通导遥融合的复杂环境实时感知服务 Communication， Navigation， and Remote Sensing Fusion on Real-Time Complex Environment Perception Services 1 first-author 邵振峰，博士，教授,主要从事城市遥感与智慧城市等研究。shaozhenfeng@whu.edu.cn 邵振峰，博士，教授,主要从事城市遥感与智慧城市等研究。shaozhenfeng@whu.edu.cn shaozhenfeng@whu.edu.cn 1 2 2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉，430079 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉，430079 State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China 西安测绘研究所地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054 西安测绘研究所地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054 State Key Laboratory of Geo‑information Engineering, Xi'an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi'an 710054, China State Key Laboratory of Geo‑information Engineering, Xi'an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi'an 710054, China 通导遥融合的复杂环境实时感知服务以复杂环境空间为研究背景，以计算机、通信、网络等技术和感知设备为信息获取手段，以天基、空基、地基和海基遥感平台为服务平台。针对复杂环境态势，新型复杂环境实时感知服务充分运用通信、导航、遥感（通导遥）信息资源和智慧地球等技术，为物理域、信息域、认知域和社会域提供复杂环境要素保障。从复杂环境下的实时感知服务需求出发，剖析通导遥融合的创新思路，概述复杂环境设施感知服务范围，构建复杂环境实时感知服务平台，论述复杂环境实时感知服务架构，并对通导遥融合的复杂环境实时感知服务进行展望。 Objectives 2 The complex environmental situation refers to real-time perception services for predicting the environment and its evolutionary trends,which serve as critical information for grasping the situation of actions and analyzing the layout of actions. The real-time perception services of complex environments integrating communication,navigation,and remote sensing fusion constitute a significant area of theoretical research. Methods 2 Based on the demand for real-time perception services in complex environments, we analyze the innovative ideas of communication, navigation, and remote sensing fusion, outline the scope of perception services for complex environment facilities, construct a real-time perception service platform for complex environments, discuss the architecture of real-time perception services in complex environments, and offer a prospect for complex environment real-time perception services that involve the integration of communication, navigation, and remote sensing fusion. Results 2 The novel real-time perception