通導遙一體化的應急信息支援體系架構研究

摘 要：由于應急事件突發性強、破壞力強、不確定性強等特點，應急救援和救助通常任務緊急，對救援時間窗口要求高。通導遙一體化的空天地信息支援體系可為應急管理提供全域感知、實時通信、精準導航等保障，進一步滿足了應急管理全流程對實時、高精度、智能化的信息服務需求。從實際應用出發，梳理了應急管理的信息支援需求以及現狀和挑戰；在此基礎之上，提出空天地應急信息支援體系，并從物理架構、功能架構、服務系統、服務流程、評估指標體系等多維角度進行闡述，以期能夠為空天地應急信息支援體系的研究提供有價值的參考。

關鍵詞：通導遙一體化；應急信息支援體系架構；全域感知；實時通信；精準導航

中圖分類號：ＴＰ３９３ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０６－１０６７－０８

０ 引言

近年來，森林火災、地質災害以及暴雨、泥石流、雨雪冰凍等極端天氣引起的各類自然災害頻發，重大災害具有瞬時突發性強、破壞力強、不確定性強等特點，通常會引發財產的巨大損失。為了在災害發生前進行有效的識別預警，在災害發生后提供高效率和高質量的應急救援，需要實現實時、準確的應急管理。應急管理以人道主義應急救援的各個階段（事前隱患識別、事發實時監測、事中應急指揮、事后調查評估）需求為切入點，對所有資源和行動進行統籌調度和規劃，從而最大程度降低災難事件給經濟社會和人民生活造成的負面影響。

應急事件發生具有高度不確定、跨地域以及對當地基礎設施破壞強等特點，且應急救援和救助通常任務緊急，對救援時間窗口要求高，應急管理需要整合信息獲取、位置確定、通信傳輸等基礎設施構建具有高實時性、高容錯性以及精確信息獲取能力的信息支援體系，以便迅速準確獲取災害發生后的災情信息，并且將調度指令實時準確傳達至相應的資源節點（受災人員、救援人員、應急物資等）。因此，為了實現泛在、全域、精準感知與靈活、高效、實時通信的應急信息服務，構建通導遙融合的信息支援體系架構勢在必行［１－２］。

１ 研究現狀

國內外的應急信息支援體系發展歷程包括：單一網絡模式、雙層網絡模式、多層網絡模式［３］，如圖１ 所示。應急信息支援體系發展的第一階段主要依靠地面基礎設施實現應急通信和信息獲取。然而，在災害發生時地面設施極易受損，難以滿足應急管理對信息支援系統實時性、可靠性的需求。相比于地面信息系統，衛星信息系統具有覆蓋范圍廣、信息處理能力強、業務靈活多樣、受地面影響小的優勢。因此，應急信息支援體系的第二階段增加了天基信息系統作為地面信息系統的強力補充，提高了應急信息支援能力的可靠性和快速反應能力。受限于衛星發射成本和覆蓋的周期性以及資源利用率低的問題，應急信息支援體系的第三階段利用無人機、浮空平臺、系留氣球等航空平臺搭載通信基站、傳感器增強應急信息支援系統能力，低成本提高系統的實時性、機動性和分辨率。

空天地應急信息支援體系是一個全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、彈性拓展的通導遙一體化信息系統［４－５］。相對于傳統的地面信息支援體系，空天地信息支援體系具有以下特點：① 空天地互補賦能。地面信息系統受地形和災害的影響可以被天基信息系統的廣域覆蓋解決，而低成本的空基信息系統增加了整個信息系統的靈活性，并且可以根據區域或者災情需求針對性地補充增強。② 通導遙一體化。導航系統提供的定位和導航能力為遙感和通信系統提供位置信息和導航指引，遙感系統獲取的環境和目標信息通過實時的通信系統及時回傳，通導遙系統的相互融合和增強才能提供更加智能、高效的應用服務［６］。

