論軍民深度融合的通導遙一體化空天信息實時智能服務系統

中國科學院院士、中國工程院院士、武漢大學教授 李德仁

習近平總書記指示我們，要推動空間科學、空間技術和空間應用的全面發展，需抓好應用以促進空間科技發展，同時按照體現國家意志、實現國家使命、代表國家水平的定位，產出一批原創性、戰略性、集成性的成果，把我國從航天大國發展成為航天強國。

本文將從背景與意義、目標與內容、關鍵技術和相關基礎這4個方面，來介紹通導遙一體化系統。

一、背景與意義

國家要保證戰略安全，必須掌握制信息權，其中包括制空權、制海權和制天權。美國已經實現在全球范圍內2小時打擊目標的能力。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，美國有12個航母編隊，但是我們還無法對這些目標進行全球實時的連續跟蹤，對某些固定目標也無法實現實時變化監測。在這種條件背景下，很難實現我國軍隊在全球“能打仗、打勝仗”的目標。

我國的應急救援信息系統，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，仍未達到快速準確的要求，說明我們需要一個天基實時智能服務系統。當前，我們的衛星遙感還沒有讓人民群眾真正在手機上用起來，這是我們面臨且急需解決的一個問題。我國天基信息商業化格局的不足之處如圖1所示。

近年來，全世界都把通導遙衛星的大眾服務作為一個競爭熱點，尤其是美國，他們在研究低軌通信衛星，揚言要發射成百上千顆衛星用來全球通信。特別是比爾蓋茨與孫正義兩人共同開發的500個遙感衛星項目（EarthNow），可以隨時看到地球上任何一個地區的圖像。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遙一體化的系統。所以，從現在起一直到2025年，我們需要抓緊推進該系統，使我國從航天大國邁向航天強國。

圖1 我國天基信息商業化格局的不足之處

目前我國還有很多不足的地方，例如現有的通信、導航、遙感衛星系統這三者各成體系，所以當我們海軍在海上執行任務時，衛星獲得的圖像傳到中國來，再按步驟分級處理，需要數小時，遠遠不能滿足快速響應的要求?？梢钥闯?，通導遙衛星一體化及與人工智能在軌處理的集成是當前急需解決的問題。

二、目標與內容

（一）思路構想與功能設計

PNTRC空間信息網絡，P是定位，N是導航，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遙信息網絡，實現天地網絡融合，實現在軍民智能手機上的智能服務。

（二）發展目標

通過構建PNTRC，天基信息實時服務系統可以實現衛星遙感、衛星導航、衛星通信與地面互聯網的集成服務，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。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到分米級和分鐘級的水平。

（三）重大意義

建設空天信息實時智能服務系統可以落實軍民深度融合戰略，支持我軍在全球“能打仗，打勝仗”的目標，占領天基信息服務這一新興領域的戰略制高點，推動我國衛星遙感、通信、導航等相關的集成創新發展，帶動形成互聯網與天基信息大眾化實時服務的新型產業。

（四）發展路線

PNTRC的發展可分為“兩步走”路線：第一步，通過多星協同觀測與傳輸，提升天基信息對應急響應的服務能力；第二步，多網融合、智能服務，滿足天地網絡的融合與一體化的協同傳輸。基于通信衛星的遙感數據實時傳輸如圖3所示。

（五）建設建議

在軍民深度融合方面，我們需要按照“軍民深度融合”的要求規劃布局，平時為我國和全球專業用戶及大眾用戶提供服務，戰時可支撐我軍的全球作戰需要。

在市場主導方面，我們需要充分發揮市場的主體作用，廣泛吸納社會資金（包括民營資本）共同投入，走商業化、市場化運營道路。

圖2 PNTRC的具體含義示意圖

圖3 基于通信衛星的遙感數據實時傳輸

在國家支持方面，建議采取“后補助”和購買服務，其中重點關鍵技術可享受國家投入專項資金，組織國內優勢研究力量展開協同攻關。

（六）市場化前景

在兼顧傳統非實時、專業用戶基礎上，PNTRC系統主要瞄準天基信息“增量”用戶，主要包括：

（1）實時專業用戶。突破單純定期提供數據的服務模式，按需向軍民用戶提供實時天基信息服務，包括城市交通監控、精準農業、目標持續監控、港口吞吐量監控、物流監控、實時態勢感知、露天礦作業管理、智慧城市管理等，從而將空天實時信息變成智慧產業的組成部分。

（2）大眾用戶。主要以移動終端為載體，提供定制化、實時化的天基信息增值服務，包括基于實時遙感（視頻）數據的位置服務、實時高精度導航（如車道級導航）服務等，真正提供全球70億人的互聯網+空天信息服務。

