增强自主创新能力占领空天信息服务的战略制高点——访中国科学院院士、中国工程院院士李德仁

文/李臻

本刊：您是测绘遥感专业出身，您的研究方向从传统测绘学逐步发展为地球空间信息科学，可否请您简单解释一下测绘学、地球空间信息科学及两者之间的关系？

李院士：测绘学是一门传统学科，伴随人类5000年的文明史发展起来。古埃及的尼罗河每年要发大水，使农田土地发生变化，人们因此产生了对土地进行测绘的需求。西方国家有了土地法后，要对土地进行测量，土地测量由画图变成坐标记录阶段。人类进入工业化时代以后，测绘学也进入初级发展阶段，即模拟法测绘，主要依赖光、机、电仪器进行角度、距离的测量，采用以地面测量为主的方法来测绘地表的形状、位置、大小，并制作成各种比例的地形图。

自1957年电子计算机问世后，人类开始使用电子计算机来完成测绘学的各种任务，测绘学得到了很大的发展，测绘工作效率大大提升，人类认知地球的水平被提升到一个新的高度。

20世纪七八十年代以后，计算机、IT技术飞速发展，给测绘生产技术、测绘产品带来深刻变革，测绘生产开始摆脱模拟测绘仪器而大量采用计算机设备，测绘产品也从模拟测绘阶段的纸质地图变成数字化测绘产品。

工业化时代的测绘分为大地测量、工程测量、航空测量和地图制图等，随着技术的发展，大地测量和工程测量变成GPS或“北斗”，航空测量变成航空遥感、卫星遥感，地图制图变成数字地图和地理信息系统。卫星导航定位系统（GNSS）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）是目前对地观测系统中空间信息获取、存储管理、更新、分析和应用的三大支撑技术（3S）。

现代测绘主要从事地球上的空间信息采集、加工、获取、应用等工作，测绘发展至此阶段时，人们认为已经超过传统测绘的范围，20世纪90年代，国际标准化组织创造了Geomatics这个词，即地球空间信息科学。现代的测绘、遥感、地理信息系统都融合在一起，测绘从一个传统、古老的手工画图变为完全依靠遥感卫星、通信卫星导航和计算机技术的信息系统技术，成为前沿科学，老学科被赋予了新生命。

本刊：“北斗”卫星导航系统作为我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，受到国内外的极大关注，请您介绍下“北斗”的发展情况及未来计划是怎样的？

李院士：“北斗”卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的重要空间基础设施。截至2019年4月20日，我国已发射44颗“北斗”导航卫星。

我国的“北斗”起步比GPS晚，但发展却很快，有些方面甚至超过了GPS，例如，“北斗”上加了256个汉字的短报文，加强了用户与系统的通信，可以实现消息的实时传递。“北斗”具有这种功能是因为它在地球同步静止轨道加了5颗星，可以通信、加短报文，未来将增加至1000个汉字。目前来说，GPS没有这个功能，预计下一代GPS也要增加通信功能和静止轨道。“北斗”在低纬度地区功能强大，在东南亚、一带一路沿线国家，“北斗”的精度比GPS好。我国投入了很多经费，让“北斗”走向国际，为全人类造福。

2019年，我国“北斗”卫星导航系统将继续高密度全球组网，计划发射8～10颗“北斗”导航卫星，计划完成所有MEO卫星发射，进一步完善全球系统星座布局，全面提升系统服务性能和用户体验。

根据计划，2020年，我国将全面完成“北斗”三号全球系统建设，并提供特色服务；有望在2035年建成以“北斗”系统为核心，更加广泛、融合、智能的综合定位导航授时体系。

▲北斗卫星

本刊：实现通导遥一体化服务体系，以及进一步实现PNTRC系统五位一体服务是您的梦想，请您介绍一下目前的发展情况。

李院士：目前，全球各国的通信、导航、遥感三类卫星系统均各成体系并且相互独立，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；导航卫星（如“北斗”）具有短报文通信能力，但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有限；服务模式主要面向专业用户，尚未服务大众。以上现状导致系统孤立、信息分离、服务滞后。因此，我们要发展系统联通、时空融合、服务畅通的通导遥一体化服务体系。

