隹Isl^iSls V12021年第02期(总第218期)
石静静'，宋旭光梁冰I张丹'
(中国移动通信集团设计院有限公司河南分公司，河南郑州450000；2.中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080)
摘要:5G作为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施，在助力疫情防控、复工、复产等方面作用突出。在5G技术的推动下，一个覆盖全球、无缝对接、空天地一体的信息网络系统正在逐步形成。文章通过对典型空天地一体化网络架构进行介绍，以及对空天地一体化网络在智慧农业、林火防控和无人驾驶等典型领域的应用与其应用推广情况进行研究分析，从而为5G行业应用解决方案提供参考，并为行业应用落地提供支撑。 关键词:5G；空天地一体化；智慧农业；林火防控；无人驾驶
中图分类号:TN911文献标识码:A文章编号：2096-9759(2021)02-0217-03
0引言
随着5G技术的深入发展，一个万物互联的世界逐渐向人们敞开大门。同时，建设一个覆盖全球、空天地一体、无缝对接的信息网络系统也正从趋势变为现实。在该过程中，通过融合发展、协同创新必将提高各行业的生产效率，推动大数据、智慧农业、车联网、智慧城市等新兴技术的广泛应用，促进社会生产力的进步叫同时国家大力推进新型基础设施建设，相关应用项目不断落地，一方面，业务应用场景呈现多样化趋势；另一方面，农业、工业等细分领域持续深度融合。促使千行百业更加智能、精准、高效，进而推动其蓬勃发展。
由于不同业务类型对网络资源需求的差异,5G网络应具备更多的配置类型。支持D2D(device to device，设备到设备)通信及大规模机器通信等多途径通信方式，由此将带动整个产业链的发展。全球首份6G白皮书《6G无线智能无处不在的关键驱动与研究挑战》的发布，对6G的技术特点和面临的挑战进行了回答叫白皮书指出，6G网络将突破地面网络限制，实现地面、卫星和机载网络的无缝覆盖，即空天地一体化的通信网络。泛在、无线、智能是未来6G网络的3个重要特点，基于这些特点,6G将提供无缝覆盖的泛在无线连接和情景感知的智能服务与应用。
1网络架构
空天地一体化网络主要由三部分组成叫
(1)天基网络。主要由各种轨道卫星构成，如高轨卫星、中低轨卫星等；
(2)空基网络。主要由无人机、民航客机、飞艇等各种飞行器构成；
(3)地基网络。主要由蜂窝无线网络、卫星地面站与移动卫星终端、地面的数据与处理中心等三部分组成。
图1空天地一体化通信网络架构
通过以上介绍可以看出，典型的空天地一体化网络是在传统天地一体化网络的基础上增加空基网络组成的，其中空基网络由空中飞行器组成。传统天地一体化网络的覆盖能力和信息传输能力较强；空天地一体化网络由于空中飞行平台的存在，不仅能够通过提供其他的用户连接路径，来弥补通信业务量带来的地面通信能力不足的问题，且能够降低传输时延。
与传统网络相比，由于空天地一体化网络中的多个接入节点具有较强的移动性。因此需要低时延、高可靠、健壮的网
收稿日期：2020-12-16
作者简介：石静静(1993-)，女，河南许昌人，硕士，工程师，研究方向：移动通信无线网和垂直行业研究与工程设计。
顺应时代发展，满足移动通信行业的运行及稳步发展需求。应该注意的是，在5G技术与移动通信技术融合中，需要掌握小微化、网络传输时延性的特点，并通过5G技术的使用以及现代化网络系统的构建，增强移动通信技术的使用效果，为网络时代的运行及行业的可持续发展提供支持。
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络架构及灵活的功能节点部署方案来应对该问题，而5G网络大带宽、高可靠、低时延、大连接的优良特性刚好满足这一需求。
2典型应用案例研究
2.15G+智藏农业
随着新兴信息技术与农业生产的结合，传统农业正加快向以精准化、数字化为特点的智慧农业转变，以实现农业生产活动的全面联结、深入感知、高效智能。
2.1.1产业精准种植
随着5G的发展以及行业应用的深入研究，同时借助空天地一体化网络在农业领域的应用，最终体现为农业产能质量和效率的提升，即农业生产定位、定量和定时的精准。空天地一体化网络在智慧农业中主要包括：由遥感、卫星等组成的天基网络，由植保、放牧等类型的无人机组成的空基网络以及由传感器、摄像机等组成的地基网络。
智慧农业体系以农产品质量追溯为主线，贯穿农业全产业链的各个领域。借助于强大的创新能力，利
用先进的物联网、云计算、大数据、移动互联网、空间地理信息集成等信息技术。围绕“三农”服务，创新农业互联网发展新模式。致力于提供农业生产从耕地、灌溉、施肥、收获、运输、销售等过程的智能化、信息化服务，实现农业精细化、高效化与绿化生产。
5G智慧农场可提高农作物生产效率，降低生产成本，防止病虫害。利用5G网络及温湿度等环境传感器、摄像头、卫星遥感、无人机等监测设备；无人植保机、旋耕机、播种机、喷灌系统等无人驾驶农机设备，实现农作物生长情况监测、农机设备自动化作业、农场安全监控、环保节能作业等应用。 5G智慧畜牧可提高畜牧养殖生产效率，降低畜牧养殖成本，防止牲畜疫情发生和牲畜丢失、保护畜牧生态等。利用5G 网络及环境传感器、视频摄像头、卫星定位系统、无人机等监测设备，实现牲畜位置跟踪与管理、草场退化监测、牲畜疫情预警、牲畜生长情况跟踪与环境监测等应用.
