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)

文 李德仁

建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)的重大意義

習(xí)總書記指示我們：“必須推動空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用全面發(fā)展。”我們應(yīng)該抓應(yīng)用促發(fā)展，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、集成性成果，將我國從航天大國發(fā)展為航天強(qiáng)國。建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)PNTRC（定位、導(dǎo)航、授時、遙感、通信），通過天基衛(wèi)星一星多用、多星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)天地網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)智能的信息服務(wù)。這既是我國搶占國際競爭戰(zhàn)略制高點(diǎn)的重大機(jī)遇，也是我國航天事業(yè)做大做強(qiáng)，推進(jìn)大眾化應(yīng)用的迫切需求。

建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）是保障我國戰(zhàn)略安全的必要舉措。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。我國要保證戰(zhàn)略安全，首先必須掌握戰(zhàn)略制高點(diǎn)，即制信息權(quán)。蘭德報告披露，美國已具備2小時內(nèi)完成全球打擊的能力，并揚(yáng)言到2020年將提升到從發(fā)現(xiàn)到消滅只用10秒鐘的水平。這樣的安全形勢迫切需要我國建設(shè)完善全球?qū)崟r天基智能信息系統(tǒng)。

通導(dǎo)遙一體化天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)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)

建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）是保障我國海洋權(quán)益的戰(zhàn)略選擇。我國南海廣大海域連續(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、海洋無法布站等原因，致使通信檢測難以覆蓋，亟須全球?qū)崟r天基智能信息系統(tǒng)的天基信息支持。

建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）是實(shí)現(xiàn)動目標(biāo)全球?qū)崟r跟蹤、固定目標(biāo)實(shí)時監(jiān)測、保障國家安全的支撐手段。天基信息服務(wù)不及時，國家安全受到威脅。美國有秒級的空間網(wǎng)絡(luò)和分鐘級的處理服務(wù)，響應(yīng)時間在12分鐘之內(nèi)。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，與美國相比差距巨大。要實(shí)現(xiàn)動目標(biāo)的全球?qū)崟r跟蹤，以及對固定目標(biāo)的實(shí)時監(jiān)測，都需要天基信息的支持。

建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）是滿足災(zāi)害應(yīng)急救援快速響應(yīng)需求的必然要求。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；2017年九寨溝地震時利用了無人機(jī)，獲取圖像縮短到4個小時。但這還不夠，還難以滿足實(shí)時用戶的需求。

高新技術(shù)被越來越多地運(yùn)用到搶險救災(zāi)中

建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）是推動形成我國天基信息商業(yè)化大眾服務(wù)格局的基礎(chǔ)條件。從我國衛(wèi)星行業(yè)來看，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用方面，軍事應(yīng)用處于持續(xù)穩(wěn)定增長期，但規(guī)模有限；行業(yè)應(yīng)用處于規(guī)模化應(yīng)用發(fā)展期，份額仍小于GPS；大眾應(yīng)用處于標(biāo)配化應(yīng)用啟動期，市場前景看好，潛力巨大（移動位置服務(wù)）。衛(wèi)星移動通信應(yīng)用則主要應(yīng)用于語音、窄帶通信，總體規(guī)模不大，主要用戶分布在軍隊(duì)、應(yīng)急行業(yè)、野外作業(yè)等方面，應(yīng)用成本較高，大眾化應(yīng)用不廣泛。全球仍有52%的地區(qū)，包括海洋、沙漠、高山地區(qū)，無移動通信功能。衛(wèi)星遙感應(yīng)用的規(guī)模化應(yīng)用集中在軍事、國土、規(guī)劃、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、水利、石油化工等行業(yè)領(lǐng)域，以提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的應(yīng)用方式為主，產(chǎn)值低于導(dǎo)航和通信應(yīng)用，大眾化應(yīng)用模式尚在探索階段。因此，建設(shè)PNTRC天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)、推動形成我國通導(dǎo)遙一體化天基信息商業(yè)化大眾服務(wù)格局是當(dāng)前需要解決的問題。

此外，建設(shè)PNTRC天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)可為“一帶一路”沿線國家和地區(qū)提供實(shí)時動態(tài)空天信息服務(wù)，為“一帶一路”倡議的落地實(shí)施提供有力保障。

我國空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)現(xiàn)狀、問題及解決思路

當(dāng)前，全世界把低軌星座發(fā)展計劃作為競爭的熱點(diǎn)，在美國重點(diǎn)建設(shè)低軌通信和遙感衛(wèi)星星座。除OneWeb等低軌通信衛(wèi)星計劃外，比較有代表性的是比爾·蓋茨和孫正義表示要發(fā)500顆衛(wèi)星，組成一個能提供地球任意位置衛(wèi)星圖像和視頻的星座EARTHNOW。全球低軌星座的競爭非常激烈。但是我們看到，全世界沒有一個國家（包括美國）形成共識要發(fā)展我們PNTRC這樣智能的通導(dǎo)遙一體化天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)，這是我們的重大機(jī)遇。

目前，我國正推進(jìn)空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一直要做到2025年，這創(chuàng)造了從航天大國邁向航天強(qiáng)國的必要條件。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，但不具備寬帶數(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；且在服務(wù)模式方面主要面向?qū)I(yè)用戶，尚未服務(wù)大眾。

“天基服務(wù)信息系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項(xiàng)目以17位兩院院士為骨干，李德仁院士為項(xiàng)目組長。

因此，我們要從以下幾方面著力推進(jìn)。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(shí)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。基于當(dāng)前的現(xiàn)狀，亟須按照錢學(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(shí)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)上能實(shí)現(xiàn)全球無縫的高速通信，能使用最好的、實(shí)時的遙感圖像，實(shí)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72億人提供服務(wù)，創(chuàng)造萬億元以上的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

