建设军民深度融合的空天信息实时服务系统

◎李德仁院士

一、背景及需求

（一）背景

当今，国家边疆的概念在战略上已经延伸到远海、深空，国家领土、领海和领空的安全需要全球实时天基信息的支持。随着国家“一带一路”战略的推进，需要获取全球的制空、制海、制天权，其本质是制信息权，美国已经具备全球2小时的打击能力。习近平主席提出：能打仗、打胜仗，不但要有武器，还要有信息系统的支持，目标在哪儿？怎么打？打的怎么样？这些都离不开天基信息的支持。

我国东海南海广大海域连续监视能力弱，海洋权益受到挑战。我国拥有300万平方公里的海洋专属经济区，其中，约50%属争议区域或重叠区域，由于海岸布站检测距离受限、海洋无法布站，致使通信检测难以覆盖，亟需全球实时的天基信息支持。

灾害应急的快速响应由于遥感图像实时获取难，错失黄金救援时间。2008年汶川地震时，获取第一幅卫星影像花了36个小时，耽误了救援时间，到2013年芦山地震时，获取第一幅卫星影像时间已经缩短到10个小时，但是2015年天津港爆炸时，获取第一幅卫星影像时间仍然花了12个小时，损失了黄金救援时间。

天基信息服务不及时，国家安全受到威胁。与美国相比，美国因为有秒级的空间网络和分钟级的处理服务，发现敏感事件到决策反应可以在十分钟之内完成。而我国目前是小时级的过境传输网络和小时级的处理服务，同时由于空间网的系统还未建成，我国发现敏感事件的反应速度要几十个小时，境内需要10小时，境外需要20小时、甚至30小时，与美国差距巨大。

（二）国外相关进展

近年来，美国、欧洲等航天大国相继发展一体化空间网络。在导航卫星方面，2016年美国完成GPS-II的部署，2017年美国将发射GPS-III首颗卫星；在通信与网络方面，2007年欧盟启动ISI和ISICOM概念研究，2010年美国启动全球覆盖通信体系，2015年美国AEHF卫星通信网络投入应用，SpaceX公司发展低轨通信小卫星星座，O3B公司发展OneWeb低轨宽带通信星座；在遥感卫星方面，2011年美国NSF拨款4.34亿美元资助启动建设国家生态观测系统（NE0N）,2014年DARPA授权雷声公司启动SeeME快速响应小卫星网络研制，此外，Skybox、Planet Labs发展对地观测小卫星星座；在一体化方面，2006年开始，NASA整合近地网、空间网、深空网、启动空间通信与导航网络（SCaN）计划，发展一体化、综合化空间网络。

（三）国内现状与需求

建国以来，特别是改革开放30多年来，我国航天事业发展取得了辉煌的成就，航天对地观测技术实现了从有到好的转变，已经形成了东方红系列通信卫星、返回式系列遥感卫星、风云系列气象卫星、资源系列资源卫星、海洋系列海洋卫星以及军用系列卫星的卫星体系。过去十五年启动了高分辨率对地观测系统、第二代卫星导航定位系统和载人航天与探月工程等三个国家重大科技专项。

如何从航天大国走向航天强国，当前面临的问题是我国现有的遥感、导航、通信卫星系统各成体系，军民孤立、信息分离、服务滞后。遥感卫星需要过境或通过中继卫星向地面站下传数据，无星间链路和组网，数据下传瓶颈严重制约信息获取效率；北斗导航卫星具有短报文通信能力，不具备宽带数据传输能力；通信卫星尚无自主的业务化卫星移动通信系统，对遥感、导航等天基信息的传输保障能力受限；在服务模式方面主要面向专业用户，尚未服务大众。

因此，一是需要研究如何一星多用、多星组网、天地互连、多网融合，让系统联通起来；二是需要研究统一基准、关联表征、数据挖掘、知识发现，实现时空融合；三是需要研究星地协同、组网传输、智能处理、按需服务，让服务畅通。基于当前的现状，亟需按照钱学森系统工程的思想，建设一个通导遥一体化天基信息实时服务系统（PNTRC），引进人工智能、云计算等新技术，推动空间信息从现在的专业应用走向军民应用和大众服务，使百姓的手机上能使用最好的、实时的遥感图像，实现最好的定位精度。同时，走产业化发展的道路，国家扶持加上军民融合市场化、国际化发展，为全球七十二亿人提供服务，创造万亿元以上的高新技术产业。

二、目标与思路

（一）发展目标

构建一个天基信息实时服务系统PNTRC，即P(定位)、N（导航）、T（授时）、R（遥感）和C（通讯），定位导航授时遥感通讯一体化，天基一星多用、多星组网。利用云计算、大数据、人工智能、数据挖掘等技术解决智能化的信息服务。

