董勇

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作是我國社會建設(shè)的一項重要內(nèi)容，如何在信息化條件下提高防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作的效率和效果，是構(gòu)建新時期應(yīng)急減災(zāi)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。在信息化時代，天基遙感系統(tǒng)在應(yīng)急減災(zāi)中具有反應(yīng)迅速、覆蓋面廣、不受地形限制等優(yōu)勢，能快速地提供災(zāi)情和災(zāi)區(qū)地形信息，為制定救災(zāi)方案提供有效的第一手信息[2]。例如，在我國云南魯?shù)榈卣?、景谷地震，四川康定、九寨溝地震，西藏日喀則地震等應(yīng)急救災(zāi)中，衛(wèi)星遙感都發(fā)揮了巨大的作用[3-4]。民政部減災(zāi)委“十三五”組織編制完成的《國家自然災(zāi)害空間信息基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃》，提出了“4+4+6”遙感衛(wèi)星星座，重點補充高軌光學(xué)/雷達衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星和高分辨率敏捷衛(wèi)星，旨在提高自然災(zāi)害觀測衛(wèi)星的高時間、高空間、高光譜的應(yīng)急觀測能力和多尺度、多星資源綜合觀測能力，實現(xiàn)我國乃至全球的自然災(zāi)害致災(zāi)因子風(fēng)險性、孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性、承災(zāi)體脆弱性和災(zāi)害損失高精度監(jiān)測評估，為減輕災(zāi)害風(fēng)險、降低災(zāi)害損失和提高災(zāi)害管理水平提供技術(shù)支撐[5]。

衛(wèi)星減災(zāi)工作大體分為應(yīng)用需求、數(shù)據(jù)提供和技術(shù)服務(wù)3個方面，相關(guān)主體分別是減災(zāi)用戶、衛(wèi)星運營方和技術(shù)提供方[6]。自1999年全球第3次外太空大會倡導(dǎo)加強全球衛(wèi)星減災(zāi)合作以來，衛(wèi)星減災(zāi)合作機制不斷探索與完善。不同合作機制其合作宗旨、合作資源和運行模式均不盡相同。從合作資源來說，有些機制側(cè)重數(shù)據(jù)合作，有些則側(cè)重技術(shù)合作。從運行模式來看，以政府主導(dǎo)的合作機制，運行管理相對嚴(yán)密一些。本文從應(yīng)急減災(zāi)需求出發(fā)，在調(diào)研國外應(yīng)急救災(zāi)管理機制的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前應(yīng)急救災(zāi)的主要手段，天基系統(tǒng)支持應(yīng)急救災(zāi)的滿足程度，從天地一體化角度分析天基系統(tǒng)構(gòu)建需求，提出我國天基系統(tǒng)支撐應(yīng)急救災(zāi)的體系構(gòu)建設(shè)想。

1 面向應(yīng)急管理的天基系統(tǒng)需求

應(yīng)急管理服務(wù)是一項大的系統(tǒng)工程，需要快速、準(zhǔn)確的制定方案，協(xié)調(diào)系統(tǒng)資源，有效整合各方力量完成應(yīng)急任務(wù)需求。不同于一般的管理方式，現(xiàn)代應(yīng)急管理需要借助信息化、智能化、大尺度、精細化的多種態(tài)勢感知、資源調(diào)度、任務(wù)協(xié)同手段來支撐任務(wù)的完成。

1.1 亟需增強現(xiàn)場災(zāi)情信息獲取及傳遞保障能力

重大災(zāi)害、事故或事件發(fā)生后，各級應(yīng)急管理機構(gòu)都想以最快速度、最大準(zhǔn)確度、最全視角了解現(xiàn)場情況，及時掌握災(zāi)害發(fā)生在哪里、涉及多大范圍、未來發(fā)展趨勢、會帶來哪些影響后果等信息，因此，“第一時間獲得災(zāi)害現(xiàn)場圖像”是最迫切的需求。這引申出兩個方面問題：一是如何在“第一時間”觀測到現(xiàn)場，涉及國內(nèi)外遙感衛(wèi)星、無人機、現(xiàn)場拍攝設(shè)施等規(guī)劃調(diào)度問題；二是在獲得現(xiàn)場災(zāi)情圖像后如何在“第一時間”將圖像或視頻數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)急管理決策機構(gòu)面前。

