戰略研究丨我國天基信息系統發展現狀及未來展望

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, 張豔松, 李德仁, 王禮恆, 王崑聲，徐源

來源：我國天基信息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

天基信息系統是利用遙感、導航定位與通信等技術手段，實現對地球表面自然景觀和人類活動實時觀測的衛星應用系統。作為獲取信息資源的重要手段，天基信息系統服務於國防和經濟建設，正朝著一體化、動態化、實時化、智能化方向發展。

中國工程院院刊《中國工程科學》刊發《我國天基信息系統發展現狀及未來展望》，立足中國航天長遠發展，以文獻調研、專家諮詢為研究手段，梳理與總結了國外天基信息系統發展現狀，凝練我國在本領域的政策、產業、裝備和技術發展情況，並對天基信息系統的未來發展趨勢進行概括。文章重點分析了我國天基信息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信息系統資源，健全法律法規來引導天基信息系統產業發展，突出技術創新來建設天基信息實時服務系統，創新發展理念來構建天基信息實時服務。

一、前言

天基信息系統是利用遙感、導航定位與通信等技術手段，實現對地球表面自然景觀和人類活動實時觀測的衛星應用系統。作為當前建設熱點的天基信息實時服務系統，由數百顆具有遙感、導航與通信功能的低軌衛星組成天基網，與高解析度遙感衛星、新一代衛星導航系統進行異構協同，與衛星通信網、地面網際網路、移動網進行整體集成，旨在實現全球高時空解析度的數據採集、高精度實時導航定位和寬帶移動通信。

天基信息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，也是當前最具輻射力和拉動力的高技術領域與戰略性新興產業。研究、建設、利用和推進天基信息系統發展，一直是世界航天大國未來發展的戰略目標。例如，天基信息實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，有關天基信息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，作戰指揮控制應用，系統故障處理，軍民功能集成服務體系構建等。從宏觀層面著手、分析天基信息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信息系統的發展現狀及趨勢，研究分析我國在本領域存在的問題，進而論證提出建設我國天基信息實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鑑。

二、國內外天基信息系統發展情況分析

（一）國外情況

天基信息系統具有信息制高點的獨特優勢，在作戰指揮、深空探測和導航測控等方面得到廣泛應用，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信息系統，開展概念研究、體系設計與技術驗證，並從國家戰略、運行機制、商業模式等方面推動應用創新。

1. 制定發展戰略，通過國家力量推動天基信息系統發展

航天大國高度重視天基信息系統，通過國家戰略推進系統的建設和發展。美國制定了「國家天基信息系統戰略」，通過開發和部署覆蓋全球的實用型天基信息系統，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》等天基網絡系統規劃，確定了包括「重點發展天基信息和通信服務」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，建立數量和質量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項目，逐步完善天基信息系統建設。

2. 優化體制機制，統籌協調國家部門管理和產業發展

航天大國在天基信息系統領域均採取政府高度集中管理的模式，以此管控系統建設、統籌各類信息資源。根據衛星特點、應用需求和部門分工，建立了相對完整、涉及多類衛星的投資、建設和應用體制。以美國為例，2004年發布《美國國家天基定位、導航和定時政策》文件，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；天基信息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，保持天基信息系統先進性和穩定性

航天大國不斷採用科技創新成果來優化天基信息系統，使系統的穩定性和服務能力不斷提升。

①研製新型衛星，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），被視為天基信息系統的能力拼圖；

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、兼容性等方面開始協作；

④加強與新技術的融合，協同觀測、新體制通信、在軌實時處理、天基信息融合處理、安全防護等一系列新興技術獲得應用與整合，使得天基信息系統應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

航天大國通過天基信息系統的應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，向用戶提供定位、導航和授時等免費的時空基準服務；

②商業服務，天基信息系統與各種行業技術結合後推廣應用，如基於位置信息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應用協同，提高傳統服務穩定性，創造新型應用模式，在船舶航行、機車操作、交通導航和機器人應用方面展現出前景；