天基信息实时服务系统（PNTRC）是指利用天基空间信息网络，对全球不同领域用户提供定位（Positioning）、导航（Navigation）、授时（Timing）、遥感（Remote sensing）、通信（Communication） 服务。当PNTRC系统建成后，可以提供三种服务：一是天上10MB带宽无缝通信服务；二是手机1m、汽车驾驶0.1m的实时增强导航定位服务；三是0.5m分辨率光学影像和雷达视频数据实时处理并直通用户终端，如智能手机。PNTRC系统的建设难题是频谱轨位资源受限，测控限于本土，要实现自主可控前提下的全球化服务，需要解决一系列关键技术问题。

本刊：目前有哪些关键技术制约着PNTRC系统的发展？

李院士：PNTRC系统一体化全球地球空间信息实时智能服务有极大的难度，它需要解决至少以下7个关键技术：

一是星基导航增强技术。美国阻止“北斗”在全球的应用，不让我们在境外做地面增强系统，因此我们提出在低轨通信卫星上搭载星载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。

二是天地一体化网络通信技术。主要解决通信卫星如何组网的问题。地上的通信网是固定的，天上的卫星随着时间、空间在变，要通过天地网络融合互联与无缝切换，以及高动态环境下网络自动路由与寻址来构建天地一体化的通信网络。

三是多源成像数据在轨处理技术。卫星需要具备对数据进行存储、处理和传输的能力，我们正在研究在轨智能系统，以建立天地一体化云计算环境、星上通用数据处理平台、架构与软件，实现自动检测目标、自动发现变化。

四是天基信息智能终端服务技术。PNTRC系统建好后需向移动终端提供定制化的智能天基信息服务，需要突破天基增强导航芯片及核心元件制造、手机移动APP的研发等工作。

五是天基资源调度与网络安全。天上分布着许多卫星来服务地球上的众多用户，系统需要对卫星资源进行动态组织调度。此外，系统通信链路也容易受到宇宙射线、电磁信号的干扰等，从而威胁卫星网络的安全，从而要建立卫星网络可靠性理论与网络安全体系构架。

六是空天地一体化的非线性地球参考框架构建。时间、空间要有个基准，卫星在高动态情况下，应通过静态的地面跟踪站和动态的卫星及天体来共同建立与维持我国自主的全球时空基准。

七是多载荷集成的一体化卫星平台。要实现“多用、多星组网”，制造基于软件定义的智能卫星，满足用户增强导航、影像（视频）获取、移动通信等多种需求。

▲多网融合、智能服务

本刊：PNTRC系统是一种军民两用系统，其市场前景如何？

李院士：PNTRC系统应用前景广阔，将突破以单纯定期提供数据的服务模式，按需向军民用户提供实时天基信息服务，例如，可以提供全球移动目标实时跟踪、固定目标实时监测、武器精确制导、精准农业、城市交通监控、智慧城管、露天矿作业管理、石油平台管理、港口吞吐量监控等服务。同时，PNTRC系统还可为大量的大众用户提供服务，主要以移动终端为载体，提供定制化、实时化的天基信息增值服务，例如，基于实时遥感（视频）数据的位置服务，实时高精度导航服务，对商品（工艺品、农产品）进行全生命周期追踪等。未来PNTRC系统有望推动形成万亿元的产业链。

PNTRC系统是军民两用的系统，但地理信息产业的大众化应用程度一直不高，在城市规划、智慧交通、应急救援等各个领域，地理信息产业提供的服务往往不及时，一个重要的原因就是我们提供的时空信息服务还不够快、不够准、不够智能，例如，室外定位精度只有10m，地下定位没有信号等。这些问题在PNTRC系统建成后，都可以得到极大的改善。

总之，我们一定要坚持自主创新，引领发展，组织多学科专家进行协同创新攻关，争取尽快建成我国的空天信息实时智能服务系统。