本文選自中國工程院院刊【中國工程科學】2020年第2期
作者：李德仁，沈欣
來源：中國天基資訊即時智慧服務系統發展戰略研究[J].中國工程科學,2020,22(2):138-143.
編者按
天基資訊即時智慧服務系統是指衛星通訊、衛星導航與衛星遙感整合的下一代天基系統。建設天基資訊即時智慧服務系統，提供高效能的導航、定位、授時、遙感、通訊一體化即時服務 ，可化解中國北鬥衛星導航系統海外建設地基增強站受限難題，搶占通訊 / 導航 / 遙感整合服務這一新興科技制高點，也是實作中國在空間科技領域 「彎道超車」，帶動衛星遙感、衛星通訊、衛星導航等關聯產業創新發展的重要推動力。
中國科學院、中國工程院李德仁院士研究團隊在中國工程院院刊【中國工程科學】2020年第2期發表【中國天基資訊即時智慧服務系統發展戰略研究】一文。文章從天基資訊即時智慧服務系統 的重大戰略需求入手，梳理了國內外衛星通訊、衛星導航、衛星遙感的發展現狀，凝練了中國天基資訊系統存在的問題，闡述了天基資訊即時智慧服務系統的 基本概念、建設目標和技術體系，在分析天基資訊即時智慧服務系統 與現有（或規劃中）天基系統的關聯關系的基礎上，論證了相應系統建設的可行性。文章提出，系統建設按照「先局部、再區域、到全球」的路線圖，可采取「三步走」策略；系統建設應納入國家科技發展的總體規劃，采用軍民共建共享共用的執行模式；系統建設應加強與現有和規劃中的「通導遙」衛星及地面通訊系統的對接與融合。
一、前言
天基資訊系統利用衛星通訊、衛星導航和衛星遙感手段，實作地球表面自然和人類活動的即時觀測，透過數據處理獲取資訊知識來滿足經濟建設、國防建設和大眾民生的需求。 目前，中國衛星通訊、導航、遙感系統均取得了「從無到有」的巨大發展，但還存在系統孤立、資訊分離、服務滯後的問題，導致天基資訊系統服務的時效性、廣域性、連續性無法完全滿足現代化軍事鬥爭與災害應急需要，天基資訊大眾化服務的格局有待形成。
2017 年，中國工程院啟動實施了「天基資訊即時服務系統發展戰略研究」咨詢計畫。 本文作為計畫研究成果的學術性展示，以中國天基資訊即時智慧服務的重大戰略需求為切入點，在分析當前天基資訊服務差距的基礎上，梳理天基資訊系統建設現狀和最新進展，明確中國天基資訊即時智慧服務系統（PNTRC）建設的目標，並對系統建設的可行性、技術體系進行論證，針對性提出中國未來 PNTRC發展的戰略建議。
二、開展 PNTRC 建設的戰略需求
為搶占天基資訊即時智慧服務這一航天強國發展的戰略制高點，亟需加強天基系統的軍民功能結合，將現有的通訊、導航、遙感衛星以及地面通訊網進行深度融合。開展 PNTRC 建設的必要性主要體現在以下四方面。
（1） 建設 PNTRC 是應對日益復雜的國際形勢，滿足全球運動目標即時跟蹤、固定目標即時監測等重大需求的必要舉措。 中國戰略利益從本土延伸至全球，迫切需要即時地獲取國土周邊甚至全球範圍內熱點區域、重點目標的態勢和變化資訊。然而，中國現有天基資訊系統的響應速度仍停留在小時級，難以滿足上述需求，與世界航天強國的技術差距明顯。PNTRC 衛星具備與高軌、低軌通訊衛星的數據傳輸鏈路，數據獲取後經在軌智慧處理，透過衛星通訊網、地面網為中國軍民使用者提供快速、準確的天基資訊服務。
（2） 建設 PNTRC 是破解北鬥系統海外建設地基增強站受限難題的有效途徑，從而大幅提升北鬥系統綜合效能。 為提升衛星導航系統的即時定位精度，目前主要采用地基導航增強技術，可實作分米級的即時導航精度，但中國在海外建設北鬥地基增強站受到競爭國家的長期阻撓。PNTRC 空間飛行器搭載了星基導航增強載荷，可對北鬥系統訊號進行增強，從而提供中國在全球範圍內遂行各類軍民行動所需的分米級導航位置服務能力。
