建立互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)施服務(wù)系統(tǒng)——李德仁院士談航天與互聯(lián)網(wǎng)+的融合

+ 陸文墨

建立互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)施服務(wù)系統(tǒng)——李德仁院士談航天與互聯(lián)網(wǎng)+的融合

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中國一定要抓住互聯(lián)網(wǎng)+地理信息支持下的綜合信息服務(wù)，也就是PNTRC，這是航天相關(guān)產(chǎn)業(yè)落實(shí)互聯(lián)網(wǎng)+行動(dòng)指導(dǎo)意見國家要求的舉措，也是實(shí)踐中央軍民深度融合的途徑。

在考慮衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用的時(shí)候，人們往往討論導(dǎo)航、定位、授時(shí)（PNT）的概念，但是在互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代中，如何考慮傳統(tǒng)航天與互聯(lián)網(wǎng)的大融合大集成？在最近舉行的第四屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)年會上，中國科學(xué)院院士、中國工程院院士、武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院教授李德仁院士發(fā)表了具有前瞻性的主旨演講，不但讓人們進(jìn)一步認(rèn)識到航天技術(shù)的能力與潛力，也站在更高的高度，提出了航天如何主動(dòng)擁抱互聯(lián)網(wǎng)+，以改變傳統(tǒng)的航天服務(wù)模式這個(gè)話題。

他提到：航天與互 聯(lián)網(wǎng)的大融合大集成，需要引入遙感（RS）和通信（Communication），成為PNTRC。

而能否構(gòu)建一種互聯(lián)網(wǎng)+PNTRC信息的實(shí)時(shí)服務(wù)，關(guān)系到建設(shè)我國軍民深度融合的天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)的成敗。

一、互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)的背景

互聯(lián)網(wǎng)金融、互聯(lián)網(wǎng)在線影院、互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航定位服務(wù)、在線房產(chǎn)、在線醫(yī)療、在線旅游等概念接連出現(xiàn)。那么，航天和互聯(lián)網(wǎng)怎么加在一起？

互聯(lián)網(wǎng)+的概念是2015年兩會期間，騰訊創(chuàng)始人馬化騰提出的議案。互聯(lián)網(wǎng)+是基于互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)提出的，要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合，創(chuàng)造一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式、一個(gè)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的生態(tài)。我們已經(jīng)看到，互聯(lián)網(wǎng)+已經(jīng)推動(dòng)了很多行業(yè)的發(fā)展，淘寶網(wǎng)、阿里巴巴就取得了很大經(jīng)濟(jì)效益，為國家和社會做出了貢獻(xiàn)。互聯(lián)網(wǎng)金融、互聯(lián)網(wǎng)在線影院、互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航定位服務(wù)、在線房產(chǎn)、在線醫(yī)療、在線旅游等概念接連出現(xiàn)。那么，航天和互聯(lián)網(wǎng)怎么加在一起？

在2015年的兩會上，李克強(qiáng)總理已經(jīng)提出，要搞互聯(lián)網(wǎng)+的行動(dòng)計(jì)劃。7月4日，國務(wù)院批發(fā)了《關(guān)于積極推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)+的行動(dòng)的指導(dǎo)意見》。其中有兩點(diǎn)直接涉及航天：增強(qiáng)北斗衛(wèi)星全球服務(wù)能力，構(gòu)建天地一體化的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；充分利用多維地理信息系統(tǒng)、智慧地圖等技術(shù),構(gòu)建資源環(huán)境承載能力立體監(jiān)控系統(tǒng)。

7月27日，李克強(qiáng)總理主持了一個(gè)國家科技戰(zhàn)略座談會，也就是中科院學(xué)部成立60周年活動(dòng)。在座談會上，孫家棟院士就向總理建議推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+天基綜合信息系統(tǒng)建設(shè)，得到了總理的高度關(guān)注。

互聯(lián)網(wǎng)+天基綜合信息的實(shí)時(shí)服務(wù)，是基于我國航天技術(shù)在改革開放三十多年來取得的很多成績提出的。我國目前已經(jīng)形成了導(dǎo)航、遙感、通信、監(jiān)測、科學(xué)研究衛(wèi)星體系。特別是最近十年啟動(dòng)了高分對地觀測和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及載人航天和探月工程。在這些重大科學(xué)項(xiàng)目的推進(jìn)下，航天已經(jīng)解決了從無到有，現(xiàn)在開始進(jìn)入“從有到好”、為全社會服務(wù)的新階段，要爭取形成有較強(qiáng)國際競爭力。