我國在軌遙感衛(wèi)星多運行在極軌，過境時間[7]多集中在10：30，極軌偵察衛(wèi)星、民用遙感衛(wèi)星、商業(yè)遙感衛(wèi)星共30余顆，通過協(xié)同觀測應(yīng)用，對我國及周邊區(qū)域的高空間分辨率觀測時效性優(yōu)于1天重訪，2 m分辨率數(shù)據(jù)可實現(xiàn)國土范圍每天重訪。高軌衛(wèi)星觀測時效性高，但受限于測控體制，從觀測任務(wù)下達到數(shù)據(jù)獲取鏈條較長，以高分四號衛(wèi)星為例，從下達應(yīng)急觀測指令到獲得圖像數(shù)據(jù)，一般需要1～2 h。

我國地域廣大、地形地貌和氣候條件非常復(fù)雜，自然災(zāi)害與重大事件發(fā)生時天氣條件往往很惡劣，云、雨、雪、霧等天氣將極大地降低光學(xué)衛(wèi)星觀測效能，僅依靠光學(xué)載荷往往不能滿足惡劣天氣條件下災(zāi)害事件應(yīng)急響應(yīng)需要，特別是洪澇、臺風(fēng)和雨雪災(zāi)害與海上溢油、水華等發(fā)生時，這一問題尤為突出。2008年初低溫雨雪冰凍災(zāi)害、汶川大地震，以及長島海上溢油事件等，由于目標(biāo)區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)陰雨天氣，國內(nèi)外針對目標(biāo)區(qū)域獲得的第一手觀測數(shù)據(jù)均來自雷達衛(wèi)星，而雷達成像數(shù)據(jù)需要的處理時間較長，也是一個需要權(quán)衡的問題。

發(fā)生災(zāi)害后，特別是地震、臺風(fēng)、海嘯、森林火災(zāi)[8]等，地面的通信網(wǎng)絡(luò)往往受到損壞或超出服務(wù)范圍，即使現(xiàn)場通過手機、相機、無人機獲得了第一手圖像資料，因地面通信鏈路暫時阻斷會延遲信息傳遞時間。在這種情況下，衛(wèi)星通信往往成為重要選擇，有時也是唯一的選擇。我國現(xiàn)階段衛(wèi)星通信資源還不是太豐富，主要以C,Ku頻段為主，地面應(yīng)用需要甚小口徑天線終端(VSAT)小站，或救援人員需要背負10 kg以上的通信器材到達現(xiàn)場，現(xiàn)場建立衛(wèi)星通信鏈路需要幾十分鐘左右，包括協(xié)調(diào)波束資源、架設(shè)天線、對準(zhǔn)衛(wèi)星等。器材太重，給救援人員帶來很大負擔(dān)，因此衛(wèi)星通信設(shè)備質(zhì)量能減小到2～3 kg比較好。另外，現(xiàn)場建立鏈路程序比較復(fù)雜，需要建立鏈路時間縮短到幾分鐘，最好能做到“即開即用”，以200 kbit/s以上速率快速傳遞聲音和圖像。

綜上所述，多手段的災(zāi)情應(yīng)急勘察和災(zāi)情勘察信息傳輸是當(dāng)前應(yīng)急救助中的重要前提和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于災(zāi)區(qū)地理環(huán)境、設(shè)備設(shè)施等限制，當(dāng)前的信息獲取和傳輸手段無法滿足快速應(yīng)急信息分發(fā)的需求，需要通過天基等手段提高現(xiàn)場災(zāi)情信息傳遞保障能力。

