低軌衛(wèi)星通信遙感融合：架構(gòu)、技術(shù)與試驗(yàn)[J]. 電信科學(xué), 2022, 38(1): 13-24.
PENG M G, ZHANG S J, XU H T, et al. Communication and remote sensing integrated LEO satellites:architecture, technologies and experiment[J]. Telecommunications Science, 2022, 38(1): 13-24.
0 引言
低軌遙感衛(wèi)星系統(tǒng)為對(duì)地觀測(cè)提供了數(shù)據(jù)保障，已廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救援、大氣觀測(cè)等領(lǐng)域，促進(jìn)了社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)在國(guó)防領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略地位也日益凸顯。另一方面，低軌寬帶通信衛(wèi)星近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，美國(guó)以OneWeb、Starlink為代表的低軌商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)星座已進(jìn)入快速建設(shè)期，并為“黑杰克”“空間傳輸層”等項(xiàng)目提供服務(wù)；我國(guó)也相繼提出了鴻雁星座、虹云工程等一系列低軌星座發(fā)展計(jì)劃，在商業(yè)等領(lǐng)域均有巨大應(yīng)用前景。現(xiàn)有遙感系統(tǒng)采用周期性、批處理的運(yùn)行方式，存在衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)間短、地面接收資源不足、各處理環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立煩雜等問(wèn)題，難以滿足大量、低時(shí)延的遙感信息獲取需求。為解決上述問(wèn)題，結(jié)合低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，以及節(jié)省有限的低軌衛(wèi)星載荷、軌道和頻率等寶貴資源，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的遙感和通信融合大勢(shì)所趨。實(shí)際上，6G的一個(gè)重要技術(shù)特征就是采用非體面網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial network，NTN），在提供10 100倍于5G傳輸速率的同時(shí)，開(kāi)發(fā)新的空中接口，實(shí)現(xiàn)傳感、通信、導(dǎo)航、計(jì)算的融合。為克服傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)性能瓶頸，通信遙感功能可依托低軌衛(wèi)星進(jìn)行融合，最終實(shí)現(xiàn)即感即傳的愿景。具體而言，通過(guò)在低軌衛(wèi)星上同時(shí)搭載通信與遙感載荷，并借助在軌任務(wù)調(diào)度與信息智能分發(fā)、高速綜合信號(hào)處理、地面站網(wǎng)資源融合管控等關(guān)鍵技術(shù)，提升遙感數(shù)據(jù)分發(fā)速率和遙感任務(wù)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。國(guó)內(nèi)外對(duì)衛(wèi)星遙感通信融合展開(kāi)了初步研究。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)快記錄慢發(fā)布模式的遙感數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的下行鏈路，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮準(zhǔn)實(shí)時(shí)下傳。針對(duì)遙感衛(wèi)星的通信任務(wù)規(guī)劃，文獻(xiàn)綜合考慮數(shù)據(jù)采集鏈中的各類(lèi)資源，提出了一個(gè)標(biāo)簽約束最短路徑的框架以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。針對(duì)多星協(xié)同問(wèn)題，文獻(xiàn)比較了地面和低軌小星座無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)的異同，提出一種從衛(wèi)星負(fù)責(zé)感知、主衛(wèi)星負(fù)責(zé)與地面站通信的多星協(xié)同通感方案。此外，文獻(xiàn)基于具備星間鏈的Walker低軌遙感星座提出了一種遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)算法，能夠最小化遙感數(shù)據(jù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)下傳的時(shí)間。通過(guò)在應(yīng)急導(dǎo)航/通信系統(tǒng)中集成地球觀測(cè)信息、在地面/衛(wèi)星混合網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中集成納米衛(wèi)星，文獻(xiàn)提出了面向應(yīng)急場(chǎng)景的通信、導(dǎo)航、遙感三網(wǎng)協(xié)同方法。