（3） 建設 PNTRC 可掌握通訊 / 導航 / 遙感整合服務這一新興科技制高點，支持中國在空間科技領域的「彎道超車」。 目前，航天強國在衛星通訊、衛星導航、衛星遙感領域的競爭空前激烈，但未見有「通導遙」一體的天基資訊系統方案。鑒於現狀，中國應當抓住這一難得機遇，超前謀劃系統建設，以通訊 / 導航 / 遙感整合套用為核心突破方向，為全面提升中國空間科技競爭力、引領世界空間科技發展奠定基礎。
（4） 建設 PNTRC 是帶動中國衛星通訊、衛星導航、衛星遙感等產業創新發展、推動形成空間經濟發展新動能的重要舉措。 PNTRC 將為中國衛星套用產業的發展註入新活力、開辟新方向，全面帶動遙感套用、導航行動終端、位置服務、低軌衛星通訊等新興產業發展，推動形成「互聯網+ 航天」的全新業態，產業的年產值預期可達萬億元規模。
三、國內外天基資訊系統發展現狀及面臨的問題
（一）國外發展現狀
美國、歐洲、俄羅斯等航天強國或地區較早建成了以通訊、導航、遙感 3 類衛星為骨幹的天基系統。 近年來，低軌行動通訊衛星、商業遙感衛星因其在效能和效能方面具有良好的預期，成為天基系統的新興熱點； 透過錯位競爭，在技術與市場方面與傳統衛星系統初步形成鼎立態勢。
在衛星移動寬頻通訊方面： ①自20世紀90年代以來，國外陸續建成了以「瑟拉亞」（Thuraya）、「國際移動衛星」（Inmarsat）、「地網星」（TerreStar）為代表的高軌衛星行動通訊系統；②傳統的低軌行動通訊衛星以「銥」星（Iridium）、「全球星」（Globalstar）等為代表，工作頻段以L、S低頻段為主,業務以中低速率為主，支持面向手持行動通訊和低功耗小型化物聯網服務；③當前，低軌通訊網路朝著多業務寬頻衛星行動通訊系統方向發展，一網（OneWeb）、太空探索技術（SpaceX）等公司分別設計了低軌寬頻通訊星座，工作頻段采用 Ku、Ka 等高頻段，系統衛星數量多，以中高速業務為主，支持互聯網接入、網路節點互聯以及基站回程等服務。
導航衛星系統主要分為全球系統、區域系統和星基增強系統。全球系統和區域系統的差別在於提供服務的覆蓋範圍不同；星基增強系統重點在於利用衛星實作增強服務。全球系統主要有：已投入執行的美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯全球衛星導航系統（GLONASS），以及正在建設中的歐洲伽利略衛星導航系統（GALILEO）。區域系統主要有：日本準天頂衛星系統（QZSS）、印度區域導航衛星系統（IRNSS）等。星基增強系統主要有：美國廣域增強系統（WAAS）、俄羅斯衛星差分改正監測系統（SDCM）、歐洲地球靜止衛星導航重疊服務系統（EGNOS）、日本多功能運輸衛星增強系統（MSAS）等。
高分辨率遙感衛星主要分為光學成像和合成孔徑雷達（SAR）成像兩類。 自 1999 年美國 Ikonos-2衛星成功商業執行以來，國外在此領域的技術和套用取得了長足發展。相關產業集中在美國、歐洲、日本等航天強國或地區，套用模式趨於成熟。代表性的衛星系統有：美國伊科諾斯（Ikonos）、地眼（Geoeye）系列，法國地球觀測系統（SPOT）系列，德國雷達遙感衛星系統（TerraSAR），日本先進對地觀測衛星（ALOS）等，最高的成像分辨率已經發展到亞米級。
