通信、导航、遥感卫星应用实践与思考
来源:国防科技工业
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作者:方忆平 柏芸
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发布时间: 2021-04-12
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国家出台了《国家民用空间基础设施中长期发展规划2015-2025》《国家卫星导航产业中长期发展规划》《关于促进卫星应用产业发展的若干意见》等一系列相关政策措施.....
卫星应用产业是国家战略性高技术产业，为大力推动卫星的应用，国家出台了《国家民用空间基础设施中长期发展规划2015-2025》《国家卫星导航产业中长期发展规划》《关于促进卫星应用产业发展的若干意见》等一系列相关政策措施，卫星应用市场规模近年来稳步提升，并逐步向应用的广度和深度发展。
“十三五”期间，信息化领域产生了深刻的变革，在新一代信息技术快速发展的背景下，通信、导航、遥感卫星应用已经成为实现安全可控的网络信息体系发展的必要组成部分，目前军工行业亟需建立体系化的卫星应用及相应的业务支撑标准规范。本文从国内卫星基本情况、核行业示范应用为切入点，分析了通、导、遥卫星综合应用的相关工作，为推进天地一体化网络信息体系发展进行了有益的探索与思考。
我国通信、导航、遥感卫星的基本情况
卫星通信由空间段、地面段、用户终端组成。空间段由卫星和上行、下行线路组成；地面段一般由卫星信号接收固定站、便携式站及卫星中心站组成。目前我国通信卫星业务已日臻完善，具备三种频段的话音视频数据传输工作能力，即C-band（4GHz-6GHz）、Ku-band（12GHz-14GHz）和Ka-band（26.5GHz-40GHz）。C-band频率增益低，波长较长，地面天线口径相对较大；Ku-band为当前卫星通信系统主要采用的波段，该波段抗干扰能力较强，频率相对较高，地面天线口径较小，利于车载和便携使用，可通过功放配置来提高系统的可用度；Ka-band频率高，波长短，易受降水影响，雨衰较大，天线口径小，安装灵活，价格便宜。
2021年1月20日，我国天通一号03星成功发射，与01星、02星组网运行，我国自主的卫星移动通信系统将为我国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域用户，提供全天候、全天时、稳定可靠的话音、短消息和数据等移动通信服务。
卫星信道的容许频带不受多径传播效应的限制，而是决定于设备参数，故卫星信道很适合于高速数据传输。卫星地球站之间的传输时延为0.48s～0.56s。
北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统。2020年6月，北斗3号最后一颗卫星升空并组网成功,开始提供全球服务，在交通运输、防灾减灾、国土资源、环境保护、测绘勘探、应急救援等重要行业实现应用。其特点一是空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力更强，尤其在低纬度地区性能优势更为明显；二是提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度；三是创新融合了导航与通信功能，具备为全球用户提供定位、导航、授时、位置报告和全球短报文通信等服务。
高分辨率天基对地观测系统于2010年启动实施，已成功发射高分一号高分宽幅、高分二号亚米全色、高分三号1米雷达、高分四号同步凝视、高分五号高光谱观测、高分六号陆地应用监测、高分七号亚米立体测绘等高分卫星，初步形成了亚米级高空间分辨率与高时间分辨率有机结合的卫星星座。覆盖了从全色、多光谱到高光谱，从光学到雷达，从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型，构成了一个高空间、高时间和高光谱分辨率的对地观测系统，与其他观测手段相结合，具有全天时、全天候和全球范围观测能力，使我国遥感卫星技术和天基对地观测水平跨上新的台阶。
可以说，目前我国已经形成技术先进、自主可控、布局合理、全球覆盖的天基系统，满足行业和区域重大应用需求，成为支撑我国现代化建设、国家安全和民生改善的重要力量。卫星应用体系如图1所示。
