· 文|中國航天科技集團公司衛(wèi)星應用研究院 王海濤 韓治剛 傅俊明

發(fā)展天地一體化信息技術推動衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型

· 文|中國航天科技集團公司衛(wèi)星應用研究院 王海濤 韓治剛 傅俊明

從我國衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，對國內(nèi)外天地一體化信息系統(tǒng)和技術的最新進展、發(fā)展趨勢以及應用前景進行了研究分析。通過分析國內(nèi)差距，提出我國天地一體化信息技術和網(wǎng)絡發(fā)展的幾點建議。

天地一體化信息技術 體系規(guī)劃與仿真 標準體系 信息融合 信息安全

一、 引言

太空域和信息域是國家經(jīng)濟發(fā)展和軍事斗爭的兩個重要戰(zhàn)略制高點。目前我國在軌運行空間飛行器近百顆，覆蓋了導航、通信、遙感、中繼、深空探測、載人航天等所有領域，地面已配套規(guī)模龐大的衛(wèi)星運控站、測控站、接收站、上行站、監(jiān)測站等地面站網(wǎng)系統(tǒng)，形成了廣泛應用于軍事、行業(yè)、區(qū)域的衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)。

空間信息資源已成為各個國家的重要戰(zhàn)略資源。天地一體化信息網(wǎng)絡以其戰(zhàn)略性、基礎性、帶動性和不可替代性的重要意義，成為發(fā)達國家國民經(jīng)濟和國家安全的重大基礎設施，其所具有的獨特位置與地域優(yōu)勢以及特有的信息服務能力，可帶動新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成具有巨大潛質(zhì)的核心競爭力和民族創(chuàng)造力。

空間技術和衛(wèi)星應用的天地融合不僅是信息化的重要內(nèi)容、產(chǎn)業(yè)融合的重要特征，同時也是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的重要方式、新型工業(yè)化發(fā)展的重要途徑。大力發(fā)展天地一體化信息技術，是提升我國衛(wèi)星及其衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)核心競爭力、加速推動空間信息產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型的必要途徑。

二、國內(nèi)外空間信息產(chǎn)業(yè)對比

近幾年，全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)（包括衛(wèi)星運行服務業(yè)、地面設備制造業(yè)、衛(wèi)星制造業(yè)和發(fā)射服務業(yè)）收入持續(xù)增長。據(jù)美國衛(wèi)星工業(yè)協(xié)會（SIA）發(fā)布的《衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)狀況報告》，2009年以前保持年均增長率超過10%，2009年以后受全球金融危機影響，年均增長率減小到5%～7%，如表1所示，但仍遠超全球經(jīng)濟表現(xiàn)。衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的4個分支行業(yè)中，衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)（衛(wèi)星運營服務、地面設備）所占比重近90%。

表1 2008—2013年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入規(guī)模統(tǒng)計及預測表 億美元

我國非常重視衛(wèi)星應用技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展全面提升科技支撐能力的11個重點領域和62項優(yōu)先主題中，與天地一體化信息技術有密切關系的占了相當?shù)谋戎?。隨著空間基礎設施的完善和新技術的更新應用，近幾年我國衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，近5年年增長率20%，智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等概念的提出和項目的實施，將極大地促進我國信息化建設的高速發(fā)展。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、高分辨率對地觀測系統(tǒng)等國家重大專項的實施，我國衛(wèi)星應用體系將不斷健全，衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)將得到更加迅猛的發(fā)展。

與美歐等航天強國相比，我國衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)仍然存在較大的差距，呈現(xiàn)天“大”地“小”的現(xiàn)狀特點。根據(jù)衛(wèi)星研制業(yè)務規(guī)模，以及各種衛(wèi)星應用業(yè)務估計數(shù)據(jù)，推算我國衛(wèi)星研制業(yè)務與衛(wèi)星應用業(yè)務的比值大概在1∶3，相對發(fā)達國家的1∶9有著較大的差距。

三、天地一體化信息系統(tǒng)及技術發(fā)展趨勢分析

1．天地一體化信息系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析

天地一體化信息系統(tǒng)是由多顆不同軌道上、不同種類、不同性能的衛(wèi)星形成星座覆蓋地球，通過星間、星地鏈路將地面、海上、空中和深空中的用戶、飛行器以及各種通信平臺密集聯(lián)合，采用智能高速星上處理、交換和路由技術，面向通信、遙感、導航信息，按照信息資源的最大有效綜合利用原則，進行信息準確獲取、快速處理和高效傳輸?shù)囊惑w化高速寬帶大容量信息系統(tǒng)。

