論軍民深度融合的通導遙一體化空天信息實時智能服務系統(tǒng)

中國科學院院士、中國工程院院士、武漢大學教授 李德仁

習近平總書記指示我們，要推動空間科學、空間技術和空間應用的全面發(fā)展，需抓好應用以促進空間科技發(fā)展，同時按照體現(xiàn)國家意志、實現(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、集成性的成果，把我國從航天大國發(fā)展成為航天強國。

本文將從背景與意義、目標與內容、關鍵技術和相關基礎這4個方面，來介紹通導遙一體化系統(tǒng)。

一、背景與意義

國家要保證戰(zhàn)略安全，必須掌握制信息權，其中包括制空權、制海權和制天權。美國已經(jīng)實現(xiàn)在全球范圍內2小時打擊目標的能力。我國的信息安全與美國相比是有差距的，我們按小時計時，而美國是按秒計時。在全球范圍內，美國有12個航母編隊，但是我們還無法對這些目標進行全球實時的連續(xù)跟蹤，對某些固定目標也無法實現(xiàn)實時變化監(jiān)測。在這種條件背景下，很難實現(xiàn)我國軍隊在全球“能打仗、打勝仗”的目標。

我國的應急救援信息系統(tǒng)，從2008年汶川地震需要36個小時才能找到震源位置，到2017年九寨溝地震的4個小時，仍未達到快速準確的要求，說明我們需要一個天基實時智能服務系統(tǒng)。當前，我們的衛(wèi)星遙感還沒有讓人民群眾真正在手機上用起來，這是我們面臨且急需解決的一個問題。我國天基信息商業(yè)化格局的不足之處如圖1所示。

近年來，全世界都把通導遙衛(wèi)星的大眾服務作為一個競爭熱點，尤其是美國，他們在研究低軌通信衛(wèi)星，揚言要發(fā)射成百上千顆衛(wèi)星用來全球通信。特別是比爾蓋茨與孫正義兩人共同開發(fā)的500個遙感衛(wèi)星項目（EarthNow），可以隨時看到地球上任何一個地區(qū)的圖像。但是，在全世界還沒有任何一個國家能夠在真正意義上形成通導遙一體化的系統(tǒng)。所以，從現(xiàn)在起一直到2025年，我們需要抓緊推進該系統(tǒng)，使我國從航天大國邁向航天強國。

圖1 我國天基信息商業(yè)化格局的不足之處

目前我國還有很多不足的地方，例如現(xiàn)有的通信、導航、遙感衛(wèi)星系統(tǒng)這三者各成體系，所以當我們海軍在海上執(zhí)行任務時，衛(wèi)星獲得的圖像傳到中國來，再按步驟分級處理，需要數(shù)小時，遠遠不能滿足快速響應的要求。可以看出，通導遙衛(wèi)星一體化及與人工智能在軌處理的集成是當前急需解決的問題。

二、目標與內容

（一）思路構想與功能設計

PNTRC空間信息網(wǎng)絡，P是定位，N是導航，T是時間，R是遙感，C是通信，具體含義如圖2所示。利用五位一體做成通導遙信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)天地網(wǎng)絡融合，實現(xiàn)在軍民智能手機上的智能服務。

（二）發(fā)展目標

通過構建PNTRC，天基信息實時服務系統(tǒng)可以實現(xiàn)衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導航、衛(wèi)星通信與地面互聯(lián)網(wǎng)的集成服務，支持軍民用戶在任何地方、任何時候的信息獲取、高精度定位授時與多媒體通信服務。其中，遙感信息精度從空間分辨率和時間分辨率上要分別達到分米級和分鐘級的水平。

（三）重大意義

建設空天信息實時智能服務系統(tǒng)可以落實軍民深度融合戰(zhàn)略，支持我軍在全球“能打仗，打勝仗”的目標，占領天基信息服務這一新興領域的戰(zhàn)略制高點，推動我國衛(wèi)星遙感、通信、導航等相關的集成創(chuàng)新發(fā)展，帶動形成互聯(lián)網(wǎng)與天基信息大眾化實時服務的新型產(chǎn)業(yè)。

