建設(shè)軍民深度融合的空天信息實時服務(wù)系統(tǒng)

◎李德仁院士

一、背景及需求

（一）背景

當(dāng)今，國家邊疆的概念在戰(zhàn)略上已經(jīng)延伸到遠(yuǎn)海、深空，國家領(lǐng)土、領(lǐng)海和領(lǐng)空的安全需要全球?qū)崟r天基信息的支持。隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，需要獲取全球的制空、制海、制天權(quán)，其本質(zhì)是制信息權(quán)，美國已經(jīng)具備全球2小時的打擊能力。習(xí)近平主席提出：能打仗、打勝仗，不但要有武器，還要有信息系統(tǒng)的支持，目標(biāo)在哪兒？怎么打？打的怎么樣？這些都離不開天基信息的支持。

我國東海南海廣大海域連續(xù)監(jiān)視能力弱，海洋權(quán)益受到挑戰(zhàn)。我國擁有300萬平方公里的海洋專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)，其中，約50%屬爭議區(qū)域或重疊區(qū)域，由于海岸布站檢測距離受限、海洋無法布站，致使通信檢測難以覆蓋，亟需全球?qū)崟r的天基信息支持。

災(zāi)害應(yīng)急的快速響應(yīng)由于遙感圖像實時獲取難，錯失黃金救援時間。2008年汶川地震時，獲取第一幅衛(wèi)星影像花了36個小時，耽誤了救援時間，到2013年蘆山地震時，獲取第一幅衛(wèi)星影像時間已經(jīng)縮短到10個小時，但是2015年天津港爆炸時，獲取第一幅衛(wèi)星影像時間仍然花了12個小時，損失了黃金救援時間。

天基信息服務(wù)不及時，國家安全受到威脅。與美國相比，美國因為有秒級的空間網(wǎng)絡(luò)和分鐘級的處理服務(wù)，發(fā)現(xiàn)敏感事件到?jīng)Q策反應(yīng)可以在十分鐘之內(nèi)完成。而我國目前是小時級的過境傳輸網(wǎng)絡(luò)和小時級的處理服務(wù)，同時由于空間網(wǎng)的系統(tǒng)還未建成，我國發(fā)現(xiàn)敏感事件的反應(yīng)速度要幾十個小時，境內(nèi)需要10小時，境外需要20小時、甚至30小時，與美國差距巨大。

（二）國外相關(guān)進(jìn)展

近年來，美國、歐洲等航天大國相繼發(fā)展一體化空間網(wǎng)絡(luò)。在導(dǎo)航衛(wèi)星方面，2016年美國完成GPS-II的部署，2017年美國將發(fā)射GPS-III首顆衛(wèi)星；在通信與網(wǎng)絡(luò)方面，2007年歐盟啟動ISI和ISICOM概念研究，2010年美國啟動全球覆蓋通信體系，2015年美國AEHF衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)投入應(yīng)用，SpaceX公司發(fā)展低軌通信小衛(wèi)星星座，O3B公司發(fā)展OneWeb低軌寬帶通信星座；在遙感衛(wèi)星方面，2011年美國NSF撥款4.34億美元資助啟動建設(shè)國家生態(tài)觀測系統(tǒng)（NE0N）,2014年DARPA授權(quán)雷聲公司啟動SeeME快速響應(yīng)小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研制，此外，Skybox、Planet Labs發(fā)展對地觀測小衛(wèi)星星座；在一體化方面，2006年開始，NASA整合近地網(wǎng)、空間網(wǎng)、深空網(wǎng)、啟動空間通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)（SCaN）計劃，發(fā)展一體化、綜合化空間網(wǎng)絡(luò)。