基于上述特點，空天地信息支援體系能夠提供以下服務：① 靈活可擴展的信息傳輸能力。天基通信網絡補足了地面網絡的覆蓋盲區，空基自組織網提高了天地網絡的靈活性，有效縮短應急響應時間［７］。② 全面多維度的信息獲取能力。地面的有線、無線傳感器網絡信息獲取范圍有限，天基遙感衛星大大提高了信息獲取范圍，機動性強、分辨率高的空基遙感系統可以有效提高目標確認和目標跟蹤的實時性。③ 實時可靠的應急救援能力。在復雜環境中快速構建應急通信保障，并基于空天地多樣化的傳感器實現現場信息的高精度采集和及時回傳，為應急指揮提供準確的決策依據。

現有通信、導航、遙感系統發展各成體系，使空天地一體化融合服務、通導遙互補增強需要調度不同系統（通信、導航、遙感）、不同載體（衛星、無人機、飛機、通信車、基站等設施）的資源。然而，現有的通信、導航、遙感服務體系分立，跨系統融合互通困難，存在系統孤立、信息分離、服務滯后的問題；天基、空基、地基設施煙囪式發展，跨平臺資源協調存在制度壁壘、響應滯后；感知數據多元異構，遙感數據、傳感器數據、導航數據的時空基準不統一會影響數據的有效性，同時影響數據的通信傳輸［８］。因此，綜合運用通信、導航、遙感等技術手段，突破現有的衛星、航空、地面服務體系，研究自然災害、事故災害、社會安全事件等監測識別、信息回傳、指揮決策和應急支援全過程的實時信息服務需求，構建通導遙、空天地一體化服務新形態。

２ 需求分析

應急管理對通導遙融合的信息服務需求十分迫切，通過高分辨率遙感設備實時感知受災環境情況，并通過全球覆蓋的通信網絡將現場信息實時回傳，基于感知數據和災情研判模型，對災情進行發現、預警、評估，并生成應急處置方案下發至終端進行實時的指揮調度。應急管理全流程的信息支援需求如圖２ 所示［９］。

① 事前隱患識別－透徹感知：事前隱患識別的核心在于對環境的透徹感知，從而實現災情隱患的早發現、早預警、早處置。“無障礙觀測”“多測度觀測”的對地觀測衛星可以對潛在風險區進行常態化感知監測，并將異常情況通過中繼衛星、寬帶衛星、星地數傳鏈路實時回傳至地面進行隱患識別；如果隱患需進一步確認，一方面可以依托高精度遙感衛星進行跟蹤拍攝，另一方面可以調度機動、低成本的航空平臺（無人機、航空飛機等）進行目標確認；導航定位增強服務可以通過定位終端設備與測量地表形變識別災害情況并進行預警。導航定位技術和遙感觀測技術的融合互補可以實現滑坡監測預警［１０］、地表沉降監測［１１］、礦山沉陷監測［１２］、水壩形變監測［１３］等自然災害識別。

② 事發實時監測－即時服務：災情發生階段，由于應急救援和救助通常任務緊急，空天地應急信息支援體系可以對現場信息進行實時監測、動態研判，并通過多維感知數據和災害機理模型供地面指揮中心研判災害事件信息。對于災情區域，可以調度遙感衛星獲取高分辨率的遙感影像數據，同時可以機動調度航空遙感平臺對災情區域進行持續監測。大量遙感數據在地面數傳資源有限的情況下可以通過衛星網絡實現實時回傳。在地面網絡受損的情況下，通過機動調度應急通信車以及衛星通信網絡提供無線通信覆蓋，使得受災區域不中斷通信，災情信息及時傳送回地面指揮中心形成實時的現場災情態勢，根據需求進行災情分發。

③ 事中應急指揮－精準救援：應急指揮人員根據現場災情態勢進行災情判定、救援決策、啟動應急預案。通過導航定位系統為救災人員和救援物資的調度提供位置和路線信息，優化救援力量部署；為應急通信車、航空遙感平臺提供位置姿態信息，輔助信息支援系統的資源調度。空天地一體的通信網絡可以實現雙向語音通話，隨時發起單呼、組呼、會議和廣播等語音調度指令，提供視頻服務同步獲取現場信息，保障調度信息的實時可靠下發，跨部門的決策信息協調，為通導遙構建的信息通路、為救援部門以及現場救援物資的統籌調度提供實時有效的信息溝通手段。

④ 事后調查評估－災情評估：在災情發生后，準確的災情評估是全面反映災情、確定救災方案、制定災害援助計劃的重要依據。空天地一體的遙感、導航、傳感器系統為受災評估提供直接的客觀觀測資料，為災后救助和災情核查提供客觀數據依據。