如果能建設(shè)一個(gè)天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)，與互聯(lián)網(wǎng)相融合，把它的覆蓋從國內(nèi)擴(kuò)大到全球，就可以實(shí)現(xiàn)空間信息的獲取、傳輸和處理實(shí)時(shí)化，4～5分鐘即可完成信息從獲取到投送給用戶的全過程。但目前國內(nèi)通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星系統(tǒng)是孤立運(yùn)行，不能滿足智慧時(shí)代的軍民需求，更不能實(shí)現(xiàn)市場化和國際化。我們在研究如何利用現(xiàn)有衛(wèi)星資源為國防事業(yè)服務(wù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)覆蓋能力有限、響應(yīng)速度慢、體系協(xié)同能力弱。要解決這樣的問題，需要要構(gòu)建一個(gè)與地面系統(tǒng)深度耦合的、集成化的天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)。

二、互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)的內(nèi)容

互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)有四個(gè)特色：一是一星多用，多星組網(wǎng)；二是網(wǎng)絡(luò)多源異構(gòu)，節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化；三是軍民深度融合；四是覆蓋范圍大、應(yīng)用前景廣闊。

李德仁院士報(bào)告中建議建造并發(fā)射60～80顆同時(shí)具有遙感、導(dǎo)航、通信功能的低軌衛(wèi)星，與現(xiàn)有的地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)整體集成，實(shí)現(xiàn)對全球表面的0.5米級分辨率、小時(shí)級時(shí)間分辨率、米級導(dǎo)航定位精度，在云計(jì)算、時(shí)空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和天基信息服務(wù)智能終端基礎(chǔ)上，通過天地通信網(wǎng)絡(luò)全球無縫的互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)地為國民經(jīng)濟(jì)各部門、各行各業(yè)及廣大手機(jī)用戶提供快速、準(zhǔn)確、智能化的天基信息總合服務(wù)。這樣的星座可以實(shí)現(xiàn)全球通信覆蓋。現(xiàn)在比較流行的WiFi和各類無線通信網(wǎng)只能覆蓋地球表面的43%，其余57%的地球表面，包括海洋、山區(qū)、森林、沙漠里面都沒有無線網(wǎng)覆蓋，必須靠衛(wèi)星來解決。國外提出了很多方案來解決這個(gè)問題，甚至有一個(gè)方案的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到4000顆之多。

總而言之，要實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的，具備語音、視頻、圖像的通信功能的系統(tǒng)，同時(shí)支持全球用戶在任何時(shí)候、任何地方都可以實(shí)現(xiàn)信息獲取、高精度定位、多媒體通信功能。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)建成以后，可以作為北斗衛(wèi)星的低軌移動(dòng)增強(qiáng)系統(tǒng)。衛(wèi)星向上接收北斗衛(wèi)星的信號，向下發(fā)送導(dǎo)航信號，這可以破解美國阻撓中國在海外建立地基增強(qiáng)站的難題。

這個(gè)系統(tǒng)有四個(gè)特色：一是一星多用，多星組網(wǎng)；二是網(wǎng)絡(luò)多源異構(gòu)，節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化；三是軍民深度融合；四是覆蓋范圍大、應(yīng)用前景廣闊。針對第二點(diǎn)，需要認(rèn)識到它的應(yīng)用范圍廣闊、時(shí)間跨度大，要把低軌、中軌和高軌的不同衛(wèi)星組織在一起，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的時(shí)間、空間網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和資源組織，這具有很大的復(fù)雜性，需要攻關(guān)解決。需要指出的是，這個(gè)系統(tǒng)平時(shí)為民間服務(wù)，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，戰(zhàn)時(shí)可以為國防服務(wù)。如果建設(shè)成純軍用系統(tǒng)，由軍方完全負(fù)擔(dān)采購和維持費(fèi)用，是不現(xiàn)實(shí)的。