④公共控制服務，利用天基信息系統的專有頻段，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，我國天基信息系統實現了「從無到有、從有到優」的技術跨越。亞米級高解析度遙感衛星的研製與應用技術已經成熟；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；低軌靈巧通信衛星研製取得技術突破，低軌衛星通信網絡發展勢頭穩健；形成較為完善的衛星研製和應用技術體系，具備天基信息實時服務系統建設、示範應用與產業化的基礎條件。

1. 我國衛星綜合能力大幅提升，體系健全

截至2019年10月，我國在軌衛星總數為323顆，僅次於美國。包括商業航天在內的衛星研製、運營和應用體系較為完善，通信/遙感/導航衛星的體系化和型譜化發展態勢良好，衛星應用體系覆蓋國家安全、國民經濟的眾多方面，契合國情、具有特色的天基信息系統初步成型。

2. 國家出臺多項政策引導天基信息產業發展

近年來，我國相關部門發布了《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」空間信息走廊建設與應用的指導意見》等若干政策文件，從國家政策角度來引導天基信息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應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. 我國天基信息產業處於快速成長期，發展前景良好

分析我國的衛星應用市場，產值集中在以車載、手持、指揮型等終端設備為代表的產業鏈中遊（約佔60%），而以特殊需求、個性化服務為代表的下遊（約30%）和以晶片、板卡、天線為代表的產業鏈上遊（約10%）的佔比均較小。這表明，我國衛星應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信息產業有望繼續擴大應用範圍，尤其是下遊應用市場將快速發展。預計到2025年，我國下遊服務市場佔比將達到50%，系統集成和終端等中遊產業佔比將下降至40%，數據、晶片市場等上遊產業佔比將穩定在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年我國天基信息市場可達7365億元，其中導航市場為6300億元，通信市場為950億元，遙感市場為115億元（見圖1）。

圖 1 我國天基信息市場發展情況（2010—2025年）

4. 我國衛星技術快速發展，部分關鍵技術比肩國際前沿

高解析度對地觀測、低軌衛星導航增強、低軌衛星通信等技術發展迅速，先後取得重要突破。

①在相關國家科技重大專項的推動下，高解析度遙感衛星研製與應用技術體系已經成熟，開展了較大規模的業務化應用。

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、完備性和實時性大幅提升。

③「珞珈一號」等衛星應用實踐表明，低軌衛星可輔助增強北鬥系統性能，將實時定位精度從 5~10 m提升至亞米級。

④我國低軌通信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「鴻雁」「虹雲」工程建設，實現了基於星間鏈路的寬帶數據傳輸能力，為天基信息提供了數據傳輸通道，也為導航增強載荷提供了搭載平臺。

三、天基信息系統發展趨勢分析

隨著空間技術的發展和太空需求的提升，世界天基信息系統呈現出以下發展趨勢：

①天基信息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現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融合先進地面網絡技術，在各衛星節點上協同應用天地一體化的路由、服務和控制技術，支持系統的實時化智能化信息服務；

④瞄準國防應用需求，注重核心節點衛星的骨幹網絡功能、戰術小衛星多功能綜合之間的協同與匹配發展。

相比之下，我國天基信息系統立足國情、自主研發，所具有的特色發展趨勢為：

①注重天基信息系統綜合能力，提高大容量高速率傳輸、系統智能調度、系統間綜合管控和信息服務保障等的技術水平；

②重點突破核心關鍵技術，如衛星雷射通信、空間 IPv6、星間鏈路和衛星星座技術等；

③遙感、導航和通信等衛星應用技術趨於融合，用於支撐實時化、智能化、網絡化、一體化的天基信息功能實現（見圖 2）；

④信息技術的高速發展，引發天基信息與地面信息集成技術的深度融合，拓展了天基信息產業的廣度和深度。

圖2 天基信息系統實時智能服務模式示意圖

四、我國天基信息系統發展存在的問題

當前，我國正處於由航天大國向航天強國邁進的關鍵時期。與發達國家相比，我國應用衛星的水平和衛星應用產業的發展仍有不小的差距，導致天基信息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

我國現有的通信、導航、遙感衛星系統各成體系，使得系統孤立、信息分離、服務滯後。一方面，衛星數據共享及應用發展領域的統籌協調力度不夠，信息安全保障不足；另一方面，部門和行業的衛星專用通信網還無法實現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