上述應急管理全流程需要性能強大的信息支援能力，包括復雜環境實時感知服務能力與信息實時回傳能力。信息感知服務需實現“三全”（全天候、全天時、全球觀測）、“三高”（高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率），空間分辨率要達到分米級，時間分辨率要達到分鐘級，數據處理速度少于１ ｍｉｎ；導航定位服務需實現全天時、全天域、全球觀察，實時導航定位精度達到分米級；通信傳輸服務需實現全球覆蓋、隨遇接入、按需服務，支持語音、數據、寬帶等各類業務，端到端傳輸時延少于１ ｍｉｎ［１４］。

３ 體系架構

針對應急管理的信息服務需求，提出一種應急信息支援體系架構，從體系組成、物理架構、功能架構、服務系統、服務流程、評估指標體系等方面闡述。

３． １ 應急信息支援體系組成

空天地應急信息支援體系如圖３ 所示，包括信息獲取、信息傳輸、信息處理、管理決策４ 個系統。信息獲取系統包括遙感衛星、導航衛星、空基導航遙感、地基傳感器采集等系統；信息傳輸系統包括衛星通信、空基通信、地面傳輸等網絡；信息處理系統包括天基在軌信息處理和地面信息處理系統；管理決策系統主要依托地面，實現監控、評估、決策、救援等功能。

３． ２ 應急信息支援體系物理架構

空天地應急信息支援體系架構以地面部分為依托、天基部分為拓展、空基部分為補充，采用統一的信息接口、技術架構、服務流程和標準規范，實現空天地互補增強、通導遙信息融合，如圖４ 所示。

① 地基信息系統的通信系統主要由移動通信網、地面互聯網組成承載網絡，應急通信車、車載設備等組成機動網絡，地面微波站、激光站用于天基、空基網絡接口聯通。地面信息采集系統主要由傳感器網絡組成，可近地或就地對局部區域進行全天候信息采集，同時現代化穿戴設備、測繪車、終端設備也可以通過眾包采集的方式進行信息采集并通過大數據分析技術獲取有效信息。地基導航增強系統由固定參考站網來獲取衛星定位測量誤差，從而提高定位精度。應急管理中心和信息處理中心也主要依托地面系統實現，通過云計算、大數據等技術實現大量信息的存儲、處理以及應用支撐。

② 天基信息系統的通信系統由高、中、低軌的通信衛星組成，實現大范圍信號覆蓋、用戶接入和骨干傳輸，支持寬帶、移動、中繼等各類服務，實現語音、數據、寬帶多媒體等多種業務［１５］。天基信息采集系統由紅外、合成孔徑雷達（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ，ＳＡＲ）、可見光、高光譜、雷達等各類遙感衛星形成陸地、海洋、氣象三大衛星遙感系統。天基導航系統由導航衛星實現高精度的定位導航授時、星基增強、精密定位信息播發等功能。天基信息系統可以實現衛星遙感、衛星導航、衛星通信，提供高性能定位、導航、授時、遙感、通信（Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，Ｔｉｍｉｎｇ，Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＰＮＴＲＣ）的一體化實時服務［１６］。在時空大數據［１７］、邊緣計算［１８］、資源虛擬化［１９］技術支撐下，提供實時、高精度、智能化的天基信息服務［２０］。

③ 空基信息系統由高空平臺（位于平流層的氣球、飛艇等）、中空平臺（航空飛機及其他）、低空平臺（無人機及其他）組成。空基通信系統由航空平臺承載無線基站提供通信服務，機動靈活地部署以彌補地面網絡的不足。空基信息采集系統由航空平臺攜帶攝影測量設備、工程測量設備、時空姿態傳感器提供信息獲取服務，其機動靈活性和更低的飛行高度可以有效提高遙感影像的分辨率。

