文　李德仁

　　
　　
建设天基信息实时服务系统的重大意义
　　习总书记指示我们：“必须推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展。”我们应该抓应用促发展，按照“体现国家意志，实现国家使命，代表国家水平”的定位，产出一批原创性、战略性、集成性成果，将我国从航天大国发展为航天强国。建设天基信息实时服务系统PNTRC（定位、导航、授时、遥感、通信），通过天基卫星一星多用、多星组网，实现天地网络的多网融合，实现智能的信息服务。这既是我国抢占国际竞争战略制高点的重大机遇，也是我国航天事业做大做强，推进大众化应用的迫切需求。
　　建设天基信息实时服务系统（PNTRC）是保障我国战略安全的必要举措。当今，国家边疆的概念在战略上已经延伸到远海、深空，国家领土、领海和领空的安全需要全球实时天基信息的支持。我国要保证战略安全，首先必须掌握战略制高点，即制信息权。兰德报告披露，美国已具备2小时内完成全球打击的能力，并扬言到2020年将提升到从发现到消灭只用10秒钟的水平。这样的安全形势迫切需要我国建设完善全球实时天基智能信息系统。
　　建设天基信息实时服务系统（PNTRC）是保障我国海洋权益的战略选择。我国南海广大海域连续监视能力弱，海洋权益受到挑战。我国拥有300万平方公里的海洋专属经济区，其中约50%属争议区域或重叠区域，由于海岸布站检测距离受限、海洋无法布站等原因，致使通信检测难以覆盖，亟须全球实时天基智能信息系统的天基信息支持。
　　建设天基信息实时服务系统（PNTRC）是实现动目标全球实时跟踪、固定目标实时监测、保障国家安全的支撑手段。天基信息服务不及时，国家安全受到威胁。美国有秒级的空间网络和分钟级的处理服务，响应时间在12分钟之内。而我国目前是小时级的过境传输网络和小时级的处理服务，同时由于空间网的系统还未建成，我国发现敏感事件的反应速度要几十个小时，境内需要10小时，境外需要20小时甚至30小时，与美国相比差距巨大。要实现动目标的全球实时跟踪，以及对固定目标的实时监测，都需要天基信息的支持。
　　建设天基信息实时服务系统（PNTRC）是满足灾害应急救援快速响应需求的必然要求。2008年汶川地震时，获取第一幅卫星影像花了36个小时，耽误了救援时间；到2013年芦山地震时，获取第一幅卫星影像时间已经缩短到10个小时；但是2015年天津港爆炸时，获取第一幅卫星影像时间仍然花了12个小时，损失了黄金救援时间；2017年九寨沟地震时利用了无人机，获取图像缩短到4个小时。但这还不够，还难以满足实时用户的需求。
　　建设天基信息实时服务系统（PNTRC）是推动形成我国天基信息商业化大众服务格局的基础条件。从我国卫星行业来看，卫星导航应用方面，军事应用处于持续稳定增长期，但规模有限；行业应用处于规模化应用发展期，份额仍小于GPS；大众应用处于标配化应用启动期，市场前景看好，潜力巨大（移动位置服务）。卫星移动通信应用则主要应用于语音、窄带通信，总体规模不大，主要用户分布在军队、应急行业、野外作业等方面，应用成本较高，大众化应用不广泛。全球仍有52%的地区，包括海洋、沙漠、高山地区，无移动通信功能。卫星遥感应用的规模化应用集中在军事、国土、规划、林业、农业、电力、水利、石油化工等行业领域，以提供基础数据的应用方式为主，产值低于导航和通信应用，大众化应用模式尚在探索阶段。因此，建设PNTRC天基信息实时服务系统、推动形成我国通导遥一体化天基信息商业化大众服务格局是当前需要解决的问题。
　　此外，建设PNTRC天基信息实时服务系统可为“一带一路”沿线国家和地区提供实时动态空天信息服务，为“一带一路”倡议的落地实施提供有力保障。
　　
我国空间基础设施的建设现状、问题及解决思路
　　当前，全世界把低轨星座发展计划作为竞争的热点，在美国重点建设低轨通信和遥感卫星星座。除OneWeb等低轨通信卫星计划外，比较有代表性的是比尔·盖茨和孙正义表示要发500颗卫星，组成一个能提供地球任意位置卫星图像和视频的星座EARTHNOW。全球低轨星座的竞争非常激烈。但是我们看到，全世界没有一个国家（包括美国）形成共识要发展我们PNTRC这样智能的通导遥一体化天基信息实时服务系统，这是我们的重大机遇。
