增強自主創(chuàng)新能力占領空天信息服務的戰(zhàn)略制高點
——訪中國科學院院士、中國工程院院士李德仁

文/李臻

本刊：您是測繪遙感專業(yè)出身，您的研究方向從傳統(tǒng)測繪學逐步發(fā)展為地球空間信息科學，可否請您簡單解釋一下測繪學、地球空間信息科學及兩者之間的關系？

李院士：測繪學是一門傳統(tǒng)學科，伴隨人類5000年的文明史發(fā)展起來。古埃及的尼羅河每年要發(fā)大水，使農(nóng)田土地發(fā)生變化，人們因此產(chǎn)生了對土地進行測繪的需求。西方國家有了土地法后，要對土地進行測量，土地測量由畫圖變成坐標記錄階段。人類進入工業(yè)化時代以后，測繪學也進入初級發(fā)展階段，即模擬法測繪，主要依賴光、機、電儀器進行角度、距離的測量，采用以地面測量為主的方法來測繪地表的形狀、位置、大小，并制作成各種比例的地形圖。

自1957年電子計算機問世后，人類開始使用電子計算機來完成測繪學的各種任務，測繪學得到了很大的發(fā)展，測繪工作效率大大提升，人類認知地球的水平被提升到一個新的高度。

20世紀七八十年代以后，計算機、IT技術飛速發(fā)展，給測繪生產(chǎn)技術、測繪產(chǎn)品帶來深刻變革，測繪生產(chǎn)開始擺脫模擬測繪儀器而大量采用計算機設備，測繪產(chǎn)品也從模擬測繪階段的紙質地圖變成數(shù)字化測繪產(chǎn)品。

工業(yè)化時代的測繪分為大地測量、工程測量、航空測量和地圖制圖等，隨著技術的發(fā)展，大地測量和工程測量變成GPS或“北斗”，航空測量變成航空遙感、衛(wèi)星遙感，地圖制圖變成數(shù)字地圖和地理信息系統(tǒng)。衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（GNSS）、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）是目前對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、存儲管理、更新、分析和應用的三大支撐技術（3S）。

現(xiàn)代測繪主要從事地球上的空間信息采集、加工、獲取、應用等工作，測繪發(fā)展至此階段時，人們認為已經(jīng)超過傳統(tǒng)測繪的范圍，20世紀90年代，國際標準化組織創(chuàng)造了Geomatics這個詞，即地球空間信息科學。現(xiàn)代的測繪、遙感、地理信息系統(tǒng)都融合在一起，測繪從一個傳統(tǒng)、古老的手工畫圖變?yōu)橥耆揽窟b感衛(wèi)星、通信衛(wèi)星導航和計算機技術的信息系統(tǒng)技術，成為前沿科學，老學科被賦予了新生命。

本刊：“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為我國自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，受到國內(nèi)外的極大關注，請您介紹下“北斗”的發(fā)展情況及未來計劃是怎樣的？

李院士：“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的重要空間基礎設施。截至2019年4月20日，我國已發(fā)射44顆“北斗”導航衛(wèi)星。

我國的“北斗”起步比GPS晚，但發(fā)展卻很快，有些方面甚至超過了GPS，例如，“北斗”上加了256個漢字的短報文，加強了用戶與系統(tǒng)的通信，可以實現(xiàn)消息的實時傳遞。“北斗”具有這種功能是因為它在地球同步靜止軌道加了5顆星，可以通信、加短報文，未來將增加至1000個漢字。目前來說，GPS沒有這個功能，預計下一代GPS也要增加通信功能和靜止軌道。“北斗”在低緯度地區(qū)功能強大，在東南亞、一帶一路沿線國家，“北斗”的精度比GPS好。我國投入了很多經(jīng)費，讓“北斗”走向國際，為全人類造福。

2019年，我國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)將繼續(xù)高密度全球組網(wǎng)，計劃發(fā)射8～10顆“北斗”導航衛(wèi)星，計劃完成所有MEO衛(wèi)星發(fā)射，進一步完善全球系統(tǒng)星座布局，全面提升系統(tǒng)服務性能和用戶體驗。

根據(jù)計劃，2020年，我國將全面完成“北斗”三號全球系統(tǒng)建設，并提供特色服務；有望在2035年建成以“北斗”系統(tǒng)為核心，更加廣泛、融合、智能的綜合定位導航授時體系。

▲北斗衛(wèi)星

本刊：實現(xiàn)通導遙一體化服務體系，以及進一步實現(xiàn)PNTRC系統(tǒng)五位一體服務是您的夢想，請您介紹一下目前的發(fā)展情況。

李院士：目前，全球各國的通信、導航、遙感三類衛(wèi)星系統(tǒng)均各成體系并且相互獨立，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)下傳瓶頸嚴重制約信息獲取效率；導航衛(wèi)星（如“北斗”）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)務化衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，對遙感、導航等天基信息的傳輸保障能力有限；服務模式主要面向專業(yè)用戶，尚未服務大眾。以上現(xiàn)狀導致系統(tǒng)孤立、信息分離、服務滯后。因此，我們要發(fā)展系統(tǒng)聯(lián)通、時空融合、服務暢通的通導遙一體化服務體系。

