論軍民深度融合的通導(dǎo)遙一體化空天信息實(shí)時智能服務(wù)系統(tǒng)

中國科學(xué)院院士、中國工程院院士、武漢大學(xué)教授 李德仁

習(xí)近平總書記指示我們，要推動空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用的全面發(fā)展，需抓好應(yīng)用以促進(jìn)空間科技發(fā)展，同時按照體現(xiàn)國家意志、實(shí)現(xiàn)國家使命、代表國家水平的定位，產(chǎn)出一批原創(chuàng)性、戰(zhàn)略性、集成性的成果，把我國從航天大國發(fā)展成為航天強(qiáng)國。

本文將從背景與意義、目標(biāo)與內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)基礎(chǔ)這4個方面，來介紹通導(dǎo)遙一體化系統(tǒng)。

一、背景與意義

國家要保證戰(zhàn)略安全，必須掌握制信息權(quán)，其中包括制空權(quán)、制海權(quán)和制天權(quán)。美國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)2小時打擊目標(biāo)的能力。我國的信息安全與美國相比是有差距的，我們按小時計時，而美國是按秒計時。在全球范圍內(nèi)，美國有12個航母編隊，但是我們還無法對這些目標(biāo)進(jìn)行全球?qū)崟r的連續(xù)跟蹤，對某些固定目標(biāo)也無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時變化監(jiān)測。在這種條件背景下，很難實(shí)現(xiàn)我國軍隊在全球“能打仗、打勝仗”的目標(biāo)。

我國的應(yīng)急救援信息系統(tǒng)，從2008年汶川地震需要36個小時才能找到震源位置，到2017年九寨溝地震的4個小時，仍未達(dá)到快速準(zhǔn)確的要求，說明我們需要一個天基實(shí)時智能服務(wù)系統(tǒng)。當(dāng)前，我們的衛(wèi)星遙感還沒有讓人民群眾真正在手機(jī)上用起來，這是我們面臨且急需解決的一個問題。我國天基信息商業(yè)化格局的不足之處如圖1所示。

近年來，全世界都把通導(dǎo)遙衛(wèi)星的大眾服務(wù)作為一個競爭熱點(diǎn)，尤其是美國，他們在研究低軌通信衛(wèi)星，揚(yáng)言要發(fā)射成百上千顆衛(wèi)星用來全球通信。特別是比爾蓋茨與孫正義兩人共同開發(fā)的500個遙感衛(wèi)星項目（EarthNow），可以隨時看到地球上任何一個地區(qū)的圖像。但是，在全世界還沒有任何一個國家能夠在真正意義上形成通導(dǎo)遙一體化的系統(tǒng)。所以，從現(xiàn)在起一直到2025年，我們需要抓緊推進(jìn)該系統(tǒng)，使我國從航天大國邁向航天強(qiáng)國。

圖1 我國天基信息商業(yè)化格局的不足之處

目前我國還有很多不足的地方，例如現(xiàn)有的通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星系統(tǒng)這三者各成體系，所以當(dāng)我們海軍在海上執(zhí)行任務(wù)時，衛(wèi)星獲得的圖像傳到中國來，再按步驟分級處理，需要數(shù)小時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足快速響應(yīng)的要求?？梢钥闯觯▽?dǎo)遙衛(wèi)星一體化及與人工智能在軌處理的集成是當(dāng)前急需解決的問題。

二、目標(biāo)與內(nèi)容

（一）思路構(gòu)想與功能設(shè)計

PNTRC空間信息網(wǎng)絡(luò)，P是定位，N是導(dǎo)航，T是時間，R是遙感，C是通信，具體含義如圖2所示。利用五位一體做成通導(dǎo)遙信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)天地網(wǎng)絡(luò)融合，實(shí)現(xiàn)在軍民智能手機(jī)上的智能服務(wù)。

（二）發(fā)展目標(biāo)

通過構(gòu)建PNTRC，天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)可以實(shí)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)。其中，遙感信息精度從空間分辨率和時間分辨率上要分別達(dá)到分米級和分鐘級的水平。

（三）重大意義

建設(shè)空天信息實(shí)時智能服務(wù)系統(tǒng)可以落實(shí)軍民深度融合戰(zhàn)略，支持我軍在全球“能打仗，打勝仗”的目標(biāo)，占領(lǐng)天基信息服務(wù)這一新興領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，推動我國衛(wèi)星遙感、通信、導(dǎo)航等相關(guān)的集成創(chuàng)新發(fā)展，帶動形成互聯(lián)網(wǎng)與天基信息大眾化實(shí)時服務(wù)的新型產(chǎn)業(yè)。

（四）發(fā)展路線

PNTRC的發(fā)展可分為“兩步走”路線：第一步，通過多星協(xié)同觀測與傳輸，提升天基信息對應(yīng)急響應(yīng)的服務(wù)能力；第二步，多網(wǎng)融合、智能服務(wù)，滿足天地網(wǎng)絡(luò)的融合與一體化的協(xié)同傳輸?；谕ㄐ判l(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸如圖3所示。