　　目前，我国正推进空间基础设施建设，一直要做到2025年，这创造了从航天大国迈向航天强国的必要条件。如何从航天大国走向航天强国？当前面临的问题是我国现有的遥感、导航、通信卫星系统各成体系、军民孤立、信息分离、服务滞后。遥感卫星需要过境或通过中继卫星向地面站下传数据，无星间链路和组网，数据下传瓶颈严重制约信息获取效率；北斗导航卫星具有短报文通信能力，但不具备宽带数据传输能力；通信卫星尚无自主的业务化卫星移动通信系统，对遥感、导航等天基信息的传输保障能力受限；且在服务模式方面主要面向专业用户，尚未服务大众。
　　因此，我们要从以下几方面着力推进。一是需要研究如何一星多用、多星组网、天地互连、多网融合，让系统联通起来；二是需要研究统一基准、关联表征、数据挖掘、知识发现，实现时空融合；三是需要研究星地协同、组网传输、智能处理、按需服务，让服务畅通。基于当前的现状，亟须按照钱学森系统工程的思想，建设一个通导遥一体化天基信息实时服务系统（PNTRC），引进人工智能、云计算等新技术，推动空间信息从现在的专业应用走向军民应用和大众服务，使百姓的手机上能实现全球无缝的高速通信，能使用最好的、实时的遥感图像，实现最好的定位精度。同时，走产业化发展的道路，国家扶持加上军民融合市场化、国际化发展，为全球72亿人提供服务，创造万亿元以上的高新技术产业。
　　
推进天基信息实时服务系统发展的思路和目标
　　天基信息实时服务系统（PNTRC）实现卫星遥感、卫星导航定位授时、卫星通信与地面互联网的集成服务，支持军民用户在任何地方、任何时候的信息获取、高精度导航定位授时、遥感与多媒体通信服务。实时定位精度达到米和分米级，为各种类型用户提供高精度实时导航信息；精密授时达到纳秒级，提供时间信息和时间同步信息；快速遥感全天候、全天时，实时获取光学和雷达视频数据，将感兴趣的信息及时提取并推送给用户的手机和各类移动终端；天地一体移动宽带通信传输要克服地面通信网络覆盖范围不足的局限，为全球用户提供安全、可靠、高速的天地一体化通信和数据传输服务。
　　我们希望分两步推进天基信息实时服务系统（PNTRC）核心技术突破。第一步是实现多星协同观测与传输。突破多星协同观测、星上在轨处理和星间链路传输等关键技术，提升天基信息对应急响应的服务能力。第二步是实现多网融合、智能服务。突破遥感、导航、通信复用、高中低轨卫星组网，天网、地网融合、一体化协同传输以及云计算、时空大数据和智能终端技术，提升天基信息的智能服务能力。整个系统建设一定要坚持军民深度融合、市场主导及国家支持相结合。
　　我们的建设规划可以分为两步走。第一步，发射100颗低轨通信卫星，再发射80颗遥感用的光学和雷达卫星，这些卫星的服务地区是中国及“一带一路”，在这周边能实现10分钟的（目标信息）获取时间，定位导航精度为亚米级。第二步，走向全球。要做300颗低轨通信卫星，像航天科技的“鸿雁”就是发射类似的卫星；再发射200颗遥感卫星，其中光学卫星和雷达卫星各100颗。这样的话就提高了我们的能力，大概可以在4到5分钟进行全球重复采样。
　　建设军民深度融合的天基信息实时服务系统，将为卫星应用产业的发展注入新的活力，我国卫星遥感、卫星通信、卫星导航等产业将迎来新一轮的发展机遇。除增强遥感、通信、导航功能外，通过卫星遥感、通信与导航卫星的集成创新，带动实时位置服务为代表的天基信息增值服务产业的发展，如新型天基信息服务移动终端与软件（如手机APP）、卫星多媒体通信服务、实时精密导航定位服务等，初步测算带动的空天信息服务年产值可望达到万亿元以上。
　　
建设天基信息实时服务系统已具备坚实基础
　　当前，建设天基信息实时服务系统（PNTRC）已具备坚实的战略研究、技术积累、创新平台与人才队伍基础。