我國天基信息系統領域尚未形成完善的法律法規與產業政策體系，特別是通信 / 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，制約了天基信息產業的發展。

（三）技術能力方面無法滿足創新需求

我國現有的天基信息技術尚不具備快速、精確、靈活且面向全球的信息保障能力，無法完全滿足國家經濟建設、國防安全的需求。一方面，天基信息系統的建設涉及航天、信息、測繪、通信、人工智慧等領域，裝備體系複雜，技術攻關難度較大；另一方面，我國天基信息技術發展仍受到核心元器件、專用晶片、數據處理軟體等的制約，亟需在信息科學、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

我國天基信息產業的規模和層次尚處於初級發展階段，衛星應用水平不高，大規模的專業市場有待建立，信息應用模式單一，商業化大眾服務的格局尚未形成。另外，我國天基信息產業呈現出了由高技術專用網絡向網際網路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、優化和完善。

五、關於我國天基信息系統發展的建議

（一）完善體制機制，統籌建設天基信息系統資源

統籌天體一體化，使衛星系統與地面應用系統的建設緊密銜接，有效提升衛星應用的整體效益。

一是統籌規劃建設，改變「重天上、輕地面」的現狀，推進衛星應用與空間系統之間的協調發展，提升產品質量和服務的時效性。

二是創新管理機制，完善衛星系統的綜合觀測、星地一體化調度、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，充分釋放衛星應用綜合效益。

三是創新衛星應用的共享機制，破除制約衛星數據共享及應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信息資源，避免重複建設、提高使用效率。

（二）健全法律法規，引導天基信息產業發展

為全面推進我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信息基礎設施發展的政策與措施，營造天基信息產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，建議圍繞產業應用，對現行法律和法規進行必要的調整和優化，健全法規標準體系，設置行業準入制度，推出鼓勵公平競爭的條款，逐步建立天基信息系統的互聯標準及共享機制。

（三）突出技術創新，建設天基信息實時服務系統

建設天基信息實時服務系統，保障全球範圍的動目標實時跟蹤、固定目標實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，開展天基信息智能獲取平臺與載荷、天空地一體化信息處理、智能天基信息應用三大系統聯合研發；實施低軌星基導航增強、天地一體化網絡通信、多源成像數據在軌處理、天基信息智能服務、天基資源調度與網絡安全、多載荷集成一體化平臺、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，構建天基信息實時服務系統

面向日益增長的市場需求，建議準確把握世界天基信息系統及技術的發展趨勢，創新開展我國相關系統的建設與運營。通過集成我國現役通信衛星系統、導航衛星系統、遙感衛星系統、地面網際網路、行動網路等資源，科學論證並補充發展必要的增量系統，儘快構建我國天基信息實時服務體系，實現導航、定位、授時、遙感、通信一體化實時服務。我國自主建設天基信息實時服務系統，不僅可以搶佔天基信息服務這一重大領域的戰略制高點，還是推動國家數字經濟發展的重要舉措。

註：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文。

作者介紹

李德仁，攝影測量與遙感學家，中國工程院院士。

長期從事遙感、全球衛星定位和地理信息系統為代表的地球空間信息學的教學研究，提出了處理測量誤差的可靠性和可區分理論和空間數據挖掘理論。

王禮恆

，飛彈動力技術和航天工程管理專家，中國工程院院士、國際宇航科學院院士。

長期從事飛彈動力研究和航天工程管理。主持我國第一個海防飛彈固體發動機的研製，成功用於反艦飛彈，取得重大技術跨越；實現了首次一年發射5顆衛星全部成功；領導和組織試驗飛船、運載火箭的研製與試驗，完成了神舟一號、二號的發射和回收；實現了國防重點武器裝備首飛及試驗連續成功，完成了新型號立項及重要階段研製任務，實現了五種新型衛星首次發射均獲成功。領導和組織完成了多項重大航天工程的立項與實施，積極推進航天工程管理創新，為我國航天事業的持續發展做出了重大貢獻。

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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。