３． ３ 應急信息支援體系功能架構

空天地應急信息支援體系功能架構分為感知層、網絡層、數據層以及應用層，實現對信息采集－傳輸－處理－應用等全流程的實時或近實時響應，如圖５ 所示。感知層通過空、天、地各類遙感、導航、導航增強、傳感器等信息獲取設備提供導航、授時、定位、遙感等數據服務，實現受災現場信息的全域泛在感知。網絡層通過天基信息網絡、空基信息網絡、地面互聯網、移動通信網等空天地各類網絡實現信息的實時可靠傳輸。數據層通過網絡層獲取到感知層采集的基準、遙感、地理、資源數據進行幾何校正、影像融合、信息提取、目標識別，為上層應用提供數據的接入、處理、管理、服務等能力。應用層通過應急知識圖譜、隱患識別圖譜、應急處置預案、災情評估體系支撐應急管理部門進行風險識別、態勢監督、應急響應、指揮調度、損失評估，并通過數據可視化、全息影像、三維渲染、數字孿生等技術提供自然、友好的人機交互接口。

① 感知層主要由各類多源異構感知平臺構成，包括導航遙感衛星、航空導航遙感平臺和地面感知系統構成，具備全天時、全方位的高時空分辨率，高精度、多維度的感知能力。其中，遙感衛星包括紅外、高光譜等各類光學衛星和ＳＡＲ 衛星，多源遙感數據可以有效提升時空分辨率。航空導航遙感平臺搭載光學、微波、紅外等傳感器和導航定位裝置，實現分布式、高頻次、高精度、自主協同作業，進行小目標精確觀測。地面感知系統主要通過各類傳感器進行信息采集，傳感器終端以小型化、智能化為主；各類智能終端、穿戴設備也可通過眾包采集的方式獲得信息。衛星導航、導航增強、空基導航、地基增強系統、輔助定位系統提供定位、導航、授時服務，使得獲取的數據具有一致的時空基準，便于進一步的數據挖掘和知識提取。衛星遙感實現了空間面上全覆蓋而時間維度上抽樣觀測；地面感知系統實現了時間維度上連續觀測而空間維度上抽樣布設。每個感知節點都具有獨立事件的感知觀測能力，同時可以針對某個目標整合多個感知節點形成動態協同觀測系統［２１］。

② 網絡層主要由天基信息網絡、空基信息網絡和地面網絡組成，滿足陸、海、空、天各類用戶的網絡接入和信息傳輸需求，對數據進行無障礙、高可靠性、高安全性的傳送和處理。空天地一體化信息網絡按照“地面整合、天基增強、空基補盲、天網地網、天地互聯”的思路發展，其廣域覆蓋和隨遇接入能力可以彌補地面網絡在覆蓋范圍、抗毀應急保障及機動保障能力上的不足，解決感知層獲得數據的傳輸問題，是進行信息交換、傳遞數據的通路。

③ 數據層的數據處理和智能分析功能是多源異構時空大數據有效利用的核心環節，負責數據的接入、處理、管理、服務等工作，實現異構數據和知識要素的統一存儲、統一管理，實現了全球多源、多尺度、多時相空間數據的高效無縫組織，支持多應用協同調度和大規模并發訪問。基于機器學習、深度學習、信息挖掘與分析等新技術，使得海量的時空大數據快速高效地轉化為知識與信息，進一步保障信息服務的實時性、精確性和持續性。

④ 應用層直接面向應急管理部門提供風險識別、態勢監督、應急響應、指揮調度、損失評估等行業應用，支持動態決策與信息快速分發，通過應急知識圖譜、隱患識別圖譜、應急處置預案、災情評估體系等為不同管理職能部門、不同場景、不同需求提供各類智能化的管理和應用［２２］，輔助做出正確的控制和決策，通過數據可視化、全息影像、三維渲染、數字孿生等技術為用戶提供更加友好、生動的人機交互界面。

３． ４ 應急信息支援服務系統

針對應急管理全流程的應用需求，空天地應急信息支援服務平臺由實時監測預警系統、風險評估服務系統和應急指揮調度系統組成，如圖６ 所示。

① 實時監測預警系統具備實時監測、統計分析、預警管理、動態研判等功能。應急信息支援體系通過遙感衛星、無人機、傳感器等設施對災害現場進行實時監測、監控，在“第一時間”獲得災害現場信息，通過空天地信息網絡將現場信息“第一時間”傳送至應急信息支援服務平臺。應急信息支援服務平臺基于多維感知數據和災害機理模型，對災害情況進行實時分析和動態研判，對災害發展走勢給出判斷預警。

