3S集成，德國(guó)老師沒想到

1989年，兩德合并，這一年，美國(guó)政治學(xué)者福山寫下《歷史的終結(jié)？》，向新自由主義山呼萬(wàn)歲。

1991年，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)激戰(zhàn)正酣，在“沙漠風(fēng)暴”行動(dòng)中，以美國(guó)為首的多國(guó)部隊(duì)空襲伊拉克，在GPS支持下的“處刑”向全球直播。

這一年，李德仁回國(guó)了。

他從未想過(guò)回國(guó)之外的選項(xiàng)， “我跟我的愛人，我們倆很清楚，中國(guó)科學(xué)家要發(fā)揮你的能量，回國(guó)為自己的祖國(guó)做，是可以發(fā)揮到極致。”

回國(guó)后，李德仁接到第一個(gè)任務(wù)——在有地雷的地區(qū)為中國(guó)和某鄰國(guó)邊界測(cè)圖。

綿長(zhǎng)的邊界線或隱于茫茫群山，或分布在險(xiǎn)峻之地，如何在短時(shí)間內(nèi)迅速摸清情況？如果要靠人腿去趟地雷，既費(fèi)力，又危險(xiǎn)。

李德仁提出“把GPS放到飛機(jī)上”。運(yùn)用“GPS空中三角測(cè)量”技術(shù)，他很快完成了無(wú)須地面控制點(diǎn)（GroundControlPoints，指一組在地面上已知的精確位置）的邊界測(cè)圖任務(wù)。

他的思路，仍然是系統(tǒng)集成式的。

這次，是把全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS，包括美國(guó)的GPS系統(tǒng)）、遙感技術(shù)（RS）、和地理信息系統(tǒng)（GIS）三種既有技術(shù)進(jìn)行集成，就是后來(lái)所說(shuō)的“3S集成”。

本來(lái)，這三個(gè)“S”是分開工作的，GNSS負(fù)責(zé)“點(diǎn)”，遙感負(fù)責(zé)“面”，先通過(guò)GNSS提供的位置數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定地面控制點(diǎn)，然后通過(guò)遙感技術(shù)高效率獲得整個(gè)面的情況，最后在GIS系統(tǒng)上進(jìn)行點(diǎn)面結(jié)合的數(shù)據(jù)分析，并整合形成結(jié)果。

能不能三步并一步呢？難，但可以做到。主要是在當(dāng)年的技術(shù)條件下，保證飛機(jī)在高速飛行和照相時(shí)，機(jī)上不丟失GPS信號(hào)。

時(shí)間同步也是個(gè)大問(wèn)題，GPS的原理是測(cè)量信號(hào)從衛(wèi)星到接收器的傳播時(shí)間，計(jì)算出與每顆衛(wèi)星的距離，即使是微小的時(shí)間誤差也會(huì)謬以千里。

通過(guò)突破慣性導(dǎo)航與傳感器集成的時(shí)間同步與精確標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)，李德仁團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出3S集成的航空遙感與低空無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取與實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。

后來(lái)有一次，李德仁與阿克曼教授、格拉發(fā)倫特教授聚會(huì)，兩位德國(guó)教授在同一所大學(xué)供職，一個(gè)搞大地測(cè)量，一個(gè)搞遙感，聊到“三S集成”，他們相視而笑，說(shuō)，我們兩個(gè)為什么沒有搞集成呢？

這或許是一個(gè)思維方式的問(wèn)題。

同時(shí)，當(dāng)時(shí)美西方對(duì)我們長(zhǎng)期限制，面對(duì)國(guó)內(nèi)元器件不好、系統(tǒng)誤差偏大的問(wèn)題，我們習(xí)慣了用軟件的優(yōu)勢(shì)、系統(tǒng)的理論來(lái)將其校正，也應(yīng)是重要因素。

1989，李德仁（左二）隨導(dǎo)師王之卓（右三）訪問(wèn)德國(guó)柏林工大學(xué)領(lǐng)取金博士獎(jiǎng)。長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)