天地一體化信息系統(tǒng)由衛(wèi)星平臺、有效載荷、傳輸鏈路、地面系統(tǒng)組成。

衛(wèi)星平臺一般由結構與機構、熱控、姿軌控、數(shù)據(jù)管理、供配電、測控等部分組成，主要為有效載荷提供穩(wěn)定的電源、姿軌控、熱控、數(shù)據(jù)管理等服務功能。國內(nèi)外已經(jīng)形成了小、中、大型規(guī)模，軌道覆蓋低、中、高軌需求的衛(wèi)星平臺。衛(wèi)星平臺向通用化、柔性化、模塊化、高功率、高集成度等方向發(fā)展，更好地支持有效載荷能力提升和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

有效載荷是直接執(zhí)行特定衛(wèi)星任務的儀器，包括遙感探測、通信轉(zhuǎn)發(fā)、導航定位、空間實驗、深空探測等類型，與衛(wèi)星平臺、傳輸鏈路存在緊密的耦合關系，直接影響天地一體化信息系統(tǒng)的應用效能。隨著用戶需求能力的提升，有效載荷種類越來越多，功能越來越復雜，性能越來越高，載荷處理技術能力越來越強，信息量越來越大。

傳輸鏈路是指從發(fā)送端到接收端的信息傳輸環(huán)節(jié)，分為星間鏈路、星地鏈路和地面網(wǎng)絡三類。隨著空間飛行器的不斷增多，空間電磁環(huán)境越來越復雜、電磁干擾越來越多，傳輸環(huán)境對傳輸鏈路影響越來越大，傳輸鏈路向高安全高可靠發(fā)展。

地面系統(tǒng)是指完成衛(wèi)星運行控制，信息接收、處理、分發(fā)等多種支持功能的系統(tǒng)集合，是發(fā)揮衛(wèi)星應用效能的地面基礎環(huán)節(jié)。隨著衛(wèi)星種類和數(shù)量的增多，空間信息量的增大，衛(wèi)星地面系統(tǒng)向綜合服務能力不斷提升、多源異構海量信息管理能力不斷增強、終端服務模式和手段多樣化、信息服務安全性要求高方向發(fā)展。

天地一體化信息系統(tǒng)各環(huán)節(jié)緊密耦合、相互作用，對衛(wèi)星應用效能產(chǎn)生直接影響。近期個別衛(wèi)星出現(xiàn)的動偏轉(zhuǎn)零偏帶來測距誤差偏大、遙感圖像出現(xiàn)雜光等在軌異常，造成系統(tǒng)定位精度下降，遙感圖像不滿足指標要求等問題，充分體現(xiàn)出開展天地一體化信息技術研究，從體系、系統(tǒng)層面進行總體把握的重要性。

2．我國天地一體化信息技術與航天強國差距分析

近幾年，世界各國更加重視空間信息資源的建設與應用，衛(wèi)星應用逐步由軍事和政府部門應用為主向經(jīng)濟和社會發(fā)展服務為主轉(zhuǎn)變，衛(wèi)星應用正進入迅猛發(fā)展階段。我國天地信息技術的融合已形成一定基礎，特別是地理信息與位置服務已出現(xiàn)規(guī)?；牧己冒l(fā)展勢頭，但總體上與國際先進水平相比仍有較大差距。

（1）天“大”地“小”，應用不足

美歐等航天強國非常重視以衛(wèi)星應用為導向，推進天地一體化建設和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，逐步進入多系統(tǒng)融合、多業(yè)務集成、體系化發(fā)展和全球服務的新階段。美國的軍事電子信息系統(tǒng)在伊拉克戰(zhàn)爭、追蹤本拉登等軍事行動發(fā)揮了重大作用，其民用的GoogleEarth等系統(tǒng)在國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮了重要作用。通過空間信息的應用，也促進了空間技術的發(fā)展。

