文 李德仁

建設天基信息實時服務系統(tǒng)的重大意義

習總書記指示我們：“必須推動空間科學、空間技術、空間應用全面發(fā)展?！蔽覀儜撟么侔l(fā)展，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，產出一批原創(chuàng)性、戰(zhàn)略性、集成性成果，將我國從航天大國發(fā)展為航天強國。建設天基信息實時服務系統(tǒng)PNTRC（定位、導航、授時、遙感、通信），通過天基衛(wèi)星一星多用、多星組網，實現(xiàn)天地網絡的多網融合，實現(xiàn)智能的信息服務。這既是我國搶占國際競爭戰(zhàn)略制高點的重大機遇，也是我國航天事業(yè)做大做強，推進大眾化應用的迫切需求。

建設天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）是保障我國戰(zhàn)略安全的必要舉措。當今，國家邊疆的概念在戰(zhàn)略上已經延伸到遠海、深空，國家領土、領海和領空的安全需要全球實時天基信息的支持。我國要保證戰(zhàn)略安全，首先必須掌握戰(zhàn)略制高點，即制信息權。蘭德報告披露，美國已具備2小時內完成全球打擊的能力，并揚言到2020年將提升到從發(fā)現(xiàn)到消滅只用10秒鐘的水平。這樣的安全形勢迫切需要我國建設完善全球實時天基智能信息系統(tǒng)。

通導遙一體化天基信息實時服務系統(tǒng)推動空間信息從現(xiàn)在的專業(yè)應用走向軍民應用和大眾服務

建設天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）是保障我國海洋權益的戰(zhàn)略選擇。我國南海廣大海域連續(xù)監(jiān)視能力弱，海洋權益受到挑戰(zhàn)。我國擁有300萬平方公里的海洋專屬經濟區(qū)，其中約50%屬爭議區(qū)域或重疊區(qū)域，由于海岸布站檢測距離受限、海洋無法布站等原因，致使通信檢測難以覆蓋，亟須全球實時天基智能信息系統(tǒng)的天基信息支持。

建設天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）是實現(xiàn)動目標全球實時跟蹤、固定目標實時監(jiān)測、保障國家安全的支撐手段。天基信息服務不及時，國家安全受到威脅。美國有秒級的空間網絡和分鐘級的處理服務，響應時間在12分鐘之內。而我國目前是小時級的過境傳輸網絡和小時級的處理服務，同時由于空間網的系統(tǒng)還未建成，我國發(fā)現(xiàn)敏感事件的反應速度要幾十個小時，境內需要10小時，境外需要20小時甚至30小時，與美國相比差距巨大。要實現(xiàn)動目標的全球實時跟蹤，以及對固定目標的實時監(jiān)測，都需要天基信息的支持。

建設天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）是滿足災害應急救援快速響應需求的必然要求。2008年汶川地震時，獲取第一幅衛(wèi)星影像花了36個小時，耽誤了救援時間；到2013年蘆山地震時，獲取第一幅衛(wèi)星影像時間已經縮短到10個小時；但是2015年天津港爆炸時，獲取第一幅衛(wèi)星影像時間仍然花了12個小時，損失了黃金救援時間；2017年九寨溝地震時利用了無人機，獲取圖像縮短到4個小時。但這還不夠，還難以滿足實時用戶的需求。

高新技術被越來越多地運用到搶險救災中

建設天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）是推動形成我國天基信息商業(yè)化大眾服務格局的基礎條件。從我國衛(wèi)星行業(yè)來看，衛(wèi)星導航應用方面，軍事應用處于持續(xù)穩(wěn)定增長期，但規(guī)模有限；行業(yè)應用處于規(guī)?；瘧冒l(fā)展期，份額仍小于GPS；大眾應用處于標配化應用啟動期，市場前景看好，潛力巨大（移動位置服務）。衛(wèi)星移動通信應用則主要應用于語音、窄帶通信，總體規(guī)模不大，主要用戶分布在軍隊、應急行業(yè)、野外作業(yè)等方面，應用成本較高，大眾化應用不廣泛。全球仍有52%的地區(qū)，包括海洋、沙漠、高山地區(qū)，無移動通信功能。衛(wèi)星遙感應用的規(guī)?；瘧眉性谲娛?、國土、規(guī)劃、林業(yè)、農業(yè)、電力、水利、石油化工等行業(yè)領域，以提供基礎數據的應用方式為主，產值低于導航和通信應用，大眾化應用模式尚在探索階段。因此，建設PNTRC天基信息實時服務系統(tǒng)、推動形成我國通導遙一體化天基信息商業(yè)化大眾服務格局是當前需要解決的問題。

此外，建設PNTRC天基信息實時服務系統(tǒng)可為“一帶一路”沿線國家和地區(qū)提供實時動態(tài)空天信息服務，為“一帶一路”倡議的落地實施提供有力保障。

