空天地一体化卫星互联网及其即时智能遥感应用展望

孙莉，仇翔，孙军帅 （中国星网网络创新研究院有限公司，北京100029） 摘要：首先，简述目前地面移动通信向着通感算一体、云网融合的第六代移动通信技术（6thGeneration Mobile Communication Technology, 6G）方向发展,卫星通信向着低轨、大规模星座方向发展；未来卫星通信与地面移动通信融合发展，将形成空天地一体化卫星互联网，为用户提供立体无缝覆盖、无感知应用服务。然后设计未来空天地一体化卫星互联网架构，形成云网融合、包括控制面和用户面在内的多个功能面的天地同架构融合形态。最后，基于架构设计进行即时遥感应用在计算面、遥感目标智能识别在人工智能（Artificial Intelligence, AI）面实现的展望。我国应加快卫星互联网的建设步伐，早日实现卫星互联网的运行应用，为经济和国防助力。 关键词：空天地一体化卫星互联网；架构设计；即时遥感；智能遥感；6G 中图分类号：TN915；TN927文献标志码：A Future Prospects of theAir-space-groundIntegratedSatelliteNetworkanditsRealTime AIRemoteSensingApplication SUN Li, QIU Xiang, SUN Junshuai （China Satellite Network Innovation Co., Ltd., Beijing 100029, China） Abstract:Firstly,brieflydescribethedevelopment of the groundmobile communicationtowards the6G direction, whichintegratessensingandcomputing,and cloudnetwork integration. The satellitecommunication is developing towardsthe low orbit andlarge-scale constellation direction.In thefuture, the satellite communication willdevelopcoordinatedwith the groundmobile communicationto form theair-space-ground integrated satellite network, providingthree-dimensional seamlesscoverageandnon-perception applicationservice for the users.Then,wedesign the framework of thefutureair-space-ground integrated satellite network, forming theair-space-ground integratedpatternof thecloudnetwork integration and multiple function planesincluding control plane and user planeetc.Finally,therealizationof thereal time remote sensingin the computing plane and theAI targetrecognition of real time remote sensing intheAI planeare discussed.Weshould speed up theconstruction ofthe satellite network,realize the operation and applicationas soon as possible,andhelpthe economyand thenational defense. Key words:air-space-ground integrated satellite network; framework design; real time remotesensing; AI remote sensing; 6G 0引言 地球陆地资源幅员辽阔、海洋资源浩瀚无际，人们生产生活随着科技的发展进步，逐步踏入高山荒漠、远洋深海、南北两极、浩渺太空。在人们探索发展过程中，卫星系统得到快速发展，卫星通信系统、卫星导航系统、卫星遥感系统广覆盖、全天候[1][2]为人们提供高质量通信、导航、遥感保障服务。 近年来，航空电子技术迅猛发展、低空经济乐观活跃，低轨星座的发展建设成为全球热点，以低轨星座为主的卫星互联网发展建设成为各国的太空竞赛战略高地。未来，卫星互联网系统将致力于建设成第五代移动通信技术（5th GenerationMobile Communication Technology,5G）/6G深度融合、面向民商应用服务的“网络无处不达、计算无处不在、智能无所不及”的星地融合、空天地一体化信息网络体系[3]。 高性能宇航芯片和商用货架芯片的快速发展和卫星应用，促使卫星系统和地面网络一样可以成为云网融合的云网络，克服单星算力不足问题，实现星上资源按需启用、协同调度，业务按需提供，促使卫星互联网新的高实时应用服务、原有服务性能大幅提升成为可能。美国星盾卫星网络进行红外频段侦查，克服了遥感侦查感知数据快速处理存在的待侦查区域大和单星处理能力不足的突出问题，实时为用户发送高分辨率对地遥测数据，实现卫星系统新的高实时应用服务——即时遥感服务[4]。本文对卫星互联网的发展进行概括分析，对空天地一体化卫星互联网架构进行展望，追赶美国星盾系统的脚步，对空天地一体化卫星互联网即时智能遥感应用进行展望。 