相對而言，我國衛(wèi)星應用的發(fā)展體系不夠完善。我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)正處于“試驗應用型”向“業(yè)務服務型”轉(zhuǎn)變過程中，長久以來都在解決對空間環(huán)境和空間技術的認知、理解和掌握問題，推動衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動力主要是政治以及技術進步和創(chuàng)新。近些年來，隨著空間基礎設施的增多（當前達百顆），才開始更加關注衛(wèi)星應用效能，強調(diào)以衛(wèi)星應用需求為牽引，重視天地一體設計研制和應用；但長期以來所形成的空間信息孤島，用戶單位、規(guī)劃單位和建設單位之間分建聯(lián)用等問題，導致我國衛(wèi)星及其應用產(chǎn)業(yè)的整體規(guī)劃體系不完善，極大地影響了衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（2）頂層規(guī)劃不足，效能評估和仿真手段欠缺

美歐等強國非常重視空間體系頂層規(guī)劃和統(tǒng)籌應用，利用衛(wèi)星體系協(xié)同工作，以最小資源配置來最大程度滿足多用戶需求。如法國昴宿星計劃（Pléiades）對典型多用戶需求進行綜合分析，推導衛(wèi)星初步設想方案。美國在進行陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)任務（LDCM）衛(wèi)星方案論證時，充分考慮現(xiàn)有Landsat衛(wèi)星的能力和未來美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的需求，進行任務需求的綜合論證。我國一直是以單星/特定星座滿足相對單一的用戶需求，缺乏多用戶多任務綜合統(tǒng)籌機制，難以進行衛(wèi)星體系的協(xié)同應用，最大限度地發(fā)揮體系應用效能。

美歐等航天強國通過集成多種數(shù)據(jù)資源（地球場景、衛(wèi)星、軌道、載荷、飛行任務等），構建體系仿真、演示驗證、效能評估工具平臺，實現(xiàn)對空間任務以及衛(wèi)星系統(tǒng)、地面系統(tǒng)的規(guī)劃設計，有效降低實施風險，保障任務實現(xiàn)。通用的如STK軟件，專用的如OrbView-3使用的ODTK，GMES系統(tǒng)使用的FlexPlan軟件等。2012年，我國發(fā)改委、財政部、國防科工局牽頭組織論證《空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃》，才開始從衛(wèi)星體系規(guī)劃牽引空間基礎設施建設，但由于缺少體系仿真工具和能力，只能進行定性的仿真和評價，無法較為精確定量地評估體系是否滿足用戶需求。

（3）制約衛(wèi)星應用能力的核心技術差距明顯

衛(wèi)星遙感應用領域向高光譜分辨率、高空間分辨率、高時間分辨率方向發(fā)展，滿足不同用戶多樣化譜段特性、多層次地面分辨率、快速應急響應的需求。目前美國軍用遙感衛(wèi)星空間分辨率優(yōu)于0.1m，商用的WorldView-2等敏捷衛(wèi)星機動能力強，其重訪周期短，我國遙感衛(wèi)星差距明顯。

衛(wèi)星導航應用領域向高動態(tài)抗干擾、高精度新信號體制、高速星間鏈路、自主完好性監(jiān)測方向發(fā)展，滿足不同用戶多系統(tǒng)兼容、實時高精度位置服務的需求。國外已建成WAAS、EGNOS、StarFire等多種增強系統(tǒng)，可為商業(yè)用戶提供從亞米級到毫米級定位服務，具備同時抵抗20個干擾源的終端抗干擾能力。我國目前尚需依賴GPS實現(xiàn)局部區(qū)域的高精度服務，基于北斗高精度系統(tǒng)服務技術正處于攻關階段。

衛(wèi)星通信應用領域向多譜段（微波、太赫茲、激光）傳輸、認知無線電技術方向發(fā)展，滿足不同用戶寬帶應急通信、衛(wèi)星多媒體廣播、全球無縫個人通信的需求。國外的寬帶大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)已可支持百萬量級用戶接入，國內(nèi)目前僅具備一萬個用戶終端支持能力。國外衛(wèi)星移動通信全球覆蓋、區(qū)域覆蓋齊備，國內(nèi)正在開展國產(chǎn)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)技術攻關。