推進(jìn)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展的思路和目標(biāo)

天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航定位授時、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、高精度導(dǎo)航定位授時、遙感與多媒體通信服務(wù)。實(shí)時定位精度達(dá)到米和分米級，為各種類型用戶提供高精度實(shí)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(shí)時獲取光學(xué)和雷達(dá)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)。

我們希望分兩步推進(jìn)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）核心技術(shù)突破。第一步是實(shí)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(shí)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(jiān)持軍民深度融合、市場主導(dǎo)及國家支持相結(jié)合。

我們的建設(shè)規(guī)劃可以分為兩步走。第一步，發(fā)射100顆低軌通信衛(wèi)星，再發(fā)射80顆遙感用的光學(xué)和雷達(dá)衛(wèi)星，這些衛(wèi)星的服務(wù)地區(qū)是中國及“一帶一路”，在這周邊能實(shí)現(xiàn)10分鐘的（目標(biāo)信息）獲取時間，定位導(dǎo)航精度為亞米級。第二步，走向全球。要做300顆低軌通信衛(wèi)星，像航天科技的“鴻雁”就是發(fā)射類似的衛(wèi)星；再發(fā)射200顆遙感衛(wèi)星，其中光學(xué)衛(wèi)星和雷達(dá)衛(wèi)星各100顆。這樣的話就提高了我們的能力，大概可以在4到5分鐘進(jìn)行全球重復(fù)采樣。

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)航衛(wèi)星的集成創(chuàng)新，帶動實(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（如手機(jī)APP）、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，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。

建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)已具備堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

當(dāng)前，建設(shè)天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）已具備堅(jiān)實(shí)的戰(zhàn)略研究、技術(shù)積累、創(chuàng)新平臺與人才隊(duì)伍基礎(chǔ)。

在戰(zhàn)略研究方面，2017年，中國工程院批復(fù)了“天基服務(wù)信息系統(tǒng)（PNTRC）發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項(xiàng)目。該項(xiàng)目以17位宇航、通信、導(dǎo)航、遙感、信息領(lǐng)域的兩院院士為骨干，以我為項(xiàng)目組長。星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)方面，請劉經(jīng)南院士牽頭；天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)方面，請清華的陸建華院士牽頭，他研發(fā)了靈巧智能小衛(wèi)星，能用自適應(yīng)軟件控制衛(wèi)星運(yùn)行軌跡；多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)由我牽頭，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星監(jiān)測地面變化，提取處理后壓制傳輸，通過公用網(wǎng)絡(luò)送到地面手機(jī)上；天基信息智能終端服務(wù)技術(shù)請龔健雅院士牽頭；天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全請張軍院士牽頭，用以前做飛機(jī)調(diào)度的經(jīng)驗(yàn)來調(diào)度衛(wèi)星；多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺請航天科技集團(tuán)的張慶君研究員牽頭，實(shí)現(xiàn)新一代小型化自動化的一體化平臺；空天地一體化的非線性地球參考框架構(gòu)建由李建成院士牽頭。該項(xiàng)目論證天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)、技術(shù)體系、可行性方案、運(yùn)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。

在技術(shù)積累方面，通過“高分”“二代導(dǎo)航”的實(shí)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，為項(xiàng)目啟動提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。“高分”系列中，于2018年7月31日發(fā)射升天的高分十一號衛(wèi)星的空間分辨率已達(dá)0.1m，超過了美國軍方衛(wèi)星0.15m的空間分辨率。2006—2010年，武漢大學(xué)牽頭實(shí)施的我國衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域首個原國防“973”項(xiàng)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(shí)現(xiàn)亞太區(qū)覆蓋，地面增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)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(shí)驗(yàn)小衛(wèi)星，實(shí)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(shí)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(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，已經(jīng)于2018年6月2日發(fā)射首顆衛(wèi)星。根據(jù)習(xí)總書記“要把修復(fù)長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置”的講話，我國已經(jīng)用天基傳感網(wǎng)建設(shè)長江流域生態(tài)環(huán)境智能管理系統(tǒng)，統(tǒng)籌管理長江流域用水、防洪、通航和發(fā)電，通過大量傳感器建立的空天地觀測平臺實(shí)現(xiàn)了智能化的協(xié)同管理。此外，我們還實(shí)現(xiàn)了從遙感影像大數(shù)據(jù)中自動搜索目標(biāo)的技術(shù)，用于衛(wèi)星在軌處理影像數(shù)據(jù)。

“珞珈一號”系列科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星于2018年6月2日成功發(fā)射首顆衛(wèi)星

在創(chuàng)新平臺與人才隊(duì)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)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(shí)驗(yàn)室。

關(guān)于建設(shè)發(fā)展天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)的幾點(diǎn)建議

基于天基信息實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)（PNTRC）現(xiàn)已具備戰(zhàn)略研究、技術(shù)積累、創(chuàng)新平臺與人才隊(duì)伍方面的基礎(chǔ)，建議將通導(dǎo)遙一體化的PNTRC空天信息智能化實(shí)時服務(wù)系統(tǒng)列為將要成立的空天國家實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(xiàng)，建立我國軍用和應(yīng)急響應(yīng)的空天信息智能化實(shí)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(shí)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(shí)時智能服務(wù)系統(tǒng)，我們必須抓住機(jī)會，全力攻關(guān)，建設(shè)航天強(qiáng)國，強(qiáng)軍、富國、利民，做出引領(lǐng)性、原創(chuàng)性的科學(xué)貢獻(xiàn)。