基于天地互联网的智能遥感卫星 -2022年中国地理信息产业大会

2022年中国地理信息产业大2022年中国地理信息产业大会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123天地一体化对地观测脑123天地一体化对地观测脑空天信息的实时智能服空天信息的实时智能服务珞珞珈三号卫星研制11空天信息的实时智能服务更准更稳更多更小更准更稳更多更小1957197219861999201319571972第一颗人造地球卫星成功发射，标志着人类进入太空时代美国发射第一颗陆地观测卫星LandSat-1,促进了遥感应用的发展法国发射SPOT卫星，感时代更高更高更短更短美国发射IKONOS卫商业高分辨遥感时代SkyBox公司美国发射法国发射发射SkySat-1，WorldView-3，PleiadesNeo开启了小卫星全球第一颗0.3应用时代遥感卫星空间分辨率:时间分辨率:辐射分辨率:光谱分辨率:卫星,全球第二套0.3米分辨率的商业遥感卫星影像系统0.3米8谱段或更多19701999200220132015201920202022发射高分发射高景多模卫星，二号01、发射高分发射高景多模卫星，二号01、一颗球卫红成功成功发射中巴地球资源卫星，是我国第一代传输型地球资《中国高分观重首颗号射商业卫星林一号、号发射高分0.5米分辨02星，高分辨率商业遥感卫星国内首颗民用亚米级高分辨率立体测星“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、天时、全球覆盖的对地观测能力全球测图应急响应资源调查国情普查高分4号高分3号高分5号高分7号0.65米2019.112米高分7号0.65米2019.112米0.8米军用7颗50米1米30米2米2013.42014.82013.42014.82015.122016.82018.502020.102020.12高分13号高分14号(静止轨道)2020.102020.12高分13号高分14号(静止轨道)2019.11高分12号(SAR)高分8号高分9号高分11号高分10号(SAR)导航卫星通信卫星遥感卫星分发中心导航卫星通信卫星遥感卫星分发中心我国现有的通信、导航、遥感卫星系统各成体系通信、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、通信、导航、遥感卫星系统状态固化无法支持任务更新与扩展无法实现实时的服务模式问题：军民系统孤立、信息分离、服务滞后服务据处理提取传输数据获取传输面接收信息提取信息服务服务据处理提取传输数据获取传输面接收信息提取信息服务传统服务模式1.1现状与问题创新服务模式据获取分发问题：传统事后服务模式需要走向实时智能系统孤立系统联通信息系统孤立系统联通信息分离服务滞后时空融合服务畅通天地互联，多网融合统一基准，关联表征数据挖掘，知识发现星地协同，组网传输智能处理，按需服务亟需建设通导遥一体化天基信息实时服务系统(通导遥一体化天基信息实时服务系统(PNTRC)推动发展空天信息：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)覆盖能力有限、响应速度慢、体系协同能力弱频谱轨位资源受限，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为各种类型用户提供米(分米)级高精度实时导航定位信息1精密授时(Timing)：提供时间信息和时间同步信息1快速遥感(RemoteSensing)：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)1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、高速的天据传输服务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/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Mps地后通过5G上手机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)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40Mbps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