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李德仁院士:从珞珈系列卫星到东方慧眼星座

2023-09-30   武汉大学学报   阅读量:231

    为了应对万物互联时代天基信息的实时智能服务需求,建设系统联通、时空融合、服务畅通的通导遥一体化(positioning,navigation,timing,remote sensing,communication,PNTRC)天基信息实时服务系统,支持各类用户在任何地方、任何时间的信息获取、高精度定位授时与多媒体通信服务,武汉大学布局了珞珈系列科学试验卫星,用于验证通导遥一体化天基信息实时服务的关键技术。为了进一步推动PNTRC系统建设,武汉大学联合山东省烟台市政府,提出东方慧眼(Oriental SmartEye,OSE)智能遥感卫星星座计划,将通过通导遥一体化、卫星星座组网观测、在轨处理和人工智能等关键技术,实现卫星遥感从服务政府、服务行业到服务大众的服务模式创新跨越,开辟商业遥感的蓝海市场。

    据航天卫星数据库显示,截至2021-12-31,全球遥感卫星在轨数量达到了1192颗,已初步形成了面向不同需求、不同任务的多层次空间对地观测系统。其中,美国建成了以高分辨率对地观测卫星WorldView系列为代表的光学遥感卫星体系,并进一步利用RapidEye、SkySat等小卫星星座实现全球监测服务;法国SPOT和Pleiades系列组成卫星星座,实现了每天两次的全球观测重访能力。相对于美国、法国等世界航天强国,中国高分辨率光学遥感卫星的研制和应用起步较晚。目前,具有代表性的高分辨光学遥感为天绘、资源、高分和商业遥感系列卫星。在过去十余年,中国遥感卫星实现了从“有”到“好”的跨越式发展,逐步实现了业务化、商业化和国际出口。全球遥感卫星正在不断向更高、更多、更小、更短、更稳、更准方向发展,正越来越多地在国防、资源调查、应急响应等领域扮演愈加重要的角色。

    但是,目前遥感信息服务的时效性、有效性和应用的广泛性尚不能很好地满足高时效用户和大众用户的应用需求。为解决这些问题,建设通信、导航、遥感集成的低成本星座系统成为了国际上的浪潮。由美国SpaceX公司推动的Star?link卫星网络星链计划,旨在建立一个庞大的卫星星座,实现全球宽带互联网覆盖。该系统未来将通过融合通信和地球观测功能,提供全球范围内的通信和遥感一体化服务星盾计划。英国的OneWeb公司也计划建设大规模低轨卫星星座,用于提供全球宽带互联网覆盖,特别关注服务于偏远地区用户。该系统目前已有600余颗卫星在轨运行,并计划在未来部署其第二代星。中国在2020年4月将卫星互联网纳入新基建范围,标志着中国低轨卫星星座建设进入了快速发展阶段,在这之后启动了星网通信卫星星座计划。同时,“十四五”规划纲要也明确提出打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系的要求,支持生态气象、应急减灾、经济发展等多个领域的应用需求,为各个行业提供全面的空间信息支持,助力实现可持续发展和智慧城市建设。

    2016-05-30,在全国科技创新大会上,习近平总书记指示:“必须推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展”。为进一步促进中国对天对地观测的智能化水平,实现时空信息重大技术的突破与自主可控,推动中国从航天大国走向航天强国发展,笔者提出通过多学科深度交叉融合和技术创新,建设面向通信、导航、遥感集成的低轨卫星星座系统,支撑中国空间信息在社会信息化、数字化、智能化经济等的规模化产业应用,将遥感应用从专业用户和政府用户推广到全球大众用户,包括B2B(business to business)、B2G(business to government)、B2C(business to customer)。

    天基信息的实时智能服务

    在国家空间基础设施专项的推动下,中国军民商卫星遥感系统取得了辉煌成绩,在轨遥感卫星数量300余颗,实现了跨越式发展,但问题也非常突出,如何高效率、低成本、稳定化获取并“快、准、灵”地使用数据,是促进遥感产业快速发展的关键。

    针对当前卫星遥感系统以载荷为核心的任务深度定制、以地面管理应用为主的研产与服务模式,通过基础卫星平台集成、协同计算架构、自主任务规划、在轨数据处理与实时智能服务等关键技术,开创适应对地观测态势感知的空间云脑体系,构建系统联通、时空融合、服务畅通的通导遥一体化(positioning,navigation,timing,remote sensing,communication,PNTRC)天基信息实时服务系统,将遥感信息按需实时地送达各类军民用户,形成完整的卫星制造、发射、应用产业链,服务于国民经济与国防建设主战场。