1.2 盡快完善天空地一體化應(yīng)急觀測體系

現(xiàn)有應(yīng)急觀測體系，包括天、空、地多種手段，地面主要有瞭望哨，配置望遠鏡、相機、攝像機、手機等設(shè)備，獲取的圖像數(shù)據(jù)直觀生動、現(xiàn)勢性強、容易操作與處理，但圖像視野較窄，獲取大范圍災(zāi)情數(shù)據(jù)需要多人/站協(xié)同，花費幾天甚至數(shù)月的時間才能完成。衛(wèi)星觀測的優(yōu)勢是不受國界限制、不受空域限制，站得高，看得遠，一次成像可以對幾十、數(shù)百甚至數(shù)千千米區(qū)域觀測，有可見光、紅外、高光譜、合成孔徑雷達(SAR)、激光等多種技術(shù)手段可供選擇或融合應(yīng)用，但缺點是周期長、極軌衛(wèi)星一次過境時間短(約10 min)、降交點地方時集中等。無人機遙感，因近幾年技術(shù)和產(chǎn)品進步很大，也越來越受到重視，配上不同載荷，既可以進行遙感監(jiān)測，也可以進行通信中繼，放飛場地靈活，觀測高度可以達到幾百米至幾千米，但缺點是航行時間短、放飛時對天氣要求苛刻(晴天無風(fēng)最理想)，搭載載荷質(zhì)量受限。

綜合考慮天、空、地各種資源的優(yōu)勢和劣勢，采用“取長補短、協(xié)同觀測”的思路，建設(shè)天空地一體化應(yīng)急觀測體系，是解決“第一時間獲得現(xiàn)場圖像”問題的可行途徑。我國目前在軌的遙感衛(wèi)星資源初具規(guī)模，涵蓋了紅外、多光譜、高光譜、SAR，但全天時、全天候的SAR衛(wèi)星、紅外衛(wèi)星數(shù)量少，需要重點補充。

1.3 天基系統(tǒng)需求分析

1.3.1 先進感知使能

根據(jù)對災(zāi)害的快速應(yīng)急響應(yīng)需求，我國正在著力構(gòu)建天空地一體化的災(zāi)害立體監(jiān)測體系，規(guī)劃建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)衛(wèi)星星座，形成對災(zāi)害的全天候、全天時、全球化的綜合觀測能力；同步建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)衛(wèi)星星座減災(zāi)應(yīng)用系統(tǒng)，不斷推動軍民衛(wèi)星資源的深度融合應(yīng)用，提高災(zāi)害的全過程、全要素綜合監(jiān)測與風(fēng)險分析能力，實現(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險與損失評估的自動化、智能化與定量化水平；大力推動遙感衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星和廣播衛(wèi)星的綜合運用，建立衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用信息綜合服務(wù)平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品定制與全球化的防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)服務(wù)[9]。

當(dāng)前，災(zāi)害遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)已經(jīng)建立起軍、民、商和國際等多種機制相結(jié)合的衛(wèi)星遙感資源獲取渠道。環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、“高分”衛(wèi)星等自主國產(chǎn)衛(wèi)星已成為災(zāi)害遙感日常監(jiān)測業(yè)務(wù)的主要數(shù)據(jù)源。遙感系列衛(wèi)星與北京二號等商用衛(wèi)星及“空間和重大災(zāi)害國際憲章”(International Charter Space and Major Disasters，CHARTER)機制下可調(diào)度的衛(wèi)星，成為洪澇、地震等重特大災(zāi)害應(yīng)急階段獲取的重要數(shù)據(jù)源。圍繞災(zāi)害管理全過程的業(yè)務(wù)需求，已建立常規(guī)和應(yīng)急兩種業(yè)務(wù)模式。常規(guī)業(yè)務(wù)模式下，利用穩(wěn)定獲取的環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、“高分”系列衛(wèi)星及其他開源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，開展災(zāi)害要素、災(zāi)害風(fēng)險、災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建等監(jiān)測工作，定期發(fā)布監(jiān)測產(chǎn)品。在重大災(zāi)害發(fā)生后，進入應(yīng)急業(yè)務(wù)模式，在24 h內(nèi)獲取災(zāi)區(qū)的多源衛(wèi)星影像、動態(tài)，及時開展災(zāi)區(qū)背景信息、災(zāi)害范圍監(jiān)測、毀損情況監(jiān)測、次生災(zāi)害監(jiān)測及救災(zāi)帳篷監(jiān)測等工作，并提供產(chǎn)品服務(wù)。

