本文選自中國工程院院刊【中國工程科學】2020年第1期
作者：李雙博，張艷松，李德仁，王禮恒，王崑聲，徐源
來源：中國天基資訊系統發展現狀及未來展望[J].中國工程科學,2020,22(1):127-132.
編者按
天基資訊系統是利用遙感、導航定位與通訊等技術手段，實作對地球表面自然景觀和人類活動即時觀測的衛星套用系統。作為獲取資訊資源的重要手段，天基資訊系統服務於國防和經濟建設，正朝著一體化、動態化、即時化、智慧化方向發展。
中國科學院、 中國工程院李德仁院士，中國工程院王禮恒院士研究團隊在中國工程院院刊【中國工程科學】2020年第1期發表【中國天基資訊系統發展現狀及未來展望】一文。文章立足中國航天長遠發展，以文獻調研、專家咨詢為研究手段，梳理與總結了國外天基資訊系統發展現狀，凝練中國在本領域的政策、產業、裝備和技術發展情況，並對天基資訊系統的未來發展趨勢進行概括。文章重點分析了中國天基資訊系統面臨的體制機制、政策保障、技術能力、產業發展等短板問題。文章建議，完善體制機制來統籌協調天基資訊系統資源，健全法律法規來引導天基資訊系統產業發展，突出技術創新來建設天基資訊即時服務系統，創新發展理念來構建天基資訊即時服務。
一、前言
天基資訊系統是利用遙感、導航定位與通訊等技術手段，實作對地球表面自然景觀和人類活動即時觀測的衛星套用系統。作為當前建設熱點的天基資訊即時服務系統，由數百顆具有遙感、導航與通訊功能的低軌衛星組成天基網，與高分辨率遙感衛星、新一代衛星導航系統進行異構協同，與衛星通訊網、地面互聯網、移動網進行整體整合，旨在實作全球高時空分辨率的數據采集、高精度即時導航定位和寬頻行動通訊。
天基資訊系統有效服務於經濟建設、國防建設和大眾民生的需求，是體現國家科技實力的核心要素之一，也是當前最具放射線力和拉動力的高技術領域與戰略性新興產業。研究、建設、利用和推進天基資訊系統發展，一直是世界航天大國未來發展的戰略目標。例如，天基資訊即時系統可以支撐國家戰略需求、全面提升國家空間競爭力、推動形成經濟發展新動能。
當前，有關天基資訊系統的研究聚焦在以下幾方面：國內外系統建設情況分析，一體化管控體系，作戰指揮控制套用，系統故障處理，軍民功能整合服務體系構建等。從宏觀層面著手、分析天基資訊系統發展形勢和面臨問題等的研究仍有待開展。對應於此， 本文系統梳理國內外天基資訊系統的發展現狀及趨勢，研究分析中國在本領域存在的問題，進而論證提出建設中國天基資訊即時服務系統的構思建議，以期為航天系統關鍵領域及重大裝備的長遠發展提供參考借鑒。
二、國內外天基資訊系統發展情況分析
（一）國外情況
天基資訊系統具有資訊制高點的獨特優勢，在作戰指揮、深空探測和導航測控等方面得到廣泛套用，成為推動國家戰略利益由傳統範疇向海洋、太空和電磁空間延伸的重要手段。 美國、歐盟、俄羅斯、日本、印度等主要航天國家或地區都在大力發展一體化的天基資訊系統，開展概念研究、體系設計與技術驗證，並從國家戰略、執行機制、商業模式等方面推動套用創新。
1. 制定發展戰略，透過國家力量推動天基資訊系統發展
航天大國高度重視天基資訊系統，透過國家戰略推進系統的建設和發展。 美國制定了「國家天基資訊系統戰略」，透過開發和部署覆蓋全球的實用型天基資訊系統，擴大在本領域的技術領先地位。歐盟為提升空間領域競爭力，先後頒布實施了【歐洲太空戰略】【2018年歐盟能力發展計劃】等天基網路系統規劃，確定了包括「重點發展天基資訊和通訊服務」在內的行動方針。俄羅斯在【2030年及未來俄羅斯航天發展戰略（草案）】中提出，發展空間技術是國家戰略目標，建立數量和品質均能滿足國際競爭需求的航天裝備系統。日本以【宇宙基本法】為契機，加速推進空間科學、載人航天活動、天基太陽能發電、小型實驗衛星等研究計畫，逐步完善天基資訊系統建設。