目標(biāo)分辨率：0.5米，3分鐘

正對(duì)李德仁的辦公桌，一幅“汶川地震唐家山堰塞湖三維暈渲地形圖”在墻上掛了十幾年，有一種臥薪嘗膽的意味。

2008年汶川地震時(shí)，當(dāng)時(shí)美國(guó)有400顆衛(wèi)星，我們只有20顆，遙感衛(wèi)星分辨率只有3米，獲取第一幅衛(wèi)星影像花了36個(gè)小時(shí)，震中都找不到，耽誤了寶貴的救援時(shí)間，“……我們做了一輩子遙感，卻不能滿足抗震救災(zāi)的要求，我們有愧呀！”

事實(shí)上，當(dāng)時(shí)遙感技術(shù)仍然在救災(zāi)中發(fā)揮了不小的作用，唐家山在地震中被削去一半，形成蓄水近3億立方米的懸湖，一旦崩塌，將給綿陽(yáng)等地幾百萬(wàn)人帶來(lái)巨大災(zāi)難。到底該怎么辦，相關(guān)部門決策困難。

緊急關(guān)頭，李德仁主動(dòng)請(qǐng)纓趕赴汶川，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用航空遙感對(duì)唐家山堰塞湖地形進(jìn)行了掃描，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，他們認(rèn)為唐家山堰塞湖雖險(xiǎn)，但依然是穩(wěn)固的，可以用明渠導(dǎo)流的辦法排除風(fēng)險(xiǎn)。團(tuán)隊(duì)將這些數(shù)據(jù)呈報(bào)給抗震救災(zāi)指揮部，為正確處置險(xiǎn)情提供了科學(xué)依據(jù)。

每每談及此事，他的表現(xiàn)就像解放軍的“火力不足恐懼癥”。

“2013年蘆山地震時(shí)，獲取第一幅衛(wèi)星影像時(shí)間縮短到10個(gè)小時(shí)；但是2015年天津港爆炸時(shí)，獲取第一幅衛(wèi)星影像時(shí)間仍然花了12個(gè)小時(shí)，損失了黃金救援時(shí)間；”在2018年8月的第十六期錢學(xué)森論壇上，李德仁院士說(shuō)道，“去年（2017年）九寨溝地震時(shí)利用了無(wú)人機(jī)，獲取圖像縮短到4個(gè)小時(shí)。但這還不夠……”

怎樣才夠呢？最終的目標(biāo)是全球0.5米空間分辨率，3分鐘時(shí)間分辨率的遙感網(wǎng)絡(luò)+亞米級(jí)的全球?qū)崟r(shí)導(dǎo)航定位精度+通信容量不低于600Gbps，支持高速移動(dòng)過(guò)程中的音視頻通話能力和遙感影像的接收能力的全球衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)：通導(dǎo)遙（通信、導(dǎo)航、遙感）一體。

今天，大家對(duì)SpaceX的“星鏈”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)耳熟能詳，也看到美國(guó)麥克薩科技（MaxarTechnologiesInc.）、行星實(shí)驗(yàn)室（PlanetLabs）和黑色天空（BlackSkyGlobal）等商業(yè)遙感公司的衛(wèi)星在俄烏戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮了重要作用，但通信與遙感，兩者仍是相對(duì)割裂的系統(tǒng)。

直到2022年12月，SpaceX提出將“星鏈”升級(jí)為“星盾”，試圖將通信與遙感星座融合到一起，今年5月22日和6月29日，首批20顆和第二批21顆“星盾”衛(wèi)星發(fā)射升空。

在李德仁看來(lái)，在通遙融合方面，我們并沒有落后，反而想在前面，也走在前面?！拔覀冎袊?guó)人不要由于過(guò)去落后，就習(xí)慣性地看外國(guó)人做什么咱們就跟著做什么。作為一名真正有志向的中國(guó)科學(xué)家，我們可以進(jìn)行創(chuàng)新引領(lǐng)，從0到1?！彼f(shuō)道，“通導(dǎo)遙一體”發(fā)展的思路，是他2006年最早在世界上提出的。

通導(dǎo)遙集成與中國(guó)院士“天團(tuán)”

