基于天地互联网的智能遥感卫星.pdf
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1、基于天地互联网的智能遥感卫星李德仁院士武汉大学2022年8月11日 合肥2022年中国地理信息产业大会空天信息的实时智能服务1珞珈三号卫星研制3天地一体化对地观测脑22 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 现状与问题空天信息的实时智能服务1 发展目标 路线图 应用前景2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告1.1 现状与问题第一颗人造地球卫星成功发射,标志着人类进入太空时代19571986法 国 发 射SPOT卫星,开 启 了 高 分辨 率 卫 星 遥感时代美 国 发 射IKONOS 卫星,开 启 了商 业 高 分 辨遥感时代19991972美国发射第一颗陆地观测卫星 LandSat
2、-1,促进了遥感应用的发展2013SkyBox 公 司发射SkySat-1,开启了小卫星和微卫星遥感应用时代更高更多更小更短更稳更准时间分辨率:1天空间分辨率:0.3米辐射分辨率:12比特光谱分辨率:8谱段或更多 国外遥感卫星的发展历程2014美国发射WorldView-3,全球第一颗0.3米分辨率商业遥感卫星法国发射Pleiades Neo卫星,全球第二套0.3米分辨率的商业遥感卫星影像系统20212 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射19702013中国高分辨率对地观测系统重大专项首颗星高分一号成功发射商 业 卫 星发 射,吉林 一 号、北
3、 京 二 号、高景一号20151999成功发射中巴地球资源卫星,是我国第一代传输型地球资源卫星成 功 发 射“海 洋 一号”A 星,是中国第一颗用于海洋水色探测的试验型业务卫星2002过去10年,我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 国内遥感卫星的发展历程发 射 高 分七 号 卫 星,国 内 首 颗民 用 亚 米级 高 分 辨率 立 体 测绘卫星发 射 高 景二号01、02星,高分辨率商业遥感卫星201920202022发 射 高 分多模卫星,0.5米分辨率 的 民 用光 学 遥 感卫 星,可灵 活 实 现多 种 成 像模式1.1 现状与问题2 0
4、2 2 中国地理信息产业大会特邀报告国情普查资源调查全球测图应急响应高分高分1 1号号2 2米米高分高分2 2号号0.80.8米米2013.4 2014.8高分高分4 4号号(静止轨道)(静止轨道)5050米米2015.12高分高分8 8号号2015.6高分高分3 3号号(SARSAR)1 1米米2016.8高分高分5 5号号(高光谱)(高光谱)3030米米2018.5高分高分6 6号号2 2米米2018.6高分高分7 7号号0.650.65米米2019.11高分高分9 9号号2015.9高分高分1111号号2018.7高分高分1010号号(SARSAR)2019.10高分高分1212号号(S
5、ARSAR)2019.11高分高分1313号号(静止轨道)(静止轨道)2020.10高分高分1414号号2020.12民用7颗军用7颗20102020 高分专项遥感卫星发展历程高分辨率对地观测系统重大专项是国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020年)确定的十六个重大科技专项之一,该系统将与其他观测手段结合,形成全天候、全天时、全球覆盖的对地观测能力1.1 现状与问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告我国现有的通信、导航、遥感卫星系统各成体系问题:军民系统孤立、信息分离、服务滞后导航卫星通信卫星通信、导航、遥感卫星系统各自发展无法为空天信息服务提供一体化平台通信、导航、遥感
6、卫星系统状态固化无法支持任务更新与扩展通信、导航、遥感卫星系统孤立无法实现实时的服务模式遥感卫星热点地区处理分发中心专业用户1.1 现状与问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告创新服务模式数据获取实时传输信息提取信息服务传统服务模式数据获取地面接收过顶传输数据处理产品分发信息提取信息服务问题:传统事后服务模式需要走向实时智能1.1 现状与问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告系统联通时空融合服务畅通通导遥一体化天基信息实时服务系统(PNTRC)系统孤立信息分离服务滞后通信导航遥感卫星系统各成体系一星多用,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
7、,组网传输智能处理,按需服务空天信息:专业服务 大众服务、军民应用产业发展:国家扶持 市场化、国际化亟需建设推动发展1.1 现状与问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告天基信息实时服务系统实现卫星遥感、卫星导航、卫星通信与地面互联网的集成服务,支持军民用户在任何地方、任何时候的信息获取、高精度定位授时与多媒体通信服务 遥感信息精度:空间分辨率:分米级(0.5m);实时目标定位精度:3-5米 时间分辨率:分钟级(小于5分钟)实时导航定位精度:米(分米)级 全球移动通信:覆盖全球的语音、视频和图像通信 大众服务:快速、准确、智能化的PNTRC服务1.2 发展目标2 0 2 2 中国地理信