2. 最佳化體制機制，統籌協調國家部門管理和產業發展
航天大國在天基資訊系統領域均采取政府高度集中管理的模式，以此管控系統建設、統籌各類資訊資源。 根據衛星特點、套用需求和部門分工，建立了相對完整、涉及多類衛星的投資、建設和套用體制。以美國為例，2004年釋出【美國國家天基定位、導航和定時政策】檔，作為整體戰略決策依據；國家天基定位、導航和定時（PNT）委員會負責綜合協調與管理，國防部統籌國防領域監督和決策；天基資訊系統產品及服務的商業化運作則由洛克希德·馬丁公司等航天企業具體承擔。
3. 提升技術能力，保持天基資訊系統先進性和穩定性
航天大國不斷采用科技創新成果來最佳化天基資訊系統，使系統的穩定性和服務能力不斷提升。
①研制新型衛星，改進並完善星座功能，如俄羅斯加強了全球衛星導航系統（GLONASS）的現代化改造與衛星補網；
②加強備選技術研究，低軌衛星增強系統成為發展潮流（見表1），被視為天基資訊系統的能力拼圖；
③加強國家間的空間技術合作，彌補單一系統的不足，增強系統服務穩定性，如2004年開始，美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO三大衛星導航系統之間在互操作性、相容性等方面開始協作；
④加強與新技術的融合，協同觀測、新體制通訊、在軌即時處理、天基資訊融合處理、安全防護等一系列新興技術獲得套用與整合，使得天基資訊系統套用與服務能力取得重大提升。
表1 國外代表性的低軌衛星星座計劃
4. 創新產業模式，綜合多種形式保障軍民商需求
航天大國透過天基資訊系統的套用創新來滿足軍民商的多種需求，其市場服務和產業發展主要表現為以下形式：
①公開服務，向使用者提供定位、導航和授時等免費的時空基準服務；
②商業服務，天基資訊系統與各種行業技術結合後推廣套用，如基於位置資訊的商業服務滿足了地面交通、航空運輸和海事監管等的商業需求；
③社會保障服務，將多個衛星導航系統進行套用協同，提高傳統服務穩定性，創造新型套用模式，在船舶航行、機車操作、交通導航和機器人套用方面展現出前景；
④公共控制服務，利用天基資訊系統的專有頻段，為本國政府提供精確的緊急服務。
（二）國內情況
經過60年來的發展，中國天基資訊系統實作了「從無到有、從有到優」的技術跨越。 亞米級高分辨率遙感衛星的研制與套用技術已經成熟；北鬥衛星導航系統在2020年形成全球服務能力，低軌星基導航增強技術取得重大進展；低軌靈巧通訊衛星研制取得技術突破，低軌衛星通訊網路發展勢頭穩健；形成較為完善的衛星研制和套用技術體系，具備天基資訊即時服務系統建設、示範套用與產業化的基礎條件。
1. 中國衛星綜合能力大幅提升，體系健全
截至2019年10月，中國在軌衛星總數為323顆，僅次於美國。包括商業航天在內的衛星研制、營運和套用體系較為完善，通訊/遙感/導航衛星的體系化和型譜化發展態勢良好，衛星套用體系覆蓋國家安全、國民經濟的眾多方面，契合國情、具有特色的天基資訊系統初步成型。
2. 國家出台多項政策引導天基資訊工業發展
近年來，中國相關部門釋出了【國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025年）】【關於加快推進「一帶一路」空間資訊走廊建設與套用的指導意見】等若幹政策檔，從國家政策角度來引導天基資訊系統服務經濟社會的發展方向和實施路徑。這為相關系統的建設與產業推廣套用提供了政策層面的基本保障，也為推動空間資源規模化、業務化和產業化提供了先決條件。
3. 中國天基資訊工業處於快速成長期，發展前景良好