（二）國內發展現狀
中國航天領域經過 60 余年的發展，形成了覆蓋通訊、導航、遙感的衛星譜系。 隨著高分辨率對地觀測系統國家科技重大專項（簡稱「高分專項」）、【國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025 年）】（簡稱「中長期發展規劃」）的有力推進，2020 年中國在軌執行衛星數超過 200 顆。
在衛星行動通訊方面： ① 2016 年 8 月，「天通一號」01 星發射入軌，邁出了中國區域衛星行動通訊系統建設與套用的第一步；② 2017 年 4 月，中國首顆高通量通訊衛星「實踐十三」號發射入軌 ,實作了偏遠地區的行動通訊基站接入及眾多行業套用；③國家「科技創新 2030」重大工程中部署了「天地一體化資訊網路」計畫，旨在建成天地一體化資訊網路體系。目前，衛星通訊套用仍以衛星廣播和固定類業務為主，而衛星行動通訊主要用於語音、窄帶通訊，使用者分布在國防、應急行業、野外作業等方面，套用成本較高，大眾化套用尚不廣泛。
在衛星導航方面，中國透過北鬥衛星導航系統建設，成為繼美國、俄羅斯後第三個擁有自主衛星導航系統的國家； 繼 2000 年、2012 年向中國和亞太地區提供服務後，2020 年具備面向全球提供導航服務的能力。目前，北鬥系統的行業套用處於規模化套用發展期，在行動通訊技術的推動下，大眾套用市場前景良好、潛力較大。
在高分辨率遙感衛星方面，「資源」「環境」系列衛星相繼發射入軌；在「高分專項」的支持下，高分辨率遙感衛星研制和套用技術取得重大突破，對地觀測分辨率已達到米（亞米）級。投入套用的先進遙感衛星的最高分辨率優於亞米級，遙感資訊處理速度已達分鐘級。相關成果的規模化套用，主要集中在國防、國土、規劃、林業、農業、電力、水利、石油化工等行業領域； 但套用方式仍以提供基礎數據為主，直接產值低於導航和通訊套用，且大眾化套用模式尚在探索階段。
（三）國內面臨的問題
中國航天領域技術與套用進展顯著，但相比世界航天強國仍有差距，最為典型的是，中國尚不具備在全球範圍內提供「快、準、靈」的天基資訊綜合服務能力。
（1） 中國天基資訊服務的即時性與世界先進水平存在差距， 與經濟社會發展的現實需求存在差距，尚無法全面保障國家安全、搶險救災、遠端排程等重大行動對關鍵資訊時效性的亟需。
（2）現有天基資訊系統的廣域連續監視能力薄弱， 尚不具備對全球重點運動目標跟蹤監視、固定目標變動監測的綜合能力。
（3）北鬥系統的海外地基增強站建設受阻，制約了中國自主導航系統在境外的精確導航定位精度， 無法滿足「一帶一路」建設和全球利益保障的資訊支援需求。
（4） 現有通訊、導航、遙感衛星系統各成體系，天基資訊數據回傳的瓶頸現象突出，嚴重制約資訊獲取和處理的效率； 衛星行動通訊能力不足以保障天基資訊高速傳輸，使得「通導遙」資訊分離、天基資訊服務能力滯後。
四、PNTRC 建設構想
面向軍民共用的天基即時智慧服務需求，PNTRC 由數百顆具有遙感和導航增強功能的低軌高分辨率光學和雷達小衛星組成天基網路，協同在軌執行的高分辨率遙感衛星、北鬥導航衛星和正在建設的衛星通訊網，並與地面互聯網、移動網整體整合。在天基大數據、雲端運算、人工智慧（AI）、第五代行動通訊（5G）技術的共同支撐下， PNTRC 為包括專業使用者和大眾使用者在內的軍民使用者提供從衛星到智慧終端的快速、準確、智慧化、即時的天基資訊服務。
（一）建設目標
