3S集成，德國老師沒想到

1989年，兩德合并，這一年，美國政治學者福山寫下《歷史的終結(jié)？》，向新自由主義山呼萬歲。

1991年，海灣戰(zhàn)爭激戰(zhàn)正酣，在“沙漠風暴”行動中，以美國為首的多國部隊空襲伊拉克，在GPS支持下的“處刑”向全球直播。

這一年，李德仁回國了。

他從未想過回國之外的選項， “我跟我的愛人，我們倆很清楚，中國科學家要發(fā)揮你的能量，回國為自己的祖國做，是可以發(fā)揮到極致?！?

回國后，李德仁接到第一個任務(wù)——在有地雷的地區(qū)為中國和某鄰國邊界測圖。

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

李德仁提出“把GPS放到飛機上”。運用“GPS空中三角測量”技術(shù)，他很快完成了無須地面控制點（GroundControlPoints，指一組在地面上已知的精確位置）的邊界測圖任務(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)進行集成，就是后來所說的“3S集成”。

本來，這三個“S”是分開工作的，GNSS負責“點”，遙感負責“面”，先通過GNSS提供的位置數(shù)據(jù)來標定地面控制點，然后通過遙感技術(shù)高效率獲得整個面的情況，最后在GIS系統(tǒng)上進行點面結(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。主要是在當年的技術(shù)條件下，保證飛機在高速飛行和照相時，機上不丟失GPS信號。

時間同步也是個大問題，GPS的原理是測量信號從衛(wèi)星到接收器的傳播時間，計算出與每顆衛(wèi)星的距離，即使是微小的時間誤差也會謬以千里。

通過突破慣性導(dǎo)航與傳感器集成的時間同步與精確標定等關(guān)鍵技術(shù)，李德仁團隊成功研發(fā)出3S集成的航空遙感與低空無人機遙感數(shù)據(jù)獲取與實時處理系統(tǒng)。

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

這或許是一個思維方式的問題。

同時，當時美西方對我們長期限制，面對國內(nèi)元器件不好、系統(tǒng)誤差偏大的問題，我們習慣了用軟件的優(yōu)勢、系統(tǒng)的理論來將其校正，也應(yīng)是重要因素。

1989，李德仁（左二）隨導(dǎo)師王之卓（右三）訪問德國柏林工大學領(lǐng)取金博士獎。長江日報

目標分辨率：0.5米，3分鐘

正對李德仁的辦公桌，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，當時美國有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個小時，震中都找不到，耽誤了寶貴的救援時間，“……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！”

事實上，當時遙感技術(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，將給綿陽等地幾百萬人帶來巨大災(zāi)難。到底該怎么辦，相關(guān)部門決策困難。

緊急關(guān)頭，李德仁主動請纓趕赴汶川，帶領(lǐng)團隊運用航空遙感對唐家山堰塞湖地形進行了掃描，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，他們認為唐家山堰塞湖雖險，但依然是穩(wěn)固的，可以用明渠導(dǎo)流的辦法排除風險。團隊將這些數(shù)據(jù)呈報給抗震救災(zāi)指揮部，為正確處置險情提供了科學依據(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，獲取第一幅衛(wèi)星影像時間縮短到10個小時；但是2015年天津港爆炸時，獲取第一幅衛(wèi)星影像時間仍然花了12個小時，損失了黃金救援時間；”在2018年8月的第十六期錢學森論壇上，李德仁院士說道，“去年（2017年）九寨溝地震時利用了無人機，獲取圖像縮短到4個小時。但這還不夠……”

怎樣才夠呢？最終的目標是全球0.5米空間分辨率，3分鐘時間分辨率的遙感網(wǎng)絡(luò)+亞米級的全球?qū)崟r導(dǎo)航定位精度+通信容量不低于600Gbps，支持高速移動過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SpaceX的“星鏈”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)耳熟能詳，也看到美國麥克薩科技（MaxarTechnologiesInc.）、行星實驗室（PlanetLabs）和黑色天空（BlackSkyGlobal）等商業(yè)遙感公司的衛(wèi)星在俄烏戰(zhàn)場上發(fā)揮了重要作用，但通信與遙感，兩者仍是相對割裂的系統(tǒng)。

直到2022年12月，SpaceX提出將“星鏈”升級為“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，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瞬灰捎谶^去落后，就習慣性地看外國人做什么咱們就跟著做什么。作為一名真正有志向的中國科學家，我們可以進行創(chuàng)新引領(lǐng)，從0到1?！彼f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)遙集成與中國院士“天團”

為什么要“通導(dǎo)遙一體”一體呢？

舉個例子。非洲索馬里有海盜，為了保護中國船只安全航行，我們需要拍攝圖像。圖像拍到以后，原來是要等遙感衛(wèi)星從非洲上空轉(zhuǎn)到中國的上空以后，信息才能傳下來；傳下來之后，再用計算機軟件處理；處理完了，再通過通信衛(wèi)星傳上去。一系列操作下來，8個小時過去了。

現(xiàn)在我們計劃把通信衛(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)動的資源不可同日而語。