與此同時(shí)，各國(guó)關(guān)于衛(wèi)星通感融合的相關(guān)項(xiàng)目也在推進(jìn)當(dāng)中：2018年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局發(fā)起“黑杰克”項(xiàng)目，計(jì)劃開(kāi)發(fā)一個(gè)搭載軍用通信、導(dǎo)航、偵察、預(yù)警等多類(lèi)任務(wù)載荷的自主智能低軌星座；美國(guó)陸軍融合項(xiàng)目計(jì)劃借助低軌星座通信傳輸能力連接傳感器與作戰(zhàn)武器，構(gòu)建20秒殺傷鏈；俄羅斯于2018年提出打造通導(dǎo)遙一體化星座——“球體”，提供寬帶通信、機(jī)器對(duì)機(jī)器通信、偵察、導(dǎo)航等多種功能；針對(duì)集成遙感、通信、導(dǎo)航系統(tǒng)的空間基礎(chǔ)設(shè)施，我國(guó)在《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）》中提出了一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)協(xié)同、數(shù)據(jù)集成發(fā)展的思路?？傮w來(lái)說(shuō)，基于低軌星座的遙感通信融合研究已取得一些進(jìn)展，但低軌衛(wèi)星同時(shí)部署遙感和通信載荷的試驗(yàn)?zāi)壳吧袩o(wú)公開(kāi)案例。1 低軌衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展
遙感起源于航空探測(cè)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代遙感系統(tǒng)借助光學(xué)相機(jī)、合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）等傳感器，接收來(lái)自地球空間的各種電磁波信息并進(jìn)行處理分析，能實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)從而得到目標(biāo)的物理特征及變化規(guī)律，具有宏觀動(dòng)態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。隨著遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防戰(zhàn)略安全等領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛，全球各國(guó)積極組織遙感衛(wèi)星技術(shù)研發(fā)，空間分辨率、時(shí)間分辨率等性能指標(biāo)不斷提高。
1.1??國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
全球在軌運(yùn)行的遙感衛(wèi)星主要運(yùn)行在300 800 km的低軌道，運(yùn)行速度快、周期短，相比于無(wú)人機(jī)、浮空器等遙感類(lèi)型具備獨(dú)有的周期性廣域覆蓋和全球快速訪問(wèn)優(yōu)勢(shì)，因此遙感衛(wèi)星建設(shè)已成為各國(guó)科技發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、日本、歐洲航天局等國(guó)家和機(jī)構(gòu)均展開(kāi)了衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的建設(shè)和規(guī)劃。目前具有代表性的先進(jìn)高分辨率系統(tǒng)有美國(guó)的WorldView系列、法國(guó)的SPOT系列、加拿大的RadarSat系列以及中國(guó)“高分”系列等?？傮w而言，全球低軌遙感衛(wèi)星規(guī)模不斷壯大，美國(guó)在其中仍處于領(lǐng)先水平。我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展40多年，現(xiàn)已躋身航天大國(guó)行列，衛(wèi)星事業(yè)正面臨難得的發(fā)展機(jī)遇?；谖覈?guó)全球發(fā)展戰(zhàn)略和國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，近年來(lái)國(guó)家接連論證發(fā)布了《高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)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）》和《中國(guó)面向全球的綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)十年執(zhí)行計(jì)劃（2016—2025年）》，計(jì)劃構(gòu)建多分辨率配置、多觀測(cè)技術(shù)組合的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)以提升全球觀測(cè)和數(shù)據(jù)獲取能力，加快中國(guó)的空間信息與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。
1.2??傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星體系架構(gòu)
衛(wèi)星遙感系統(tǒng)完成一次任務(wù)操作，涉及的環(huán)節(jié)包括指令上注、數(shù)據(jù)獲取、星上處理、數(shù)據(jù)下傳、數(shù)據(jù)處理與分發(fā)。遙感衛(wèi)星的工作模式則包括成像記錄、數(shù)據(jù)回放、準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)傳任務(wù)等10種，同一時(shí)刻只能工作在一種工作模式中，具體由運(yùn)控指令進(jìn)行控制。傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖1所示，由衛(wèi)星平臺(tái)、有效載荷、星地鏈路、地面系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)有序協(xié)同配合，完成遙感作業(yè)。