　　在战略研究方面，2017年，中国工程院批复了“天基服务信息系统（PNTRC）发展战略研究”重大咨询项目。该项目以17位宇航、通信、导航、遥感、信息领域的两院院士为骨干，以我为项目组长。星基导航增强技术方面，请刘经南院士牵头；天地一体化网络通信技术方面，请清华的陆建华院士牵头，他研发了灵巧智能小卫星，能用自适应软件控制卫星运行轨迹；多源成像数据在轨处理技术由我牵头，实现卫星监测地面变化，提取处理后压制传输，通过公用网络送到地面手机上；天基信息智能终端服务技术请龚健雅院士牵头；天基资源调度与网络安全请张军院士牵头，用以前做飞机调度的经验来调度卫星；多载荷集成的一体化卫星平台请航天科技集团的张庆君研究员牵头，实现新一代小型化自动化的一体化平台；空天地一体化的非线性地球参考框架构建由李建成院士牵头。该项目论证天基信息实时服务系统建设目标、技术体系、可行性方案、运行服务模式，提出我国未来PNTRC系统发展战略建议和建设路线图。
　　在技术积累方面，通过“高分”“二代导航”的实施，我国在卫星导航定位、高分辨率卫星遥感对地观测等方面取得了一批具有国际竞争力的技术成果，为项目启动提供了良好的技术基础。“高分”系列中，于2018年7月31日发射升天的高分十一号卫星的空间分辨率已达0.1m，超过了美国军方卫星0.15m的空间分辨率。2006—2010年，武汉大学牵头实施的我国卫星应用领域首个原国防“973”项目，解决了航天信息支持战术应用中的卫星资源按需组织、复杂对抗条件下信息传输和面向任务的航天信息聚焦服务等理论问题；目前，我国自主遥感卫星分辨率已达到亚米级，北斗系统已实现亚太区覆盖，地面增强系统实时定位精度达亚米级；2014年，清华大学成功研制发射了灵巧通信实验小卫星，实现了低轨卫星地面移动自动变带宽通信；2016年，已在相应遥感卫星上实现了在轨智能处理，可在1分钟内将兴趣目标图像通过天网传送给用户。武汉大学已成功启动“珞珈一号”系列科学试验卫星研制工作，研究通过低轨卫星组网增强北斗系统定位精度，已经于2018年6月2日发射首颗卫星。根据习总书记“要把修复长江生态环境摆在压倒性位置”的讲话，我国已经用天基传感网建设长江流域生态环境智能管理系统，统筹管理长江流域用水、防洪、通航和发电，通过大量传感器建立的空天地观测平台实现了智能化的协同管理。此外，我们还实现了从遥感影像大数据中自动搜索目标的技术，用于卫星在轨处理影像数据。
　　在创新平台与人才队伍方面，2012年，面向空天信息产业发展需求，武汉大学联合中国航天科技集团公司、清华大学、北京航空航天大学等优势单位联合组建了地球空间信息技术协同创新中心，2014年中心通过国家“2011计划”认定。该中心在地球时空基准、空天信息获取、空间网络、空间通信、卫星导航定位、遥感对地观测和空间信息服务七个方向由院士或科学家牵头开展研究，以此为基础，以建设PNTRC为目标，筹建空天信息国家实验室。
　　
关于建设发展天基信息实时服务系统的几点建议
　　基于天基信息实时服务系统（PNTRC）现已具备战略研究、技术积累、创新平台与人才队伍方面的基础，建议将通导遥一体化的PNTRC空天信息智能化实时服务系统列为将要成立的空天国家实验室的主要任务，集中全国相关优势力量协同攻关：
　　一要运用钱学森系统科学理论，做好顶层设计，开展理论创新、仿真演示和技术攻关；
　　二要通过国家重大专项，建立我国军用和应急响应的空天信息智能化实时服务系统，引领智能航天发展；
　　三是通过市场牵引和政府补助，建立我国军民深度融合的、面向全球服务的空天信息智能化实时服务系统，为国家创造万亿产值的空天应用市场，为强军、百姓生活和大众化服务提供智能化的手段。
　　当前，全世界尚无这样的空天信息实时智能服务系统，我们必须抓住机会，全力攻关，建设航天强国，强军、富国、利民，做出引领性、原创性的科学贡献。科
　　
　　（本文来源于李德仁院士在第16期钱学森论坛上所作的主题报告）
　　
专家简介：　
　　李德仁，中国科学院院士，中国工程院院士，国际欧亚科学院院士，摄影测量与遥感学家，武汉大学遥感信息工程学院教授，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任，中国矿业大学环境与测绘学院院长。长期从事遥感、全球卫星定位和地理信息系统为代表的地球空间信息学的教学与研究，在地球空间信息学的理论创新、集成创新和协同创新方面取得了杰出成就，为我国成为世界本领域三强之一做出了重大贡献。