发展天地一体化信息技术推动卫星应用产业升级转型

· 文|中国航天科技集团公司卫星应用研究院 王海涛 韩治刚 傅俊明

发展天地一体化信息技术推动卫星应用产业升级转型

· 文|中国航天科技集团公司卫星应用研究院 王海涛 韩治刚 傅俊明

从我国卫星应用产业发展现状出发，对国内外天地一体化信息系统和技术的最新进展、发展趋势以及应用前景进行了研究分析。通过分析国内差距，提出我国天地一体化信息技术和网络发展的几点建议。

天地一体化信息技术 体系规划与仿真 标准体系 信息融合 信息安全

一、 引言

太空域和信息域是国家经济发展和军事斗争的两个重要战略制高点。目前我国在轨运行空间飞行器近百颗，覆盖了导航、通信、遥感、中继、深空探测、载人航天等所有领域，地面已配套规模庞大的卫星运控站、测控站、接收站、上行站、监测站等地面站网系统，形成了广泛应用于军事、行业、区域的卫星应用产业。

空间信息资源已成为各个国家的重要战略资源。天地一体化信息网络以其战略性、基础性、带动性和不可替代性的重要意义，成为发达国家国民经济和国家安全的重大基础设施，其所具有的独特位置与地域优势以及特有的信息服务能力，可带动新兴产业的发展，形成具有巨大潜质的核心竞争力和民族创造力。

空间技术和卫星应用的天地融合不仅是信息化的重要内容、产业融合的重要特征，同时也是产业创新的重要方式、新型工业化发展的重要途径。大力发展天地一体化信息技术，是提升我国卫星及其卫星应用产业核心竞争力、加速推动空间信息产业升级转型的必要途径。

二、国内外空间信息产业对比

近几年，全球卫星产业（包括卫星运行服务业、地面设备制造业、卫星制造业和发射服务业）收入持续增长。据美国卫星工业协会（SIA）发布的《卫星产业状况报告》，2009年以前保持年均增长率超过10%，2009年以后受全球金融危机影响，年均增长率减小到5%～7%，如表1所示，但仍远超全球经济表现。卫星产业的4个分支行业中，卫星应用产业（卫星运营服务、地面设备）所占比重近90%。

表1 2008—2013年全球卫星产业收入规模统计及预测表 亿美元

我国非常重视卫星应用技术与产业发展。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》在国民经济和社会发展全面提升科技支撑能力的11个重点领域和62项优先主题中，与天地一体化信息技术有密切关系的占了相当的比重。随着空间基础设施的完善和新技术的更新应用，近几年我国卫星应用产业飞速发展，近5年年增长率20%，智慧城市、物联网、车联网等概念的提出和项目的实施，将极大地促进我国信息化建设的高速发展。随着北斗卫星导航系统、高分辨率对地观测系统等国家重大专项的实施，我国卫星应用体系将不断健全，卫星应用产业将得到更加迅猛的发展。

与美欧等航天强国相比，我国卫星应用产业仍然存在较大的差距，呈现天“大”地“小”的现状特点。根据卫星研制业务规模，以及各种卫星应用业务估计数据，推算我国卫星研制业务与卫星应用业务的比值大概在1∶3，相对发达国家的1∶9有着较大的差距。

三、天地一体化信息系统及技术发展趋势分析

1．天地一体化信息系统发展趋势分析

天地一体化信息系统是由多颗不同轨道上、不同种类、不同性能的卫星形成星座覆盖地球，通过星间、星地链路将地面、海上、空中和深空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合，采用智能高速星上处理、交换和路由技术，面向通信、遥感、导航信息，按照信息资源的最大有效综合利用原则，进行信息准确获取、快速处理和高效传输的一体化高速宽带大容量信息系统。

天地一体化信息系统由卫星平台、有效载荷、传输链路、地面系统组成。

卫星平台一般由结构与机构、热控、姿轨控、数据管理、供配电、测控等部分组成，主要为有效载荷提供稳定的电源、姿轨控、热控、数据管理等服务功能。国内外已经形成了小、中、大型规模，轨道覆盖低、中、高轨需求的卫星平台。卫星平台向通用化、柔性化、模块化、高功率、高集成度等方向发展，更好地支持有效载荷能力提升和产业化发展。