為什么要“通導(dǎo)遙一體”一體呢？

舉個(gè)例子。非洲索馬里有海盜，為了保護(hù)中國(guó)船只安全航行，我們需要拍攝圖像。圖像拍到以后，原來(lái)是要等遙感衛(wèi)星從非洲上空轉(zhuǎn)到中國(guó)的上空以后，信息才能傳下來(lái)；傳下來(lái)之后，再用計(jì)算機(jī)軟件處理；處理完了，再通過(guò)通信衛(wèi)星傳上去。一系列操作下來(lái)，8個(gè)小時(shí)過(guò)去了。

現(xiàn)在我們計(jì)劃把通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星結(jié)合在一起，再把處理這個(gè)數(shù)據(jù)的方法——人工智能送到天上去，幾分鐘就可以將信息送到用戶手中，——仍然是系統(tǒng)集成的思維，但規(guī)模、需要克服的難題和需要調(diào)動(dòng)的資源不可同日而語(yǔ)。

李德仁在十六期錢學(xué)森論壇上發(fā)言《網(wǎng)信軍民融合》2018年12月刊

想法提出后，一個(gè)中國(guó)“院士天團(tuán)”進(jìn)行了論證。

2017 年，中國(guó)工程院批復(fù)了“天基服務(wù)信息系統(tǒng)（PNTRC）發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大咨詢項(xiàng)目。該項(xiàng)目以 17 位宇航、通信、導(dǎo)航、遙感、信息領(lǐng)域的兩院院士為骨干，以李德仁院士為項(xiàng)目組長(zhǎng)。

其中，星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)方面，請(qǐng)劉經(jīng)南院士牽頭；天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，請(qǐng)清華的陸建華院士牽頭，他研發(fā)了靈巧智能小衛(wèi)星，能用自適應(yīng)軟件控制衛(wèi)星運(yùn)行軌跡；多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)由李德仁院士牽頭，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)地面變化，提取處理后壓制傳輸，通過(guò)公用網(wǎng)絡(luò)送到地面手機(jī)上；天基信息智能終端服務(wù)技術(shù)請(qǐng)龔健雅院士牽頭；天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全請(qǐng)張軍院士牽頭，用以前做飛機(jī)調(diào)度的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)度衛(wèi)星；多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺(tái)請(qǐng)航天科技集團(tuán)的張慶君研究員牽頭，實(shí)現(xiàn)新一代小型化自動(dòng)化的一體化平臺(tái)；空天地一體化的非線性地球參考框架構(gòu)建由李建成院士牽頭。

該項(xiàng)目論證天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)、技術(shù)體系、可行性方案、運(yùn)行服務(wù)模式，提出我國(guó)未來(lái)PNTRC 系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略建議和建設(shè)路線圖。

最終，李德仁院士呈送建議，分“三步走”，最終建成一整套“空天信息實(shí)時(shí)智能服務(wù)系統(tǒng)”：

第一步，構(gòu)建局域服務(wù)系統(tǒng)（大灣區(qū)、南海、海南、珠江、長(zhǎng)江、黃河流域、京津冀）。發(fā)射50顆0.5m高分辨的低軌遙感/導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星（光學(xué)衛(wèi)星25顆、合成孔徑雷達(dá)（synthetic apertureradar，SAR）衛(wèi)星25顆）和1~3顆地球靜止軌道高軌通信衛(wèi)星，形成初級(jí)星座，目標(biāo)信息獲取優(yōu)于5分鐘，實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位精度為亞米級(jí)，具有90個(gè)波束覆蓋全亞太，每個(gè)波束出向帶寬最大1Gbps，入向200Mbps，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或廣播，落地后通過(guò)5G上手機(jī)。

第二步，構(gòu)建區(qū)域服務(wù)系統(tǒng)（中國(guó)及“一帶一路”沿線）。發(fā)射150顆低軌通信/導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星和150顆低軌多角度遙感衛(wèi)星（具備星間通信能力），形成中級(jí)星座，目標(biāo)信息獲取優(yōu)于5分鐘，實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位精度為亞米級(jí)，具有自適應(yīng)變帶寬，單波束最高速率達(dá)到40Mbps。其中，低軌通信衛(wèi)星可依托國(guó)內(nèi)具有星間鏈路的低軌通信星座發(fā)展計(jì)劃，如鴻雁、虹云等，并增加導(dǎo)航增強(qiáng)載荷。