① 在遙感資訊精度方面， 空間分辨率要達到分米級，時間分辨率要達到分鐘級，數據處理速度優於 1 min。② 在即時導航定位精度方面， 要達到分米級。③ 在覆蓋範圍和通訊能力方面， 要具有面向全球範圍的語音、視訊和影像通訊功能，天基資訊從衛星到智慧終端的傳輸時間優於 1 min。④ 在服務能力方面， 要具備向使用者提供快速、準確、智慧化的空天資訊服務功能，支持各類衛星系統的資訊聯通、時空融合、服務暢通。
（二）技術體系
PNTRC 建設涉及平台與載荷、資訊傳輸處理服務、支撐保障三方面的七大關鍵技術攻關： 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。
PNTRC 作為北鬥衛星的增強系統，用於提升北鬥系統的即時導航定位精度； 作為天基通訊網的接入節點，采用天基網路的星間、星地鏈路傳輸數據，支持天基通訊衛星套用效能的充分發揮；作為高分辨率衛星系統的有益補充，進一步提高遙感資訊響應時效性。擬建系統和在軌系統之間的關聯關系見圖 1。
圖 1 PNTRC 與其他天基系統的邏輯關系
1. 與衛星導航系統的關聯關系
PNTRC 既是現有全球導航衛星系統（GNSS）的使用者，又是現有 GNSS 的擴充套件和補充。 一方面，低軌衛星導航增強系統、成像數據在軌處理系統需要接收導航衛星發射的衛星導航訊號，用於計算精密軌域和精密時間同步；另一方面，低軌衛星導航增強系統也能自主生成測距訊號並與現有的衛星導航訊號聯合定位，進一步提升現有衛星導航訊號系統的服務效能。低軌衛星距離地面近、訊號空間衰減小、幾何位置變化迅速，有利於縮短精密定位的收斂時間。
2. 與衛星通訊系統的關聯關系
「十三五」時期，國家「天地一體化資訊網路」重大工程啟動實施，中國航天科技集團有限公司正在建設「奇洛基」網路，中國航天科工集團有限公司正在建設「虹雲」網路。這類衛星通訊網路將為PNTRC 提供關鍵的天基數據傳輸通道。 P NTRC 衛星配置了星間傳輸鏈路，可作為衛星通訊網路的接入節點，進行海量高分辨率數據的快速傳輸。
低軌通訊衛星可為 PNTRC 導航增強載荷提供搭載平台： 軌域高度在 1000 km 左右，組網後易於無縫對地覆蓋；導航增強載荷體積小、功耗低，對平台約束小。發揮低軌通訊衛星星座的軌域分布和平台特性，便捷搭載星基導航增強載荷，使得通訊 –導航增強的功能整合具有良好的工程實施性。
3. 與現有高分辨率遙感衛星系統的關聯關系
PNTRC 作為現有高分辨率遙感衛星系統的有效補充，可緩解甚至消除現有系統因衛星數量有限、依賴過境傳輸導致時效性不佳等問題， 從而顯著提升國家衛星遙感資訊系統的響應速度。仿真試驗表明，針對於全球覆蓋、「一帶一路」沿線區域的覆蓋需求，分別采用 200 顆、80 顆遙感衛星星座方案，即可實作分鐘級的高分辨率遙感資訊快速獲取。另外，PNTRC 衛星所配置的星間鏈路、在軌資料壓縮與快速處理等功能，使其具有接入衛星通訊網路來實作遙感數據快速回傳的能力。
（三）建設可行性
從關鍵技術、配套系統、國家政策等方面初步判斷，中國開展 PNTRC 建設的條件基本齊備，預計相關系統建設有望實作中國在空間科技領域的「彎道超車」。
（1） 中國亞米級高分辨率遙感衛星研制與處理套用技術已經基本成熟，為 PNTRC 建設提供了核心技術支撐。 近年來，相關技術領域取得一系列重大突破，例如：民用遙感衛星最高分辨率達到0.5 m，實作了大規模的業務化套用；高分辨率天基資訊的獲取和處理技術經過在軌驗證，已經進入工程套用階段。