如果能夠?qū)崿F(xiàn)60顆衛(wèi)星以0.5米分辨率每小時(shí)覆蓋地球一次，就可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星圖像市場的大發(fā)展。目前全球衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的市場總額是每年300億美元，其中屬于中國的不到5億美元。如果能建成這樣的星座，至少可以在這300億美元中占到1/3的份額，意味著一年600多億人民幣的產(chǎn)值。在通信方面，可以研制一種配套手機(jī)使用的外殼，用于衛(wèi)星通信。這種外殼的零售價(jià)只要一千元，而高端智能手機(jī)的價(jià)格三千到五千元。手機(jī)的產(chǎn)量是以億為單位的，中國有十多億部手機(jī)、全世界有幾十億部手機(jī)正在使用，如果有一億部手機(jī)配套這種外殼，就是一千億的產(chǎn)值。這樣的系統(tǒng)可以為中國的航空、海上、陸上交通系統(tǒng)起到強(qiáng)大的支撐作用，有望帶來數(shù)萬億元以上的產(chǎn)值。

為了支持這個(gè)方案，可以考慮按照中央軍民深度融合發(fā)展的方式，靠民用來帶動(dòng)軍方的需求。當(dāng)今世界尚未出現(xiàn)成熟的、與互聯(lián)網(wǎng)集成的天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)抓住互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展契機(jī)，搶占這個(gè)戰(zhàn)略制高點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)走市場主導(dǎo)的道路，用社會資金來建設(shè)和運(yùn)行，這樣的方案就有可能推進(jìn)比較快。如果按照國家投資、各單位分別承擔(dān)任務(wù)的方式，不會研制出性能和功能最強(qiáng)的系統(tǒng)，而市場會篩選出最強(qiáng)的系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行起來后國家再給予補(bǔ)貼和采購，這樣的建設(shè)進(jìn)度可以更快。

三、互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)，要解決：星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)、天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制、多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)、天基信息智能終端的服務(wù)問題、天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全、多載荷集成的一體化衛(wèi)星。

要實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，李德仁院士分析說，有六個(gè)關(guān)鍵問題要解決

1、星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)

這是指由低軌衛(wèi)星觀測北斗衛(wèi)星的信號，并進(jìn)行必要的鐘差改正，把低軌衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星結(jié)合起來實(shí)施精密單點(diǎn)定位。這需要研制必要的軟件。需要研究低軌衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星聯(lián)合定位是否需要增加星間激光測距功能。如果增加了這項(xiàng)功能，北斗的精度還能進(jìn)一步提高。低軌衛(wèi)星本身也需要優(yōu)化，這要進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃。

2、天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制

為滿足多源影像信息傳輸、增強(qiáng)導(dǎo)航以及地面移動(dòng)通信需求，需要通過天網(wǎng)、地網(wǎng)的互聯(lián)互通，構(gòu)建天地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。

要解決多層次天基網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋，如果在60顆衛(wèi)星基礎(chǔ)上再增加20顆，那么這20顆衛(wèi)星的軌道如何設(shè)計(jì)？低軌衛(wèi)星的重量設(shè)計(jì)為多少？

要解決好如何處理業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)下的空間通信與按需接入。

低軌衛(wèi)星衛(wèi)星飛行速度快，對單個(gè)用戶來說，每十幾分鐘就要切換一顆衛(wèi)星來為自己服務(wù)。如何實(shí)現(xiàn)無縫切換，就需要具備高動(dòng)態(tài)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)路由和選址技術(shù)、天地一體化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用體系框架和自身管理決策，這需要解決通信方面的問題。

3、多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)

為了把更多的信息推送給用戶，需要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感成像數(shù)據(jù)在軌處理，要解決影像視頻實(shí)時(shí)校正和幾何定位，在軌智能檢測，視頻數(shù)據(jù)的目標(biāo)提取，動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲，影像、視頻在軌數(shù)據(jù)的壓縮，星上軟處理平臺的構(gòu)架與軟件。上述問題，有關(guān)單位正在通過一些國家基金項(xiàng)目推動(dòng)研究。