2.1.2应用推广
现代农业的发展需要科学技术的支撑、信息化技术的广泛应用及不断发展，同样在颠覆传统农业的生产方式。利用物联网数据收集、大数据分析决策、机器人智能作业、远程自动控制、人工智能自动感触识别、VR/AR等新兴技术，将有助于促迸智慧农业体系的建立。
（1）时空一张图
以需求为导向，利用GIS（Geography information systems；地理信息系统）、遥感等信息技术，通过对时空数据和农业、农村、农民、政务等业务数据迸行融合及挖掘分析。构建集数据共享、数据分析、数据应用为一体的农业农村时空一张图，形成农业、农村、政务和扶贫等专题应用。实现以圏管地、以图管农、以图智农、以图防灾、以图决策，提高管理服务的实时化、可视化、细节化。
⑵遥感监测解析及地图服务
利用3S技术对作物进行监测，监测作物的种植面积和空间分布，并建立作物遥感监测展示系统。
在该过程中，首先对不同作物不同生长时期的不同光谱特征进行收集分析。然后根据传感器记录的地表信息，对农作物类型进行辨别、对其长势进行监测，并在作物收获前预测其产量。
⑶大数据动态展示
基于大数据可视化系统，能够通过一张图对作物生产种植各方面最核心的指标和数据进行综合展示。以多维可视化图形技术、多维数据分析技术、迅捷交互技术为基础，将遥感、地理信息系统、遥测等技术所获取的信息通过虚拟仿真技术对现实场景进行多尺度、多时空和多种类的真实再现。基于空间数据和业务需要，将农作物大数据监测内容在网络上进行数字化虚拟实现，以及地图底图制作和业务图层编辑并提供极致的数据分析、决策能力。
图2农业大数据可视化平台
2.25G+林火防控
森林火灾的突发性强、破坏性大、处置救助较为困难，且造成森林火灾的原因多种多样，一旦发生，将造成巨大的经济损失以及严重的环境破坏。因此森林火灾的防控尤为重要，做到早发现、早处理，尽可能减小森林火灾带来的影响。
依据我国森林防火的技术难点和痛点，且基于5G网络大带宽、低时延、高可靠的特性，投入研发空天地一体森林监测预警和远程制导灭火系统。该系统应用大数据平台集成卫星遥感，精确制导、通信指挥、无人机察灭一体、高效瞬时灭火等先迸技术，打造立体监测预警网络。形成空（无人机〉、天（卫星遥感）、地（视频监控、红外相机监测、人工智能巡护〉一体化的林业信息化集成技术，对森林火灾扑救、森林资源监管、林业有害生物防控、野生动物监测的应用实践，具有重要意义。
该系统平台能够获取实时监测预警数据以及森林火点精确位置坐标，以无人机搭载制导灭火弹应用到森林灭火中，可实施远程、高效、安全的灭火作业。
随着基于5G的空天地一体化网络在林火防控中的应用，可推广延伸至全域监测防控。这里提出了一种基于卫星遥感、激光雷达、微型空气站和视频监控技术的空天地一体化空气质量监测系统模型，来对
某区域的空气质量进行监测与评价叫该系统通过将卫星遥感技术、激光雷达技术、微型站地面监测技术相结合，并引入多源信息集成与融合技术而形成。
在实际操作过程中，建立区域化“一张图”的概念，形成集任务管理、移动核査为一体的“空天地一体”区域监管系统。其中主要利用区域边界矢量信息，采用遥感监测、无人机航摄等手段收集自然保护区信息资料，以达到提高监督时效性、解决人员监督盲区的问题。
此外，在城乡规划工作中，为了弥补单纯使用卫星遥感技术造成的精度不够的问题。可以依托无人机航空摄影技术、地面移动测量技术与移动互联网技术的迅速融合，构成
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空天地一体化辅助城乡规划督察技术服务体系。为城乡规划督察工作提供批量和快速反应的技术支撑，为进一步研究空天地一体化辅助城乡规划督察技术服务平台提供技术基础。