（2） 低軌星基導航增強技術取得突破性進展，提供了增強北鬥系統導航精度、完好性、即時性的新途徑，進一步拓寬了北鬥系統已經基本形成的全球服務能力。 「珞珈一號」低軌導航增強在軌技術驗證表明，利用低軌衛星增強北鬥系統，可顯著提升其即時定位精度。
（3） 低軌衛星通訊網路發展勢頭迅猛，不僅為天基資訊快速傳輸提供數據傳輸通道，也為導航增強載荷提供了良好的搭載平台。 PNTRC 衛星可作為接入節點，依托在建的衛星通訊網路來實作海量高分辨率快速傳輸。1000 km 左右的軌域高度，為搭載載荷的任務設計、通訊 – 導航增強的功能整合設計提供了便利條件。
（4） 中國衛星研制和套用體系快速發展，國家政策提出新導向，賦予了 PNTRC 建設和產業化的前提條件。 隨著「高分專項」「中長期發展規劃」的穩步推進，中國套用衛星體系將更為完善。此外，「中長期發展規劃」明確提出了「支持民間資本投資衛星研制和系統建設」「鼓勵並支持有資質的企業投資建設規劃內的衛星」，國有、商業資本紛紛進入航天領域，商業衛星進入新一輪快速發展階段。這標誌著航天領域全面進入產業化發展這一新階段的到來，也為 PNTRC 的商業化執行提供了市場化資源。
五、對策建議
（一）按照「先局部、再區域、到全球」的路線圖，采取「三步走」發展策略
第一步，2020—2022 年，面向中國南海區域和粵港澳大灣區的天基資訊即時服務需求，發射約40 顆低軌高分辨率遙感與導航增強衛星；與現有天基通訊網和地面行動通訊網融合， 將即時天基資訊送達軍民使用者終端，保障特定區域內的國防和經濟建設需求。 與此同時， 應對未來全球系統建設亟需，匯集優勢資源和團隊，開展 PNTRC「卡脖子」技術的整合攻關和在軌驗證。
第二步，2023—2025 年，新增發射 120 顆智慧遙感與導航增強衛星， 建成覆蓋國土周邊和「一帶一路」沿線的區域性 PNTRC 服務系統。
第三步，2026—2035 年，新增發射 200 顆智慧遙感與導航增強衛星，建成全球性 PNTRC 服務系統； 與中國其他天基系統打通、融合，全面保障軍民使用者對天基制資訊權的需求，進而開創天基資訊全球大眾化、商業化套用的新局面。
（二）納入國家科技創新頂層規劃，采用共享共用的執行模式
在融合發展的背景下，PNTRC 的論證建設納入國家統籌管理，加強天基資訊服務軍民使用者需求和系統頂層設計的統籌協調。 創新計畫機制，吸引優勢單位，搶奪發展先機，力爭盡早建成和套用。註重市場規律，形成「平時采購、戰時征用」的系統執行模式，在確保國防需求的基礎上，更好服務國內經濟建設和社會民生，同步開拓更大的全球套用市場。
（三）加強與現有和規劃中「通導遙」衛星及地面通訊系統的對接與融合
拓寬星基導航增強載荷的搭載渠道，與已規劃立項、尚處規劃中的低軌天基系統的衛星平台進行功能對接。 與北鬥系統功能融合以提供高精度即時導航服務，破解海外建設地基增強站受限的難題，全面提升北鬥系統的軍民套用效能。加強與下一代行動通訊網、互聯網、天地一體化定位導航授時資訊網路的介面對接和套用場景融合，重點保障天基遙感資訊即時傳輸到軍民使用者智慧終端的能力需求。透過「天基資訊上手機」，為全球使用者提供便捷、泛在的通訊、導航、遙感資訊服務。
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。
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。
