通导遥一体化卫星技术在应急管理领域的应用

文｜彭珺

椭圆时空（北京）科技有限公司

一、前言

全球气候变暖背景下，我国极端天气气候事件多发频发，高温、暴雨、洪涝、干旱等自然灾害易发高发。亟需强化卫星遥感、大数据、云计算、物联网等技术融合创新应用，加强综合监测预警系统建设，提高预报预警时效性准确性。目前,我国高分辨率卫星遥感、北斗导航、卫星通信等民用空间基础设施防灾减灾应用水平不断提升，但卫星监测预警精准性和卫星服务时效性尚有欠缺。尤其是卫星通信、导航、遥感服务体系各自孤立，导致卫星通导遥一体化服务和融合应用方面存在困难。《“十四五”国家综合防灾减灾规划》提出，开展“通导遥”一体化应用关键技术攻关与示范工程建设，提升卫星监测预警能力；推动研发多体制融合卫星通信系统和综合数据业务处理中心建设，配套研制一体化融合通信装备，实现全天候、全时段、复杂地形条件下的实时双向通信和数据传输，提高人员定位、应急救援等服务水平。因此，探索通导遥一体化的卫星应用服务，具有重要的应用价值。

二、背景及现状

我国航天领域经过几十年的发展，形成了覆盖通信、导航、遥感的卫星谱系。随着高分辨率对地观测系统国家科技重大专项、《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》的有力推进，中国航天进入创新发展“快车道”，卫星通信、导航、遥感等服务得到快速发展。

在卫星通信方面，目前卫星通信应用仍以卫星广播和固定通讯业务为主；卫星移动通信主要提供语音、窄带通信服务，主要用于应急行业、野外作业等场景，成本较高，大众化应用尚不广泛。

在卫星导航方面，2020年，北斗三号全球卫星导航系统全面建成开通。北斗系统具备定位导航授时、全球短报文通信、区域短报文通信、国际搜救、星基增强、地基增强、精密单点定位共七类服务能力，服务性能达到世界先进水平。目前，北斗系统的行业应用处于规模化应用发展期，应用市场前景良好、潜力较大。

在卫星遥感方面，经过几十年的发展，遥感卫星民用分辨率由几十米逐步提高至亚米级，遥感卫星服务朝着更精细、更高频等方向发展，并衍生出多星组网等卫星星座运营模式。目前卫星遥感服务仍以提供基础数据为主，服务模式以常规重访监测模式为主，直接应用产值低于导航和通信应用。

综上，目前我国卫星通信、导航、遥感各自积累了显著成果。而在空天信息一体化综合服务方面，尤其是面向具有即时性服务需求的领域，比如应急管理的灾害救援、态势推演等场景，由于卫星遥感、导航、通信服务体系各自孤立，导致实时融合困难，尚且无法满足即时服务等应用需求。因此，亟需突破现有卫星的服务体系，探索卫星通导遥一体化的服务模式，推动形成天基综合服务的全新业态，为应急管理等应用领域提供更快、更准、更全的多维综合数据服务。

三、应用探索

在应用探索方面，卫星通导遥技术在应急管理领域的应用主要体现在自然灾害场景方面，包括地质灾害/洪涝灾害/林火灾害/地震及海洋灾害等场景，整体可分为事前、事发、事中、事后几个阶段（图1）。

图1 卫星通导遥技术在应急管理领域的应用阶段示意图

1.事前阶段：透彻感知

在事前阶段，核心是进行透彻感知，融合空/天/地/人四个维度的灾害监测“一张网”，实现自然灾害的早发现/早预警/早处置（图2）。在此阶段，卫星通导遥技术能提供的核心能力为：一是利用卫星遥感的面状拍摄和感知能力，对潜在风险区进行常态化感知监测；二是提供广域的物联点位的通信能力，可以为多种灾害监测的地面点位物联传感器提供数据通信传输服务，解决在山地/海洋等偏远没有信号的区域布设物联网的数据传输难题；三是可提供定位增强服务，支持在重点区域布设多个定位终端设备，及时感知与地表形变相关的灾害情况，比如泥石流/滑坡等灾害，并及时进行预报预警。在数据维度划分上，遥感数据实现了空间面上全覆盖而在时间维度上属于抽样观测；物联定位数据实现了时间维度连续观测而在空间维度上抽样布设，因此借助通导遥一体化服务可以整合多种数据源实现时空立体化观测，并将过去的多源异构数据服务模式转换为同源同时相服务，进而实现天地融合的即时观测和透彻感知。

图2 事前阶段示意图

2.事发阶段：即时服务

在事发阶段，借助通导遥一体化卫星可实现天地联动策略，支持策略响应式的新型即时遥感服务模式（图3）。典型场景为，利用地面的物联点位观测网络，一旦监测到地面灾害发生，便可自动触发指令调度卫星进行即时拍摄，基于卫星通信能力快速把融合处理后的数据成果第一时间传达至户地面终端，为后续的应急救灾过程提供一手的卫星观测资料。

图3 事发阶段示意图

3.事中阶段：精准救援

在事中阶段，可利用通导遥一体化的多维感知数据和灾害机理模型，对灾害态势进行数字孪生推演预测（图4），例如泥石流的动态仿真与预测、滑坡趋势分析、火情走势分析，洪水蔓延淹没预测等，来为应急救灾的指挥调度和精准救援提供依据。面对灾害事件中易发断电及地面通信信号缺失的情况，通导遥一体化卫星服务可以为灾中精准救援提供通信保障和定位增强服务，便于在缺失地面信号的情况下开展救援作业工作，提高人员及装备定位精度和应急救援服务水平。

图4 事中阶段示意图

4.事后阶段：灾后评估

在事后阶段，服务灾后的损失评估，包括整体的受灾范围测算，以及具体的房屋受灾/林地受灾/耕地及其他财产受灾情况的统计调查（图5）。卫星数据可为受灾评估提供直接的客观观测资料，有助于为灾后救助资源配置和保险定损等业务提供客观数据依据。

图5 事后阶段示意图

四、展望

通导遥一体化卫星有助于转变传统的事后感知到新型的即时感知卫星服务模式，进而催生新的应用。相比于传统的遥感卫星，通导遥一体化卫星可实现全天时全球覆盖的广域物联，实现更为及时的时间维度连续感知；利用遥感与物联定位数据进行同时相数据融合，有助于发展在轨融合计算和即时遥感等新型卫星服务模式。

在业务应用方面，通导遥一体化卫星可以服务于应急管理/精准作业等典型场景，实现物联与遥感的时空融合感知以及天基服务保障；通导遥一体化卫星服务可以综合提供通信、遥感以及导航定位增强服务，有助于保障全天候、全时段、复杂地形条件下的实时双向通信和数据传输能力，实现天地联动的自主作业大闭环。

在太空科技领域，各国商业公司正在以科技创新为驱动展开新的竞赛。自2018年起，俄罗斯、美国等国际航天大国均陆续推出通导遥一体化卫星星座研制计划。我国商业卫星公司椭圆时空提出星池计划，可为全球用户提供通导遥一体化卫星服务，目前已在研制通导遥一体化卫星并计划组建卫星星座。通过研制和运营通导遥一体化卫星星座，中国的商业卫星公司有望在这场新型太空科技竞赛中实现弯道超车。