3月5日14時01分，我國在西昌衛星發射中心用長征二號丙運載火箭，成功將我國首次批量研制的銀河航天02批批產衛星（包括“北郵-銀河號”衛星在內的六顆低軌寬帶通信衛星和一顆遙感衛星）送入預定軌道，發射任務獲得圓滿成功。該批衛星主要用于低軌互聯網星座組網技術和服務能力驗證，以及通信遙感技術融合試驗。此次成功發射驗證了我國具備建設衛星互聯網巨型星座所必須的衛星低成本、批量研制以及組網運營能力，對于推動我國商業低軌衛星通信遙感一體化技術發展具有積極意義。
低軌衛星通信遙感融合：架構、技術與試驗
彭木根1，張世杰2,3，許宏濤1，張夢菲1，孫耀華1，程瑛3
1.?北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室，北京?100876；
2.?銀河航天（北京）科技有限公司，北京?100192；
3.?媒體融合生產技術與系統國家重點實驗室，北京?100803
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【摘 要】低軌衛星系統是獲取空間信息和破解寬帶數字鴻溝的重要基礎設施之一，通信與遙感融合是解決現有遙感和通信分治、衛星重置、應急業務響應不及時等問題的有效途徑。概述了低軌通信和遙感衛星系統的現狀，針對通信和遙感融合需求，提出了通信遙感融合方案及體系架構，闡述了基于該體系架構的硬件組成及融合試驗方案，最后探討了相關挑戰和未來發展。【Abstract】Low earth?orbit (LEO) satellite system is one of the most important infrastructures to gather spatial information and break the broadband digital divide. The integration of communication and remote sensing is an effective way to solve the existing problems of system independence, satellite resource waste, and late response to emergency service requests. Firstly, the status of communication?and remote sensing in LEO satellite systems?were outlined, and then a communication and remote sensing integrated scheme and architecture were put forward?to meet the integration requirements.?In addition,?a hardware composition and corresponding experiment based on this architecture was?introduced. Finally, the relevant challenges and future development were?discused.
【key words】integration of communication and remote sensing, LEO satellite, real-time remote sensing and transmission
論文引用格式：
彭木根, 張世杰, 許宏濤, 等. 低軌衛星通信遙感融合：架構、技術與試驗[J]. 電信科學, 2022, 38(1): 13-24.
PENG M G, ZHANG S J, XU H T, et al. Communication and remote sensing integrated LEO satellites:architecture, technologies and experiment[J]. Telecommunications Science, 2022, 38(1): 13-24.
0 引言