天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）是指利用天基空間信息網(wǎng)絡，對全球不同領域用戶提供定位（Positioning）、導航（Navigation）、授時（Timing）、遙感（Remote sensing）、通信（Communication） 服務。當PNTRC系統(tǒng)建成后，可以提供三種服務：一是天上10MB帶寬無縫通信服務；二是手機1m、汽車駕駛0.1m的實時增強導航定位服務；三是0.5m分辨率光學影像和雷達視頻數(shù)據(jù)實時處理并直通用戶終端，如智能手機。PNTRC系統(tǒng)的建設難題是頻譜軌位資源受限，測控限于本土，要實現(xiàn)自主可控前提下的全球化服務，需要解決一系列關鍵技術問題。

本刊：目前有哪些關鍵技術制約著PNTRC系統(tǒng)的發(fā)展？

李院士：PNTRC系統(tǒng)一體化全球地球空間信息實時智能服務有極大的難度，它需要解決至少以下7個關鍵技術：

一是星基導航增強技術。美國阻止“北斗”在全球的應用，不讓我們在境外做地面增強系統(tǒng)，因此我們提出在低軌通信衛(wèi)星上搭載星載GNSS接收機連續(xù)觀測記錄，結合激光測距等手段和現(xiàn)有地基增強系統(tǒng)，提高“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實時定位精度。

二是天地一體化網(wǎng)絡通信技術。主要解決通信衛(wèi)星如何組網(wǎng)的問題。地上的通信網(wǎng)是固定的，天上的衛(wèi)星隨著時間、空間在變，要通過天地網(wǎng)絡融合互聯(lián)與無縫切換，以及高動態(tài)環(huán)境下網(wǎng)絡自動路由與尋址來構建天地一體化的通信網(wǎng)絡。

三是多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術。衛(wèi)星需要具備對數(shù)據(jù)進行存儲、處理和傳輸?shù)哪芰Γ覀冋谘芯吭谲壷悄芟到y(tǒng)，以建立天地一體化云計算環(huán)境、星上通用數(shù)據(jù)處理平臺、架構與軟件，實現(xiàn)自動檢測目標、自動發(fā)現(xiàn)變化。

四是天基信息智能終端服務技術。PNTRC系統(tǒng)建好后需向移動終端提供定制化的智能天基信息服務，需要突破天基增強導航芯片及核心元件制造、手機移動APP的研發(fā)等工作。

五是天基資源調度與網(wǎng)絡安全。天上分布著許多衛(wèi)星來服務地球上的眾多用戶，系統(tǒng)需要對衛(wèi)星資源進行動態(tài)組織調度。此外，系統(tǒng)通信鏈路也容易受到宇宙射線、電磁信號的干擾等，從而威脅衛(wèi)星網(wǎng)絡的安全，從而要建立衛(wèi)星網(wǎng)絡可靠性理論與網(wǎng)絡安全體系構架。

六是空天地一體化的非線性地球參考框架構建。時間、空間要有個基準，衛(wèi)星在高動態(tài)情況下，應通過靜態(tài)的地面跟蹤站和動態(tài)的衛(wèi)星及天體來共同建立與維持我國自主的全球時空基準。

七是多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺。要實現(xiàn)“多用、多星組網(wǎng)”，制造基于軟件定義的智能衛(wèi)星，滿足用戶增強導航、影像（視頻）獲取、移動通信等多種需求。

▲多網(wǎng)融合、智能服務

本刊：PNTRC系統(tǒng)是一種軍民兩用系統(tǒng)，其市場前景如何？

李院士：PNTRC系統(tǒng)應用前景廣闊，將突破以單純定期提供數(shù)據(jù)的服務模式，按需向軍民用戶提供實時天基信息服務，例如，可以提供全球移動目標實時跟蹤、固定目標實時監(jiān)測、武器精確制導、精準農(nóng)業(yè)、城市交通監(jiān)控、智慧城管、露天礦作業(yè)管理、石油平臺管理、港口吞吐量監(jiān)控等服務。同時，PNTRC系統(tǒng)還可為大量的大眾用戶提供服務，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，例如，基于實時遙感（視頻）數(shù)據(jù)的位置服務，實時高精度導航服務，對商品（工藝品、農(nóng)產(chǎn)品）進行全生命周期追蹤等。未來PNTRC系統(tǒng)有望推動形成萬億元的產(chǎn)業(yè)鏈。

PNTRC系統(tǒng)是軍民兩用的系統(tǒng)，但地理信息產(chǎn)業(yè)的大眾化應用程度一直不高，在城市規(guī)劃、智慧交通、應急救援等各個領域，地理信息產(chǎn)業(yè)提供的服務往往不及時，一個重要的原因就是我們提供的時空信息服務還不夠快、不夠準、不夠智能，例如，室外定位精度只有10m，地下定位沒有信號等。這些問題在PNTRC系統(tǒng)建成后，都可以得到極大的改善。

總之，我們一定要堅持自主創(chuàng)新，引領發(fā)展，組織多學科專家進行協(xié)同創(chuàng)新攻關，爭取盡快建成我國的空天信息實時智能服務系統(tǒng)。