1.3.2 通信使能

應(yīng)急減災(zāi)系統(tǒng)具備應(yīng)急調(diào)度業(yè)務(wù)傳輸保障能力，網(wǎng)絡(luò)由中心站統(tǒng)一實現(xiàn)信道建立和資源調(diào)配，各遠端站具備音視頻、數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)的采集、處理能力。網(wǎng)內(nèi)節(jié)點固定站、便攜式衛(wèi)星站、數(shù)據(jù)小站或“動中通”衛(wèi)星通信車可通過中心站統(tǒng)一管理，實現(xiàn)各站點之間星狀、網(wǎng)狀或樹狀組網(wǎng)的雙向通信，并可通過地面網(wǎng)絡(luò)將衛(wèi)星站點的音視頻信號通過數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)至各行業(yè)指揮中心，實現(xiàn)常態(tài)化管理應(yīng)用。

衛(wèi)星通信運營服務(wù)平臺為應(yīng)急各行業(yè)信息化提供業(yè)務(wù)支持和服務(wù)支撐。通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的有機結(jié)合，為應(yīng)急安全生產(chǎn)、氣象、水利、地震、地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境、交通、公安、消防、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧、衛(wèi)生防疫等行業(yè)提供實時信息數(shù)據(jù)傳輸，如指揮調(diào)度決策通信保障、多媒體視頻會議等多種業(yè)務(wù)。

1.3.3 導(dǎo)航定位使能

到2020年，我國的北斗三號將具備全球定位和授時能力，地面定位精度達到5 m，應(yīng)急救災(zāi)管理系統(tǒng)開展各類終端開發(fā)及應(yīng)用，充分發(fā)揮“北斗”短報文發(fā)送、“北斗”暢聊即時通訊、“北斗”定位、“北斗”導(dǎo)航、海拔高度、方向度、衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)對星顯示等位置信息和行動軌跡服務(wù)能力[10]。

1.3.4 智能使能

應(yīng)急減災(zāi)系統(tǒng)具備人工智能接收各類傳感器感知信息的能力，自動處理、應(yīng)急響應(yīng)災(zāi)情，并自動通過通信、導(dǎo)航衛(wèi)星分發(fā)相關(guān)災(zāi)情信息的能力。

(1)智能應(yīng)急定位。當(dāng)前災(zāi)害環(huán)境下空間定位的計算和服務(wù)模型都是用戶驅(qū)動的模式，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，災(zāi)害環(huán)境下的空間定位逐漸向服務(wù)驅(qū)動模式的位置感知智能服務(wù)發(fā)展，即基于自適應(yīng)切換定位、自適應(yīng)應(yīng)急組網(wǎng)定位，能智能感知并主動向用戶提供與該用戶相關(guān)的位置信息。

(2)智能融合處理。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法主要解決多個異構(gòu)數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)的共享和融合問題，建立在規(guī)模較小、較為集中的系統(tǒng)上。智能融合處理依照空間位置與時間基準(zhǔn)對災(zāi)情數(shù)據(jù)自動語義匹配和轉(zhuǎn)換、災(zāi)情數(shù)據(jù)活化，形成對綜合減災(zāi)服務(wù)目標(biāo)的一致性完備描述和表達，提供多視角、全方位、高精度的數(shù)據(jù)。

(3)智能建模與可視化。隨著各種監(jiān)測預(yù)警體系日益完善，各種承災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境數(shù)據(jù)日益豐富，災(zāi)害場景構(gòu)建也正在由被動接受、靜態(tài)建模向主動感知、智能建模方面發(fā)展，即建模智能能實現(xiàn)災(zāi)害場景快速感知、自適應(yīng)自動構(gòu)建及災(zāi)害場景增強表達，為用戶提供一個可展示、可分析及可探索的場景。