天基信息实时服务系统实现卫星遥感、卫星导航、卫星通信与地面互联网的集成服务，支持军民用户在任何地方、任何时候的信息获取、高精度定位授时与多媒体通信服务。实时定位精度达到分米和厘米级，为各种类型用户提供高精度实时导航信息；精密授时达到纳秒级，提供时间信息和时间同步信息；快速遥感全天候、全天时，实时的获取遥感和视频数据，将感兴趣的信息及时提取并推送给用户的手机和各类移动终端；天地一体移动宽带通信传输要克服地面通信网络覆盖范围不足的局限，为全球用户提供安全、可靠、高速的天地一体化通信和数据传输服务。

（二）产业化前景及意义

建设军民深度融合的天基信息实时服务系统，将为卫星应用产业的发展注入新的活力，我国卫星遥感、卫星通信、卫星导航等产业将迎来新一轮的发展机遇。除增强遥感、通信、导航功能外，通过卫星遥感、通信与导航卫星的集成创新，带动实时位置服务为代表的天基信息增值服务产业的发展，如新型天基信息服务移动终端与软件（如手机APP）、卫星多媒体通信服务、实时精密导航定位服务等，初步测算带动的空天信息服务年产值可望达到万亿元以上。

因此，发展空天信息实时服务系统意义重大，其体现在：一是落实“军民深度融合战略”要求的有力举措，二是支撑我军未来在全球“能打仗”、“打胜仗”，三是占领天基信息服务这一领域的战略制高点，四是推动我国卫星遥感、卫星通信、卫星导航等相关产业的集成创新发展，五是带动形成互联网+天基信息实时服务的新型产业。

（三）发展路线与原则

PNTRC的发展分两步走。第一步是实现多星协同观测与传输。突破多星协同观测、星上在轨处理和星间链路传输等关键技术，提升天基信息对应急响应的服务能力。第二步是实现多网融合、智能服务。突破遥感、导航、通信复用、高中低轨卫星组网，天网、地网融合、一体化协同传输以及云计算、时空大数据和智能终端技术，提升天基信息的智能服务能力。

整个系统建设一定要坚持军民深度融合、市场主导及国家支持相结合。系统按照“军民深度融合”要求规划布局，平时为中国和全球专业用户和大众用户提供服务，战时可支撑我军全球作战需要；在系统运营上，充分发挥市场的主体作用，广泛吸纳社会资金（包括民营资本）共同投入，走商业化、市场化的运营道路，充分发挥系统建设的市场价值；建议国家采取“后补助”和购买服务模式，其中重点关键技术可由国家投入专项资金，组织国内优势研究力量开展协同攻关。

三、关键技术

一是星基导航增强技术。利用低轨卫星上搭载星载GNSS接收机连续观测记录，结合激光测距等手段和现有地基增强系统，提高北斗卫星导航系统的实时定位精度。需要突破的关键技术包括：基于低轨卫星观测值的导航卫星星历和钟差改正，联合低轨卫星/导航卫星信号的精密单点定位技术，低轨卫星和导航卫星的联合定轨，星间激光测距与导航数据联合平差，低轨导航星座优化设计。

二是天地一体化网络通信技术。为满足多源影像（视频）信息传输、增强导航以及地面移动通信需求，需要通过天网、地网的互联互通，构建天地一体化的通信网络。主要突破的关键技术包括：多层次天基网络的广域覆盖，业务驱动的空间通信与按需接入，天地网络融合互联与无缝切换，高动态环境下网络的自动路由与寻址，天地一体化网络服务应用体系框架与支撑管理技术。

三是多源成像数据在轨处理技术。针对卫星影像（视频）数据量大，星上数据存储、处理与传输能力受限的问题，通过星地资源协同调度与优化，提升数据处理与信息提取效率，主要需突破的关键技术包括：影像（视频）实时校正与几何定位，影像典型目标在轨智能检测和变化检测，视频数据典型（运动）目标提取，影像（视频）在轨数据智能压缩，星上同步数据处理平台、架构与软件。

四是天基信息智能终端服务技术。系统除向专业用户（行业、部门）提供服务外，还需面向军民移动终端提供定制化的智能天基信息服务。需要突破的关键技术：面向星地通信网络的LBS服务，移动终端多模定位技术，新型天基增强导航芯片及核心元件制造，消费级卫星通信终端（如手机卫星通信外壳），基于星地通信网络的移动APP。

五是天基资源调度与网络安全。系统通过对卫星资源的动态组织调度，可实现卫星资源组织面向任务快速应变。同时，由于空间网络的开放特性，系统通信链路容易受到宇宙射线、电磁信号干扰，甚至恶意破坏。需突破的关键技术包括：多任务条件下卫星资源组织模型和求解算法，适应任务和资源变化的资源快速重组技术，卫星资源动态组织仿真验证和评价，卫星网络可靠性理论与网络安全体系构架，卫星网络抗毁安全路由与网络自愈技术。