有效载荷是直接执行特定卫星任务的仪器，包括遥感探测、通信转发、导航定位、空间实验、深空探测等类型，与卫星平台、传输链路存在紧密的耦合关系，直接影响天地一体化信息系统的应用效能。随着用户需求能力的提升，有效载荷种类越来越多，功能越来越复杂，性能越来越高，载荷处理技术能力越来越强，信息量越来越大。

传输链路是指从发送端到接收端的信息传输环节，分为星间链路、星地链路和地面网络三类。随着空间飞行器的不断增多，空间电磁环境越来越复杂、电磁干扰越来越多，传输环境对传输链路影响越来越大，传输链路向高安全高可靠发展。

地面系统是指完成卫星运行控制，信息接收、处理、分发等多种支持功能的系统集合，是发挥卫星应用效能的地面基础环节。随着卫星种类和数量的增多，空间信息量的增大，卫星地面系统向综合服务能力不断提升、多源异构海量信息管理能力不断增强、终端服务模式和手段多样化、信息服务安全性要求高方向发展。

天地一体化信息系统各环节紧密耦合、相互作用，对卫星应用效能产生直接影响。近期个别卫星出现的动偏转零偏带来测距误差偏大、遥感图像出现杂光等在轨异常，造成系统定位精度下降，遥感图像不满足指标要求等问题，充分体现出开展天地一体化信息技术研究，从体系、系统层面进行总体把握的重要性。

2．我国天地一体化信息技术与航天强国差距分析

近几年，世界各国更加重视空间信息资源的建设与应用，卫星应用逐步由军事和政府部门应用为主向经济和社会发展服务为主转变，卫星应用正进入迅猛发展阶段。我国天地信息技术的融合已形成一定基础，特别是地理信息与位置服务已出现规模化的良好发展势头，但总体上与国际先进水平相比仍有较大差距。

（1）天“大”地“小”，应用不足

美欧等航天强国非常重视以卫星应用为导向，推进天地一体化建设和产业化发展，逐步进入多系统融合、多业务集成、体系化发展和全球服务的新阶段。美国的军事电子信息系统在伊拉克战争、追踪本拉登等军事行动发挥了重大作用，其民用的GoogleEarth等系统在国民经济建设中发挥了重要作用。通过空间信息的应用，也促进了空间技术的发展。

相对而言，我国卫星应用的发展体系不够完善。我国卫星产业正处于“试验应用型”向“业务服务型”转变过程中，长久以来都在解决对空间环境和空间技术的认知、理解和掌握问题，推动卫星产业发展的原动力主要是政治以及技术进步和创新。近些年来，随着空间基础设施的增多（当前达百颗），才开始更加关注卫星应用效能，强调以卫星应用需求为牵引，重视天地一体设计研制和应用；但长期以来所形成的空间信息孤岛，用户单位、规划单位和建设单位之间分建联用等问题，导致我国卫星及其应用产业的整体规划体系不完善，极大地影响了卫星应用产业的发展。

（2）顶层规划不足，效能评估和仿真手段欠缺

美欧等强国非常重视空间体系顶层规划和统筹应用，利用卫星体系协同工作，以最小资源配置来最大程度满足多用户需求。如法国昴宿星计划（Pléiades）对典型多用户需求进行综合分析，推导卫星初步设想方案。美国在进行陆地卫星数据连续任务（LDCM）卫星方案论证时，充分考虑现有Landsat卫星的能力和未来美国地质调查局（USGS）的需求，进行任务需求的综合论证。我国一直是以单星/特定星座满足相对单一的用户需求，缺乏多用户多任务综合统筹机制，难以进行卫星体系的协同应用，最大限度地发挥体系应用效能。

美欧等航天强国通过集成多种数据资源（地球场景、卫星、轨道、载荷、飞行任务等），构建体系仿真、演示验证、效能评估工具平台，实现对空间任务以及卫星系统、地面系统的规划设计，有效降低实施风险，保障任务实现。通用的如STK软件，专用的如OrbView-3使用的ODTK，GMES系统使用的FlexPlan软件等。2012年，我国发改委、财政部、国防科工局牵头组织论证《空间基础设施中长期发展规划》，才开始从卫星体系规划牵引空间基础设施建设，但由于缺少体系仿真工具和能力，只能进行定性的仿真和评价，无法较为精确定量地评估体系是否满足用户需求。