低軌遙感衛星系統為對地觀測提供了數據保障，已廣泛應用于森林火災監測、應急救援、大氣觀測等領域，促進了社會與經濟發展，同時在國防領域的重要戰略地位也日益凸顯。另一方面，低軌寬帶通信衛星近年來受到廣泛關注，美國以OneWeb、Starlink為代表的低軌商業互聯網星座已進入快速建設期，并為“黑杰克”“空間傳輸層”等項目提供服務；我國也相繼提出了鴻雁星座、虹云工程等一系列低軌星座發展計劃，在商業等領域均有巨大應用前景。現有遙感系統采用周期性、批處理的運行方式，存在衛星過頂時間短、地面接收資源不足、各處理環節相對獨立煩雜等問題，難以滿足大量、低時延的遙感信息獲取需求。為解決上述問題，結合低軌衛星通信系統的發展，以及節省有限的低軌衛星載荷、軌道和頻率等寶貴資源，低軌衛星系統的遙感和通信融合大勢所趨。實際上，6G的一個重要技術特征就是采用非體面網絡（non-terrestrial network，NTN），在提供10 100倍于5G傳輸速率的同時，開發新的空中接口，實現傳感、通信、導航、計算的融合。為克服傳統遙感衛星系統性能瓶頸，通信遙感功能可依托低軌衛星進行融合，最終實現即感即傳的愿景。具體而言，通過在低軌衛星上同時搭載通信與遙感載荷，并借助在軌任務調度與信息智能分發、高速綜合信號處理、地面站網資源融合管控等關鍵技術，提升遙感數據分發速率和遙感任務實時響應能力。國內外對衛星遙感通信融合展開了初步研究。文獻設計了一個快記錄慢發布模式的遙感數據傳輸子系統和對應的下行鏈路，實現了數據無損壓縮準實時下傳。針對遙感衛星的通信任務規劃，文獻綜合考慮數據采集鏈中的各類資源，提出了一個標簽約束最短路徑的框架以實現快速響應。針對多星協同問題，文獻比較了地面和低軌小星座無線感知網絡的異同，提出一種從衛星負責感知、主衛星負責與地面站通信的多星協同通感方案。此外，文獻基于具備星間鏈的Walker低軌遙感星座提出了一種遙感數據轉發算法，能夠最小化遙感數據請求和數據下傳的時間。通過在應急導航/通信系統中集成地球觀測信息、在地面/衛星混合網絡基礎設施中集成納米衛星，文獻提出了面向應急場景的通信、導航、遙感三網協同方法。與此同時，各國關于衛星通感融合的相關項目也在推進當中：2018年，美國國防高級研究計劃局發起“黑杰克”項目，計劃開發一個搭載軍用通信、導航、偵察、預警等多類任務載荷的自主智能低軌星座；美國陸軍融合項目計劃借助低軌星座通信傳輸能力連接傳感器與作戰武器，構建20秒殺傷鏈；俄羅斯于2018年提出打造通導遙一體化星座——“球體”，提供寬帶通信、機器對機器通信、偵察、導航等多種功能；針對集成遙感、通信、導航系統的空間基礎設施，我國在《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025年）》中提出了一星多用、多星組網、多網協同、數據集成發展的思路。總體來說，基于低軌星座的遙感通信融合研究已取得一些進展，但低軌衛星同時部署遙感和通信載荷的試驗目前尚無公開案例。1 低軌衛星遙感技術發展
遙感起源于航空探測，經過半個多世紀的發展，現代遙感系統借助光學相機、合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）等傳感器，接收來自地球空間的各種電磁波信息并進行處理分析，能實現全天候觀測從而得到目標的物理特征及變化規律，具有宏觀動態的優點。隨著遙感技術在生態環境監測、國防戰略安全等領域應用愈加廣泛，全球各國積極組織遙感衛星技術研發，空間分辨率、時間分辨率等性能指標不斷提高。
1.1??國內外研究現狀
全球在軌運行的遙感衛星主要運行在300 800 km的低軌道，運行速度快、周期短，相比于無人機、浮空器等遙感類型具備獨有的周期性廣域覆蓋和全球快速訪問優勢，因此遙感衛星建設已成為各國科技發展競爭的焦點，美國、法國、俄羅斯、日本、歐洲航天局等國家和機構均展開了衛星遙感系統的建設和規劃。目前具有代表性的先進高分辨率系統有美國的WorldView系列、法國的SPOT系列、加拿大的RadarSat系列以及中國“高分”系列等。總體而言，全球低軌遙感衛星規模不斷壯大，美國在其中仍處于領先水平。我國航天事業發展40多年，現已躋身航天大國行列，衛星事業正面臨難得的發展機遇。基于我國全球發展戰略和國民經濟產業發展需求，近年來國家接連論證發布了《高分辨率對地觀測系統重大專項》《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025年）》和《中國面向全球的綜合地球觀測系統十年執行計劃（2016—2025年）》，計劃構建多分辨率配置、多觀測技術組合的衛星遙感系統以提升全球觀測和數據獲取能力，加快中國的空間信息與應用技術發展。
1.2??傳統遙感衛星體系架構
衛星遙感系統完成一次任務操作，涉及的環節包括指令上注、數據獲取、星上處理、數據下傳、數據處理與分發。遙感衛星的工作模式則包括成像記錄、數據回放、準實時數傳任務等10種，同一時刻只能工作在一種工作模式中，具體由運控指令進行控制。傳統遙感衛星系統的體系架構如圖1所示，由衛星平臺、有效載荷、星地鏈路、地面系統4個子系統組成，各系統有序協同配合，完成遙感作業。