)遥感信息获取空间\时间分辨率：优于0.5m\3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研制研制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石油平台管理精准农业物流监控智慧城管……目标持续监控实时态势感知武器精确制导效果快速评估应用成本，拓展专业用户的实时应用在兼顾传统非实时、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)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)数据的位置服务实时高精度导航(如车道级导航)服务……PNTRC移动终端(手机外壳)PNTRC车载终端PNTRCPNTRC系统有望推动形成万亿元的产业链PNTRC+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PNTRCPNTRC+军民融合应用服务模式22天地一体化对地观测脑测脑的概念及内涵从感知、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。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对地观城市智慧测脑空间脑卫星上的相机和智能处理系统就好比一个‘对地观测脑’，移动互联网云计算所拍摄的所有影像将被‘对地观测脑’快速处理、提取有用移动终端智能的信息和驱动相应应用，实现脑认知中的感知、认知和行动思维引擎这三个过程(基于互联网的天基信息实时服务)测脑的概念及内涵对地观测脑有视觉、听觉、脑分析等相应功能，能实现在轨对地感知、认知到行动测脑的概念及内涵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(Remotesensing)、通信(Communication)，即PNTRC服务。PNTRC服务具体表现为：实时增强导航服务(Positioning&Navigation)：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(RemoteSensing)：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。或任高处务速理指率算令数法或据上参下注数传低速率数据下传任务指令发送全面提升星地协同处理能力星上智能实时处理协同多源数据获取资源·协同星地计算、存储资源·协同星地传输、接收资源·高质量成像处理高精度几何定位智或任高处务速理指率算令数法或据上参下注数传低速率数据下传任务指令发送全面提升星地协同处理能力星上智能实时处理协同多源数据获取资源·协同星地计算、存储资源·协同星地传输、接收资源·高质量成像处理高精度几何定位智能分类目标/变化检测高效压缩……光学遥感卫星光学遥感卫星协同星地处理算法资源·SAR遥感卫星SAR遥感卫星光学遥感卫星机动接收站便携式移动终端船舶检测特大地震多源信息融合辐射/几何定标目标样本训练……目标/变化检测地面处理中心星地协同控制中心光学遥感卫光学遥感卫星遥感卫星群SAR遥感卫星固固定接收站任务需求珞珈一号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(1σ),载波相位测量精度2-3厘米(1σ)，实时定位精度30cm星上载星上载荷珞珈二号01星1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聚束1(1m)41~0.9910×10聚束2(0.5m).37~0.894×4条带(3m)92017年立项论证，解决全天时全天候目标监测中继卫星场景二场景一智能遥感试验卫星移动终端中继卫星场景二场景一智能遥感试验卫星移动终端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天基信息实时服务智能卫星(珞珈三号01星)控管中心义地观测脑需要解决的关键问题义作线网络宽线网络宽HEVC码率7.HEVC码率7.04Mbps，PSNR42.30dB码率106.1Kbps，PSNR42.53dB，延时10秒频清晰度的基测脑初级应用实例1090个外业GPS实测高精度检查点用于精度检查测脑初级应用实例1090个外业GPS