(4)智能決策服務(wù)。決策服務(wù)利用災(zāi)情態(tài)勢感知信息接入與可視化、減災(zāi)模型推演智能、應(yīng)急預(yù)案智能匹配及在線協(xié)商、知識個性化推送、社交媒體災(zāi)害信息主題服務(wù)等智能信息化技術(shù)，從海量數(shù)據(jù)中分析出有用的信息，幫助決策者作出科學(xué)決策。

2 天基應(yīng)急管理支援體系

CHARTER是空間減災(zāi)領(lǐng)域運行最為成功的合作機制，具有目前世界上種類和數(shù)量最多和最先進的衛(wèi)星資源，僅在軌衛(wèi)星就多達34顆，包括雷達和光學(xué)兩大類。其中，光學(xué)衛(wèi)星分辨率最高達0.31 m，為全球災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測提供重要保障。目前，已經(jīng)為全球125個國家的各類重大災(zāi)害提供數(shù)百次衛(wèi)星應(yīng)急制圖服務(wù)，災(zāi)害種類涉及洪澇、熱帶風(fēng)暴、強降雨導(dǎo)致的滑坡及雪災(zāi)、地震、火山等。

我國也是CHARTER的成員國之一，國家民政部國家減災(zāi)中心通過CHARTER與加拿大航天局(CSA)、德國航空航天中心(DLR)、俄羅斯聯(lián)邦航天局(Roskosmos)、美國地質(zhì)勘探局(USGS)、美國NASA等建立了較好的應(yīng)急救災(zāi)響應(yīng)機制。目前，我國自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系基本形成，但是針對各類自然災(zāi)害的監(jiān)測站網(wǎng)和預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)尚未完善，還無法滿足自然災(zāi)害的監(jiān)測需求，天基遙感、導(dǎo)航、通信手段尚未有效發(fā)揮，因此，亟需建立面向應(yīng)急管理的天基系統(tǒng)，即天基應(yīng)急管理支援體系，實現(xiàn)“國家-省-市-縣-鄉(xiāng)鎮(zhèn)-村”6級應(yīng)急指揮調(diào)度。

在天基應(yīng)急管理支援體系中，應(yīng)急對地觀測體系是地面觀測部分(此外還有通信和導(dǎo)航定位)，天地一體化應(yīng)急管理云平臺是信息管理和處理部分。

2.1 應(yīng)急對地觀測體系

“天-地-現(xiàn)場”一體化的國家減災(zāi)救災(zāi)體系包括：衛(wèi)星、飛艇、有人機和無人機等現(xiàn)場組成的高、中、低結(jié)合的立體觀測和信息采集體系；衛(wèi)星和地面、固定和機動、公眾網(wǎng)與專用網(wǎng)相結(jié)合的應(yīng)急通信保障體系；統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)有序的應(yīng)急通信指揮體系。采用“天地一體化”的思路構(gòu)建我國天基應(yīng)急管理支援體系中的應(yīng)急對地觀測體系，充分利用遙感、導(dǎo)航、通信等空間技術(shù)的宏觀、快速、動態(tài)、綜合優(yōu)勢在防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮重要作用。圖1為應(yīng)急對地觀測體系架構(gòu)。

圖1 應(yīng)急對地觀測體系架構(gòu)

在空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃衛(wèi)星建設(shè)的基礎(chǔ)上，發(fā)射中軌觀測系統(tǒng)、高分光學(xué)強機動星座，增加地面機動測控數(shù)傳站，以加強和完善災(zāi)害應(yīng)急遙感觀測能力，與空間基礎(chǔ)設(shè)施在軌衛(wèi)星、商業(yè)遙感衛(wèi)星及無人機觀測系統(tǒng)、平流層飛艇觀測系統(tǒng)等一起構(gòu)成我國應(yīng)急對地觀測體系。圖2為衛(wèi)星觀測加強系統(tǒng)。