② 風險評估服務系統具備隱患巡查、隱患識別、災后評估等功能。通過衛星遙感的大范圍觀測能力，對重點區域進行定期的隱患巡查，并基于隱患識別圖譜進行隱患識別，爭取對災情早發現早預警。同時對受災區域進行長期的時空立體化連續跟蹤監測，對災情的影響進行精準評估，為災后救助和災后重建提供準確、客觀的數據依據。

③ 應急指揮調度系統具備應急資源管理、應急預案管理、實時指揮調度、應急處置救援等功能。應急救援調度基于實時監測預警系統獲取實時準確的災情信息，進行應急預案啟動、調度應急資源、下達控制指令，進行救援處置。

３． ５ 應急信息支援服務流程

在日常模式下或是收到災情預報、輿情舉報后，空天地應急信息支援體系調度遙感衛星對重點區域進行隱患巡查；在監測到災情隱患后進入應急模式；通過衛星、航空平臺、地面感知系統對隱患區域進行驗證，并將驗證結果上報至應急指揮中心；應急指揮中心調度衛星導航遙感系統、航空導航遙感系統、地面導航感知系統對災情現場進行實時監測，調動衛星、空基、地面應急通信網絡對受災區域進行通信保障；應急指揮中心基于災情實時監控和應急通信保障進行應急決策分析、指揮救援和災損評估。信息支援服務流程如圖７ 所示。

３． ６ 評估指標體系架構

針對應急管理對信息支援體系的應用需求，基于對空天地信息支援體系各種屬性的全面描述構建獨立、完備、客觀、一致的指標體系［２３］。本文針對應急信息支援能力，分別從信息質量、數量和傳輸３ 個方面來度量，如圖８ 所示。信息質量旨在對客觀事實的準確描述、度量獲得信息與客觀事實之間的一致程度，體現在目標發現概率、平均搜索發現時間、目標識別率、平均識別確認時間、定位精度、導航精度、速度誤差；信息數量旨在對客觀事實的完整描述、度量獲得信息與客觀事實之間的缺口程度，體現在區域覆蓋率、信息種類與形式、訪問時長、平均重訪次數、重訪平均時長；信息傳輸旨在將獲取的信息實時準確地傳輸至目的地址，度量信息傳輸的效率體現在傳輸時延、丟包率、誤碼率［２４］。

４ 結束語

通導遙融合的空天地應急信息支援體系可為應急管理提供全域感知、實時通信、精準導航等保障，進一步滿足了應急管理全流程對實時、高精度、智能化的信息服務需求。本文梳理了應急管理的信息支援需求、現狀以及存在的問題，并在此基礎上提出了面向應急管理的空天地一體化信息支援體系架構，分別從物理架構、功能架構、服務系統、服務流程、評估指標體系等多維角度進行了闡述，以期能夠為空天地應急信息支援體系的研究提供有價值的參考。

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［２３］于小嵐，熊偉，韓馳，等． 天基信息支援裝備體系作戰效能評估方法研究［Ｊ］． 系統仿真學報，２０２３，３５（１１）：２４２９－２４４４．［２４］ＰＡＰＡ Ａ，ＤＥ ＣＯＬＡ Ｔ，ＶＩＺＡＲＲＥＴＡ Ｐ，ｅｔ ａｌ． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ＳＤＮ ＬＥＯ Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋａｎｄ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０２０，１７（３）：１４３２－１４４５．

作者簡介：

趙 晶 女，（１９８９—），博士，高級工程師。主要研究方向：衛星網絡管理。

虞志剛 男，（１９８９—），博士，高級工程師。主要研究方向：衛星通信網絡。

嚴曉云 女，（１９９１—），博士，高級工程師。主要研究方向：衛星網絡架構。

基金項目：國家自然科學基金（６２２０１５３４，６１９３１０１７）；中央高校基本科研業務費（３１４２０２４００３）；陜西省應急管理研究院２０２４ 年現實問題科學研究項目（２０２４ＳＸＹＹ０２）；廊坊市科學技術研究與發展計劃自籌項目（２０２４０１１０７６）；２０２４ 年河北省高等教育學會“十四五”規劃一般課題（ＧＪＸＨ２０２４－２８３）