（四）發(fā)展路線

PNTRC的發(fā)展可分為“兩步走”路線：第一步，通過多星協(xié)同觀測與傳輸，提升天基信息對應急響應的服務能力；第二步，多網(wǎng)融合、智能服務，滿足天地網(wǎng)絡的融合與一體化的協(xié)同傳輸。基于通信衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)實時傳輸如圖3所示。

（五）建設建議

在軍民深度融合方面，我們需要按照“軍民深度融合”的要求規(guī)劃布局，平時為我國和全球專業(yè)用戶及大眾用戶提供服務，戰(zhàn)時可支撐我軍的全球作戰(zhàn)需要。

在市場主導方面，我們需要充分發(fā)揮市場的主體作用，廣泛吸納社會資金（包括民營資本）共同投入，走商業(yè)化、市場化運營道路。

圖2 PNTRC的具體含義示意圖

圖3 基于通信衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)實時傳輸

在國家支持方面，建議采取“后補助”和購買服務，其中重點關鍵技術可享受國家投入專項資金，組織國內優(yōu)勢研究力量展開協(xié)同攻關。

（六）市場化前景

在兼顧傳統(tǒng)非實時、專業(yè)用戶基礎上，PNTRC系統(tǒng)主要瞄準天基信息“增量”用戶，主要包括：

（1）實時專業(yè)用戶。突破單純定期提供數(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，包括城市交通監(jiān)控、精準農(nóng)業(yè)、目標持續(xù)監(jiān)控、港口吞吐量監(jiān)控、物流監(jiān)控、實時態(tài)勢感知、露天礦作業(yè)管理、智慧城市管理等，從而將空天實時信息變成智慧產(chǎn)業(yè)的組成部分。

（2）大眾用戶。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，包括基于實時遙感（視頻）數(shù)據(jù)的位置服務、實時高精度導航（如車道級導航）服務等，真正提供全球70億人的互聯(lián)網(wǎng)+空天信息服務。

（七）產(chǎn)業(yè)化前景

建設軍民深度融合的天基信息實時服務系統(tǒng)，將為衛(wèi)星應用產(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)星導航等產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪的發(fā)展機遇。除增強遙感、通信、導航功能外，通過衛(wèi)星遙感、通信與導航技術的集成創(chuàng)新，帶動以實時位置服務為代表的天基信息增值服務產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如新型天基信息服務移動終端與軟件（包括手機APP等）、衛(wèi)星多媒體通信服務、實時精密導航定位服務等。

三、關鍵技術

（一）星基導航增強技術

利用低軌衛(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，主要需突破：基于低軌衛(wèi)星觀測值的導航衛(wèi)星星歷和鐘差改正，聯(lián)合低軌衛(wèi)星/導航衛(wèi)星信號的精密單點定位技術，低軌衛(wèi)星和導航衛(wèi)星的聯(lián)合定軌，星間激光測距與導航數(shù)據(jù)聯(lián)合平差，低軌導航星座優(yōu)化設計等。

（二）天地一體化網(wǎng)絡通信技術

為滿足多源影像（視頻）信息傳輸、增強導航以及地面移動通信需求，需要通過天網(wǎng)、地網(wǎng)的互聯(lián)互通，構建天地一體化的通信網(wǎng)絡，主要突破：多層次天基網(wǎng)絡的廣域覆蓋，業(yè)務驅動的空間通信與按需接入，天地網(wǎng)絡融合互聯(lián)與無縫切換，高動態(tài)環(huán)境下網(wǎng)絡自動路由與尋址，天地一體化網(wǎng)絡服務應用體系框架與支撐管理技術等。

（三）多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術

針對衛(wèi)星影像（視頻）數(shù)據(jù)量大，星上數(shù)據(jù)存儲、處理與傳輸能力受限的問題，通過星地資源協(xié)同調度與優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)處理和信息提取效率，主要需突破：影像（視頻）實時校正與幾何定位，影像典型目標在軌智能檢測，視頻數(shù)據(jù)典型（運動）目標提取，影像（視頻）在軌數(shù)據(jù)智能壓縮，星上通用數(shù)據(jù)處理平臺、架構與軟件。