（3）制约卫星应用能力的核心技术差距明显

卫星遥感应用领域向高光谱分辨率、高空间分辨率、高时间分辨率方向发展，满足不同用户多样化谱段特性、多层次地面分辨率、快速应急响应的需求。目前美国军用遥感卫星空间分辨率优于0.1m，商用的WorldView-2等敏捷卫星机动能力强，其重访周期短，我国遥感卫星差距明显。

卫星导航应用领域向高动态抗干扰、高精度新信号体制、高速星间链路、自主完好性监测方向发展，满足不同用户多系统兼容、实时高精度位置服务的需求。国外已建成WAAS、EGNOS、StarFire等多种增强系统，可为商业用户提供从亚米级到毫米级定位服务，具备同时抵抗20个干扰源的终端抗干扰能力。我国目前尚需依赖GPS实现局部区域的高精度服务，基于北斗高精度系统服务技术正处于攻关阶段。

卫星通信应用领域向多谱段（微波、太赫兹、激光）传输、认知无线电技术方向发展，满足不同用户宽带应急通信、卫星多媒体广播、全球无缝个人通信的需求。国外的宽带大容量卫星通信系统已可支持百万量级用户接入，国内目前仅具备一万个用户终端支持能力。国外卫星移动通信全球覆盖、区域覆盖齐备，国内正在开展国产的卫星移动通信系统技术攻关。

这些领域差距明显，同时，维持卫星业务化运行的工业基础尚不牢固，极大地制约了卫星应用能力的提升。

（4）缺少统一标准体系

标准体系是天地一体化信息系统星地、星间、地面间数据交换与信息共享的基本前提。我国在天地一体化信息网络的部分重要领域（如空间网络、地面网络）已经制定了部分技术标准，为天地一体化信息网络的建设奠定了较好的基础，但一部分技术标准待进行规范和制定（如天地链路/星间组网、信息安全等），不能够满足天地一体化信息网络建设的基本需求，需要加大工作力度。

（5）信息融合缺乏，综合应用不够

信息融合、深加工、大数据挖掘能力不足。目前的云存储技术，能够独立解决结构化、非结构化、半结构化数据的存储问题，但是，海量数据云存储仍然停留在以数据中心为载体的局部数据存储与管理层面，缺乏跨数据中心的全局数据融合存储与对异构数据(结构化、非结构化、key-value等类型)归一化建模与管理能力，在空间信息网络的应用理论和实践有待进一步研究。

（6）信息安全自主可控能力不足

我国在天地一体化信息与网络安全技术总体上与国家安全需求有较大差距，迫切需要从空间段、地面段、仿真验证评估和标准体系等方面统筹考虑、体系研究、专项建设，提升天地一体化信息系统的整体安全效能。

1）传输链路（星间通信、星地通信、卫星与飞机导弹等其他平台通信数据链）抗干扰、抗截获、抗欺骗能力不够。

2）空间基础设施的安全稳定运行能力不足，信息传输全过程加密体系不完善，缺少统一的规划和标准。

3）地面信息网的监测预警、主动防御等安全运行能力不够。

4）自主可控的核心技术和产品缺少应用支持，安全芯片、网络设施（如核心交换机等）、操作系统、数据库系统等关键产品和高端服务依赖进口，后门与隐患多。

5）缺乏天地一体化信息网络安全的仿真、验证和评估能力。

四、我国天地一体化信息系统发展的建议

我国卫星应用亟需改变追赶航天强国发展模式的现状，结合自主业务需求，解决好规划落地问题，解决好空间系统建设与应用协调发展的问题，实现空间信息应用由“试验应用型”向“业务服务型”转变。对我国天地一体化信息系统的发展有以下几点建议。