实测高精度检查点用于精度检查覆盖山东全省的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采集时间起始景ID终止景ID景数轨道号条带号72004采集时间起始景ID终止景ID景数轨道号条带号7200450153312441065468587981106575041105813694957234224184212429669724206261574883942408664756574102976461999092781345271243984383265995442105456198598397982013-4-262012-10-312012-12-242012-1-25001172722047302154959467035727229473030549604670452013-5-1675421775422712012-4-82012-11-302012-6-112012-6-162012-10-122012-10-172013-4-112012-10-11178502516130271123281098446044453005701545445124178494516122271116281092446039453000701535445116998766192012-1-15470264703272012-8-232013-4-212012-9-272012-9-172013-3-1837551071941042742241291466771917813375500719404427415412904667717序号1234567890123456789合计165测脑初级应用实例资源三号与激光测高数据联合平差•ICESat/GLAS激光测高数据•2003年，ICESat-1发射成功，光斑大小为直径70m，平面精度10m、高程精度15CM时间：2003-2009合理光斑数：485820域无控制卫星影像区域网平差方法资源三号与激光测高数据联合平差差精度检验与分析平面精度/米高程精度/米5.2624.34.3615.24光测高差2.645.234.257.66据辅助平差2.585.162.886.74可以进一步提升资源三号无控制平差的高程精度到3米以内七号卫星是我国首颗亚米级分辨率光学立体用于获取高空间分辨率立体测绘遥感数据和技集团五院中国空间技术研究平台主要设计指标轨道类型太阳同步回归轨道轨道高度轨道倾角周期降交点地方时侧摆能力GPS定位精度指向精度姿态稳定度卫星寿命相机主要设计指标全色分辨率多光谱分辨率光谱范围前视相机全色0.45-0.9um后视相机全色0.45-0.9um多光谱0.45-0.52um0.52-0.59um0.63-0.69um0.77-0.89um观测倾角基高比0.67激光测高仪主要设计指标激光波束激光重复频率 (检校模式下6Hz)测距精度 (坡度小于15°)单脉冲能量≧180mJ激光器工作波长.064um光斑大小优于30m激光发散角激光脉冲宽度足印相机光谱范围0-0.72um和um足印相机分辨率足印相机视场足印相机幅宽“双线阵相机+两波束激光测高仪”复合测绘体制激光足印不可见通过足印影像实现激光与光学影像的关联GF-7卫星立体影像与激光测高点复合测绘精度地形类型自由网平差精度(m自由网平差精度(m)复合测绘处理精度(m)6.593.076.240.423.814.673.50.664.322.864.410.74高山地8.115.008.431.19珠穆朗玛峰地区DSM度高分三号全球一张图(正射影像)几何质检度黑龙江第三测绘工程院对中国大陆区域验证273个检查点中误差8.01米辽宁宏图创展公司对日本地区统计100个检查点中误差为9.73米越南地区具有测绘质检资质单位检测，全球具有测绘质检资质单位检测，全球SAR影像基准图绝对几何精度优于10m全国地表形变一张图(哨兵一号)全全国形变(<-1cm)全国形变(<-0.5cm)形变速率(mm/year)20119-16320119形变速率(mm/year)-2020-163119全国地表形变一张图(哨兵一号)形变速率(mm/year)-2020-163119测脑初级应用实例遥感卫星通讯卫星②目标实时识别与高精度定位几何定位高质量成像④星地数传地面接收资源地面处理中心便携式接收终端固定接收站机动接收站地面处理资源⑤决策①海上成像检测③星间传输测脑初级应用实例遥感卫星通讯卫星②目标实时识别与高精度定位几何定位高质量成像④星地数传地面