分析中國的衛星套用市場，產值集中在以車載、手持、指揮型等終端裝置為代表的產業鏈中遊（約占60%） ，而以特殊需求、個人化服務為代表的下遊（約30%）和以芯片、板卡、天線為代表的產業鏈上遊（約10%）的占比均較小。這表明，中國衛星套用產業仍處於初級發展階段，未來仍有較大的市場空間。隨著行業市場、大眾市場、特殊市場以及智慧城市等新興行業的發展，以衛星服務為代表的天基資訊工業有望繼續擴大套用範圍，尤其是下遊套用市場將快速發展。預計到2025年，中國下遊服務市場占比將達到50%，系統整合和終端等中遊產業占比將下降至40%，數據、芯片市場等上遊產業占比將穩定在10%左右。結合當前發展規劃和衛星產業整體發展形勢，預計2025年中國天基資訊市場可達7365億元，其中導航市場為6300億元，通訊市場為950億元，遙感市場為115億元（見圖1）。
圖 1 中國天基資訊市場發展情況（2010—2025年）
4. 中國衛星技術快速發展，部份關鍵技術比肩國際前沿
高分辨率對地觀測、低軌衛星導航增強、低軌衛星通訊等技術發展迅速，先後取得重要突破。
①在相關國家科技重大專項的推動下， 高分辨率遙感衛星研制與套用技術體系已經成熟， 開展了較大規模的業務化套用。
② 北鬥系統初步具備全球服務能力 ，低軌星基導航增強技術取得了預期進展，系統導航精度、完備性和即時性大幅提升。
③「珞珈一號」等衛星套用實踐表明， 低軌衛星可輔助增強北鬥系統效能 ，將即時定位精度從 5~10 m提升至亞米級。
④ 中國低軌通訊衛星系統建設如火如荼 ，航天科技集團有限公司、航天科工集團有限公司啟動了「奇洛基」「虹雲」工程建設，實作了基於星間鏈路的寬頻數據傳輸能力，為天基資訊提供了數據傳輸通道，也為導航增強載荷提供了搭載平台。
三、天基資訊系統發展趨勢分析
隨著空間技術的發展和太空需求的提升，世界天基資訊系統呈現出以下發展趨勢：
①天基資訊系統朝著群網式方向發展，多種類、多功能、多數量衛星進行組網來實作系統功能的重構與創新；
②系統中的衛星協同方式由靜止發展為動態化，具有立體可重構的動態拓撲結構形態顯著提升了系統的穩定性；
③融合先進地面網路技術，在各衛星節點上協同套用天地一體化的路由、服務和控制技術，支持系統的即時化智慧化資訊服務；
④瞄準國防套用需求，註重核心節點衛星的骨幹網路功能、戰術小衛星多功能綜合之間的協同與匹配發展。
相比之下，中國天基資訊系統立足國情、自主研發，所具有的特色發展趨勢為：
①註重天基資訊系統綜合能力，提高大容量高速率傳輸、系統智慧排程、系統間綜合管控和資訊服務保障等的技術水平；
②重點突破核心關鍵技術，如衛星雷射通訊、空間 IPv6、星間鏈路和衛星星座技術等；
③遙感、導航和通訊等衛星套用技術趨於融合，用於支撐即時化、智慧化、網路化、一體化的天基資訊功能實作（見圖 2）；
④資訊科技的高速發展，引發天基資訊與地面資訊整合技術的深度融合，拓展了天基資訊工業的廣度和深度。
圖2 天基資訊系統即時智慧服務模式示意圖
四、中國天基資訊系統發展存在的問題
當前，中國正處於由航天大國向航天強國邁進的關鍵時期。與已開發國家相比，中國套用衛星的水平胡衛星套用產業的發展仍有不小的差距，導致天基資訊系統的發展還存在一些問題。
（一）體制機制方面的統籌協調性不足
中國現有的通訊、導航、遙感衛星系統各成體系，使得系統孤立、資訊分離、服務滯後。 一方面，衛星數據共享及套用發展領域的統籌協調力度不夠，資訊保安保障不足；另一方面，部門和行業的衛星專用通訊網還無法實作資源的統一調配和系統間的協同，資源浪費與不足的現象共存。
（二）政策保障方面的法律法規不健全