六是多载荷集成的一体化卫星平台。为实现“一星多用、多星组网”，系统中的卫星平台需要集成不同类型的有效载荷，满足用户增强导航、影像（视频）获取、移动通信等多种需求。需突破关键技术：基于多载荷的卫星平台一体化设计，“一星多用、多星组网”的软件卫星技术，卫星多类型载荷配置与协同布局，多载荷卫星平台小型化技术，多星协同存储与信息处理。

七是空天地一体化的非线性地球参考框架构建。系统利用装载有GNSS接收机的高中低轨卫星、地面或星间可跟踪的高中低轨卫星，通过静态的地面跟踪站、动态的卫星和天体来共同建立和维持我国自主的全球时空基准。需突破关键技术包括：综合多源观测技术建立全球统一历史地球参考框架的理论和方法，非线性地球参考框架所涉及的地球构造，非构造影响因素时变特征分析，全球动态地球框架非线性运动预测模型建立的理论方法与实现技术。

四、相关基础及建议

（一）相关基础

具备的基础条件一是完成工程院“天基信息服务系统（PNTRC）发展战略研究”重大咨询项目研究，邀请了宇航、通信、导航、遥感、信息领域内多位院士、专家讨论天基信息实时服务系统的建设目标、技术体系、可行性方案和运行服务模式，提出我国未来PNTRC系统发展战略建议和建设路线图，为国家提供咨询报告。二是通过“高分”、“二代导航”的实施，我国在卫星导航定位、高分辨率卫星遥感对地观测等方面取得了一批具有国际竞争力的技术成果，为本项目启动提供了良好的技术基础。2006-2010年，武汉大学牵头实施的我国卫星应用领域首个国防973项目，解决了航天信息支持战术应用中的卫星资源按需组织、复杂对抗条件下信息传输和面向任务的航天信息聚焦服务等理论问题；目前，我国自主遥感卫星分辨率已达到亚米级，北斗系统已实现亚太区覆盖，地面增强系统实时定位精度达亚米级；2014年，清华大学成功研制发射了灵巧通信实验小卫星，实现了低轨卫星地面移动自动变带宽通信；2016年，已在相应遥感卫星上实现了在轨智能处理，可在1分钟内将兴趣目标图像通过天网传送给用户。武汉大学已成功启动珞珈一号系列科学试验卫星研制工作，研究通过低轨卫星组网增强北斗系统定位精度，预计将于2018年发射首颗卫星。

政策环境方面，国务院2014年出台了《关于创新重点投融资机制管理社会投资的指导意见》，明确提出“推进信息和民用空间基础设施投资主体多元化”、鼓励民间资本参与国家民用空间基础设施建设，鼓励民间资本研制、发射和运营商业遥感卫星，引导民间资本参与导航地面应用系统建设；2015年国防科工局印发《2015年国防科工局军民融合专项行动计划》，提出：研究高分卫星应用产业发展指导意见，建设高分专项成果转化平台，以遥感卫星为突破口，促进卫星资源和卫星数据共享。国务院2015年10月发布了《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015-2025）》，我国卫星产业将步入黄金十年，卫星通信、卫星导航和卫星遥感迎来商业化机遇。

创新平台与人才队伍方面，2012年，面向空天信息产业发展需求，武汉大学联合中国航天科技集团公司、清华大学、北京航空航天大学等优势单位联合组建了地球空间信息技术协同创新中心，2014年中心通过国家“2011计划”认定。该中心在地球时空基准、空天信息获取、空间网络、空间通信、卫星导航定位、遥感对地观测和空间信息服务等七个方向由院士或科学家牵头开展研究，以此为基础，以建设PNTRC为目标，筹建空天信息国家实验室。

（二）建议

基于以上基础，建议将通导遥一体化的PNTRC空天信息智能化实时服务系统列为将要成立的空天国家实验室的主要任务，集中全国相关优势力量协同攻关：

一要运用钱学森系统科学理论，做好顶层设计，开展理论创新、仿真演示和技术攻关；二要通过国家重大专项，建立我国军用和应急响应的空天信息智能化实时服务系统，引领智能航天发展；三是通过市场牵引和政府补助，建立我国军民深度融合的、面向全球服务的空天信息智能化实时服务系统，为国家创造万亿产值的空天应用市场，为强军、百姓生活和大众化服务提供智能化的手段。当前，全世界尚无这样的空天信息实时智能服务系统，我们必须抓住机会，全力攻关，做出引领性、原创性的科学贡献。