service for complex environments fully utilizes communication, navigation, remote sensing information resources, and smart Earth technologies to provide complex environmental factor support for the physical, information, cognitive, and social domain. Conclusions 2 The real-time perception service for the complex environment of integrated communication, navigation, and remote sensing is a new idea and exploration in the smart earth, and the construction of this system is of great significance. 通信 导航 遥感 复杂环境 实时感知服务 communication navigation remote sensing complex environment perception services 复杂环境是一个由自然环境、社会环境、电磁环境、网络环境等多要素组成的复杂巨系统 ［ 1 1 ］ 。现代复杂环境实时感知服务己经逐步演变为陆、海、空、天、电、网络六维一体的联合体系 ［ 2 2 ］ 。复杂环境是一切指挥和行动的空间基础 ［ 3 3 ］ ，为指挥和行动提供重要的现实依据。随着现代复杂环境变得越来越复杂，如何运用高新科技准确分析复杂环境以及复杂环境态势，对于联合行动具有至关重要的作用。其中，复杂环境态势是对实时环境及其演化趋势进行预测的实时感知服务，是掌握行动局面、研判行动布局所需的重要信息。新型复杂环境实时感知服务以复杂空间为研究背景，以计算机、通信、网络等技术和数字侦察设备为信息获取手段，以天基、空基、地基和海基遥感平台为服务平台。针对复杂环境及敌我友态势，新型复杂环境实时感知服务充分运用通信、导航、遥感（通导遥）信息资源和智慧地球等高新技术 ［ 4 4 ］ ，为复杂环境的物理域、信息域、认知域和社会域提供诸多环境要素保障 ［ 5 5 ］ 。其中，通信是网络链接，导航是时空架构，遥感是数据感知。通导遥融合的复杂环境实时感知服务以形成陆、海、空、天、电、网络六维一体系统为目的，万物互联和星空地组网是其重要环节与必要前提。 复杂环境实时感知服务与行动紧密相连，贯穿于整个行动的全过程，是一项复杂的系统工程。从技术层面上，复杂环境实时感知服务是多源数据（通信、导航、遥感卫星数据，天基、空基、地基和海基数据）的集成，是复杂行动流程的集成，也是各种应用系统，如地理信息系统（geographic information system，GIS）、管理信息系统（management information systems，MIS）、智慧地球系统（smart Earth system，SES）等的集成。 通导遥融合是建设智慧地球的重要基础设施。当前，传统的陆、空、海空间已经向极远、极深、极微方向发展，深地、深空和深海将成为未来的战略新高地。俄乌冲突爆发后，马斯克的“星链”卫星在乌克兰启用，并迅速介入到行动中，为乌克兰提供连接互联网的冗余网络支持，这对于未来态势具有重大影响 ［ 6 6 ］ 。但是，中国现有的通信、导航、遥感卫星系统各成体系，存在系统孤立、信息分离、服务滞后的问题 ［ 4 4 ］ ，无法满足现有数字化以及未来智能化建设的需求。同时，现有天基信息系统服务的时效性、准确性、智能化水平有待进一步完善。复杂环境实时感知和响应所需时间与美国全球范围分钟级信息响应速度有很大差距，难以满足对全球动目标实时跟踪、固定目标实时监测的需求。天基信息实时智能服务问题也已成为制约中国从航天大国跨越到航天强国的重要技术瓶颈。因此，实现通导遥融合发展，建设通导遥融合的复杂环境实时感知服务系统具有重要意义。 1　新型复杂环境实时感知服务需求 1 本节从复杂环境下的实时感知服务需求出发，分别分析复杂环境实时感知服务的通信、导航和遥感遥测等需求。新型复杂环境实时感知服务，在遥感信息精度上，空间分辨率要达到分米级，时间分辨率要达到分钟级，数据处理速度优于1 min；在实时导航定位精度上，要达到分米级；在覆盖范围和通信能力上，要达到覆盖全球的语言、视频和图像通信，天基信息从卫星到智能终端传输时间优于1 min；在服务能力上，要达到为各类用户提供快速、准确、智能化的天基信息实时智能服务（positioning，navigation，timing，remote sensing，communication，PNTRC）系统服务，实现各类卫星的系统联通、时空融合、服务畅通的目标。 