圖2 衛(wèi)星觀測加強系統(tǒng)

2.1.1 中軌觀測系統(tǒng)

突出時敏性、時效性、高重訪性，以覆蓋我國國土和“一帶一路”沿線國家為目標(biāo)，逐步形成滿足“時敏性、時效性”需求的全球應(yīng)急觀測能力，可針對突發(fā)災(zāi)害、事故事件快速、連續(xù)、多次成像，在第一時間提供觀測和探測信息。通過長期累積觀測，也有助于掌握災(zāi)害、事故、資源、環(huán)境等大尺度、多時相狀態(tài)變化。光學(xué)衛(wèi)星配置高分辨率光學(xué)相機，在5000 km軌道高度實現(xiàn)可見光全色3 m、多光譜12 m分辨率、紅外20 m分辨率。X頻段SAR衛(wèi)星采用機電聯(lián)合的成像體制，大型反射面天線聯(lián)合整星姿態(tài)機動，實現(xiàn)高分辨率寬幅成像。中軌系統(tǒng)利用光學(xué)載荷拼幅成像模式，實現(xiàn)大范圍、高分辨、高更新率成像，能夠一次過境實現(xiàn)對60個重點目標(biāo)的成像觀測，滿足森林防火、草原防火的監(jiān)測需要。利用衛(wèi)星姿態(tài)機動能力，一次過境實現(xiàn)對東西向主要河流的全域觀測，滿足洪澇、泥石流等災(zāi)害監(jiān)測需求。

2.1.2 高分光學(xué)強機動星座

面對我國應(yīng)急偵察的緊迫需求，設(shè)計強機動星座進一步提升重訪頻率，縮短應(yīng)急時間，在應(yīng)急時通過軌道強機動，在最短1 h、最長4 h內(nèi)對全球任意目標(biāo)實現(xiàn)觀測。以最小代價提高時間分辨率，執(zhí)行應(yīng)急快速響應(yīng)、高分辨率敏捷成像等任務(wù)，有效支撐應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。采用具有敏捷能力的高分辨率光學(xué)成像體制，通過可見光與紅外共光路設(shè)計，實現(xiàn)全天候成像能力，每天可對災(zāi)區(qū)重訪一次。衛(wèi)星平時運行在500 km軌道，實現(xiàn)全色0.5 m、多光譜2 m、中波紅外4 m的分辨率，幅寬12 km，通過多條帶拼接實現(xiàn)40～120 km范圍監(jiān)視；應(yīng)急時通過強機動變軌實現(xiàn)57～80 km(5條帶拼接)的局部范圍內(nèi)全色0.57 m、多光譜2.28 m、中波紅外4.55 m分辨率的觀測。

2.1.3 地面機動測控數(shù)傳站

在測控運行方面，機動測控數(shù)傳站接受應(yīng)急管理部指揮大廳的遠程控制，根據(jù)指揮大廳下達的測控任務(wù)自動實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)配置，實施航天器跟蹤，接收航天器遙測數(shù)據(jù)并自動轉(zhuǎn)發(fā)至指揮大廳；同時，接收指揮大廳發(fā)送的指令和上行注入數(shù)據(jù)，按照時序自動向航天器發(fā)送；在跟蹤期間自動實施測距、測角、測速任務(wù)，并將原始測量數(shù)據(jù)自動發(fā)送至測控中心。地面機動測控數(shù)傳站同時利用地面網(wǎng)絡(luò)與北京總部大數(shù)據(jù)中心直接互聯(lián)，保障天基情報的及時傳遞。

機動接收處理系統(tǒng)從功能上劃分，包括站控管理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、存儲管理分系統(tǒng)和支持保障分系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，保證系統(tǒng)的靈活性、可擴展性。其中：數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)的天伺饋設(shè)備安裝在天線車上；數(shù)據(jù)接收分系統(tǒng)其他設(shè)備、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、存儲管理分系統(tǒng)、站控管理分系統(tǒng)均安裝在方艙車內(nèi)。方艙車具備通過光纖或衛(wèi)通天線的方式獲取已經(jīng)部署在用戶單位內(nèi)的任務(wù)調(diào)度與規(guī)劃部門(系統(tǒng))下發(fā)的數(shù)據(jù)接收計劃和軌道根數(shù)。