    1 发展 PNTRC 系统的战略意义

    笔者在十余年之前就指出:“发展PNTRC系统对于推动中国空间科学技术的创新和发展,提高中国航天领域的地位和影响力具有重要意义”。该系统在兼顾传统非实时、专业用户基础上,瞄准天基信息增量用户,包括实时专业用户和大众用户,实现空天信息从专业服务到大众服务和军民应用的转变。此外,通过提供实时的空天数据和服务,可以推动空天信息行业的升级和扩展,催生向上游技术和下游应用延伸,形成更完整的产业链。在PNTRC系统建成后,有望推动形成万亿元的商业市场。

    2 构建 PNTRC 系统面临的难题

    建设PNTRC系统需要依赖通信、导航和遥感卫星的协同工作,但是中国现有的通信、导航、遥感卫星系统各成体系,构建PNTRC天基实时服务系统存在如下难题:

    1)系统孤立。当前通信、导航、遥感卫星系统各自发展,注重的功能和应用领域有所不同,无法为空天信息服务提供一体化平台。

    2)信息分离。通信、导航、遥感卫星系统在硬件设计限制、老旧技术与标准和软件与协议兼容性3个方面状态固化,使得任务的更新和扩展变得困难。

    3)服务滞后。在某些地区或特定环境下,通信、导航和遥感卫星系统由于信号传输延迟、信号接收困难或数据处理延迟等原因,无法进行实时服务。

    3 建设 PNTRC 系统技术路线

    PNTRC系统建设包括实时导航增强与精密授时、快速遥感服务和天地一体移动宽带通信传输三大功能:

    1)实时导航增强服务。在全球为各种类型用户提供米-分米级高精度实时导航定位信息;精密授时设计,提供时间信息和时间同步信息。

    2)快速遥感服务。全天时、全天候、实时的遥感数据获取、通过光学与雷达卫星组合和天地通信网分发,实现将感兴趣的信息及时推送给用户的移动终端(小于5min延迟,优于5m精度)。

    3)天地一体移动宽带通信传输。通过克服地面通信网络覆盖范围不足的局限,可为全球用户提供安全、可靠、高速的天地一体化通信和数据传输服务。

    PNTRC系统建设涉及通信、导航、遥感、人工智能等多个领域,需要突破“一星多用、多星组网、天地互联、多网融合、统一基准、关联表征、数据挖掘、知识发现、星地协同、组网传输、智能处理、按需服务”关键技术。

    考虑到PNTRC建设的需求和中国空天信息发展的现状,笔者牵头联名了9位院士,通过中国工程院向中共中央、国务院呈送《加强军民融合夺取空天制信息权的建议》,建议分如下“三步走”来建设空天信息实时智能服务系统:

    第一步,构建局域服务系统(大湾区、南海、海南、珠江、长江、黄河流域、京津冀)。发射50颗0.5m高分辨的低轨遥感/导航增强卫星(光学卫星25颗、合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)卫星25颗)和1~3颗地球静止轨道高轨通信卫星,形成初级星座,目标信息获取优于5min,实时导航定位精度为亚米级,具有90个波束覆盖全亚太,每个波束出向带宽最大1Gbps,入向200Mbps,点对点或广播,落地后通过5G上手机。

    第二步,构建区域服务系统(中国及一带一路)。发射150颗低轨通信/导航增强卫星和150颗低轨多角度遥感卫星(具备星间通信能力),形成中级星座,目标信息获取优于5min,实时导航定位精度为亚米级,具有自适应变带宽,单波束最高速率达到40Mbps。其中,低轨通信卫星可依托国内具有星间链路的低轨通信星座发展计划,如鸿雁、虹云等,并增加导航增强载荷。

    第三步,构建全球服务系统。在中国6G低轨通信卫星网络中布设500~1000颗低轨遥感卫星(具备星间通信能力),空间分辨率优于0.5m,时间分辨率优于3min,实时导航定位精度为亚米级,全网通信容量不低于600Gbps,支持高速移动过程中的音视频通话能力和遥感影像的接收能力。

    珞珈系列卫星

    根据PNTRC系统建设涉及的关键技术,遵照“一星多用、智能服务”的思路开展遥感新体制、应用新技术探索,为推动地球空间信息战略性新兴产业的发展,武汉大学地球空间信息协同创新中心布局了珞珈一号01星、珞珈二号01星、珞珈三号01星等珞珈系列科学试验卫星,如图1所示。未来,珞珈系列卫星还将计划发射珞珈三号02星、珞珈四号01星等卫星,实现对地球表面的全区域、全天候、全天时动态监测。