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图3空天地一体化监测休系
2.35GI•无人驾驶
随着科技的进步及信息通信的不断发展，人们的出行方式和习惯也在发生变化。同时伴随着车辆的增多，一系列的社会问题也逐渐凸显出来，如环境污染、交通拥堵、交通事故等。所以对于未来车辆的发展控制将通过信息手段来进行，未来车辆驾驶将朝着自动驾驶、无人驾驶方向发展。这样将有效降低人为驾驶带来的潜在风险，同时又能提高道路利用率、减少尾气排放。在此趋势下，汽车移动互联技术即“车联网”应运而生。
车联网是实现无人驾驶的重要组成部分叫车联网与无人驾驶汽车的完美结合能够提高行驶效率和安全性，优化行驶路径，有效缓解交通压力。对于无人驾驶而言，需要依靠获取周边环境信息与其他在道路中行驶的车辆相对位置和距离等参数，进而来快速控制车辆。目前市场中的车辆定位系统大多是通
过卫星定位系统(如GPS、北斗等)获得的，但由于卫星定位误差一般在10血左右，无法满足智能驾驶避障的高精度定位需求；而在某些特定场合，如树林、地下停车场等，卫星信号无法穿透障碍物的遮挡。解决这类问题的常见方法是对车辆与地面位置固定的，通过不同方法(如到达时间、到达角度、信号强度)进行测量和定位。
但由于车辆的运动速度快、活动范围大，的覆盖有限，因此可能有车辆落入盲区。进而需要考虑其他技术来进行更加精确的定位，由空天地网络构成的一体化封闭式智能车载网络，在覆盖范围、时空基准、态势感知等方面的优势突出。该网络可以通过实现三维路网的全覆盖，来满足用户的广泛连接与空天地网络资源的实时共享需求。
在不同的网络拓扑和资源变化情况下，空天地不同网络的特点可以进行互补。用户可依据通信及计算需求动态选择网络接入，以在满足服务质量的前提下降低开销。例如，地基网络资源充足且传输成本较低，然而当车辆高速移动时需频繁切换；空基网络可更好地支持用户移动性，但其资源受限且成本相对较高。因此，对于一些车载娱乐视频信息等可通过地基网络的RSU下载以降低通信成本，而对延时要求较高的路况信息则应通过夭基网络获取以实现高可靠通信。
施卫事站
图4空天地一体化车联网架构
目前我国在建的空间信息网络与地面网络相比，具有广覆盖、高可靠、传输资源丰富等优点，在应急通信、航天航空、国家战略拓展等方面都发挥着不可替代的作用。空基网络与天基网络及由地面固定设施和车辆节点构成的地基网络融合在一起，构成了一个空天地一体化立体信息网络架构，通过三者之间的优势互补和有效的数据共享与融合，可以使地面车辆沉浸其中，缓解交通状况，提高车一路一_网协同能力，有效应对中国智能化交通难题。
同时随着空天地一体化网络的不断加强和完善，三维空间路网架构也将逐步形成。由空天地网络构成的一体化封闭式智能车载网络，将更好地实现三维路网的全覆盖，满足车载用户的广泛连接与空天地网络资源的实时共享需求。
3结语
5G作为国家新型基础设施建设重要内容，由此带来整个社会信息化的颠覆式变革，行业应用也由技术创新朝着应用创新转变。空天地一体化网络，通过整合空基网络、天基网络、地基网络等多种网络资源，实现跨平台的网络互联互通。
建设空天地一体化网络是我国信息网络实现全球覆盖、自由互联的必由之路，是实现国家现代信息化建设的需要、是融入经济全球化的需要，也是实现伟大中国梦的需要。在探索行业应用过程中，结合空天地一体化网络的应用可以为我国行业发展贏得先机，为我国抢占未来各行业应用技术的制高点提
供发展的机遇。
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