2.2 天地一體化應(yīng)急管理云平臺

2.2.1 系統(tǒng)需求

天基信息的處理和分發(fā)應(yīng)滿足以下需求。

(1)數(shù)據(jù)存儲。遙感影像數(shù)據(jù)具有空間和時間兩維分布，一般采用柵格數(shù)據(jù)，是典型的非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，需要以適當(dāng)?shù)拇鎯Ω袷竭M行有效的存儲。隨著遙感衛(wèi)星數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)庫中所存儲的影像數(shù)據(jù)的規(guī)模將會以指數(shù)級增長，要求數(shù)據(jù)庫的容量能適應(yīng)海量數(shù)據(jù)存儲的需要。數(shù)據(jù)庫中還要存儲地理信息、天基資源數(shù)據(jù)、情報信息等，包括矢量、圖像、文本等多種格式，因此需要解決多種類型數(shù)據(jù)的存儲問題，并能高效地進行增、刪、改、查等數(shù)據(jù)庫操作。此外，數(shù)據(jù)庫未來還可能會集成應(yīng)急管理部門等信息資源，需要考慮數(shù)據(jù)庫存儲容量和數(shù)據(jù)格式的擴展需求。

(2)數(shù)據(jù)處理。由于遙感影像數(shù)據(jù)包含像素數(shù)量大，處理的計算量巨大，而且往往具有多種類型用戶，圖像處理和融合的需求多樣，因此需要高效率和高精度的算法進行數(shù)據(jù)處理和融合。

(3)數(shù)據(jù)分發(fā)。大數(shù)據(jù)、大系統(tǒng)、大用戶將是未來應(yīng)急系統(tǒng)不可避免的特征與趨勢，如何保證災(zāi)害態(tài)勢信息以最穩(wěn)健的形式進行存儲，是決定能否占據(jù)信息優(yōu)勢進行應(yīng)急響應(yīng)的重要前提。實現(xiàn)天基信息資源和指揮決策信息的分發(fā)，使有用信息及時、準(zhǔn)確地到達信息的需求者，并反饋使用者的進一步需求，是天基信息有效利用的一項關(guān)鍵問題。

根據(jù)上述需求，天基數(shù)據(jù)存儲平臺應(yīng)具有多格式、大容量、可擴展、快速智能處理、精確定向分發(fā)等性能。

2.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

天地一體化應(yīng)急管理采用云平臺架構(gòu)，如圖3所示。

(1)數(shù)據(jù)層。它主要由參與數(shù)據(jù)共享的各應(yīng)急管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源構(gòu)成，這些數(shù)據(jù)庫中所包含的數(shù)據(jù)是共享的對象。由于開發(fā)過程中各應(yīng)急管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)彼此獨立，因此這些數(shù)據(jù)庫的類型多樣，有Oracle數(shù)據(jù)庫、MySQL數(shù)據(jù)庫、Access數(shù)據(jù)庫、DB2數(shù)據(jù)庫和XML數(shù)據(jù)庫等，而且空間上處于分布的狀態(tài)，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式更是千差萬別，各類應(yīng)急業(yè)務(wù)的特點決定了各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)之間可能存在部分的交叉重疊。數(shù)據(jù)源的這些特點也正是數(shù)據(jù)共享所要破解的難點。