4、天基信息智能終端的服務(wù)問題

如何把信息送到終端上，相關(guān)的手機(jī)和軍用移動(dòng)終端如何設(shè)計(jì)和制造，就要解決信息通信網(wǎng)絡(luò)的LBS服務(wù)。其中包括移動(dòng)終端多模定位技術(shù)、新型天基增強(qiáng)導(dǎo)航芯片、衛(wèi)星元器件、消費(fèi)級的衛(wèi)星通信終端。例如手機(jī)的衛(wèi)星通信外殼能不能設(shè)計(jì)制造得又好又省，還能與各種手機(jī)兼容，并開發(fā)相應(yīng)的移動(dòng)的App。

5、天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全

這是一個(gè)涉及到時(shí)間、空間的幾十顆衛(wèi)星的系統(tǒng)，所以要解決多用戶條件下資源組織模型求解，適應(yīng)任務(wù)用戶資源快速變化之下的沖突，衛(wèi)星資源動(dòng)態(tài)快速組織的仿真和驗(yàn)證，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可靠性和網(wǎng)絡(luò)安全體系的架構(gòu)，還有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀安全路由和網(wǎng)絡(luò)之間的支持，當(dāng)有人干擾這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)能自動(dòng)尋找另一條路徑，把信息傳輸下來。6、多載荷集成的一體化衛(wèi)星

一星多用的一體化衛(wèi)星采用多種載荷，如何集成這些載荷，如何協(xié)調(diào)它們之間的矛盾，就要解決多載荷衛(wèi)星平臺一體化機(jī)制，一星多用多星組網(wǎng)的軟衛(wèi)星機(jī)制，衛(wèi)星多種類型載荷配置與系統(tǒng)的布局，多載荷衛(wèi)星平臺小型化的問題。美國的新一代衛(wèi)星體積小、重量輕、成本低，具備多星系統(tǒng)存儲與信息處理等能力。對我們的衛(wèi)星研制造成了重大沖擊，需要加快研究。

四、互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展基礎(chǔ)

國務(wù)院明確指出“推進(jìn)信息和民用空間基礎(chǔ)設(shè)施投資主體多元化”，“鼓勵(lì)民間資產(chǎn)參與國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，“鼓勵(lì)民間資本研制、發(fā)射和運(yùn)營商業(yè)遙感衛(wèi)星，引導(dǎo)民間資本參與衛(wèi)星導(dǎo)航地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)”。

通過高分與二代導(dǎo)航計(jì)劃的實(shí)施，中國在高分辨率衛(wèi)星對地觀測和衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域擁有了一批具有國際競爭力的技術(shù)成果，為這樣一個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

另外，有關(guān)的商業(yè)環(huán)境、政治環(huán)境也在完善，中國工程院在2012年啟動(dòng)了一個(gè)咨詢項(xiàng)目《我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營的建議》，形成了《以商業(yè)化推動(dòng)遙感應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議》報(bào)告，2014年的10月提交給國務(wù)院，得到了李克強(qiáng)總理的采納。

2014年11月，國務(wù)院出臺了《關(guān)于創(chuàng)新重點(diǎn)領(lǐng)域投融資機(jī)制鼓勵(lì)社會投資的指導(dǎo)意見》，明確指出了“推進(jìn)信息和民用空間基礎(chǔ)設(shè)施投資主體多元化”，“鼓勵(lì)民間資產(chǎn)參與國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，“鼓勵(lì)民間資本研制、發(fā)射和運(yùn)營商業(yè)遙感衛(wèi)星，引導(dǎo)民間資本參與衛(wèi)星導(dǎo)航地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)”。

從國家的需求和國際高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的形勢來看，中國一定要抓住互聯(lián)網(wǎng)+地理信息支持下的綜合信息服務(wù)，也就是PNTRC，這是航天相關(guān)產(chǎn)業(yè)落實(shí)互聯(lián)網(wǎng)+行動(dòng)指導(dǎo)意見國家要求的舉措，也是實(shí)踐中央軍民深度融合的途徑。西方目前還沒有這樣的系統(tǒng)，我們要抓緊機(jī)會全力攻關(guān)，在這領(lǐng)域爭取真正原創(chuàng)性的科技創(chuàng)新。

（根據(jù)李德仁院士在第三屆小衛(wèi)星技術(shù)交流會上的報(bào)告整理）