我國空間基礎設施的建設現(xiàn)狀、問題及解決思路

當前，全世界把低軌星座發(fā)展計劃作為競爭的熱點，在美國重點建設低軌通信和遙感衛(wèi)星星座。除OneWeb等低軌通信衛(wèi)星計劃外，比較有代表性的是比爾·蓋茨和孫正義表示要發(fā)500顆衛(wèi)星，組成一個能提供地球任意位置衛(wèi)星圖像和視頻的星座EARTHNOW。全球低軌星座的競爭非常激烈。但是我們看到，全世界沒有一個國家（包括美國）形成共識要發(fā)展我們PNTRC這樣智能的通導遙一體化天基信息實時服務系統(tǒng)，這是我們的重大機遇。

目前，我國正推進空間基礎設施建設，一直要做到2025年，這創(chuàng)造了從航天大國邁向航天強國的必要條件。如何從航天大國走向航天強國？當前面臨的問題是我國現(xiàn)有的遙感、導航、通信衛(wèi)星系統(tǒng)各成體系、軍民孤立、信息分離、服務滯后。遙感衛(wèi)星需要過境或通過中繼衛(wèi)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；北斗導航衛(wèi)星具有短報文通信能力，但不具備寬帶數據傳輸能力；通信衛(wèi)星尚無自主的業(yè)務化衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，對遙感、導航等天基信息的傳輸保障能力受限；且在服務模式方面主要面向專業(yè)用戶，尚未服務大眾。

“天基服務信息系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目以17位兩院院士為骨干，李德仁院士為項目組長。

因此，我們要從以下幾方面著力推進。一是需要研究如何一星多用、多星組網、天地互連、多網融合，讓系統(tǒng)聯(lián)通起來；二是需要研究統(tǒng)一基準、關聯(lián)表征、數據挖掘、知識發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)時空融合；三是需要研究星地協(xié)同、組網傳輸、智能處理、按需服務，讓服務暢通?；诋斍暗默F(xiàn)狀，亟須按照錢學森系統(tǒng)工程的思想，建設一個通導遙一體化天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC），引進人工智能、云計算等新技術，推動空間信息從現(xiàn)在的專業(yè)應用走向軍民應用和大眾服務，使百姓的手機上能實現(xiàn)全球無縫的高速通信，能使用最好的、實時的遙感圖像，實現(xiàn)最好的定位精度。同時，走產業(yè)化發(fā)展的道路，國家扶持加上軍民融合市場化、國際化發(fā)展，為全球72億人提供服務，創(chuàng)造萬億元以上的高新技術產業(yè)。

推進天基信息實時服務系統(tǒng)發(fā)展的思路和目標

天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）實現(xiàn)衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導航定位授時、衛(wèi)星通信與地面互聯(lián)網的集成服務，支持軍民用戶在任何地方、任何時候的信息獲取、高精度導航定位授時、遙感與多媒體通信服務。實時定位精度達到米和分米級，為各種類型用戶提供高精度實時導航信息；精密授時達到納秒級，提供時間信息和時間同步信息；快速遙感全天候、全天時，實時獲取光學和雷達視頻數據，將感興趣的信息及時提取并推送給用戶的手機和各類移動終端；天地一體移動寬帶通信傳輸要克服地面通信網絡覆蓋范圍不足的局限，為全球用戶提供安全、可靠、高速的天地一體化通信和數據傳輸服務。

我們希望分兩步推進天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）核心技術突破。第一步是實現(xiàn)多星協(xié)同觀測與傳輸。突破多星協(xié)同觀測、星上在軌處理和星間鏈路傳輸等關鍵技術，提升天基信息對應急響應的服務能力。第二步是實現(xiàn)多網融合、智能服務。突破遙感、導航、通信復用、高中低軌衛(wèi)星組網，天網、地網融合、一體化協(xié)同傳輸以及云計算、時空大數據和智能終端技術，提升天基信息的智能服務能力。整個系統(tǒng)建設一定要堅持軍民深度融合、市場主導及國家支持相結合。

我們的建設規(guī)劃可以分為兩步走。第一步，發(fā)射100顆低軌通信衛(wèi)星，再發(fā)射80顆遙感用的光學和雷達衛(wèi)星，這些衛(wèi)星的服務地區(qū)是中國及“一帶一路”，在這周邊能實現(xiàn)10分鐘的（目標信息）獲取時間，定位導航精度為亞米級。第二步，走向全球。要做300顆低軌通信衛(wèi)星，像航天科技的“鴻雁”就是發(fā)射類似的衛(wèi)星；再發(fā)射200顆遙感衛(wèi)星，其中光學衛(wèi)星和雷達衛(wèi)星各100顆。這樣的話就提高了我們的能力，大概可以在4到5分鐘進行全球重復采樣。

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、通信與導航衛(wèi)星的集成創(chuàng)新，帶動實時位置服務為代表的天基信息增值服務產業(yè)的發(fā)展，如新型天基信息服務移動終端與軟件（如手機APP）、衛(wèi)星多媒體通信服務、實時精密導航定位服務等，初步測算帶動的空天信息服務年產值可望達到萬億元以上。

建設天基信息實時服務系統(tǒng)已具備堅實基礎

當前，建設天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）已具備堅實的戰(zhàn)略研究、技術積累、創(chuàng)新平臺與人才隊伍基礎。

在戰(zhàn)略研究方面，2017年，中國工程院批復了“天基服務信息系統(tǒng)（PNTRC）發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目。該項目以17位宇航、通信、導航、遙感、信息領域的兩院院士為骨干，以我為項目組長。星基導航增強技術方面，請劉經南院士牽頭；天地一體化網絡通信技術方面，請清華的陸建華院士牽頭，他研發(fā)了靈巧智能小衛(wèi)星，能用自適應軟件控制衛(wèi)星運行軌跡；多源成像數據在軌處理技術由我牽頭，實現(xiàn)衛(wèi)星監(jiān)測地面變化，提取處理后壓制傳輸，通過公用網絡送到地面手機上；天基信息智能終端服務技術請龔健雅院士牽頭；天基資源調度與網絡安全請張軍院士牽頭，用以前做飛機調度的經驗來調度衛(wèi)星；多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺請航天科技集團的張慶君研究員牽頭，實現(xiàn)新一代小型化自動化的一體化平臺；空天地一體化的非線性地球參考框架構建由李建成院士牽頭。該項目論證天基信息實時服務系統(tǒng)建設目標、技術體系、可行性方案、運行服務模式，提出我國未來PNTRC系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略建議和建設路線圖。

在技術積累方面，通過“高分”“二代導航”的實施，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，為項目啟動提供了良好的技術基礎?！案叻帧毕盗兄?，于2018年7月31日發(fā)射升天的高分十一號衛(wèi)星的空間分辨率已達0.1m，超過了美國軍方衛(wèi)星0.15m的空間分辨率。2006—2010年，武漢大學牽頭實施的我國衛(wèi)星應用領域首個原國防“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、復雜對抗條件下信息傳輸和面向任務的航天信息聚焦服務等理論問題；目前，我國自主遙感衛(wèi)星分辨率已達到亞米級，北斗系統(tǒng)已實現(xiàn)亞太區(qū)覆蓋，地面增強系統(tǒng)實時定位精度達亞米級；2014年，清華大學成功研制發(fā)射了靈巧通信實驗小衛(wèi)星，實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星地面移動自動變帶寬通信；2016年，已在相應遙感衛(wèi)星上實現(xiàn)了在軌智能處理，可在1分鐘內將興趣目標圖像通過天網傳送給用戶。武漢大學已成功啟動“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)星組網增強北斗系統(tǒng)定位精度，已經于2018年6月2日發(fā)射首顆衛(wèi)星。根據習總書記“要把修復長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置”的講話，我國已經用天基傳感網建設長江流域生態(tài)環(huán)境智能管理系統(tǒng)，統(tǒng)籌管理長江流域用水、防洪、通航和發(fā)電，通過大量傳感器建立的空天地觀測平臺實現(xiàn)了智能化的協(xié)同管理。此外，我們還實現(xiàn)了從遙感影像大數據中自動搜索目標的技術，用于衛(wèi)星在軌處理影像數據。

“珞珈一號”系列科學試驗衛(wèi)星于2018年6月2日成功發(fā)射首顆衛(wèi)星

在創(chuàng)新平臺與人才隊伍方面，2012年，面向空天信息產業(yè)發(fā)展需求，武漢大學聯(lián)合中國航天科技集團公司、清華大學、北京航空航天大學等優(yōu)勢單位聯(lián)合組建了地球空間信息技術協(xié)同創(chuàng)新中心，2014年中心通過國家“2011計劃”認定。該中心在地球時空基準、空天信息獲取、空間網絡、空間通信、衛(wèi)星導航定位、遙感對地觀測和空間信息服務七個方向由院士或科學家牽頭開展研究，以此為基礎，以建設PNTRC為目標，籌建空天信息國家實驗室。

關于建設發(fā)展天基信息實時服務系統(tǒng)的幾點建議

基于天基信息實時服務系統(tǒng)（PNTRC）現(xiàn)已具備戰(zhàn)略研究、技術積累、創(chuàng)新平臺與人才隊伍方面的基礎，建議將通導遙一體化的PNTRC空天信息智能化實時服務系統(tǒng)列為將要成立的空天國家實驗室的主要任務，集中全國相關優(yōu)勢力量協(xié)同攻關：

一要運用錢學森系統(tǒng)科學理論，做好頂層設計，開展理論創(chuàng)新、仿真演示和技術攻關；

二要通過國家重大專項，建立我國軍用和應急響應的空天信息智能化實時服務系統(tǒng)，引領智能航天發(fā)展；

三是通過市場牽引和政府補助，建立我國軍民深度融合的、面向全球服務的空天信息智能化實時服務系統(tǒng)，為國家創(chuàng)造萬億產值的空天應用市場，為強軍、百姓生活和大眾化服務提供智能化的手段。

當前，全世界尚無這樣的空天信息實時智能服務系統(tǒng)，我們必須抓住機會，全力攻關，建設航天強國，強軍、富國、利民，做出引領性、原創(chuàng)性的科學貢獻。