图1-卫星应用体系
在核行业的应用实践
通、导、遥卫星在核行业监管的应用,是航天和核两大战略性产业的有机结合和生动实践，对提升我国核安全监管水平和服务国家安全和社会稳定具有典型示范意义。
2020年8月，国家原子能机构在海南昌江核电站举办“风暴-2020”核安保演练，首次融合应用通、导、遥卫星技术，各参演方配置北斗车载终端和北斗手持终端，将核电站内部的实时信息发送至导演部，通过地面信息系统数据分析后，投射到指挥大屏。各类北斗终端应用模式如图2所示。
图2-北斗终端应用模式
利用高分遥感卫星数据，将昌江核电站的有关地理地图信息与北斗信息结合，为核安全保卫监管提供了良好的现场立体展示。利用通信卫星，开通了Ka频段1路视频话音和2路视频信道，将“风暴-2020”核安保演练现场的情况及时送至位于北京的国家核安保中心，该中心也是中美两国合建的核安保技术交流和教育培训的国际地区中心，通过此次北斗导航、高分遥感卫星数据采集和应用及视频话音数据的远距离传输实践，不仅为核安保监管的信息化建设探索了新模式，同时也为我国北斗导航和高分遥感卫星走出去提供了有益的经验，具有核监管+卫星模式的典型示范意义。
有关思考及展望
综合通信、北斗导航、高分遥感卫星和航空、地面信息系统等建成空天地一体化高效整体的信息应用体系，十分必要且是可行的，当前拟重点做好以下工作。
以需求为导向，全方位推动卫星在的应用
从目前的情况看，对卫星应用的需求主要体现在以下几个方面：一是核监管安全监测。按照我国《民用核设施安全监督管理条例》的规定，核设施安全监督管理的范围包括：核动力厂及相关的研究堆、实验堆、临界装置等；核燃料生产、加工、储存以及后处理设施；放射性废物的处理和处置设施；其他需要严格监督管理的核设施。我国是核大国，核电总规模居世界第四。提高这些重要部位的监管水平成为当务之急。二是安全监管和环境监测。各级管理部门需要及时、全面地掌握单位内部建设项目及周边环境的安全状况并实施相应的管理，而军工单位多且散，类别及级别不同，安全管控范围及关注的潜在外部威胁有所差异，亟需主动、长期、全面、自动化的监测手段，由被动审核转化为主动监控机制。利用高时空分辨率的遥感卫星数据、航空影像数据和北斗定位数据等，进行融合处理，实现军工重要目标提取，进行地面形变监测、基础设施外观变化监测、获得工程建设进展信息，识别重大安全隐患，提高社会综合效益。四是重点区域灾害监测。综合运用高分遥感卫星可见光、红外、热红外、微波和北斗卫星定位监测等多种探测手段，对大型船厂、试飞试验基地、火炸药厂等大中型军工单位进行灾害监测、灾害特征识别和提取，实现风险分析评估、应急救援决策、灾后重建决策分析，积极寻求防灾减灾的有效途径。
加强顶层设计和技术创新
通、导、遥卫星在的应用将遵循“需求牵引、急用先行、问题主导、政策推进、建立标准、形成体系”的思路，强化顶层设计和技术创新，通过整合卫星资源和坚持技术、产品、数据、服务融合的基本原则，建设军工卫星综合应用平台和监管终端，形成卫星在军工监管及科研生产应用的技术、标准和系列产品，攻克关键难点技术，打通数据链路，建立深化应用的统筹建设机制和统一管理模式，为全面提升我国军工科研生产和管理水平助力。
创新应用模式，实现军工系统智能管理
在军工系统采用“逻辑一体、物理分布”四层架构的卫星应用新模式。这一应用新模式具体体现在：一是基础设施层，主要包括计算/存储/网络资源池和会商设备，负责为业务系统提供网络传输、安全防护、高性能计算、信息转码处理与传输、海量存储、应用支撑软件等基础平台服务功能。二是数据服务层，提供多卫星、多传感器、多格式的导航、遥感数据，测绘数据，星地资源数据以及系统生产的专题产品数据等多源异构数据的接入、分类存储和管理功能。三是业务支撑层，包括数据管理与综合服务系统、军工行业基础信息监控系统和应用分析评估系统，实现利用海量卫星数据批量处理的能力。四是应用示范层，实现对军工行业重点单位的安全及周边环境监控、重要目标识别和监视、灾害监测等。
系统建设中，应进一步强化卫星技术与5G、虚拟/增强现实技术（AR/VR）、区块链、大数据、人工智能等新技术的融合，推动卫星在军工物联网构建、工业互联网建设、智能化协同制造等方面发挥更大的作用，实现数字军工场所、军工“人、物、事”的智能管理，为智慧军工夯实卫星融合应用的技术支撑。（国防科工局信息中心）
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