1.1　新型复杂环境实时感知服务的通信需求 2 以卫星通信需求为例，卫星通信是以卫星作为中继站进行无线电波发射或转发的一种通信方式，能够实现两个或多个地面站或手持终端与通信卫星和地面站之间的通信，如 图1 图1 所示。相较于传统地面通信，卫星通信具有远距离通信、中继传输、灵活的机动性、稳定的传输功能、覆盖范围全面、通信频带宽且容量大等优点 ［ 7 7 ］ 。卫星通信在现代复杂环境中具有重要作用 ［ 8 8 ］ ，特别是在全球信息化背景下，人们对通信卫星的通信传输要求越来越高。 1.2　复杂环境实时感知服务的导航需求 2 以卫星导航为例，卫星导航是指采用导航卫星对陆地、海洋、天空和太空任何地点为用户提供导航定位服务的空基无线电导航系统 ［ 9 9 ］ 。卫星导航系统具有全天时、全天域、全球观察等优势 ［ 10 10 ］ ，在现代复杂环境中具有重要作用。目前，许多无人机系统 ［ 11 11 ］ 需要借助卫星导航来获取目标精密的三维坐标、速度和时间信息 ［ 12 12 ］ ，进而实施动态目标锁定和跟踪。 1.3　复杂环境实时感知服务的遥感遥测需求 2 随着遥感科学及技术的发展，遥感呈现出“三全”（全天候、全天时、全球观测）、“三高”（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率）、“三多”（多平台、多传感器、多角度）的发展趋势 ［ 13 13 ］ 。复杂环境具有区域性、多维结构、时序变化等复杂特征 ［ 14 14 ］ ，高分辨率遥感卫星和航空遥感平台能够准确地提供实时的高分辨率遥感影像数据。复杂环境实时感知服务要求遥感信息的精度在空间分辨率和时间分辨率上分别达到分米级和分钟级的水平 ［ 15 15 ］ 。同时，随着科学技术的不断进步，复杂环境对时间和空间具有更大的依赖性和关联性，只有把握时空信息，才能把控总体态势，实时动态、溯源预测，才能赢得未来局势。因此，复杂环境实时感知服务对通导遥融合提出了实时、准确、全面的时空信息需求。 2　通导遥融合的新型复杂环境实时感知服务 1 通导遥融合的空天信息实时智能服务系统已成为中国抢占空基、天基信息服务的战略制高点 ［ 4 4 ］ 。通导遥融合的复杂环境实时感知服务研究是一个多学科交叉的研究领域，其技术体系的建立依赖于许多基础理论以及相关前沿技术的研究，如3S技术、对地观测、网络技术、全球广域网（world wide web，Web）服务、数据库技术等 ［ 16 16 ］ 。本节概述了复杂环境实施感知服务范围，并通过示例说明了复杂环境实时感知服务平台的构建流程，论述了复杂环境实时感知服务架构的3部分内容。 2.1　复杂环境实时感知服务范围 2 复杂环境实时感知服务范围包括物理域、信息域、认知域和社会域4部分：（1）物理域是各种平台和连接平台的通信网络客观存在的领域，包括陆地、海洋、空中和太空等真实存在的空间维度。（2）信息域是指信息产生、复制、增值和共享的领域，获取信息数据的硬件、软件。（3）认知域包括了所有参与活动人员的感知、意识、理解、决策、信念和价值观。（4）社会域是实体相互作用、交换信息、形成晓知与理解以及做出协作决策的平台 ［ 17 17 ］ 。在社会域中，实体相互交联，传递信息，互相感知与理解，并做出协同决策。社会域是复杂环境实时感知服务不可或缺的因素。 2.2　复杂环境实时感知服务平台 2 复杂环境实时感知服务平台可以基于PNTRC系统来构建，在空间上由天基、空基、地基和海基4部分组成。 1）天基部分。天基信息实时智能服务系统由数百颗具有遥感、导航与通信功能的低轨小卫星组成的天基网，协同高分辨率遥感卫星、北斗导航卫星，与卫星通信网、地面互联网、移动网的整体集成的新一代天基智能系统，提供高性能导航、定位、授时、遥感、通信的一体化实时服务 ［ 18 18 ］ ，如 图2 图2 所示。天基信息实时服务系统可以实现卫星遥感、卫星导航、卫星通信与地面互联网的集成服务，进而实现全球高时空分辨率的数据采集、高精度实时导航定位和宽带移动通信，如 图3 图3 所示。在大数据、云计算、人工智能技术支撑下，实时提供到智能终端的快速、准确、智能化的天基信息服务，完成复杂环境中的目标识别、定位、跟踪等任务。 2）空基部分，由高、中、低空平台组成。高空平台是指位于平流层的气球、飞艇等载荷，包含光学、微波、红外等传感器和导航定位及通信装置，如 图4 图4 所示。中空平台由载人航空飞机携带摄影测量和大地测量设备组成，并包含通信装置和时空、姿态传感器。低空平台由无人机装载的摄影测量、工程测量和大地测量设备组成，同样包含通信设备和时空、姿态传感器。 3）地基平台，由地面智能机器人、视频终端、智能移动设备、测绘车、北斗终端等硬件，北斗地基增强系统、辅助北斗定位系统、视频网、局域无线网等软件组成，可近地或就地感知复杂环境地理信息，如 图4 图4 所示。上述每一种传感网络平台都拥有自己的智能化数据处理中心，这些处理中心实现复杂环境感知的互联、互通、共享互操作，向各终端提供“所要即所得”的服务。 4）海基平台，由舰艇、潜艇、航空母舰装备的通信、导航、遥感等硬软件组成，可以提供实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和通信等服务。 