6G通信时代的卫星遥感系统展望

彭会湘，陈金勇，杨 斌，刘晓丽，杨纪伟

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.北京市遥感信息研究所，北京100192)

0 引言

卫星遥感系统通常由遥感卫星和地面测控系统、运控系统及数据处理系统组成。测控系统利用地基测控站实现对卫星的跟踪测量、遥测遥控及轨道维持[1]，计算卫星最新轨道发送至运控系统，并将运控系统生成的卫星控制指令利用测控站上注卫星执行；运控系统接收各类遥感需求，对其所管理的卫星和数据接收站进行统筹规划，生成卫星控制指令发送至测控系统上注卫星，生成数据接收计划下发至数据接收站；遥感卫星根据控制指令进行对地观测获取遥感数据并传输给数据接收站，数据接收站收到数据后发送至数据处理系统；数据处理系统对原始遥感数据进行处理，生成数据产品或信息产品发送给遥感用户。

可以看出，地面测控站和数据接收站是遥感业务不可或缺的重要资源，然而随着遥感需求的增加和卫星制造技术的成熟，在轨卫星数量急剧增加，而地面测控站和数据接收站的建设步伐远远滞后于卫星的发展，致使测控和接收资源异常紧。为解决这一问题，卫星遥感系统采用周期性、批处理的运行方式，针对大量常规遥感需求，根据需求优先级对卫星资源、测控资源及接收资源进行统筹规划，当资源不足以支撑所有遥感需求时，优先级低的需求便不能被安排[12]，针对常规遥感需求的资源不足通常表现为没有足够的接收资源。当有优先级高的应急观测需求时，则需要对已经上星尚未执行的指令进行调整，为了尽快拿到应急需求的遥感数据，往往需要征用分配给其他卫星的接收资源，导致其他已有需求不能被执行；另外，应急遥感需求通常需要临时申请测控资源将应急指令上注卫星，这种对资源进行申请-响应的模式，在一定程度上增加了应急条件下测控的响应时间[2]，有时因测控资源的不足申请不成功而导致应急遥感需求不能执行。

地面测控资源和数据接收资源不足对卫星遥感系统的能力造成了很大制约，致使遥感卫星的能力不能被充分发挥，也导致了大量遥感需求不能被安排，现有卫星遥感系统越来越难以充分满足社会的遥感需求。而6G 网络将构建地面无线与卫星通信集成的全连接世界，将宽带卫星通信与地面移动通信进行整合，以超快速度实现全球覆盖和万物互联[3-5]。研制建设基于6G天地一体化[6-8]宽带网络的新型卫星遥感系统，彻底摆脱对地面测控和接收资源的依赖，能够实现观测需求最大化满足、卫星资源最大化利用、应急业务[9-10]快速可靠响应，满足对遥感观测的需求。

1 卫星遥感系统现状

1.1 相关资源的概念

为了获取详细的遥感信息，遥感卫星大部分是低轨卫星，轨道高度一般在200～800 km，卫星围绕地球高速运行，相对地面速度约为8 km/s，加上各种传感器的使用约束，卫星与地面目标或设备相互作用的时间都很短，卫星遥感系统需要在极短的时间内执行相应指令，保证遥感任务的最终完成，与时间密切相关的几个概念包括：

卫星观测资源[11]：遥感卫星的传感器主要包括光学传感器和SAR传感器。传感器在卫星运行方向的视场角很小，使卫星对地面点目标访问的时间很短，尤其是大部分光学传感器的几何形状为线性阵列，与卫星前进方向垂直，靠卫星的运动对地面景物推扫成像，光学线性阵列对地面点目标的访问时间小于1 s，为了保证对目标可靠观测，传感器一般采用提前开机、滞后关机的策略。为了卫星安全，传感器开机要与上次关机保持一定时间间隔，不同卫星要求不同，一般十几秒到几十秒。在卫星遥感系统中，把传感器一次开机前的准备时间+开机工作时间称为一个卫星观测资源。