（三）國內(nèi)現(xiàn)狀與需求

建國以來，特別是改革開放30多年來，我國航天事業(yè)發(fā)展取得了輝煌的成就，航天對地觀測技術(shù)實現(xiàn)了從有到好的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)形成了東方紅系列通信衛(wèi)星、返回式系列遙感衛(wèi)星、風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、資源系列資源衛(wèi)星、海洋系列海洋衛(wèi)星以及軍用系列衛(wèi)星的衛(wèi)星體系。過去十五年啟動了高分辨率對地觀測系統(tǒng)、第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和載人航天與探月工程等三個國家重大科技專項。

如何從航天大國走向航天強(qiáng)國，當(dāng)前面臨的問題是我國現(xiàn)有的遙感、導(dǎo)航、通信衛(wèi)星系統(tǒng)各成體系，軍民孤立、信息分離、服務(wù)滯后。遙感衛(wèi)星需要過境或通過中繼衛(wèi)星向地面站下傳數(shù)據(jù)，無星間鏈路和組網(wǎng)，數(shù)據(jù)下傳瓶頸嚴(yán)重制約信息獲取效率；北斗導(dǎo)航衛(wèi)星具有短報文通信能力，不具備寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力；通信衛(wèi)星尚無自主的業(yè)務(wù)化衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，對遙感、導(dǎo)航等天基信息的傳輸保障能力受限；在服務(wù)模式方面主要面向?qū)I(yè)用戶，尚未服務(wù)大眾。

因此，一是需要研究如何一星多用、多星組網(wǎng)、天地互連、多網(wǎng)融合，讓系統(tǒng)聯(lián)通起來；二是需要研究統(tǒng)一基準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)表征、數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)時空融合；三是需要研究星地協(xié)同、組網(wǎng)傳輸、智能處理、按需服務(wù)，讓服務(wù)暢通?；诋?dāng)前的現(xiàn)狀，亟需按照錢學(xué)森系統(tǒng)工程的思想，建設(shè)一個通導(dǎo)遙一體化天基信息實時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC），引進(jìn)人工智能、云計算等新技術(shù)，推動空間信息從現(xiàn)在的專業(yè)應(yīng)用走向軍民應(yīng)用和大眾服務(wù)，使百姓的手機(jī)上能使用最好的、實時的遙感圖像，實現(xiàn)最好的定位精度。同時，走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路，國家扶持加上軍民融合市場化、國際化發(fā)展，為全球七十二億人提供服務(wù)，創(chuàng)造萬億元以上的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

二、目標(biāo)與思路

（一）發(fā)展目標(biāo)

構(gòu)建一個天基信息實時服務(wù)系統(tǒng)PNTRC，即P(定位)、N（導(dǎo)航）、T（授時）、R（遙感）和C（通訊），定位導(dǎo)航授時遙感通訊一體化，天基一星多用、多星組網(wǎng)。利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)解決智能化的信息服務(wù)。

天基信息實時服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信與地面互聯(lián)網(wǎng)的集成服務(wù)，支持軍民用戶在任何地方、任何時候的信息獲取、高精度定位授時與多媒體通信服務(wù)。實時定位精度達(dá)到分米和厘米級，為各種類型用戶提供高精度實時導(dǎo)航信息；精密授時達(dá)到納秒級，提供時間信息和時間同步信息；快速遙感全天候、全天時，實時的獲取遙感和視頻數(shù)據(jù)，將感興趣的信息及時提取并推送給用戶的手機(jī)和各類移動終端；天地一體移動寬帶通信傳輸要克服地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不足的局限，為全球用戶提供安全、可靠、高速的天地一體化通信和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

（二）產(chǎn)業(yè)化前景及意義

建設(shè)軍民深度融合的天基信息實時服務(wù)系統(tǒng)，將為衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的活力，我國衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪的發(fā)展機(jī)遇。除增強(qiáng)遙感、通信、導(dǎo)航功能外，通過衛(wèi)星遙感、通信與導(dǎo)航衛(wèi)星的集成創(chuàng)新，帶動實時位置服務(wù)為代表的天基信息增值服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如新型天基信息服務(wù)移動終端與軟件（如手機(jī)APP）、衛(wèi)星多媒體通信服務(wù)、實時精密導(dǎo)航定位服務(wù)等，初步測算帶動的空天信息服務(wù)年產(chǎn)值可望達(dá)到萬億元以上。