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图1珞珈系列卫星示意图

    1 珞珈一号 01星

    2018-06-02,武汉大学牵头研制的全球首颗专业夜光遥感卫星“珞珈一号01星”成功发射入轨。该星搭载了导航增强载荷,用于开展卫星导航信号增强和星基北斗完好性监测技术验证试验,为中国开展新一代导航信号增强关键技术研究及PNTRC系统建设提供理论试验依据。相较于传统遥感卫星,该星具有如下优势:

    1)建立了全球首颗专业夜光遥感卫星,为夜光遥感的宏观经济分析等研究提供重要数据支撑。在理想条件下,可在15天内绘制完成全球夜光影像,提供中国及全球国内生产总值指数、碳排放指数、城市住房空置率指数等专题产品。

    2)与中国电子科技集团第54研究所合作研制了国内第一套导航增强载荷,为整星提供实时轨道和授时,实现了星上时空基准自主维持。低轨导航增强载荷的设计,突破了星上信号收发干扰隔离技术、高性能星历编码技术等多项核心技术,具有自主知识产权。

    3)设计和研制了北斗/低轨卫星导航增强联合接收机和模拟器,解决低轨导航增强信号高动态与捕获灵敏度和跟踪精度之间的矛盾,在低轨卫星时空基准维持和低轨卫星导航增强星座优化设计方面达到国际领先水平。经实测分析,该低轨导航增强技术可达到米级(伪距法)和厘米级(相位差分法)定位精度。

    珞珈一号01星已完成夜光遥感130m地表分辨率数据的发布与运行服务,已经获取有效数据5900景,向3000多位用户免费分发了40000景数据。用户包括联合国以及美国、英国、德国、法国等16个国家,在地震、森林火灾、难民安置等应急求援服务中得到应用,成功验证了低轨导航增强技术支撑北斗高精度导航服务走向全球的可行性,同时通过夜光遥感支持联合国可持续发展目标,推动了中国PNTRC天基信息实时智能服务系统一体化建设。

    2 珞珈二号 01 星

    2023-05-21,长征二号丙运载火箭在酒泉卫星发射中心顺利升空,以一箭三星方式将搭载发射的珞珈二号01星送入预定轨道。该星是武汉大学与中国航天科工二院23所和中国航天科技集团公司501所合作的研究成果。目前已建成业务化的“云+端”遥感应用系统,首次实现了“天+端”移动设备操控高分辨率SAR卫星应用服务。作为高分辨率Ka频段SAR卫星,珞珈二号01星性能指标高,先进性和创新性突出,主要表现在以下4个方面:

    1)开辟了新手段。扩展SAR成像频段,从L、C、X频段扩展至Ka频段,高频Ka频段遥感同时具有光学和微波的优点,极大地丰富了探测手段,能够满足目标识别级的遥感感知、高分辨率、视频等多种探测需求。

    2)研制了新平台。验证新型高集成度小型化平台技术,实现了整星电子设备高集成板卡式设计、双极化X频段相控阵数传天线技术和基于载荷的一体化构形设计,为产品标准化、模块化设计奠定了重要技术基础。

    3)验证了新模式。实现多角度三维立体信息获取、视频SAR等成像模式,丰富获取信息的维度。对同一区域进行方位向多角度观测,克服陡峭山区雷达阴影、叠掩等几何畸变严重的制约,有望成为困难地区测图“数据处理难”问题的有效解决办法。同时,星载视频SAR成像技术可以获取观测场景的SAR图像码流,拓展了信息获取的时间维度,更加适用于运动目标和时变场景的观测。

    4)拓展了新应用。验证Ka频段相控阵天线SAR成像与数传一体化技术,包括导航信号增强和导航信息增强的低轨导航增强技术,扩展其在工程监测、全流域水体水质监测和碳中和等相关行业应用。

    如图2和图3所示,珞珈二号01星影像与其他影像对比,具有光学和微波的优点,细节刻画能力突出,对于发生洪涝灾害的地区,能够识别出溃口、堤坝垮塌等情况。

    珞珈二号01星成功验证了SAR遥感新体制雷达技术、新型高集成度小型化平台技术、在轨智能化设计技术,并开展了目标识别级遥感感知相关的试验验证,为集群式卫星星座建设及军民融合应用奠定基础。

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图2 珞珈二号 01 星 Ka 波段成像与其他多种 SAR 波段成像对比