8、息产业大会特邀报告 面临的应用问题:覆盖能力有限、响应速度慢、体系协同能力弱 PNTRC的建设挑战:频谱轨位资源受限,测控限于本土,自主可控前提下的全球化服务 PNTRC建设思路:天基卫星:一星多用、多星组网 遥感、导航与通信功能复用 高中低轨多类卫星组网(星间链路)天地网络:多网融合 卫星网,互联网,移动通信网、物联网:互联互通,深度耦合 信息服务:AI智能服务 云计算、时空大数据和智能终端支撑下实时服务于广大军民用户 天基信息实时服务系统 思路构想1.2 发展目标2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 实时导航增强(Positioning&Navigation):为各种类型用户提供米
9、(分米)级高精度实时导航定位信息 精密授时(Timing):提供时间信息和时间同步信息 快速遥感(Remote Sensing):全天时、全天候、实时的获取、处理遥感和视频数据,并将感兴趣的信息及时推送给用户的手机和各类移动终端(优于5米精度)天地一体移动宽带通信传输(Communication):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 天基信息实时服务系统 功能设计1.2 发展目标2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告STEP-1:局域服务系统(大湾区加南海、海南、珠江,长江,黄河流域,京津冀)星座组成:50颗 45度低轨遥感
10、/导航增强卫星(光学卫星25颗、SAR25颗)1-3颗 GEO高轨通信卫星 核心能力:目标信息获取空间和时间分辨率:0.5m和5分钟 实时导航定位精度:亚米级 移动通信能力:90个波束覆盖全亚太,每个波束出向带宽最大1Gbps,入向200Mps,点对点或广播,落地后通过5G上手机1.3 线路图2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 STEP-2:区域服务系统(中国及一带一路)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,增加导航增强载荷,发射具备星间通信能力的遥感卫星 星座组成:150颗 低轨通信/导航增强卫星 150 颗 低轨多角度遥感卫星(具备星间通信能力
11、)核心能力:目标信息获取空间/时间分辨率:优于0.5m/5分钟 实时导航定位精度:亚米级 移动通信能力:自适应变带宽,单波束最高速率达到 40Mbps1.3 线路图2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 星座组成: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)核心能力:遥感信息获取空间时间分辨率:优于0.5m3分钟 实时导航定位精度:亚米级 移动通信能力: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 STEP-3:全球服务系统研制PNTRC系统卫星型谱,通过小型化、批量化,降低系统建设成本1.3 线路图2
12、 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告在兼顾传统非实时、专业用户基础上,PNTRC系统主要瞄准天基信息“增量”用户,主要包括实时专业用户和大众用户1)实时专业用户:突破以单纯定期提供数据的服务模式,按需向军民用户实时天基信息服务 城市交通监控 港口吞吐量监控 露天矿作业管理 目标持续监控 实时态势感知 武器精确制导 效果快速评估 精准农业 物流监控 智慧城管 石油平台管理不增加传统专业用户应用成本,拓展专业用户的实时应用1.4 应用前景2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告2)大众用户:主要以移动终端为载体,提供定制化、实时化的天基信息增值服务 基于实时遥感(视频)数据的位置服务 实
13、时高精度导航(如车道级导航)服务 PNTRC系统有望推动形成万亿元的产业链PNTRC移动终端(手机外壳)PNTRC车载终端1.4 应用前景在兼顾传统非实时、专业用户基础上,PNTRC系统主要瞄准天基信息“增量”用户,主要包括实时专业用户和大众用户2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告PNTRC+PNTRC+军民融合智慧应用前景广阔军民融合智慧应用前景广阔军用:全球动目标实时跟踪,固定目标实时变化监测军用:全球动目标实时跟踪,固定目标实时变化监测PNTRC+军民融合应用服务模式军民融合应用服务模式1.4 应用前景2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 对地观测脑的概念及内涵天地一体化
14、对地观测脑2 对地观测脑需要解决的关键问题 对地观测脑初级应用实例2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 脑认知与空间认知 从感知、认知到行动(数据驱动应用),是脑认知过程的一种模式。脑认知科学与地球空间信息科学的融合(空天信息智能),是极高挑战性的命题。遥感信息科学可以通过开发多种不同空间信息脑来实现这三个过程的自动。1)地球空间信息海量数据获取,2)智慧空间数据挖掘,3)地球空间数据驱动应用城市智慧空间脑 移动终端智能思维引擎 对地观 测脑 移动互联网 云计算 卫星上的相机和智能处理系统就好比一个对地观测脑,所拍摄的所有影像将被对地观测脑快速处理、提取有用的信息和驱动相应应用,实现脑
15、认知中的感知、认知和行动这三个过程(基于互联网的天基信息实时服务)2.1 对地观测脑的概念及内涵2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告对地观测脑有视觉、听觉、脑分析等相应功能,能实现在轨对地感知、认知到行动2.1 对地观测脑的概念及内涵2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 对地观测脑实时信息服务天基空间信息网络为不同领域用户提供定位(Positioning)、导航(Navigation)、授时(Timing)、遥感(Remote sensing)、通信(Communication),即PNTRC服务。PNTRC服务具体表现为:实时增强导航服务(Positioning&Naviga
