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

文/李臻

本刊：您是測繪遙感專業出身，您的研究方向從傳統測繪學逐步發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：測繪學是一門傳統學科，伴隨人類5000年的文明史發展起來。古埃及的尼羅河每年要發大水，使農田土地發生變化，人們因此產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。人類進入工業化時代以后，測繪學也進入初級發展階段，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技術飛速發展，給測繪生產技術、測繪產品帶來深刻變革，測繪生產開始擺脫模擬測繪儀器而大量采用計算機設備，測繪產品也從模擬測繪階段的紙質地圖變成數字化測繪產品。

工業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、衛星遙感，地圖制圖變成數字地圖和地理信息系統。衛星導航定位系統（GNSS）、遙感（RS）和地理信息系統（GIS）是目前對地觀測系統中空間信息獲取、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，測繪發展至此階段時，人們認為已經超過傳統測繪的范圍，20世紀90年代，國際標準化組織創造了Geomatics這個詞，即地球空間信息科學。現代的測繪、遙感、地理信息系統都融合在一起，測繪從一個傳統、古老的手工畫圖變為完全依靠遙感衛星、通信衛星導航和計算機技術的信息系統技術，成為前沿科學，老學科被賦予了新生命。

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

李院士：“北斗”衛星導航系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，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，我國已發射44顆“北斗”導航衛星。

我國的“北斗”起步比GPS晚，但發展卻很快，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，加強了用戶與系統的通信，可以實現消息的實時傳遞。“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。我國投入了很多經費，讓“北斗”走向國際，為全人類造福。

2019年，我國“北斗”衛星導航系統將繼續高密度全球組網，計劃發射8～10顆“北斗”導航衛星，計劃完成所有MEO衛星發射，進一步完善全球系統星座布局，全面提升系統服務性能和用戶體驗。

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

▲北斗衛星

本刊：實現通導遙一體化服務體系，以及進一步實現PNTRC系統五位一體服務是您的夢想，請您介紹一下目前的發展情況。

李院士：目前，全球各國的通信、導航、遙感三類衛星系統均各成體系并且相互獨立，遙感衛星需要過境或通過中繼衛星向地面站下傳數據，無星間鏈路和組網，數據下傳瓶頸嚴重制約信息獲取效率；導航衛星（如“北斗”）具有短報文通信能力，但不具備寬帶數據傳輸能力；通信衛星尚無自主的業務化衛星移動通信系統，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用戶，尚未服務大眾。以上現狀導致系統孤立、信息分離、服務滯后。因此，我們要發展系統聯通、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（PNTRC）是指利用天基空間信息網絡，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據實時處理并直通用戶終端，如智能手機。PNTRC系統的建設難題是頻譜軌位資源受限，測控限于本土，要實現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系統的發展？

李院士：PNTRC系統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，因此我們提出在低軌通信衛星上搭載星載GNSS接收機連續觀測記錄，結合激光測距等手段和現有地基增強系統，提高“北斗”衛星導航系統的實時定位精度。

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

三是多源成像數據在軌處理技術。衛星需要具備對數據進行存儲、處理和傳輸的能力，我們正在研究在軌智能系統，以建立天地一體化云計算環境、星上通用數據處理平臺、架構與軟件，實現自動檢測目標、自動發現變化。

四是天基信息智能終端服務技術。PNTRC系統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的研發等工作。

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

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，衛星在高動態情況下，應通過靜態的地面跟蹤站和動態的衛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星平臺。要實現“多用、多星組網”，制造基于軟件定義的智能衛星，滿足用戶增強導航、影像（視頻）獲取、移動通信等多種需求。

▲多網融合、智能服務

本刊：PNTRC系統是一種軍民兩用系統，其市場前景如何？

李院士：PNTRC系統應用前景廣闊，將突破以單純定期提供數據的服務模式，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、固定目標實時監測、武器精確制導、精準農業、城市交通監控、智慧城管、露天礦作業管理、石油平臺管理、港口吞吐量監控等服務。同時，PNTRC系統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）數據的位置服務，實時高精度導航服務，對商品（工藝品、農產品）進行全生命周期追蹤等。未來PNTRC系統有望推動形成萬億元的產業鏈。

PNTRC系統是軍民兩用的系統，但地理信息產業的大眾化應用程度一直不高，在城市規劃、智慧交通、應急救援等各個領域，地理信息產業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新，引領發展，組織多學科專家進行協同創新攻關，爭取盡快建成我國的空天信息實時智能服務系統。