這些領域差距明顯，同時，維持衛(wèi)星業(yè)務化運行的工業(yè)基礎尚不牢固，極大地制約了衛(wèi)星應用能力的提升。

（4）缺少統(tǒng)一標準體系

標準體系是天地一體化信息系統(tǒng)星地、星間、地面間數(shù)據(jù)交換與信息共享的基本前提。我國在天地一體化信息網(wǎng)絡的部分重要領域（如空間網(wǎng)絡、地面網(wǎng)絡）已經(jīng)制定了部分技術標準，為天地一體化信息網(wǎng)絡的建設奠定了較好的基礎，但一部分技術標準待進行規(guī)范和制定（如天地鏈路/星間組網(wǎng)、信息安全等），不能夠滿足天地一體化信息網(wǎng)絡建設的基本需求，需要加大工作力度。

（5）信息融合缺乏，綜合應用不夠

信息融合、深加工、大數(shù)據(jù)挖掘能力不足。目前的云存儲技術，能夠獨立解決結構化、非結構化、半結構化數(shù)據(jù)的存儲問題，但是，海量數(shù)據(jù)云存儲仍然停留在以數(shù)據(jù)中心為載體的局部數(shù)據(jù)存儲與管理層面，缺乏跨數(shù)據(jù)中心的全局數(shù)據(jù)融合存儲與對異構數(shù)據(jù)(結構化、非結構化、key-value等類型)歸一化建模與管理能力，在空間信息網(wǎng)絡的應用理論和實踐有待進一步研究。

（6）信息安全自主可控能力不足

我國在天地一體化信息與網(wǎng)絡安全技術總體上與國家安全需求有較大差距，迫切需要從空間段、地面段、仿真驗證評估和標準體系等方面統(tǒng)籌考慮、體系研究、專項建設，提升天地一體化信息系統(tǒng)的整體安全效能。

1）傳輸鏈路（星間通信、星地通信、衛(wèi)星與飛機導彈等其他平臺通信數(shù)據(jù)鏈）抗干擾、抗截獲、抗欺騙能力不夠。

2）空間基礎設施的安全穩(wěn)定運行能力不足，信息傳輸全過程加密體系不完善，缺少統(tǒng)一的規(guī)劃和標準。

3）地面信息網(wǎng)的監(jiān)測預警、主動防御等安全運行能力不夠。

4）自主可控的核心技術和產(chǎn)品缺少應用支持，安全芯片、網(wǎng)絡設施（如核心交換機等）、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等關鍵產(chǎn)品和高端服務依賴進口，后門與隱患多。

5）缺乏天地一體化信息網(wǎng)絡安全的仿真、驗證和評估能力。

四、我國天地一體化信息系統(tǒng)發(fā)展的建議

我國衛(wèi)星應用亟需改變追趕航天強國發(fā)展模式的現(xiàn)狀，結合自主業(yè)務需求，解決好規(guī)劃落地問題，解決好空間系統(tǒng)建設與應用協(xié)調(diào)發(fā)展的問題，實現(xiàn)空間信息應用由“試驗應用型”向“業(yè)務服務型”轉(zhuǎn)變。對我國天地一體化信息系統(tǒng)的發(fā)展有以下幾點建議。

（1）統(tǒng)籌規(guī)劃，合理布局

堅持需求主導，以應用帶動發(fā)展，以技術創(chuàng)新促進應用，在衛(wèi)星應用的各環(huán)節(jié)，做到“天地協(xié)調(diào)、統(tǒng)一規(guī)劃、合理分工、擴大應用”。

目前我國在軌衛(wèi)星達百顆，預計“十三五”超過二百顆，涵蓋通信、導航、遙感、深空探測等多個領域。為更加高效和集約化地應用空間信息資源，需從應用需求出發(fā)，建立和優(yōu)化多源衛(wèi)星系統(tǒng)架構，科學規(guī)劃空間體系，構建天地一體化鏈路仿真模型和數(shù)字化虛擬空間體系環(huán)境，滿足當前和未來我國空間異構、多源衛(wèi)星組成的復雜系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、分析和應用需要，在需求牽引、技術引領和產(chǎn)業(yè)帶動方面發(fā)揮出空間系統(tǒng)的優(yōu)勢和作用。

（2）標準先行，信息共享

制定和推廣天地一體化信息系統(tǒng)標準體系規(guī)范，最大程度地促進和擴大天地信息共享，確保衛(wèi)星應用發(fā)揮出最大的效益。

以完整性、邏輯性、開放性為構建原則，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，形成完整的體系，能夠無縫銜接、與時俱進、動態(tài)擴展，適應技術的發(fā)展。從建設完備天地一體化信息系統(tǒng)的需求出發(fā)，通過深入分析現(xiàn)行標準與實際天地一體化信息系統(tǒng)所需標準之間的差距，結合我國的戰(zhàn)略安全需求，遵循“統(tǒng)一標準戰(zhàn)略、建立標準體系、突破重點領域、領航國際標準”的工作原則，按照“統(tǒng)一體系、分工負責、急用先行、引領國際”的工作思路，形成我國天地一體化信息系統(tǒng)技術標準體系。