16、tion):为各种类型用户(包括地面手机用户)提供优于米级的高精度实时导航定位信息;精密授时服务(Timing):提供高精度时间信息和时间同步信息;快速遥感(视频)增值服务(Remote Sensing):全天时、全天候、实时的获取、处理遥感和视频数据,并将感兴趣的信息及时推送给用户的手机和各类智能移动终端;天地一体移动宽带通信服务(Communication):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。2.1 对地观测脑的概念及内涵2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告固固定定接接收收站站光光学学遥遥感感卫卫星星S SA AR
17、R遥遥感感卫卫星星光光学学遥遥感感卫卫星星S SA AR R遥遥感感卫卫星星遥遥感感卫卫星星群群高质量成像处理智能分类高精度几何定位目标/变化检测高效压缩辐射/几何定标目标样本训练目标/变化检测高高速速率率数数据据下下传传任任务务指指令令或或参参数数或或处处理理算算法法上上注注S SA AR R遥遥感感卫卫星星任任务务需需求求便便携携式式移移动动终终端端中中速速率率数数据据下下传传特特大大地地震震船船舶舶检检测测光光学学遥遥感感卫卫星星光光学学遥遥感感卫卫星星任任务务指指令令发发送送任任务务指指令令发发送送低低速速率率数数据据下下传传 协协同同多多源源数数据据获获取取资资源源 协协同同星星地地
18、计计算算、存存储储资资源源 协协同同星星地地传传输输、接接收收资资源源 协协同同星星地地处处理理算算法法资资源源全全面面提提升升星星地地协协同同处处理理能能力力星星上上智智能能实实时时处处理理多源信息融合地面处理中心星星地地协协同同控控制制中中心心机机动动接接收收站站 任务驱动的遥感数据星地协同高效处理技术2.2 对地观测脑需要解决的关键问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 珞珈一号01星导航信号增强在轨测试星上载荷地面验证珞珈一号01星测试结果表明珞珈一号卫星增强信号伪距测量精度2-3米(1),载波相位测量精度2-3厘米(1),实时定位精度30cm2.2 对地观测脑需要解决的关键
19、问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 新体制雷达卫星技术(珞珈二号01星)工作模式分辨率(m)幅宽(km)入射角()多角度成像110 10-4545聚束1(1m)0.410.9910 101848聚束2(0.5m)0.370.894 43348条带(3m)1.92.912231848 多角度雷达遥感多角度雷达遥感 视频雷达遥感视频雷达遥感 低轨导航增强低轨导航增强珞珈二号01星2017年立项论证,解决全天时全天候目标监测2.2 对地观测脑需要解决的关键问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 天基信息实时服务智能卫星(珞珈三号01星)移动终端中继卫星控管中心智能遥感试验卫星
20、场景二实现全球范围遥感数据从获取到应用终端的分钟级遥感信息高效服务研制试验卫星:视频成像、智能处理、灵巧通信打通两条链路:星地通信、星间中继通信验证两个问题:在轨处理与稀疏压缩场景一2.2 对地观测脑需要解决的关键问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 智能编码:基于长程背景字典的卫星视频编码技术技术瓶颈与创新工作性能指标与效果成果、评价与意义性能指标与效果标准标准HEVCHEVC编码编码卫星地面站卫星地面站卫星视频数据卫星视频数据卫星源卫星源无线网络无线网络带宽带宽移动接收端移动接收端基于长程背景字典的编码方法可在保证视保证视频清晰度频清晰度的基础上,大幅度大幅度降低降低卫星视频数
21、据的压缩码压缩码率率,满足无线网络传输需求 1 1MbpsMbps码率7 7.0404MbpsMbps,PSNR 4242.3030dBdB码率106106.1 1KbpsKbps,PSNR 4242.5353dBdB,延时1010秒2.2 对地观测脑需要解决的关键问题2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告2.3 对地观测脑初级应用实例 超大面积DOM/DSM自动化生产2 0 2 2 中国地理信息产业大会特邀报告 大区域无控制卫星影像区域网平差方法覆盖山东全省的150景三线阵数据,时间从2012年2月19日至2014年4月5日,数据量约500GB山东序号序号轨道号轨道号条带号条带号采集时
22、间采集时间起始景起始景IDID终止景终止景IDID景数景数1 172007200106541065420132013-4 4-262672722072722072722972722910102 2450145016858685820122012-1010-313147302147302147303047303010103 3533153317981798120122012-1212-242454959454959454960454960411114 42442441065106520122012-1 1-25256703567035670456704511115 575047504110581
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