接收资源地面处理中心便携式接收终端固定接收站机动接收站地面处理资源⑤决策①海上成像检测③星间传输海上目标数数据分发2019年3月21日，在湄公河流域进行森林火点在轨处理自主识别星地同步试验，火点信息在轨提取耗时2.02s，从相机拍摄到地面终端接收短报文消息耗时13秒O北斗GEO2019年3月21日，在湄公河流域进行森林火点在轨处理自主识别星地同步试验，火点信息在轨提取耗时2.02s，从相机拍摄到地面终端接收短报文消息耗时13秒O北斗GEO卫星吉林1号光谱01星指令户卫星短报文地面终端卫星中心站卫卫星在轨智能处理与实时传输(北斗短报文)研制了卫星在轨处理系统，能实现森林火点和海面船舶的在轨自动识别、搜寻和定位，集成北斗短报文传输，具备全球任意位置的实时处理与传输能力2019年1月21日，搭载“吉林一号”光谱01/02卫星入轨业务化运行1、目标区域生成2、在轨火点提取 3、信息传输3、信息传输至终端卫星地面站感及其应用源害水水气土生人环境环境口个大小为59.785TB的全国0.5米分辨率影像数据库，共提取全国大棚13,647,764个，在山东、新疆、上海等地验证集上取得85.78%的精度全国大棚分布热力图各省份大棚分布统计2018年8月，自然资源部、农业农村部联合召开动员部署会，部署在全国开展“大棚房”问题专项整治行动智能遥感解译开源样本库和深度学习框架的总体方案LuojiaSET与LuojiaNET(龚健雅院士牵头)33珞珈三号卫星研制地面移动控管中心地面移动控管中心中继卫星星座t1t智能遥感卫星接收站移动终端地面固定接收站地面控制中心t2tt3t与实时传输集成演示验证概念图③任务上注⑦数据下传③任务上注⑦数据下传用户通过手机、移动网络、地面站向智能遥感卫星发送观测任务请求，并通过该链路反向通道接收在轨处理后卫星数据。④任务规划⑥智能处理智能遥感卫星①发送需求②任务生①发送需求地面网络⑨需求反馈云服务中心手机基站⑧数据分发用户测控数传站用户1313用户通过移动终端、中继站、中继卫星向智能遥感卫星发送观测任务请求，并通过该链路反向通道接收在轨处理后卫星数据，实现天地互联网卫星遥感的实时服务(B2C)中继星B中中继星B⑥任务规划⑧智能处理智能遥⑧智能处理感卫星③任务转发①发送需求⑩数据转发②地面规划④任务转发③任务转发①发送需求⑩数据转发②地面规划网线12数据分发反馈需求模12数据分发反馈需求模测站通信车用户中心A[C,D]阴影区对地定向[A,B]对地成像区间C太阳光DB结构机构分系统热控分系统姿轨控分系统A[C,D]阴影区对地定向[A,B]对地成像区间C太阳光DB结构机构分系统热控分系统姿轨控分系统智能处理分系统供配电分系统相机分系统[B,C]对日惯性定向通信分系统[D,A]对日惯性定向成像条带卫星飞行方向成像条带卫星飞行方向卫星飞行方向星下点轨迹卫星推扫成像模式(长条带) (面阵CMOS数字TDI卫星卫星飞行方向凝视视频成像模式(动态视频)卫星第3帧第2帧第4帧第1帧 地面速度第3帧第2帧第4帧第1帧 面阵推帧成像模式(静态图像)云中心是支撑智能遥感卫星系统为用户提供端到端服务的地面系统核心，功能包括：响应用户手机请求、智能调度星座任务、派送用户需求订单，接收卫星处理影像，反馈用户需求结果。支持实时遥感影像订单服务、历史影像订单服务、支持影像智能处理、支持星载APP/地面APP/终端APP管理。智能遥感卫星地面站网第三方APP开发商用户用户心及系统用户云服务中心系统管理与维护者卫星借鉴智能手机设计模式，采用高性能硬件处理平台，在星上设计了开放的软件平台，包括基础操作系统环境、用户API函数接口、图像处理基础库、深度学习软件框架等，支持在轨扩展用户或第三方设计开发的智能处理APP(类似于智能手机安装APP)。卫星支持星上自主任务规划，用户只需要向卫星发送目标点经纬度、数传窗口等信息，卫影像获取、在轨处理、图像下传等。卫星设计了专门用于APP在轨上注的高速上注通道，支持APP软件在轨快速上注，支持APP在轨安装、运行、卸载、更新等操作，通过丰富星载APP可以不断拓展卫星的影像信息基于上述功能设计，卫星与地面系统配合可向个人用户手机终端提供端到端近实时影像信息服务。项目主要技术指标整星•项目主要技术指标整星•重量：245kg相机•成像模式：支持单帧、视频、推扫成像•分辨率：0.72m@500km•视频帧频：2~12Hz•幅宽：10km*4km智能处理处理能力：单板不低于500GFlops•缓存能力：单板不低于4GB•软件接口：具备开放软件API接口，支持APP动态加载、运行等。