测控资源与接收资源[11]：地面站天线的仰角处于一定范围才能对卫星进行有效跟踪。地面站对低轨遥感卫星跟踪的时间也很短，最长一般为10 min左右，在卫星遥感系统中，将一个测控站对一颗卫星的一次跟踪时间称为一个测控资源，将一个数据接收站对一颗卫星的一次跟踪时间称为一个接收资源。

1.2 卫星遥感系统组成与工作流程

卫星遥感系统通常由遥感卫星和地面的测控系统、运控系统及数据处理系统组成。测控系统由测控中心和相关测控站组成，运控系统由运控中心和相关数据接收站组成，如图1所示。

图1 卫星遥感系统组成Fig.1 Composition of satellite remote sensing system

测控系统的主要作用是对卫星进行测量定轨、轨道维持和上注卫星控制指令；运控系统是整个地面系统的任务协调组织者，是整个地面系统指挥中枢[3]，主要作用是接收遥感需求，对卫星观测资源、测控资源及接收资源进行统筹规划，形成卫星控制指令和地面测控站/数据接收站工作计划，完成遥感数据的接收；数据处理系统对原始遥感数据进行辐射校正及几何校正，并根据遥感用户需求生成相应的数据产品和信息产品，通过网络发送给遥感用户，工作流程如图2所示。

图2 卫星遥感系统工作流程Fig.2 Workflow of satellite remote sensing system

具体工作流程如下：

① 测控系统根据工作计划对各卫星进行测量定轨，发现卫星偏离轨道后，进行轨道维持，使卫星回到设计轨道；

② 测控系统根据定轨得到的最新轨道根数以及各测控站的地理位置，计算每颗卫星的测控资源，并将最新的轨道根数和卫星测控资源数据发送至运控系统；

③ 运控系统接收到最新的卫星轨道根数后，根据各数据接收站的地理位置，计算每颗卫星的接收资源；

④ 数据处理系统接收遥感用户发送的遥感数据需求，如果有符合用户要求的数据直接提供给用户；如果没有符合要求的数据，则生成卫星遥感需求发送至运控系统；

⑤ 运控系统接收到遥感需求后，利用所有卫星的最新轨道根数，对遥感需求进行访问计算，得到所有的卫星观测资源，并过滤掉不符合时间要求的卫星观测资源；

⑥ 运控系统对所有卫星观测资源、测控资源和接收资源进行统筹规划，形成卫星控制指令和测控站业务测控计划发送至测控系统执行，形成数据跟踪接收计划下发至数据接收站执行；

⑦ 测控系统接收到卫星控制指令和测控站业务测控计划后，将指令上注到卫星；

⑧ 遥感卫星根据控制指令执行遥感任务，并将原始遥感数据发送至运控系统数据接收站；

⑨ 运控系统数据接收站接收到原始遥感数据后，将数据发送至数据处理系统；

⑩ 数据处理系统对原始遥感数据进行处理，生成相应的数据产品和信息产品，发送给遥感用户。

1.3 卫星遥感系统现状

随着遥感需求的增加和卫星制造技术的成熟，特别是以“吉林一号”为代表的微纳遥感卫星的研制成功，卫星制造成本显著降低，在轨卫星数量急剧增加，并且随着传感器技术的进步，遥感图像的分辨率越来越高、观测范围越来越大，导致原始遥感数据的数据量越来越大，而地面测控站和数据接收站的建设数量和数据传输带宽的发展却远滞后于卫星的发展，特别是大部分测控站和接收站都处于境内，致使测控和接收资源异常紧张。为了缓解这一矛盾，卫星遥感系统通常采用周期性、批处理的运行方式。各遥感用户需要提前2～3天将遥感需求发送至卫星遥感系统，卫星遥感系统提前1～2天根据遥感需求的优先级，对卫星观测资源、测控资源和接收资源进行统筹规划，生成卫星控制指令和跟踪接收计划，分别上注卫星和发送至数据接收站。当遥感需求数量比较多而接收资源不够时，优先级低的遥感需求将不能被安排，尽管卫星资源仍有剩余。