（3）信息融合，深化應用

建設統(tǒng)一的天基資源整合、規(guī)劃及信息融合應用平臺（天基資源保障平臺），提供天基資源融合應用支撐能力。

通過對多用戶的多樣性用天信息需求的建模，結合跨區(qū)域多中心基礎設施、數(shù)據(jù)、應用、服務等多要素融合框架的研究，探索空間信息融合方法，開展天地一體化網(wǎng)絡協(xié)議融合、網(wǎng)絡管理、交換和路由技術的研究，實現(xiàn)面向信息融合的天地信息網(wǎng)絡互聯(lián)與集成；利用云計算技術，實現(xiàn)多種類型異構空間信息的高效融合應用，涵蓋空間信息的傳輸、存儲、處理與安全信息服務等多個關鍵環(huán)節(jié)；發(fā)展大數(shù)據(jù)挖掘、信息融合與信息載體技術，實現(xiàn)空間信息大數(shù)據(jù)時代的綜合應用。

（4）體系安全，自主可控

開展天地一體化信息系統(tǒng)安全體系建設。進行關鍵技術研究、自主可控產(chǎn)品研制、安全系統(tǒng)建設和仿真驗證。

打造具有主動防御、監(jiān)測預警、隱患發(fā)現(xiàn)、應急響應等能力的天地一體化信息系統(tǒng)平臺；研制基于國產(chǎn)自主可控技術的抗干擾衛(wèi)星通信、天空地一體化數(shù)據(jù)鏈安全、衛(wèi)星密碼通信、智能增益控制、地面站安全管理、航天器測控運控一體化安全和衛(wèi)星通信信息防篡改等系統(tǒng)產(chǎn)品，形成我國天地一體化信息網(wǎng)絡的配套安全系統(tǒng)和產(chǎn)品體系；突破輕量化算法芯片、量子通信、激光通信、太赫茲通信等未來空間信息網(wǎng)安全通信核心技術；搭建信息安全系統(tǒng)仿真驗證與評估系統(tǒng)。

五、結束語

空間信息資源是重要戰(zhàn)略資源，如何占據(jù)空間的“制信息權”，關系到國防安全、國土安全、經(jīng)濟安全和公共安全的根本利益。一體化天地信息技術是保持自立于國際社會的大國地位重要支柱，是進一步提升我國作為世界強國的基本保證。

作為天地一體化信息技術國家重點實驗室的依托單位，以及空間信息服務和衛(wèi)星應用的總體單位，中國航天科技集團公司衛(wèi)星應用研究院一直致力于研究天地一體化信息技術，為天地一體化信息系統(tǒng)與仿真、空間信息高精度處理、空間信息融合等基礎理論與方法研究提供平臺；優(yōu)化天地協(xié)同信息系統(tǒng)建設，提升綜合應用效能，帶動衛(wèi)星應用及相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展；為天地一體化信息技術研究交流提供平臺，為相關人才培養(yǎng)提供重要支撐。衛(wèi)星應用研究院著力打造天地協(xié)同工作模式，面向市場需求，開展天基系統(tǒng)和地面應用系統(tǒng)論證，全力推進衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)新發(fā)展。

[1]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告[EB/OL].（2011-12-11）[2013-11-18]http://www.beidou.gov.cn/ zcbdg.html

[2]孫家棟.北斗導航系統(tǒng)發(fā)展之路[J].太空探索，2010（7）:30—32

[3]沈榮駿.我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構想.中國工程科學，2006，8（10）：19—30

[4] DoD Architecture Framework Working Group．DoD Architecture Framework Version 1.0 Volume I[R]．2004-02-09

[5] DoD Architecture Framework Working Group．DoD Architecture Framework Version 1.5 Volume Il[R]．2007-04-23

[6] Greg Giaquinto, Richard Sterk. Distributed Common Ground Systems（DCGS）[J]. Forecast International，2011，11：19—35