(2)服務(wù)層。它的服務(wù)內(nèi)容主要有元數(shù)據(jù)服務(wù)和數(shù)據(jù)源服務(wù)2項。應(yīng)急管理所涉及到的數(shù)據(jù)類型很多，若僅使用一種元數(shù)據(jù)對所有數(shù)據(jù)源進行描述，則元數(shù)據(jù)的屬性項目數(shù)量會非常龐大，而這些屬性值又大部分為空值，這樣就會導(dǎo)致生成的元數(shù)據(jù)甚至比數(shù)據(jù)源本身還復(fù)雜。因此，應(yīng)按照數(shù)據(jù)源的作用和屬性特點對其分類，屬性相近的劃為一類。由一種元數(shù)據(jù)對該類數(shù)據(jù)源進行描述，并為每種類型制定元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。元數(shù)據(jù)服務(wù)的流程為：數(shù)據(jù)源首先經(jīng)過分類器進行分類，然后由各類元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型對其標(biāo)準(zhǔn)化，生成與之對應(yīng)的元數(shù)據(jù)，同類元數(shù)據(jù)可以組成一個元數(shù)據(jù)集，各元數(shù)據(jù)集構(gòu)成元數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)源到元數(shù)據(jù)之間的映射。數(shù)據(jù)源服務(wù)主要是指與數(shù)據(jù)源訪問相關(guān)的服務(wù)。數(shù)據(jù)共享不是簡單的遠程讀寫數(shù)據(jù)，它的意義在于提高數(shù)據(jù)的利用價值，使用戶從共享到的數(shù)據(jù)中獲取到準(zhǔn)確、正確、盡可能多的信息。

(3)應(yīng)用層。它主要由與數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)管理及元數(shù)據(jù)管理功能相關(guān)的程序模塊構(gòu)成，例如數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)訂制、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)分發(fā)及元數(shù)據(jù)管理等。用戶通過應(yīng)用層接口同共享平臺交互，使用共享數(shù)據(jù)。管理人員也通過應(yīng)用層對數(shù)據(jù)源和元數(shù)據(jù)庫進行管理和維護。

圖3 天地一體化應(yīng)急管理云平臺架構(gòu)

3 發(fā)展建議

提高時效性和有效性是天基應(yīng)急監(jiān)測真正發(fā)揮決策支撐作用的核心與關(guān)鍵。通過加強天基應(yīng)急合作機制之間的協(xié)同，能進一步提高應(yīng)急監(jiān)測效率。為了構(gòu)建天基應(yīng)急管理支援體系，推動我國應(yīng)急管理水平的提高，應(yīng)重點開展以下3個方面的工作。

(1)發(fā)展多譜段、多層次的遙感衛(wèi)星體系，構(gòu)建高、中、低軌相結(jié)合，具備可見光、高光譜、紅外、SAR等多種觀測手段的衛(wèi)星系統(tǒng)，提供大尺度、多手段的感知能力，提高自然災(zāi)害的大范圍、全天候、全天時、多要素、高密度、集成化的立體監(jiān)測能力和業(yè)務(wù)化運行水平，解決災(zāi)區(qū)地形勘察和現(xiàn)場監(jiān)控等問題。

(2)發(fā)展高通量、高帶寬的寬帶移動、全境覆蓋的通信衛(wèi)星體系，構(gòu)建寬窄帶兼?zhèn)洹④娒裆探Y(jié)合的移動、寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)，結(jié)合天地一體化建設(shè)，實現(xiàn)與地面通信網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展，提供廣域、高速的通信能力。這樣能解決災(zāi)區(qū)通信設(shè)施損毀所導(dǎo)致的通信中斷問題，為災(zāi)區(qū)的應(yīng)急救助、應(yīng)急指揮和災(zāi)后重建提供通信保障，支持遠程視頻通話和應(yīng)急救援。

(3)基于全球的導(dǎo)航衛(wèi)星體系，完成北斗三號組網(wǎng)任務(wù)。在前期建設(shè)的衛(wèi)星在軌支持系統(tǒng)基礎(chǔ)上，建成基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合定位導(dǎo)航授時體系，解決災(zāi)區(qū)人員、物資、設(shè)備的高精度、高可用的授時定位需求。借助先進的導(dǎo)航定位技術(shù)和室內(nèi)外導(dǎo)航定位終端，為災(zāi)區(qū)應(yīng)急救援提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位、路徑規(guī)劃和行進導(dǎo)航支持。