当有重大突发事件发生，需要用遥感卫星进行观测时，就会产生优先级很高的应急观测需求，该需求会与提前安排的观测计划产生冲突，因为应急观测需求的紧迫性和重要性，需要尽快安排卫星观测、尽快拿到遥感数据。为了保证应急需求的尽快可靠执行，卫星遥感系统会计算所有卫星对应急需求的访问时间[12-13]，选择访问时间最快的1～3颗卫星执行此任务。如果被选中卫星上存在与应急需求冲突的指令，则需要用应急需求生成的指令代替原有指令。为了尽快拿到遥感数据，还要选择该卫星最早的接收资源接收遥感数据。由于多颗卫星过顶地面站的时间窗口可能会出现交叉[4]，由此便产生了多颗卫星之间的接收资源冲突，如卫星A能够最快过顶应急需求，过顶应急需求的时间是9：40，卫星A对地面站X的过顶时间是10：00-10：10，而卫星B对地面站X的过顶时间是10：05-10：15，但在前期常规任务规划[10]中，将地面站分配给了卫星B，此时如果要用地面站X接收卫星A的应急遥感数据，便和卫星B的接收资源产生冲突，但为了尽快拿到应急遥感数据，卫星遥感系统会将地面站X临时分配给卫星A使用，而卫星B下传的数据将被地面站X忽略。由此看出，卫星A执行应急任务，不仅影响卫星A本身的原有任务，有时还会影响其他卫星的任务，如果为了保证应急需求的可靠性，会用多颗卫星来执行应急需求，对系统原有工作计划的影响将进一步扩大。

随着社会的快速发展，各种应急观测需求逐年快速上升，应急观测有常态化的趋势，卫星遥感系统越来越难以适应发展的需要。

2 6G通信网络的特点

6G网络将构建地面无线与卫星通信集成的全连接世界，将宽带卫星通信与地面移动通信相整合，以超快速度实现全球覆盖和万物互联[5]。

全球关于6G通信市场的竞争已经开始。CNET报道称，2019年3月，美国联邦通信委员会一致决定开放“太赫兹”频段，为6G开放实验频谱许可证，以此绕过5G市场，直接进入6G时代。与此同时，美国抓紧布局太空6G卫星网络，以填补5G空白，完善全球网络覆盖。美国商业航天公司SpaceX首次将60颗“星链” (Starlink)互联网卫星送入轨道。未来，SpaceX将建造12 000颗狮子座卫星，利用这些卫星建立一个全球性的卫星宽带网络，这也是目前6G建设的首次实质性尝试。如果SpaceX真的能够实现发射12 000颗卫星的目标，将是全球无线网络的一个巨大飞跃[5]。

6G移动通信技术建立在5G移动通信技术的基础之上，属于5G移动通信技术的全面优化和拓展延伸[6]。预计6G基站可以同时接入上千个无线连接且其容量可高达5G基站的1 000倍，下载速度预计可达1 TB/s。6G移动通信将应用全新的太赫兹频谱频段，广泛使用空间复用技术，并在高速通信、卫星雷达和物联网等十余个领域起到核心作用[7]。对于一些环境恶劣的地区，如在一些高远山区、海洋，建造5G基站难度很大，而在卫星互联网下，6G可以弥补5G网络的空缺，更重要的是能在重点尖端科技领域提供有力支持，如在潜海、太空和军事等更多的空间发挥特殊作用[5]。

6G移动通信采用毫米波与太赫兹等技术，对空间通信传输进行了优化，可使无线或移动终端的传输速率高达11 Gb/s，是5G传输速率的100倍左右，采用6G无线移动通信，不会再有任何等待延迟的感觉。

6G卫星通信网络可应用于电信卫星通信、卫星遥感图像传输及卫星导航定位与授时等，实现卫星通信天地融合全覆盖，集地面通信、卫星通信、海洋通信于一体的全连接宽带通信网络，实现全球无缝覆盖，填补沙漠、无人区及海洋等移动通信的“盲区”。