2.3　复杂环境实时感知服务架构 2 复杂环境实时感知服务架构主要由感知层、网络传输层及应用层3个部分组成：感知部分，即以二维码、射频识别（radio frequency identification，RFID）、传感器为主，实现对“物”的识别；网络传输部分，即通过现有的互联网、局域网、广电网络、通信网络等实现数据的传输；应用部分，通过智能处理，如利用云计算、数据挖掘、中间件等技术，实现作战系统和设备的自动控制与智能管理能力，并应用到复杂环境的各场景和流程中 ［ 19 19 ］ 。 1）感知层。感知层处于3层架构的最底层，是复杂环境信息智能化保障感知网发展和应用的基础，解决数据获取问题，包含各种空间传感器节点，对各类物理量、标识、音频、视频等与作战及态势评估相关联的数据进行采集。天空地一体化感知网将各种传感器资源组成对地观测传感网，可以形成一个自组织的动态协同观测系统。每个传感器节点都具有独立的事件感知和观测能力，为了某种观测目标，所有节点又可以动态地整合起来作为一个整体，形成全局观测系统，有效地解决目前观测平台间传感器、数据、信息不能互补的瓶颈问题，实现自主的、任务可定制的、动态适应并可重新配置的观测系统 ［ 20 20 ］ 。 在复杂环境信息智能化保障感知网建设中，感知层应该包括北斗连续运行参考站系统（continuous operational reference system，CORS）地面站、固定端和移动端前端摄像头，辐射监测范围的多尺度监控，可实时获得复杂环境的监管区域的视频影像等动态数据。重点区域应该建成以“电子围网”为主要特点的栅栏智能监控系统，系统集成高清数字摄像机、光电跟踪仪、雷达、无人机、热成像仪、移动巡查等多类现代化监控设备。为了满足复杂环境信息智能化保障感知网建设的需求，并为后续的智能应用提供基础支撑，进而实现灵性的可伸缩观测系统架构，提高复杂环境信息智能化保障感知网观测资源的使用效率，发挥观测资源的聚焦效能和为用户提供个性化和普适化的观测资源使用环境，未来复杂环境信息智能化保障感知网将扩充北斗地基增强系统地面站，并加强辅助北斗定位系统建设，以更准确地满足各应用的空间定位需求。建设视频监控系统，对潜在的目标区域实施高清化、网络化、智能化、全天候化、高覆盖的监控，满足安防、预警突发事件、应急指挥、决策等多场景、多部门、多应用的需求。以行动流程和分析流程所需传感器为先，建立各应用传感系统，灵活构建满足各种应用需求的新型观测网络环境，并动态组织多种观测资源。 2）网络层。天空地一体化感知网络层能够对感知到的数据进行无障碍、高可靠性、高安全性的传送和处理，解决感知层所获得数据的传输问题，是进行信息交换、传递的数据通路，包括骨干传输层和网络接入层。骨干传输层是天空地一体化信息网络的核心基础设施，通过天基网络与地面网络的融合保障各类传感节点的通信传输需求，骨干传输层由位于对地静止轨道的骨干传输网、位于中低轨的动态传输网络和地面的地面站网络共同组成。典型传输网络包括电信网、广电网、互联网、电力通信网、专用网（数字集群）等。网络接入层主要保障各类用户接入，包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等，实现底层的传感器网络、RFID网络的接入。 目前，复杂环境信息智能化保障感知网建设应当开展专用光纤网络建设，并申请5G/6G专用频率、国家高速骨干网接入研究工作；将进行重点区域专用Wi‑Fi建设，让高速稳定可用的局域网Wi‑Fi延伸到移动终端设备和移动系统。与此同时，天空地一体化的复杂环境信息智能化保障感知网的网络层将承担比现有网络更大的数据量并面临更高的服务质量要求，所以现有网络尚不能满足其需求，需要对现有网络进行融合和扩展，利用互联网协议第6版、5G/6G、星载基站等下一代互联网和通信新技术来实现更加广泛和高效的互联功能。 3）应用层。天空地一体化感知网应用层的主要功能是将感知和传输来的信息进行在轨实时分析和处理，做出正确的控制和决策，实现面向实际需求的各类智能化的管理及应用，并提供相关设备与服务 ［ 21 21 ］ 。应用层主要提供智能化态势认知、筹划决策、行动控制、信息服务、人机交互、学习与训练等功能要素，是系统主要面向用户的功能界面，是智能化要解决的核心问题。 3　结 语 1 本文针对现代复杂环境越来越复杂的现状，严峻的国际形势和突发事件应急响应存在的问题，提出并阐释了复杂环境实时感知服务的概念；从复杂环境下的实时感知服务需求出发，介绍了通导遥融合的复杂环境实时感知服务创新思路，概述了复杂环境实施感知服务的范围，并通过示例说明了复杂环境实时感知服务平台的构建流程，论述了复杂环境实时感知服务的功能。通导遥融合的复杂环境实时感知服务是智慧地球中一种新的思路和探索，具有重要的理论意义。 参 考 文 献 Liang Jinlong ， Wang Xiaoyu ， Zhao Junfeng . 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