1卫星互联网发展概况 卫星互联网的发展方向已经得到学术界、产业界的共识，与地面5G/6G网络深度融合、覆盖地面网络没有覆盖到的80%多地球表面以及形成三维立体空间覆盖[1][2]，与地面系统一起形成空天地一体化信息网络体系[3]，为用户提供一体化终端、用户无感知的一体化服务。 下面首先给出地面系统国内外的发展现状、卫星系统国内外的发展现状，然后分析空天地一体化卫星互联网的发展形态。 1.1地面系统 地面通信系统用户群庞大，建设与服务良性循环发展，每十年一个代际，技术推动超越需求推动，超前发展。随着云技术的快速发展，地面通信系统已经发展到云网融合阶段。 国内电信运营商从第四代移动通信技术（4th Generation Mobile Communication Technology,4G）时代开始进行网络中部分网元的云化。目前，运营商云网融合建设策略通常凭借5G“网”的优势以网带云，通过部署边缘云、边缘接入网关、边缘网络平台及少量通用边缘应用，向企业（to business, 2B）用户提供边缘应用分流、5G网络能力服务、基础行业能力服务、云计算资源以及边缘应用托管服务。联通提出云网融合向算网一体演进的CUBE-Net3.0概念，部署了首个商用软件定义网络（Software Defined Network, SDN）大规模广域网。电信以5G云网为基石，以业务场景为核心，为行业用户提供“网边云用服”五位一体的定制云网融合服务。移动构建以5G、算力网络、智慧中台建设为重点的“连接+算力+能力”新基建，围绕数据资源价值释放，加强5G与云的深度融合，探索云网一体、云数融合等应用。 国外的电信运营商的基本策略是立足网络、做强联接，开展多云集成服务，积极发展云网生态。2021年，美国AI&T和微软发布联合声明，在未来三年内完成5G网络运营向微软云端的转移。AI&T计划依托微软Azure云承载AT&T网络运行业务，全面提升安全服务能力、优化工程成本。微软收购AT&T云技术和运营团队，增强其云产品服务能力和适配性。美国Verizon选择亚马逊等巨头推出的Wavelength服务，致力于将亚马逊云计算服务平台（Amazon web service, AWS）计算和存储服务延伸至5G公共移动网络边缘，支持对延迟敏感、速率要求高的各类应用场景。AWS已经推出卫星云计算服务，用于存储和处理数据，应 用包括缩短自然灾害图像和天气预测的数据处理和分析时间，以及处理合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）图像，供急救人员在主动搜索、救援中使用。日本NTT于2019年 宣 布 与 微 软 建 立 合 作 ， 双 方 通 过NTT的信 息 和 通 信 技 术（Information andCommunicationsTechnology, ICT）基础设施产品线，托管服务和网络安全产品，以微软的云平台和AI技术为后盾，深入客户的数字化转型建设，旨在形成“云网集成”的飞跃。 1.2卫星系统 卫星系统的发展可以概括总结为三个阶段，第一个阶段为透明转发阶段，卫星相当于作为中继使用；第二个阶段为星上处理阶段，卫星对信号进行解调处理；第三个阶段为云网融合阶段，卫星系统星上具有系统服务功能。这三个阶段的划分依据的是星上具有的处理能力，其实质是星载系统、芯片的计算能力的强弱。传统卫星系统用户少，建设与服务难以形成大规模的良性循环发展，发展速度慢；少数卫星系统商业运营公司发展速度快、技术超前。目前，卫星系统呈现多种技术模式并存的局面。 国内已经提供服务的北斗区域短报文、天通系统是透明转发模式。星上只对信号进行变频放大转发，不对信号进行解调处理。星上载荷为透明转发器。透明转发模式，卫星系统架构简单，时效性稍差，星上基本没有计算能力。透明转发模式，卫星相当于中继通道，由地面运控中心为用户提供服务。2018年11月国内完成首颗软件定义卫星“天智一号”发射，软件定义卫星的核心是天基超算平台和星载操作环境，对外提供计算、存储、信息交换服务，支持硬件载荷的动态重组、软件应用的动态重配，满足各种任务需求，为实时地球观测、太空联邦计算、星地资源集群组织计算等复杂多变空间任务提供支持。天基分布式云计算平台方面，西安空间无线电技术研究所研制设备具备海量多源数据接入、资源虚拟化与按需服务、海量数据云存储与共享、多源数据融合与态势生成能力。中国星网牵头并联合其他优势单位在网算资源虚拟化、天基边缘云、AI中台、在轨智能任务规划及数据处理、地面算力网络等方面进行了初步探索。 美国的铱星系统是星上处理模式。星上对信号进行解调、解码处理，组包、编码、调制、路由处理，星上载荷为基站和路由器。星上处理模式，卫星系统架构相对复杂，时效性较高。星上有一定的计算能力，能够实现用户接入；用户通过星上处理转发能够不依赖地面运控中心实现端到端直接通信。2020年，微软Azure云服务与星链达成合作协议，将微软的模块化数据中心（ModularDatacenter, MDC）与星链卫星链接，推动将云服务带到全球各个角落，形成全球都可以接入云计算的服务能力。2021年，谷歌云与星链公司签署协议，在谷歌数据中心建立SpaceX的星链卫星地球站，把面向企业的互联网和云服务扩大到偏远地区。OrbitsEdge公司在卫星平台上集成机架式服务器，用以处理多源数据并进行分析。美国DARPA启动了“黑杰克”项目，“黑杰克”卫星主要由1个商品化的卫星平台、1个或多个能够自主运行的军用星上载荷以及星座级自主功能（Pit Boss）构成，希望大幅缩短分派、收集、处理、利用和分发关键目标信息的时间，通过Pit Boss系统实现利用全球覆盖的“分散低轨”（P-LEO）卫星星座快速、精确和自主地获取目标位置、特征和持续跟踪信息。数据处理在星上进行，相关数据直接分发给战术用户，无需经由地面进行处理。美国星盾卫星网络进行红外频段侦查，实时为用户发送高分辨率对地遥测数据。 1.3空天地一体化卫星互联网 目前，