5G做到的是信息急速传输，却做不到真正全面的万物互联。6G网络将构建地面无线与卫星通信集成的全连接世界，通过将卫星通信整合到6G移动通信，让网络信号抵达任何一个偏远之处，并以超快的速度实现万物互联，标志真正物联通信的开始，人类将告别互联网，进入物联网时代[5]。

3 基于6G天地一体化宽带网络的卫星遥感系统

3.1 6G通信对卫星遥感系统的影响

6G天地一体化宽带网络建成后，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进行数据传输。卫星遥感系统组成和运行模式也将发生革命性的改变，届时测控时间窗口、数据传输时间窗口的概念将不复存在，系统将不再依赖有限的测控站在指定的时间窗口上注卫星指令，而是借助无处不在的天地宽带网络随时上注指令，而且上注指令时卫星可以在近地空间任何位置。同样，遥感数据的下传也将摆脱数据接收站在合适时间窗口的限制，卫星可以在任何位置将遥感数据传输至全球任意位置，数据存储延后回放这种数据传输模式将会成为历史，卫星的数传模式将以实时传输为主。在某种程度上可以认为，测控资源和接收资源是无限的，遥感卫星将再也不受测控资源和接收资源的限制，可以将卫星的能力发挥到极致，从而实现需求最大化满足、资源最大化利用。

3.2 6G通信时代卫星遥感系统展望

卫星遥感系统由遥感卫星、测控系统、运控系统和数据处理系统组成，如图3所示，但每个系统的职能或工作方式将与现在有很大变化。

图3 6G时代卫星遥感系统组成Fig.3 Composition of satellite remote sensing system in 6G Era

遥感卫星将作为重要的信息节点，无缝接入天地一体化宽带网络，其主要作用还是根据控制指令执行遥感任务，只是接收指令和下传数据的方式发生了变化，接收指令和下传数据将依托天地一体化宽带网络执行，可以根据任务需要随时随地进行。

测控系统的主要作用是对卫星进行测量定轨和轨道维持，上注卫星指令将不再是其主要职能。届时，测控系统对卫星的测定轨工作将主要依托天地一体化网络[14]中的测控节点进行，不再受时间窗口的限制，可以全球实时测控，地面测控站将作为保留手段在特殊情况下发挥作用。

运控系统将随时接收各用户的遥感需求，对卫星观测资源进行统筹分配，不再考虑接收资源分配的问题，从而大幅降低任务规划的难度，形成的卫星控制指令也不必提前较长时间集中上注，而是在该需求观测时刻之前即时上注，上注后将很快执行，星上不会预存大量待执行的指令。因为所有的观测需求都是即时上星的，因此常规观测需求和应急观测需求的界限将不再明显，只有优先级的差别，突发事件的应急观测需求不会对已有观测需求造成太大的冲击，并且因为不再使用测控站上注卫星指令，所以不存在申请测控资源的问题，也不会因申请测控资源失败导致应急观测需求不能执行的问题；因为不再使用数据接收站接收数据，所以也不存在执行应急任务的卫星与其他卫星争夺接收资源的问题，借助天地一体化宽带网络，应急观测需求的遥感数据将会实时下传，大幅缩短的应急响应时间。