（七）產業化前景

建設軍民深度融合的天基信息實時服務系統，將為衛星應用產業的發展注入新的活力，我國衛星遙感、衛星通信、衛星導航等產業將迎來新一輪的發展機遇。除增強遙感、通信、導航功能外，通過衛星遙感、通信與導航技術的集成創新，帶動以實時位置服務為代表的天基信息增值服務產業的發展，如新型天基信息服務移動終端與軟件（包括手機APP等）、衛星多媒體通信服務、實時精密導航定位服務等。

三、關鍵技術

（一）星基導航增強技術

利用低軌衛星上搭載星載GNSS接收機連續觀測記錄，結合激光測距等手段和現有地基增強系統，提高北斗衛星導航系統的實時定位精度，主要需突破：基于低軌衛星觀測值的導航衛星星歷和鐘差改正，聯合低軌衛星/導航衛星信號的精密單點定位技術，低軌衛星和導航衛星的聯合定軌，星間激光測距與導航數據聯合平差，低軌導航星座優化設計等。

（二）天地一體化網絡通信技術

為滿足多源影像（視頻）信息傳輸、增強導航以及地面移動通信需求，需要通過天網、地網的互聯互通，構建天地一體化的通信網絡，主要突破：多層次天基網絡的廣域覆蓋，業務驅動的空間通信與按需接入，天地網絡融合互聯與無縫切換，高動態環境下網絡自動路由與尋址，天地一體化網絡服務應用體系框架與支撐管理技術等。

（三）多源成像數據在軌處理技術

針對衛星影像（視頻）數據量大，星上數據存儲、處理與傳輸能力受限的問題，通過星地資源協同調度與優化，提升數據處理和信息提取效率，主要需突破：影像（視頻）實時校正與幾何定位，影像典型目標在軌智能檢測，視頻數據典型（運動）目標提取，影像（視頻）在軌數據智能壓縮，星上通用數據處理平臺、架構與軟件。

（四）天基信息智能終端服務技術

系統除向專業用戶（行業、部門）提供服務外，還需向軍民移動終端提供定制化的智能天基信息服務，需要突破：面向星地通信網絡的LBS服務，移動終端多模定位技術，新型天基增強導航芯片及核心原件制造，消費級衛星通信終端（如手機衛星通信外殼），基于星地通信網絡的移動APP等。

（五）天基資源調度與網絡安全

系統通過對衛星資源的動態組織調度，可實現衛星資源組織面向任務快速應變。同時，由于空間網絡的開放特性，系統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：多任務條件下衛星資源組織模型的求解算法、適應任務和資源變化的資源快速重組技術，衛星資源動態組織仿真驗證和評價、衛星網絡可靠性理論與網絡安全體系構架，衛星網絡抗毀安全路由與網絡自愈技術等。

（六）多載荷集成的一體化衛星平臺

為實現“多用、多星組網”，系統中的衛星平臺需要集成不同類型的有效載荷，滿足用戶增強導航、影像（視頻）獲取、移動通信等多種需求，需突破：基于多載荷的衛星平臺一體化設計，“一星多用、多星組網”的軟件衛星技術，衛星多類型載荷配置與協同布局，多載荷衛星平臺小型化技術，多星協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建

系統利用裝載有GNSS接收機的高中低軌衛星、地面或星間可跟蹤的高中低軌衛星，通過靜態的地面跟蹤站和動態的衛星與天體來共同建立和維持我國自主的全球時空基準，需突破：綜合多源觀測技術建立全球統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造、非構造影響因素時變特征分析，全球動態地球框架非線性運動預測模型建立的理論方法與實現技術等。

四、相關基礎

通過實施“高分”“二代導航”，我國在衛星導航定位、高分辨率衛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成果，為本項目啟動提供了良好的技術基礎。

（1） 2006—2010年，武漢大學牽頭實施了我國衛星應用領域首個國防“973”項目，解決了航天信息支持戰術應用中的衛星資源按需組織、復雜對抗條件下的信息傳輸和面向任務的航天信息聚焦服務等理論問題。

（2）目前，我國自主遙感衛星分辨率已達亞米級，北斗系統已實現亞太區域覆蓋，地面增強系統實時定位精度達米級。

（3）2014年，清華大學成功研制發射了靈巧通信試驗小衛星，實現了低軌衛星地面移動通信。

（4）2016年，武漢大學已啟動“珞珈一號”系列科學試驗衛星研制工作，研究通過低軌衛星組網增強北斗系統定位精度，已于2018年發射首顆衛星。天基信息實時服務演示衛星和多角度SAR衛星將于明后年發射，如圖4所示。

圖4 天基信息實時服務演示衛星

五、結束語

從當前國家需求和國際高科技發展形勢來看，我們的通、導、遙衛星比美國人發射得晚，這是歷史。但是，當前全世界尚未形成一個通導遙一體化的天基信息實時智能服務系統，我們應該抓住機遇，群力攻關，作出原創性的科技創新，在衛星應用方面走到世界的前面去。