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

想法提出后，一個中國“院士天團”進行了論證。

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

其中，星基導(dǎo)航增強技術(shù)方面，請劉經(jīng)南院士牽頭；天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，請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，實現(xiàn)衛(wèi)星監(jiān)測地面變化，提取處理后壓制傳輸，通過公用網(wǎng)絡(luò)送到地面手機上；天基信息智能終端服務(wù)技術(shù)請龔健雅院士牽頭；天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全請張軍院士牽頭，用以前做飛機調(diào)度的經(jīng)驗來調(diào)度衛(wèi)星；多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺請航天科技集團的張慶君研究員牽頭，實現(xiàn)新一代小型化自動化的一體化平臺；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。

該項目論證天基信息實時服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)目標、技術(shù)體系、可行性方案、運行服務(wù)模式，提出我國未來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“空天信息實時智能服務(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)航增強衛(wèi)星（光學衛(wèi)星25顆、合成孔徑雷達（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，形成初級星座，目標信息獲取優(yōu)于5分鐘，實時導(dǎo)航定位精度為亞米級，具有90個波束覆蓋全亞太，每個波束出向帶寬最大1Gbps，入向200Mbps，點對點或廣播，落地后通過5G上手機。

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

第三步，構(gòu)建全球服務(wù)系統(tǒng)。在中國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，時間分辨率優(yōu)于3分鐘，實時導(dǎo)航定位精度為亞米級，全網(wǎng)通信容量不低于600Gbps，支持高速移動過程中的音視頻通話能力和遙感影像的接收能力。

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

篇幅所限，我們再簡單舉個例子，講一下李德仁院士所在的武漢大學和煙臺市政府一起做的“東方慧眼”星座。

以下是“東方慧眼”星座“珞珈三號01星”運用“凝視”功能拍攝的兩個實時視頻：

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，它就可以實時分析捕捉出超速的汽車，跟蹤機場的飛機運行情況?！?

李德仁院士介紹，運用該項技術(shù)，已經(jīng)分析了尼日利亞卡洛市的車流量監(jiān)控，昆明機場的靜態(tài)動態(tài)飛機數(shù)量監(jiān)測，“如果將來發(fā)射200到300顆衛(wèi)星，就可以用于城市智能交通管理，或是機場的自動化管理?！?

蘭州三維實景展示

提供三維立體數(shù)據(jù)也是“珞珈三號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西藏日喀則實景三維地圖。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，不仔細分辨會認為是航拍照片。

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，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”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”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)計快速推進，與麥克薩科技（MaxarTechnologiesInc.，谷歌地球供應(yīng)商）、行星實驗室（PlanetLabs）、黑色天空（BlackSkyGlobal）、衛(wèi)星邏輯（Satellogic）、五車二（CapellaSpace）、冰眼（ICEYE）等美國和西方主導(dǎo)的商業(yè)遙感公司開始捉對廝殺。

美國衛(wèi)星看航母是任務(wù)，中國衛(wèi)星看航母是順帶

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

黑天、衛(wèi)星邏輯和行星實驗室分別在2021年底和2022年初上市或重新上市，結(jié)果“出道即巔峰”，股價一路下滑至今，老牌巨頭麥克薩稍微好些，不過也是持續(xù)虧損，2022年底放風私有化后大漲一波后退市，隨后裁員。

有報道說，2022年5月，美國國家偵察局（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40億美元。但也僅僅40億美元，而已，——他們的客戶主要來自政府機構(gòu)、情報機構(gòu)、軍事部門。

由于西方整體缺乏實體制造和基建能力，除了服務(wù)戰(zhàn)場之外，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)爭爆發(fā)帶來的大單，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。

美國衛(wèi)星看航母是使命，中國衛(wèi)星看航母是順帶。

同樣在2021年下半年的時間點上，習近平總書記在致首屆北斗規(guī)模應(yīng)用國際峰會的賀信中指出，當前全球數(shù)字化發(fā)展日益加快，時空信息、定位導(dǎo)航服務(wù)成為重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施。

以天空地對地觀測與北斗衛(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，“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，進而形成的融合基礎(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，共同為中國經(jīng)濟的“雙循環(huán)”和人類命運共同體賦能。

這又是一個更大層面的“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)濟和社會系統(tǒng)的耦合，限于篇幅，我們今后有合適機會再展開。

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

西方工業(yè)革命以來，為全球帶來了航海、鐵路、電力、電報、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，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)狀來看，大規(guī)模更新、升級和新建需求巨大，中國的移動互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、新能源企業(yè)和工程企業(yè)正在迅速填補這些市場。

這就像唐古拉山、祁連山脈最高峰和京西東靈山，絕對海拔基本都是2000多米。唐古拉山之所以能有6000多米的海拔是因為它在青藏高原上，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，起點不一樣。

從這個角度看，中美兩國雖然都快速發(fā)展商業(yè)航天，兩個體系卻根植在不同規(guī)模的基礎(chǔ)之上，客觀來說，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。

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

說到底，科技不應(yīng)只著眼于競爭，更應(yīng)該服務(wù)于全人類的進步。當美國衛(wèi)星技術(shù)更多被應(yīng)用于軍事而非民生，當美國政策層面愈發(fā)熱衷于對中國筑墻，是否偏離了科技的初心?

當中國人開始掌握最先進的衛(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，只爭朝夕。

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