6G时代卫星遥感系统的工作流程如图4所示。

图4 6G时代卫星遥感系统工作流程Fig.4 Workflow of satellite remote sensing system in 6G Era

具体工作流程如下：

① 测控系统根据工作计划对各卫星进行测量定轨，发现卫星偏离轨道后，进行轨道维持，使卫星回到设计轨道，并将最新轨道根数发送至运控系统；

② 遥感用户随时向数据处理系统提出数据需求，或者直接向运控系统提出遥感需求；

③ 数据处理系统接收遥感用户发送的遥感数据需求，如果有符合用户要求的数据直接提供给用户，如果没有符合要求的数据，则生成卫星遥感需求发送至运控系统；

④ 运控系统根据所有遥感需求的优先级，对卫星观测资源进行统筹规划，将卫星观测资源分配给相应的遥感需求，生成卫星控制指令，并通过天地一体化宽带网络上注到卫星；

⑤ 遥感卫星根据控制指令执行遥感任务，并将原始遥感数据通过天地一体化宽带网络实时发送至数据处理系统或遥感用户；

⑥ 数据处理系统对原始遥感数据进行处理，生成相应的数据产品和信息产品，发送给遥感用户。

3.3 基于IPv6的卫星遥感系统

6G时代万物互联之后，现有的IPv4将不能满足物联网的容量需求，IPv6将成为主流网络协议。万物互联时代人工智能技术必将高度成熟和广泛应用，届时每一颗遥感卫星都是一个具有遥感功能的智能网络终端，都有一个独立的IP地址。经过授权，遥感用户[15]将可以通过天地一体化宽带网络直接控制卫星执行遥感任务、获取遥感数据。随着卫星智能化水平的提高，运控系统的职能也将发生改变，其主要作用不再是进行卫星观测资源分配，而是进行卫星观测资源使用授权，运控中心将根据业务需要和用户级别，将不同的卫星观测资源授权给相应的用户，向用户发布卫星位置和空闲时段，用户可以使用专用卫星应用终端通过天地一体化宽带网络将遥感需求直接发送至卫星。当不同用户的观测需求产生冲突时，遥感卫星智能控制系统将根据需求的优先级进行仲裁，并将仲裁结果反馈给卫星应用终端；当卫星受理新需求，观测资源状态改变后，通过天地一体化宽带网络通知运控中心更新卫星观测资源状态。卫星执行完遥感任务后可以将遥感数据通过天地一体化宽带网络发送至数据处理系统或直接发送至用户的卫星应用终端。

基于IPv6的卫星遥感系统工作流程如图5所示。

图5 基于IPv6的卫星遥感系统工作流程Fig.5 Workflow of satellite remote sensing system based on IPv6

具体工作流程如下：

① 测控系统根据工作计划对各卫星进行测量定轨，发现卫星偏离轨道后，进行轨道维持，使卫星回到设计轨道，并将最新轨道根数发送至运控系统；

② 运控系统根据用户级别授权用户使用的卫星观测资源，并实时向遥感用户、数据处理系统发布卫星观测资源使用状态；

③ 遥感用户随时向数据处理系统提出数据需求，或者根据运控系统发布的卫星观测资源状态通过天地一体化宽带网络直接将遥感需求上注卫星；

④ 数据处理系统接收遥感用户发送的遥感数据需求，如果有符合用户要求的数据直接提供给用户，如果没有符合要求的数据，则生成卫星遥感需求，并通过天地一体化宽带网络直接将遥感需求上注卫星；

⑤ 遥感卫星收到不同用户遥感需求后，对有冲突的遥感需求根据用户的优先级进行仲裁，将仲裁后的遥感需求自动转化为卫星控制指令；

⑥ 遥感卫星根据控制指令执行遥感任务，并将原始遥感数据通过天地一体化宽带网络实时发送至数据处理系统或遥感用户；

⑦ 数据处理系统对原始遥感数据进行处理，生成相应的数据产品和信息产品，发送给遥感用户。

4 结束语

6G天地一体化网络目前尚处于论证阶段，本文分析了其对卫星遥感系统的影响，展望了6G时代卫星遥感系统各组成部分职能的变化，提出了基于6G天地一体化宽带网络和IPv6协议的卫星遥感系统工作模式和流程，该工作模式可大幅降低卫星遥感系统运行的复杂度，充分发挥遥感卫星的使用效能，可以为未来新型卫星遥感系统的论证提供参考。随着6G天地一体化网络的深化论证和发展，其能力和特点将逐步明晰，也必将促进对6G时代卫星遥感系统的论证工作。