第三步，構(gòu)建全球服務(wù)系統(tǒng)。在中國(guó)6G低軌通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中布設(shè)500~1000顆低軌遙感衛(wèi)星（具備星間通信能力），空間分辨率優(yōu)于0.5米，時(shí)間分辨率優(yōu)于3分鐘，實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位精度為亞米級(jí)，全網(wǎng)通信容量不低于600Gbps，支持高速移動(dòng)過(guò)程中的音視頻通話能力和遙感影像的接收能力。

這個(gè)宏大的藍(lán)圖，現(xiàn)在落地到哪一步了呢？前文提到的長(zhǎng)光衛(wèi)星“吉林一號(hào)”星座，它的進(jìn)程可以作為參考。

篇幅所限，我們?cè)俸?jiǎn)單舉個(gè)例子，講一下李德仁院士所在的武漢大學(xué)和煙臺(tái)市政府一起做的“東方慧眼”星座。

以下是“東方慧眼”星座“珞珈三號(hào)01星”運(yùn)用“凝視”功能拍攝的兩個(gè)實(shí)時(shí)視頻：

凝視視頻數(shù)據(jù)有什么作用？

“我們把相關(guān)信息提交給衛(wèi)星，它就可以實(shí)時(shí)分析捕捉出超速的汽車，跟蹤機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)運(yùn)行情況?！?

李德仁院士介紹，運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)分析了尼日利亞卡洛市的車流量監(jiān)控，昆明機(jī)場(chǎng)的靜態(tài)動(dòng)態(tài)飛機(jī)數(shù)量監(jiān)測(cè)，“如果將來(lái)發(fā)射200到300顆衛(wèi)星，就可以用于城市智能交通管理，或是機(jī)場(chǎng)的自動(dòng)化管理?！?

蘭州三維實(shí)景展示

提供三維立體數(shù)據(jù)也是“珞珈三號(hào)01星”凝視視頻的“絕活”。李德仁院士展示了一張2月14日拍攝并制作的我國(guó)西藏日喀則實(shí)景三維地圖。畫面右上角是綿延的土黃色的山，山腳下則是城市，每一棟建筑都是立體的，不仔細(xì)分辨會(huì)認(rèn)為是航拍照片。

目前，“東方慧眼”星座已有4顆珞珈系列衛(wèi)星成功發(fā)射，正在按既定節(jié)奏穩(wěn)步推進(jìn)，到2030年，將建成擁有200+顆衛(wèi)星的全球通導(dǎo)遙一體化服務(wù)系統(tǒng)。

除了“吉林一號(hào)”星座、“靈鵲”星座和“東方慧眼”星座之外，還有航天科工的“楚天”星座、航天科技的“高景一號(hào)”星座、航天宏圖的“女媧”星座，都正在按照“通導(dǎo)遙一體、空天地一體”的頂層設(shè)計(jì)快速推進(jìn)，與麥克薩科技（MaxarTechnologiesInc.，谷歌地球供應(yīng)商）、行星實(shí)驗(yàn)室（PlanetLabs）、黑色天空（BlackSkyGlobal）、衛(wèi)星邏輯（Satellogic）、五車二（CapellaSpace）、冰眼（ICEYE）等美國(guó)和西方主導(dǎo)的商業(yè)遙感公司開始捉對(duì)廝殺。

美國(guó)衛(wèi)星看航母是任務(wù)，中國(guó)衛(wèi)星看航母是順帶

再分享一個(gè)觀察，2022年2月俄烏沖突爆發(fā)前后，是這些西方遙感衛(wèi)星公司在資本市場(chǎng)上的歷史高光時(shí)刻。

黑天、衛(wèi)星邏輯和行星實(shí)驗(yàn)室分別在2021年底和2022年初上市或重新上市，結(jié)果“出道即巔峰”，股價(jià)一路下滑至今，老牌巨頭麥克薩稍微好些，不過(guò)也是持續(xù)虧損，2022年底放風(fēng)私有化后大漲一波后退市，隨后裁員。