（五）建設(shè)建議

在軍民深度融合方面，我們需要按照“軍民深度融合”的要求規(guī)劃布局，平時為我國和全球?qū)I(yè)用戶及大眾用戶提供服務(wù)，戰(zhàn)時可支撐我軍的全球作戰(zhàn)需要。

在市場主導(dǎo)方面，我們需要充分發(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、市場化運(yùn)營道路。

圖2 PNTRC的具體含義示意圖

圖3 基于通信衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸

在國家支持方面，建議采取“后補(bǔ)助”和購買服務(wù)，其中重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)可享受國家投入專項資金，組織國內(nèi)優(yōu)勢研究力量展開協(xié)同攻關(guān)。

（六）市場化前景

在兼顧傳統(tǒng)非實(shí)時、專業(yè)用戶基礎(chǔ)上，PNTRC系統(tǒng)主要瞄準(zhǔn)天基信息“增量”用戶，主要包括：

（1）實(shí)時專業(yè)用戶。突破單純定期提供數(shù)據(jù)的服務(wù)模式，按需向軍民用戶提供實(shí)時天基信息服務(wù)，包括城市交通監(jiān)控、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、目標(biāo)持續(xù)監(jiān)控、港口吞吐量監(jiān)控、物流監(jiān)控、實(shí)時態(tài)勢感知、露天礦作業(yè)管理、智慧城市管理等，從而將空天實(shí)時信息變成智慧產(chǎn)業(yè)的組成部分。

（2）大眾用戶。主要以移動終端為載體，提供定制化、實(shí)時化的天基信息增值服務(wù)，包括基于實(shí)時遙感（視頻）數(shù)據(jù)的位置服務(wù)、實(shí)時高精度導(dǎo)航（如車道級導(dǎo)航）服務(wù)等，真正提供全球70億人的互聯(lián)網(wǎng)+空天信息服務(wù)。

（七）產(chǎn)業(yè)化前景

建設(shè)軍民深度融合的天基信息實(shí)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)航技術(shù)的集成創(chuàng)新，帶動以實(shí)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（包括手機(jī)APP等）、衛(wèi)星多媒體通信服務(wù)、實(shí)時精密導(dǎo)航定位服務(wù)等。

三、關(guān)鍵技術(shù)

（一）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(shí)時定位精度，主要需突破：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(diǎn)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)計等。

（二）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：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)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)等。

（三）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)處理和信息提取效率，主要需突破：影像（視頻）實(shí)時校正與幾何定位，影像典型目標(biāo)在軌智能檢測，視頻數(shù)據(jù)典型（運(yùn)動）目標(biāo)提取，影像（視頻）在軌數(shù)據(jù)智能壓縮，星上通用數(shù)據(jù)處理平臺、架構(gòu)與軟件。

（四）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：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)航芯片及核心原件制造，消費(fèi)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等。

（五）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(shí)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：多任務(wù)條件下衛(wèi)星資源組織模型的求解算法、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(yàn)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)等。

（六）多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺

為實(shí)現(xiàn)“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：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)同儲存與信息處理等。

（七）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)的地面跟蹤站和動態(tài)的衛(wèi)星與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：綜合多源觀測技術(shù)建立全球統(tǒng)一歷元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(yùn)動預(yù)測模型建立的理論方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。

四、相關(guān)基礎(chǔ)

通過實(shí)施“高分”“二代導(dǎo)航”，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)。

（1） 2006—2010年，武漢大學(xué)牽頭實(shí)施了我國衛(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)雜對抗條件下的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。

（2）目前，我國自主遙感衛(wèi)星分辨率已達(dá)亞米級，北斗系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)亞太區(qū)域覆蓋，地面增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時定位精度達(dá)米級。

（3）2014年，清華大學(xué)成功研制發(fā)射了靈巧通信試驗(yàn)小衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了低軌衛(wèi)星地面移動通信。

（4）2016年，武漢大學(xué)已啟動“珞珈一號”系列科學(xué)試驗(yàn)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，已于2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星。天基信息實(shí)時服務(wù)演示衛(wèi)星和多角度SAR衛(wèi)星將于明后年發(fā)射，如圖4所示。

圖4 天基信息實(shí)時服務(wù)演示衛(wèi)星

五、結(jié)束語

從當(dāng)前國家需求和國際高科技發(fā)展形勢來看，我們的通、導(dǎo)、遙衛(wèi)星比美國人發(fā)射得晚，這是歷史。但是，當(dāng)前全世界尚未形成一個通導(dǎo)遙一體化的天基信息實(shí)時智能服務(wù)系統(tǒng)，我們應(yīng)該抓住機(jī)遇，群力攻關(guān)，作出原創(chuàng)性的科技創(chuàng)新，在衛(wèi)星應(yīng)用方面走到世界的前面去。