因此，發(fā)展空天信息實時服務(wù)系統(tǒng)意義重大，其體現(xiàn)在：一是落實“軍民深度融合戰(zhàn)略”要求的有力舉措，二是支撐我軍未來在全球“能打仗”、“打勝仗”，三是占領(lǐng)天基信息服務(wù)這一領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點，四是推動我國衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的集成創(chuàng)新發(fā)展，五是帶動形成互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實時服務(wù)的新型產(chǎn)業(yè)。

（三）發(fā)展路線與原則

PNTRC的發(fā)展分兩步走。第一步是實現(xiàn)多星協(xié)同觀測與傳輸。突破多星協(xié)同觀測、星上在軌處理和星間鏈路傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，提升天基信息對應(yīng)急響應(yīng)的服務(wù)能力。第二步是實現(xiàn)多網(wǎng)融合、智能服務(wù)。突破遙感、導(dǎo)航、通信復(fù)用、高中低軌衛(wèi)星組網(wǎng)，天網(wǎng)、地網(wǎng)融合、一體化協(xié)同傳輸以及云計算、時空大數(shù)據(jù)和智能終端技術(shù)，提升天基信息的智能服務(wù)能力。

整個系統(tǒng)建設(shè)一定要堅持軍民深度融合、市場主導(dǎo)及國家支持相結(jié)合。系統(tǒng)按照“軍民深度融合”要求規(guī)劃布局，平時為中國和全球?qū)I(yè)用戶和大眾用戶提供服務(wù)，戰(zhàn)時可支撐我軍全球作戰(zhàn)需要；在系統(tǒng)運營上，充分發(fā)揮市場的主體作用，廣泛吸納社會資金（包括民營資本）共同投入，走商業(yè)化、市場化的運營道路，充分發(fā)揮系統(tǒng)建設(shè)的市場價值；建議國家采取“后補(bǔ)助”和購買服務(wù)模式，其中重點關(guān)鍵技術(shù)可由國家投入專項資金，組織國內(nèi)優(yōu)勢研究力量開展協(xié)同攻關(guān)。

三、關(guān)鍵技術(shù)

一是星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)。利用低軌衛(wèi)星上搭載星載GNSS接收機(jī)連續(xù)觀測記錄，結(jié)合激光測距等手段和現(xiàn)有地基增強(qiáng)系統(tǒng)，提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實時定位精度。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括：基于低軌衛(wèi)星觀測值的導(dǎo)航衛(wèi)星星歷和鐘差改正，聯(lián)合低軌衛(wèi)星/導(dǎo)航衛(wèi)星信號的精密單點定位技術(shù)，低軌衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星的聯(lián)合定軌，星間激光測距與導(dǎo)航數(shù)據(jù)聯(lián)合平差，低軌導(dǎo)航星座優(yōu)化設(shè)計。

二是天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。為滿足多源影像（視頻）信息傳輸、增強(qiáng)導(dǎo)航以及地面移動通信需求，需要通過天網(wǎng)、地網(wǎng)的互聯(lián)互通，構(gòu)建天地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。主要突破的關(guān)鍵技術(shù)包括：多層次天基網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋，業(yè)務(wù)驅(qū)動的空間通信與按需接入，天地網(wǎng)絡(luò)融合互聯(lián)與無縫切換，高動態(tài)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的自動路由與尋址，天地一體化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用體系框架與支撐管理技術(shù)。

三是多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)。針對衛(wèi)星影像（視頻）數(shù)據(jù)量大，星上數(shù)據(jù)存儲、處理與傳輸能力受限的問題，通過星地資源協(xié)同調(diào)度與優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)處理與信息提取效率，主要需突破的關(guān)鍵技術(shù)包括：影像（視頻）實時校正與幾何定位，影像典型目標(biāo)在軌智能檢測和變化檢測，視頻數(shù)據(jù)典型（運動）目標(biāo)提取，影像（視頻）在軌數(shù)據(jù)智能壓縮，星上同步數(shù)據(jù)處理平臺、架構(gòu)與軟件。