有報(bào)道說(shuō)，2022年5月，美國(guó)國(guó)家偵察局（NRO）向上述三家商業(yè)遙感衛(wèi)星公司授出“歷史性大單”，總金額至少超過(guò)40億美元。但也僅僅40億美元，而已，——他們的客戶主要來(lái)自政府機(jī)構(gòu)、情報(bào)機(jī)構(gòu)、軍事部門。

由于西方整體缺乏實(shí)體制造和基建能力，除了服務(wù)戰(zhàn)場(chǎng)之外，西方的航天遙感基本是“眼高手低”的，——漫天衛(wèi)星盯著俄羅斯，卻阻止不了加州年年爆發(fā)的山火，就是明證。

因此，在俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)帶來(lái)的大單，就是相關(guān)企業(yè)想象空間的天花板，隨后就是“利好出盡是利空”的劇本。

美國(guó)衛(wèi)星看航母是使命，中國(guó)衛(wèi)星看航母是順帶。

同樣在2021年下半年的時(shí)間點(diǎn)上，習(xí)近平總書記在致首屆北斗規(guī)模應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)的賀信中指出，當(dāng)前全球數(shù)字化發(fā)展日益加快，時(shí)空信息、定位導(dǎo)航服務(wù)成為重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施。

以天空地對(duì)地觀測(cè)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航為代表的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，以 5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為代表的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；以人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等為代表的新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，以數(shù)據(jù)中心、智能計(jì)算中心為代表的算力基礎(chǔ)設(shè)施等“新基建”，將互為支撐。同時(shí)，“新基建”將與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施融合，支撐后者轉(zhuǎn)型升級(jí)，進(jìn)而形成的融合基礎(chǔ)設(shè)施，如智能交通基礎(chǔ)設(shè)施、智慧能源基礎(chǔ)設(shè)施等，共同為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的“雙循環(huán)”和人類命運(yùn)共同體賦能。

這又是一個(gè)更大層面的“系統(tǒng)集成”，不但在于不同層面的基礎(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)的集成，更在于與現(xiàn)有人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)的耦合，限于篇幅，我們今后有合適機(jī)會(huì)再展開。

信息基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)體系的演進(jìn)路線圖孫凝暉：新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的思考

西方工業(yè)革命以來(lái)，為全球帶來(lái)了航海、鐵路、電力、電報(bào)、航空、電話、互聯(lián)網(wǎng)等一系列基礎(chǔ)設(shè)施，然而，近20年來(lái)，西方主導(dǎo)的大規(guī)模建設(shè)幾乎停滯。以這些基礎(chǔ)設(shè)施的存量現(xiàn)狀來(lái)看，大規(guī)模更新、升級(jí)和新建需求巨大，中國(guó)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、新能源企業(yè)和工程企業(yè)正在迅速填補(bǔ)這些市場(chǎng)。

這就像唐古拉山、祁連山脈最高峰和京西東靈山，絕對(duì)海拔基本都是2000多米。唐古拉山之所以能有6000多米的海拔是因?yàn)樗谇嗖馗咴?，而祁連山脈是在黃土高坡上，京西東靈山是在河北平原上，它們的區(qū)別在于，起點(diǎn)不一樣。

從這個(gè)角度看，中美兩國(guó)雖然都快速發(fā)展商業(yè)航天，兩個(gè)體系卻根植在不同規(guī)模的基礎(chǔ)之上，客觀來(lái)說(shuō)，我們現(xiàn)在正在迅速追近，雖然總體還稍弱一些，但是，我們的上限完全不同。

當(dāng)然，如果美國(guó)商業(yè)航天企業(yè)愿意為人類命運(yùn)共同體服務(wù)，愿意與中國(guó)基建能力合作，那又是一件節(jié)約全人類資源的大好事。

說(shuō)到底，科技不應(yīng)只著眼于競(jìng)爭(zhēng)，更應(yīng)該服務(wù)于全人類的進(jìn)步。當(dāng)美國(guó)衛(wèi)星技術(shù)更多被應(yīng)用于軍事而非民生，當(dāng)美國(guó)政策層面愈發(fā)熱衷于對(duì)中國(guó)筑墻，是否偏離了科技的初心?

當(dāng)中國(guó)人開始掌握最先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)，我們能否在科技倫理上同樣引領(lǐng)世界?

巡天遙看一千河，只爭(zhēng)朝夕。

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