数据传输•X对地数传：300Mbps•Ka终端：前向2Kbps，返向5Mbps整星发射状态包络尺寸约Φ1600mm×1628mm，太阳翼展开后整型包络尺寸约Φ4069.4mm×1628mm完成了初样星载荷电性能测试、模飞以及与恒星站、驭星站和武汉站星地测控对接试验，完成了测控、数传、测控、智能处理分系统等主结构正样产品研制，完成了平台项目主要技术指标轨道•类型：太阳同步•高度：约500km•降交点地方时：10:30AM姿控•成像过程最大角速度：优于0.8°/s；•姿态稳定度：优于0.001°/s(3σ)•指向精度：优于0.05°(3σ)星务管理•处理能力：不低于50MIPS•星上自主任务规划，根据目标经纬度自主测控通信•X测控：遥控4kbps，遥测16kbps高速上行1Mbps•GNSS：单频，GPS/BD双模定轨精度2m(1σ)供电•母线形式：半调节母线，25-32V•电池容量：30Ah•末期功率：650W主备异构软硬件架构主备异构软硬件架构完成了星上自主任务规划软件测试，基于图像智能处理单元完成星上智能处理APP软件 (主要包括武汉大学辐射处理、几何处理、目标检测等核心处理功能及流程集成)测试大容量存储模块缓存在轨程序加载管理数据接口模块(FPGA)CPU模块程序GPU模块内存大容量存储模块在轨程序加载管理数据接口模块(FPGA)FPGA程序缓存内存FPGA主份硬件基于低成本高性能嵌入式GPU进行设计，配备开放软件平台(Linux)，支持基于APP的在轨实时图像/视频处理备份硬件基于FPGA设计，支持在轨常规压缩1智能遥感试验卫星星地测控对接试验(武汉站)格式检查、遥测数据处理格式检查、遥测误码率、星地时延、校时授时等设备各项技术指标满足星地接口控制文件的要求武汉大学遥感卫星地面站星地测控对接现场对接流程图ROIROI卫星系统研制与测试情况块平台1智能处理APP测试情况APP1——几何校正(含ROI切片)软件功能：对相机拍摄的图片进行实时几何校正，同时根据用户感兴趣片需求，进行ROI切片处理，将切片后的图像传递至用户。几何校正测试结果(桌面联试)几何校正测试结果(整星测试)几何校正测试结果1智能处理APP测试情况APP2——云检测软件功能：实时检测相机拍摄图片的云覆盖情况，可以输出云图掩模，云检测图像云检测图像云检测结果(掩模图)云检测结果(掩模图)1智能处理APP测试情况APP3——目标检测软件功能：实时检测相机拍摄图片的目标(飞机、舰船、油罐等)，及地理位置信息。被检图像检测结果(标注目标)检测结果(目标切片)1智能处理APP测试情况APP4——变化检测软件功能：实时检测相机拍摄图片与预存图片中指定注出目标增加或减少情况。ROI切片几何校正+变化检测ROI切片几何校正+变化检测星上自主任务规划测试：在整星环境下，基于星上自主任务规划对视频成像任务、推帧成像任务、推扫成像任务、回放任务进行了测试，工作模式包括：实时处理X压缩记录、原始数据记录、X回放、Ka回放。测试结果满足要求。卫星应用需求需求结果反馈任务进度反馈测控、监视信息VPN设备系统监控任务管理分系统用户管理后系统管理分系统数据处理分系统平台层有云公有云数据层基础设施层/应用程序管理理 卫星应用需求需求结果反馈任务进度反馈测控、监视信息VPN设备系统监控任务管理分系统用户管理后系统管理分系统数据处理分系统平台层有云公有云数据层基础设施层/应用程序管理理 台管数据管理与分发分系统理在西安(西安恒星)和武汉(诗琳通卫星地面站)构建了地面云服务中心，可以连接国内多个测控数传站，可以接收手机APP任务请求。支持实时遥感影像订单服务、历史影像订单服务、支持影像智能处理、支持星载APP/地面APP/终端APP管理。智能遥感卫星星地链路光纤链路地面通信网络互联网遥测数据数传数据遥控指令东方红中心(北京)云服务中心东方红中心(北京)测控、监视信息遥控指令测控、监视信息西安站西安站(西安)VPN设备XX站XXXX站基于云服务中心的应用系统拓扑应应用层地面云中心系统组成需求创建需求提交需求创建需求提交完成了手机APP设计开发，用户可以在手机APP上通过点选方式提交观测需求，并接收查看观测结果。对每个需求订单，云服务中心向用户反馈是否可以完成任务，对可以完成的任务，云中心调度卫星开始任务执行。执行完成后反馈用户，用户可以下载影像信息。结结果查看模式序号测试模式压缩模式数传接口固存状态M0压缩实传(视频)压缩比50:1，8个压缩IP全部输出X数传不存储M1压缩记录+回放(视频)压缩比25: