李德仁院士：論軍民深度融合的通導遙一體化空天資訊實時智慧服務系統
【編者按】在第十六期錢學森論壇上， 李德仁院士 作了題為 《論軍民深度融合的通導遙一體化空天資訊實時智慧服務系統》 的主題報告。李院士就建設通導遙一體化空天資訊實時智慧服務系統（PNTRC）的重大意義，我國空間基礎設施的建設現狀、問題及解決思路，推進天基資訊實時服務系統（PNTRC）發展的思路和目標，以及天基資訊實時服務系統（PNTRC）發展的現有基礎及意見建議等問題做了精彩的報告，引起了與會嘉賓的熱烈反響。
李德仁院士
一、建設天基資訊實時服務系統（PNTRC）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、空間應用全面發展。”我們應該抓應用促發展，按照“體現國家意志，實現國家使命，代表國家水平”的定位，產出一批原創性、戰略性、整合性成果，將我國從航天大國發展為航天強國。建設天基資訊實時服務系統 PNTRC（定位、導航、授時、遙感、通訊），通過天基衛星一星多用、多星組網，實現天地網路的多網融合，實現智慧的資訊服務。這既是我國搶佔國際競爭戰略制高點的重大機遇，也是我國航天事業做大做強，推進大眾化應用的迫切需求。
建設天基資訊實時服務系統（PNTRC）是保障我國戰略安全的必要舉措。當今，國家邊疆的概念在戰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資訊的支援。我國要保證戰略安全，首先必須掌握戰略制高點，即制資訊權。蘭德報告披露，美國已具備 2 小時內完成全球打擊的能力，並揚言到 2020 年將提升到從發現到消滅只用十秒鐘的水平。這樣的安全形勢迫切需要我國建設完善全球實時天基智慧資訊系統。
建設天基資訊實時服務系統（PNTRC）是保障我國海洋權益的戰略選擇。我國南海廣大海域連續監視能力弱，海洋權益受到挑戰。我國擁有 300萬平方公里的海洋專屬經濟區，其中約 50% 屬爭議區域或重疊區域，由於海岸布站檢測距離受限、海洋無法布站等原因，致使通訊檢測難以覆蓋，亟需全球實時天基智慧資訊系統的天基資訊支援。
建設天基資訊實時服務系統（PNTRC）是實現動目標全球實時跟蹤、固定目標實時監測、保障國家安全的支撐手段。天基資訊服務不及時，國家安全受到威脅。美國有秒級的空間網路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路和小時級的處理服務，同時由於空間網的系統還未建成，我國發現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。要實現動目標的全球實時跟蹤，以及對固定目標的實時監測，都需要天基資訊的支援。
建設天基資訊實時服務系統（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，獲取第一幅衛星影像時間仍然花了12 個小時，損失了黃金救援時間；去年九寨溝地震時利用了無人機，獲取影象縮短到 4 個小時。但這還不夠，還難以滿足實時使用者的需求。
建設天基資訊實時服務系統（PNTRC）是推動形成我國天基資訊商業化大眾服務格局的基礎條件。從我國衛星行業來看，衛星導航應用方面，軍事應用處於持續穩定增長期，但規模有限；行業應用處於規模化應用發展期，份額仍小於 GPS ；大眾應用處於標配化應用啟動期，市場前景看好，潛力巨大（移動位置服務）。衛星行動通訊應用則主要應用於語音、窄帶通訊，總體規模不大，主要使用者分佈在軍隊、應急行業、野外作業等方面，應用成本較高，大眾化應用不廣泛。全球仍有 52% 地區，包括海洋、沙漠、高山地區，無行動通訊功能。衛星遙感應用的規模化應用集中在軍事、國土、規劃、林業、農業、電力、水利、石油化工等行業領域，以提供基礎資料的應用方式為主，產值低於導航和通訊應用，大眾化應用模式尚在探索階段。因此，建設 PNTRC 天基資訊實時服務系統、推動形成我國通導遙一體化天基資訊商業化大眾服務格局是當前需要解決的問題。
此外，建設 PNTRC 天基資訊實時服務系統可為“一帶一路”沿線國家和地區提供實時動態空天資訊服務，為“一帶一路”戰略的落地實施提供有力保障。
二、我國空間基礎設施的建設現狀、問題及解決思路
當前，全世界把低軌星座發展計劃作為競爭的熱點，在美國重點建設低軌通訊和遙感衛星星座。除 OneWeb 等低軌通訊衛星計劃外，比較有代表性的是比爾·蓋茨和孫正義表示要發 500 顆衛星，組成一個能提供地球任意位置衛星影象和視訊的星座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）形成共識要發展我們 PNTRC 這樣智慧的通導遙一體化天基資訊實時服務系統，這是我們的重大機遇。
李德仁院士做主題報告
目前，我國正推進空間基礎設施建設，一直要做到 2025 年，這創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有的遙感、導航、通訊衛星系統各成體系、軍民孤立、資訊分離、服務滯後。遙感衛星需要過境或通過中繼衛星向地面站下傳資料，無星間鏈路和組網，資料下傳瓶頸嚴重製約資訊獲取效率；北斗導航衛星具有短報文通訊能力，但不具備寬頻資料傳輸能力；通訊衛星尚無自主的業務化衛星移動通訊系統，對遙感、導航等天基資訊的傳輸保障能力受限；且在服務模式方面主要面向專業使用者，尚未服務大眾。
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，讓系統聯通起來； 二是 需要研究統一基準、關聯表徵、資料探勘、知識發現，實現時空融合； 三是 需要研究星地協同、組網傳輸、智慧處理、按需服務，讓服務暢通。基於當前的現狀，亟需按照錢學森系統工程的思想，建設一個通導遙一體化天基資訊實時服務系統（PNTRC），引進人工智慧、雲端計算等新技術，推動空間資訊從現在的專業應用走向軍民應用和大眾服務，使百姓的手機上能實現全球無縫的高速通訊，能使用最好的、實時的遙感影象，實現最好的定位精度。同時，走產業化發展的道路，國家扶持加上軍民融合市場化、國際化發展，為全球七十二億人提供服務，創造萬億元以上的高新技術產業。
三、推進天基資訊實時服務系統（PNTRC）發展的思路和目標
天基資訊實時服務系統（PNTRC）實現衛星遙感、衛星導航定位授時、衛星通訊與地面網際網路的整合服務，支援軍民使用者在任何地方、任何時候的資訊獲取、高精度導航定位授時、遙感與多媒體通訊服務。實時定位精度達到米和分米級，為各種型別使用者提供高精度實時導航資訊；精密授時達到納秒級，提供時間資訊和時間同步資訊；快速遙感全天候、全天時，實時獲取光學和雷達視訊資料，將感興趣的資訊及時提取並推送給使用者的手機和各類移動終端；天地一體移動寬頻通訊傳輸要克服地面通訊網路覆蓋範圍不足的侷限，為全球使用者提供安全、可靠、高速的天地一體化通訊和資料傳輸服務。
我們希望 分兩步推進天基資訊實時服務系統（PNTRC）核心技術突破。 第一步是實現多星協同觀測與傳輸。突破多星協同觀測、星上在軌處理和星間鏈路傳輸等關鍵技術，提升天基資訊對應急響應的服務能力。第二步是實現多網融合、智慧服務。突破遙感、導航、通訊複用、高中低軌衛星組網，天網、地網融合、一體化協同傳輸以及雲端計算、時空大資料和智慧終端技術，提升天基資訊的智慧服務能力。整個系統建設一定要堅持軍民深度融合、市場主導及國家支援相結合。
我們的 建設規劃可以分為兩步走。 第一步，發射 100 顆低軌通訊衛星，再發 80 顆遙感用的光學和雷達衛星，這些衛星的服務地區是中國及“一帶一路”，在這周邊能實現 10 分鐘的（目標資訊）獲取時間，定位導航精度為亞米級。第二步，走向全球。要做 300 顆低軌通訊衛星，像航天科技的“鴻雁”就是發類似的衛星；再發 200 顆遙感衛星，其中光學衛星和雷達衛星各 100 顆。這樣的話就提高了我們的能力，大概可以在 4 到 5 分鐘進行全球重複取樣。
建設軍民深度融合的天基資訊實時服務系統，將為衛星應用產業的發展注入新的活力，我國衛星遙感、衛星通訊、衛星導航等產業將迎來新一輪的發展機遇。除增強遙感、通訊、導航功能外，通過衛星遙感、通訊與導航衛星的整合創新，帶動實時位置服務為代表的天基資訊增值服務產業的發展，如新型天基資訊服務移動終端與軟體（如手機APP）、衛星多媒體通訊服務、實時精密導航定位服務等，初步測算帶動的空天資訊服務年產值可望達到萬億元以上。
四、建設天基資訊實時服務系統（PNTRC）在戰略研究、技術積累、創新平臺與人才隊伍等方面已具備堅實基礎
當前，建設天基資訊實時服務系統（PNTRC）已具備堅實的戰略研究、技術積累、創新平臺與人才隊伍基礎。
在戰略研究方面，2017 年，中國工程院批覆了“天基服務資訊系統（PNTRC）發展戰略研究”重大諮詢專案。該專案以 17 位宇航、通訊、導航、遙感、資訊領域的兩院院士為骨幹，以李德仁院士為專案組長。星基導航增強技術方面，請劉經南院士牽頭；天地一體化網路通訊技術，請清華的陸建華院士牽頭，他研發了靈巧智慧小衛星，能用自適應軟體控制衛星執行軌跡；多源成像資料在軌處理技術由李德仁院士牽頭，實現衛星監測地面變化，提取處理後壓制傳輸，通過公用網路送到地面手機上；天基資訊智慧終端服務技術請龔健雅院士牽頭；天基資源排程與網路安全請張軍院士牽頭，用以前做飛機排程的經驗來排程衛星；多載荷整合的一體化衛星平臺請航天科技集團的張慶君研究員牽頭，實現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。該專案論證天基資訊實時服務系統建設目標、技術體系、可行性方案、執行服務模式，提出我國未來PNTRC 系統發展戰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，我國在衛星導航定位、高解析度衛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，為本專案啟動提供了良好的技術基礎。“高分”系列中，於今年 7月 31 日發射昇天的高分十一號衛星的空間解析度已達 0.1m，超過了美國軍方衛星 0.15m 的空間解析度。2006-2010 年，武漢大學牽頭實施的我國衛星應用領域首個國防 973 專案，解決了航天資訊支援戰術應用中的衛星資源按需組織、複雜對抗條件下資訊傳輸和麵向任務的航天資訊聚焦服務等理論問題；目前，我國自主遙感衛星解析度已達到亞米級，北斗系統已實現亞太區覆蓋，地面增強系統實時定位精度達亞米級；2014 年，清華大學成功研製發射了靈巧通訊實驗小衛星，實現了低軌衛星地面移動自動變頻寬通訊；2016 年，已在相應遙感衛星上實現了在軌智慧處理，可在 1 分鐘內將興趣目標影象通過天網傳送給使用者。武漢大學已成功啟動“珞珈一號”系列科學試驗衛星研製工作，研究通過低軌衛星組網增強北斗系統定位精度，已經於 2018 年 6月 2 日發射首顆衛星。根據習總書記“要把修復長江生態環境擺在壓倒性位置”的講話，我國已經用天基感測網建設長江流域生態環境智慧管理系統，統籌管理長江流域用水、防洪、通航和發電，通過大量感測器建立的空天地觀測平臺實現了智慧化的協同管理。此外，我們還實現了從遙感影像大資料中自動搜尋目標的技術，用於衛星在軌處理影像資料。
在創新平臺與人才隊伍方面，2012 年，面向空天資訊產業發展需求，武漢大學聯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勢單位聯合組建了地球空間資訊科技協同創新中心，2014 年中心通過國家“2011 計劃”認定。該中心在地球時空基準、空天資訊獲取、空間網路、空間通訊、衛星導航定位、遙感對地觀測和空間資訊服務等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，籌建空天資訊國家實驗室。
五、關於建設發展天基資訊實時服務系統（PNTRC）的幾點建議
基於天基資訊實時服務系統（PNTRC）現已具備戰略研究、技術積累、創新平臺與人才隊伍方面的基礎，建議將通導遙一體化的 PNTRC 空天資訊智慧化實時服務系統列為將要成立的空天國家實驗室的主要任務，集中全國相關優勢力量協同攻關： 一要 運用錢學森系統科學理論，做好頂層設計，開展理論創新、模擬演示和技術攻關； 二要 通過國家重大專項，建立我國軍用和應急響應的空天資訊智慧化實時服務系統，引領智慧航天發展； 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資訊智慧化實時服務系統，為國家創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慧化的手段。當前，全世界尚無這樣的空天資訊實時智慧服務系統，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、原創性的科學貢獻。
封面人物攝影： 邱焰
封面人物設計： 王鋒
本文刊登於《網信軍民融合》雜誌2018年12月刊
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