中國天基資訊系統領域尚未形成完善的法律法規與產業政策體系 ，特別是通訊 / 導航 / 遙感衛星系統的商業化標準規範尚不完善，尚未形成統一的標準體系，制約了天基資訊工業的發展。
（三）技術能力方面無法滿足創新需求
中國現有的天基資訊科技尚不具備快速、精確、靈活且面向全球的資訊保障能力，無法完全滿足國家經濟建設、國防安全的需求。 一方面，天基資訊系統的建設涉及航天、資訊、測繪、通訊、人工智慧等領域，裝備體系復雜，技術攻關難度較大；另一方面，中國天基資訊科技發展仍受到核心元器件、專用芯片、數據處理軟體等的制約，亟需在資訊科學、宇航科學、地球科學、人工智慧等方面開展協同創新研究。
（四）產業發展方面尚處於初級階段
中國天基資訊工業的規模和層次尚處於初級發展階段 ，衛星套用水平不高，大規模的專業市場有待建立，資訊套用模式單一，商業化大眾服務的格局尚未形成。另外，中國天基資訊工業呈現出了由高技術專用網路向互聯網大眾化發展的轉變趨勢，而消費觀念、配套政策、行業標準、資本運作等方面未能同步，需要全產業鏈層面上的調整、最佳化和完善。
五、關於中國天基資訊系統發展的建議
（一）完善體制機制，統籌建設天基資訊系統資源
統籌天體一體化，使衛星系統與地面套用系統的建設緊密銜接，有效提升衛星套用的整體效益。
一是統籌規劃建設，改變「重天上、輕地面」的現狀，推進衛星套用與空間系統之間的協調發展，提升產品品質和服務的時效性。
二是創新管理機制，完善衛星系統的綜合觀測、星地一體化排程、數據資源共享等業務能力建設，突出產業發展的規模化、工程化和自動化，充分釋放衛星套用綜合效益。
三是創新衛星套用的共享機制，破除制約衛星數據共享及套用發展的非技術性障礙，顯著提高資源利用效率。
四是強化部門和行業之間的業務連通與技術融合，統一調配各部門和行業的天基資訊資源，避免重復建設、提高使用效率。
（二）健全法律法規，引導天基資訊工業發展
為全面推進中國空間資源的規模化、業務化和產業化發展， 建議國家行業主管部門制定促進空間資訊基礎設施發展的政策與措施，營造天基資訊工業的良好發展環境和生態 ，促進產業的快速成長和健康發展。另外，建議圍繞產業套用，對現行法律和法規進行必要的調整和最佳化，健全法規標準體系，設定行業準入制度，推出鼓勵公平競爭的條款，逐步建立天基資訊系統的互聯標準及共享機制。
（三）突出技術創新，建設天基資訊即時服務系統
建設天基資訊即時服務系統，保障全球範圍的動目標即時跟蹤、固定目標即時監測等國家重大需求。 建議組織國內多方力量、建立協同工作機制，開展天基資訊智慧獲取平台與載荷、天空地一體化資訊處理、智慧天基資訊套用三大系統聯合研發 ；實施低軌星基導航增強、天地一體化網路通訊、多源成像數據在軌處理、天基資訊智慧服務、天基資源排程與網路安全、多載荷整合一體化平台、空天地一體化的時空基準構建七大關鍵技術聯合攻關。
（四）創新發展理念，構建天基資訊即時服務系統
面向日益增長的市場需求，建議準確把握世界天基資訊系統及技術的發展趨勢，創新開展中國相關系統的建設與營運。 透過整合中國現役通訊衛星系統、導航衛星系統、遙感衛星系統、地面互聯網、行動網路等資源，科學論證並補充發展必要的增量系統，盡快構建中國天基資訊即時服務體系，實作導航、定位、授時、遙感、通訊一體化即時服務。中國自主建設天基資訊即時服務系統，不僅可以搶占天基資訊服務這一重大領域的戰略制高點，還是推動國家數位經濟發展的重要舉措。
註：本文內容呈現略有調整，若需可檢視原文。
作者簡介
李德仁
測繪遙感專家，中國科學院院院士 、中國工程院院士 。
主要從事地球空間資訊學研究 。
王禮恒
飛彈動力技術和航天工程管理專家，中國工程院院士。
主要從事飛彈動力研究和航天工程管理研究。
註：論文反映的是研究成果進展，不代表【中國工程科學】雜誌社的觀點。