（四）天基信息智能終端服務技術

系統(tǒng)除向專業(yè)用戶（行業(yè)、部門）提供服務外，還需向軍民移動終端提供定制化的智能天基信息服務，需要突破：面向星地通信網(wǎng)絡的LBS服務，移動終端多模定位技術，新型天基增強導航芯片及核心原件制造，消費級衛(wèi)星通信終端（如手機衛(wèi)星通信外殼），基于星地通信網(wǎng)絡的移動APP等。

（五）天基資源調度與網(wǎng)絡安全

系統(tǒng)通過對衛(wèi)星資源的動態(tài)組織調度，可實現(xiàn)衛(wèi)星資源組織面向任務快速應變。同時，由于空間網(wǎng)絡的開放特性，系統(tǒng)通信鏈路容易受到宇宙射線、電磁信號干擾，甚至惡意破壞，需突破：多任務條件下衛(wèi)星資源組織模型的求解算法、適應任務和資源變化的資源快速重組技術，衛(wèi)星資源動態(tài)組織仿真驗證和評價、衛(wèi)星網(wǎng)絡可靠性理論與網(wǎng)絡安全體系構架，衛(wèi)星網(wǎng)絡抗毀安全路由與網(wǎng)絡自愈技術等。

（六）多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺

為實現(xiàn)“多用、多星組網(wǎng)”，系統(tǒng)中的衛(wèi)星平臺需要集成不同類型的有效載荷，滿足用戶增強導航、影像（視頻）獲取、移動通信等多種需求，需突破：基于多載荷的衛(wèi)星平臺一體化設計，“一星多用、多星組網(wǎng)”的軟件衛(wèi)星技術，衛(wèi)星多類型載荷配置與協(xié)同布局，多載荷衛(wèi)星平臺小型化技術，多星協(xié)同儲存與信息處理等。

（七）空天地一體化的非線性地球參考框架構建

系統(tǒng)利用裝載有GNSS接收機的高中低軌衛(wèi)星、地面或星間可跟蹤的高中低軌衛(wèi)星，通過靜態(tài)的地面跟蹤站和動態(tài)的衛(wèi)星與天體來共同建立和維持我國自主的全球時空基準，需突破：綜合多源觀測技術建立全球統(tǒng)一歷元地球參考框架的理論和方法，非線性地球參考框架所涉及的地球構造、非構造影響因素時變特征分析，全球動態(tài)地球框架非線性運動預測模型建立的理論方法與實現(xiàn)技術等。

四、相關基礎

通過實施“高分”“二代導航”，我國在衛(wèi)星導航定位、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成果，為本項目啟動提供了良好的技術基礎。

（1） 2006—2010年，武漢大學牽頭實施了我國衛(wèi)星應用領域首個國防“973”項目，解決了航天信息支持戰(zhàn)術應用中的衛(wèi)星資源按需組織、復雜對抗條件下的信息傳輸和面向任務的航天信息聚焦服務等理論問題。

（2）目前，我國自主遙感衛(wèi)星分辨率已達亞米級，北斗系統(tǒng)已實現(xiàn)亞太區(qū)域覆蓋，地面增強系統(tǒng)實時定位精度達米級。

（3）2014年，清華大學成功研制發(fā)射了靈巧通信試驗小衛(wèi)星，實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星地面移動通信。

（4）2016年，武漢大學已啟動“珞珈一號”系列科學試驗衛(wèi)星研制工作，研究通過低軌衛(wèi)星組網(wǎng)增強北斗系統(tǒng)定位精度，已于2018年發(fā)射首顆衛(wèi)星。天基信息實時服務演示衛(wèi)星和多角度SAR衛(wèi)星將于明后年發(fā)射，如圖4所示。

圖4 天基信息實時服務演示衛(wèi)星

五、結束語

從當前國家需求和國際高科技發(fā)展形勢來看，我們的通、導、遙衛(wèi)星比美國人發(fā)射得晚，這是歷史。但是，當前全世界尚未形成一個通導遙一體化的天基信息實時智能服務系統(tǒng)，我們應該抓住機遇，群力攻關，作出原創(chuàng)性的科技創(chuàng)新，在衛(wèi)星應用方面走到世界的前面去。