（1）统筹规划，合理布局

坚持需求主导，以应用带动发展，以技术创新促进应用，在卫星应用的各环节，做到“天地协调、统一规划、合理分工、扩大应用”。

目前我国在轨卫星达百颗，预计“十三五”超过二百颗，涵盖通信、导航、遥感、深空探测等多个领域。为更加高效和集约化地应用空间信息资源，需从应用需求出发，建立和优化多源卫星系统架构，科学规划空间体系，构建天地一体化链路仿真模型和数字化虚拟空间体系环境，满足当前和未来我国空间异构、多源卫星组成的复杂系统的规划、设计、分析和应用需要，在需求牵引、技术引领和产业带动方面发挥出空间系统的优势和作用。

（2）标准先行，信息共享

制定和推广天地一体化信息系统标准体系规范，最大程度地促进和扩大天地信息共享，确保卫星应用发挥出最大的效益。

以完整性、逻辑性、开放性为构建原则，从系统的角度出发，形成完整的体系，能够无缝衔接、与时俱进、动态扩展，适应技术的发展。从建设完备天地一体化信息系统的需求出发，通过深入分析现行标准与实际天地一体化信息系统所需标准之间的差距，结合我国的战略安全需求，遵循“统一标准战略、建立标准体系、突破重点领域、领航国际标准”的工作原则，按照“统一体系、分工负责、急用先行、引领国际”的工作思路，形成我国天地一体化信息系统技术标准体系。

（3）信息融合，深化应用

建设统一的天基资源整合、规划及信息融合应用平台（天基资源保障平台），提供天基资源融合应用支撑能力。

通过对多用户的多样性用天信息需求的建模，结合跨区域多中心基础设施、数据、应用、服务等多要素融合框架的研究，探索空间信息融合方法，开展天地一体化网络协议融合、网络管理、交换和路由技术的研究，实现面向信息融合的天地信息网络互联与集成；利用云计算技术，实现多种类型异构空间信息的高效融合应用，涵盖空间信息的传输、存储、处理与安全信息服务等多个关键环节；发展大数据挖掘、信息融合与信息载体技术，实现空间信息大数据时代的综合应用。

（4）体系安全，自主可控

开展天地一体化信息系统安全体系建设。进行关键技术研究、自主可控产品研制、安全系统建设和仿真验证。

打造具有主动防御、监测预警、隐患发现、应急响应等能力的天地一体化信息系统平台；研制基于国产自主可控技术的抗干扰卫星通信、天空地一体化数据链安全、卫星密码通信、智能增益控制、地面站安全管理、航天器测控运控一体化安全和卫星通信信息防篡改等系统产品，形成我国天地一体化信息网络的配套安全系统和产品体系；突破轻量化算法芯片、量子通信、激光通信、太赫兹通信等未来空间信息网安全通信核心技术；搭建信息安全系统仿真验证与评估系统。

五、结束语

空间信息资源是重要战略资源，如何占据空间的“制信息权”，关系到国防安全、国土安全、经济安全和公共安全的根本利益。一体化天地信息技术是保持自立于国际社会的大国地位重要支柱，是进一步提升我国作为世界强国的基本保证。

作为天地一体化信息技术国家重点实验室的依托单位，以及空间信息服务和卫星应用的总体单位，中国航天科技集团公司卫星应用研究院一直致力于研究天地一体化信息技术，为天地一体化信息系统与仿真、空间信息高精度处理、空间信息融合等基础理论与方法研究提供平台；优化天地协同信息系统建设，提升综合应用效能，带动卫星应用及相关产业发展；为天地一体化信息技术研究交流提供平台，为相关人才培养提供重要支撑。卫星应用研究院着力打造天地协同工作模式，面向市场需求，开展天基系统和地面应用系统论证，全力推进卫星应用产业新发展。

[1]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告[EB/OL].（2011-12-11）[2013-11-18]http://www.beidou.gov.cn/ zcbdg.html

[2]孙家栋.北斗导航系统发展之路[J].太空探索，2010（7）:30—32

[3]沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想.中国工程科学，2006，8（10）：19—30

[4] DoD Architecture Framework Working Group．DoD Architecture Framework Version 1.0 Volume I[R]．2004-02-09

[5] DoD Architecture Framework Working Group．DoD Architecture Framework Version 1.5 Volume Il[R]．2007-04-23

[6] Greg Giaquinto, Richard Sterk. Distributed Common Ground Systems（DCGS）[J]. Forecast International，2011，11：19—35