四是天基信息智能終端服務(wù)技術(shù)。系統(tǒng)除向?qū)I(yè)用戶（行業(yè)、部門）提供服務(wù)外，還需面向軍民移動終端提供定制化的智能天基信息服務(wù)。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)：面向星地通信網(wǎng)絡(luò)的LBS服務(wù)，移動終端多模定位技術(shù)，新型天基增強(qiáng)導(dǎo)航芯片及核心元件制造，消費級衛(wèi)星通信終端（如手機(jī)衛(wèi)星通信外殼），基于星地通信網(wǎng)絡(luò)的移動APP。

五是天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全。系統(tǒng)通過對衛(wèi)星資源的動態(tài)組織調(diào)度，可實現(xiàn)衛(wèi)星資源組織面向任務(wù)快速應(yīng)變。同時，由于空間網(wǎng)絡(luò)的開放特性，系統(tǒng)通信鏈路容易受到宇宙射線、電磁信號干擾，甚至惡意破壞。需突破的關(guān)鍵技術(shù)包括：多任務(wù)條件下衛(wèi)星資源組織模型和求解算法，適應(yīng)任務(wù)和資源變化的資源快速重組技術(shù)，衛(wèi)星資源動態(tài)組織仿真驗證和評價，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可靠性理論與網(wǎng)絡(luò)安全體系構(gòu)架，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀安全路由與網(wǎng)絡(luò)自愈技術(shù)。

六是多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺。為實現(xiàn)“一星多用、多星組網(wǎng)”，系統(tǒng)中的衛(wèi)星平臺需要集成不同類型的有效載荷，滿足用戶增強(qiáng)導(dǎo)航、影像（視頻）獲取、移動通信等多種需求。需突破關(guān)鍵技術(shù)：基于多載荷的衛(wèi)星平臺一體化設(shè)計，“一星多用、多星組網(wǎng)”的軟件衛(wèi)星技術(shù)，衛(wèi)星多類型載荷配置與協(xié)同布局，多載荷衛(wèi)星平臺小型化技術(shù)，多星協(xié)同存儲與信息處理。

七是空天地一體化的非線性地球參考框架構(gòu)建。系統(tǒng)利用裝載有GNSS接收機(jī)的高中低軌衛(wèi)星、地面或星間可跟蹤的高中低軌衛(wèi)星，通過靜態(tài)的地面跟蹤站、動態(tài)的衛(wèi)星和天體來共同建立和維持我國自主的全球時空基準(zhǔn)。需突破關(guān)鍵技術(shù)包括：綜合多源觀測技術(shù)建立全球統(tǒng)一歷史地球參考框架的理論和方法，非線性地球參考框架所涉及的地球構(gòu)造，非構(gòu)造影響因素時變特征分析，全球動態(tài)地球框架非線性運動預(yù)測模型建立的理論方法與實現(xiàn)技術(shù)。

四、相關(guān)基礎(chǔ)及建議

（一）相關(guān)基礎(chǔ)

具備的基礎(chǔ)條件一是完成工程院“天基信息服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目研究，邀請了宇航、通信、導(dǎo)航、遙感、信息領(lǐng)域內(nèi)多位院士、專家討論天基信息實時服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)、技術(shù)體系、可行性方案和運行服務(wù)模式，提出我國未來PNTRC系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略建議和建設(shè)路線圖，為國家提供咨詢報告。二是通過“高分”、“二代導(dǎo)航”的實施，我國在衛(wèi)星導(dǎo)航定位、高分辨率衛(wèi)星遙感對地觀測等方面取得了一批具有國際競爭力的技術(shù)成果，為本項目啟動提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。2006-2010年，武漢大學(xué)牽頭實施的我國衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域首個國防973項目，解決了航天信息支持戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用中的衛(wèi)星資源按需組織、復(fù)雜對抗條件下信息傳輸和面向任務(wù)的航天信息聚焦服務(wù)等理論問題；目前，我國自主遙感衛(wèi)星分辨率已達(dá)到亞米級，北斗系統(tǒng)已實現(xiàn)亞太區(qū)覆蓋，地面增強(qiáng)系統(tǒng)實時定位精度達(dá)亞米級；2014年，清華大學(xué)成功研制發(fā)射了靈巧通信實驗小衛(wèi)星，實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星地面移動自動變帶寬通信；2016年，已在相應(yīng)遙感衛(wèi)星上實現(xiàn)了在軌智能處理，可在1分鐘內(nèi)將興趣目標(biāo)圖像通過天網(wǎng)傳送給用戶。武漢大學(xué)已成功啟動珞珈一號系列科學(xué)試驗衛(wèi)星研制工作，研究通過低軌衛(wèi)星組網(wǎng)增強(qiáng)北斗系統(tǒng)定位精度，預(yù)計將于2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星。

政策環(huán)境方面，國務(wù)院2014年出臺了《關(guān)于創(chuàng)新重點投融資機(jī)制管理社會投資的指導(dǎo)意見》，明確提出“推進(jìn)信息和民用空間基礎(chǔ)設(shè)施投資主體多元化”、鼓勵民間資本參與國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，鼓勵民間資本研制、發(fā)射和運營商業(yè)遙感衛(wèi)星，引導(dǎo)民間資本參與導(dǎo)航地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)；2015年國防科工局印發(fā)《2015年國防科工局軍民融合專項行動計劃》，提出：研究高分衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見，建設(shè)高分專項成果轉(zhuǎn)化平臺，以遙感衛(wèi)星為突破口，促進(jìn)衛(wèi)星資源和衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享。國務(wù)院2015年10月發(fā)布了《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015-2025）》，我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)將步入黃金十年，衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星遙感迎來商業(yè)化機(jī)遇。

創(chuàng)新平臺與人才隊伍方面，2012年，面向空天信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，武漢大學(xué)聯(lián)合中國航天科技集團(tuán)公司、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等優(yōu)勢單位聯(lián)合組建了地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，2014年中心通過國家“2011計劃”認(rèn)定。該中心在地球時空基準(zhǔn)、空天信息獲取、空間網(wǎng)絡(luò)、空間通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、遙感對地觀測和空間信息服務(wù)等七個方向由院士或科學(xué)家牽頭開展研究，以此為基礎(chǔ)，以建設(shè)PNTRC為目標(biāo)，籌建空天信息國家實驗室。

（二）建議

基于以上基礎(chǔ)，建議將通導(dǎo)遙一體化的PNTRC空天信息智能化實時服務(wù)系統(tǒng)列為將要成立的空天國家實驗室的主要任務(wù)，集中全國相關(guān)優(yōu)勢力量協(xié)同攻關(guān)：

一要運用錢學(xué)森系統(tǒng)科學(xué)理論，做好頂層設(shè)計，開展理論創(chuàng)新、仿真演示和技術(shù)攻關(guān)；二要通過國家重大專項，建立我國軍用和應(yīng)急響應(yīng)的空天信息智能化實時服務(wù)系統(tǒng)，引領(lǐng)智能航天發(fā)展；三是通過市場牽引和政府補(bǔ)助，建立我國軍民深度融合的、面向全球服務(wù)的空天信息智能化實時服務(wù)系統(tǒng)，為國家創(chuàng)造萬億產(chǎn)值的空天應(yīng)用市場，為強(qiáng)軍、百姓生活和大眾化服務(wù)提供智能化的手段。當(dāng)前，全世界尚無這樣的空天信息實時智能服務(wù)系統(tǒng)，我們必須抓住機(jī)會，全力攻關(guān)，做出引領(lǐng)性、原創(chuàng)性的科學(xué)貢獻(xiàn)。