新时期天地一体化卫星应用发展探索与思考
新时期天地一体化卫星应用发展探索与思考
随着航天强国建设的持续推进，天地一体化卫星应用迎来重要战略机遇期。在空间基础设施日益完善的背景下，应持续推动天地一体化卫星应用技术创新，探索产业链生态新模式，完善产业链合作机制，加快实现设施全维支撑、数据全量接入、信息全域融合、知识全面呈现的天地一体化卫星应用体系发展。
卫星应用产业发展是构建天地一体化体系的基础
卫星应用产业是以空间基础设施为基础，将应用卫星等空间资源应用于国民经济、社会发展和科学研究等领域所形成的各类技术、产品、服务及产业的统称，包括卫星应用地面设备制造和运营服务。全球卫星应用产业发展迅猛，呈现持续快速增长态势。据智研咨询发布的2023年全球及中国卫星应用产业现状及趋势分析数据，2022年全球卫星应用行业市场规模达到2808亿美元，同比增长0.5%，其中地面设备制造市场规模占比持续提升。2012—2022年，我国卫星应用产业保持5%的增长态势，远高于全球市场增速，行业市场规模在2022年达到5931亿元，同比增长7.3%，展现出蓬勃发展的态势。
目前，我国已完成以“三大里程碑”为代表的宇航研制任务，成功研制了对地观测卫星系列、北斗导航卫星系列、通信广播卫星系列和科学探测与试验卫星系列，基本形成了以通信、导航、遥感为主的卫星应用体系，并取得了一系列重要成果。在卫星通信服务方面，我国成为国际上少数能够独立设计、研制大容量通信卫星的国家，已经形成涉及固定、中继和直播的业务能力，通信频段覆盖S、C、Ku、Ka等不同频段，通信区域覆盖中国全境和全球其他近40个国家和地区，有力支撑了我国及“一带一路”相关国家和地区的专网通信和卫星互联网全域、全时传输服务。在卫星导航服务方面，我国是世界上第三个建成全球卫星导航定位系统的国家。2020年7月31日，集成导航、短报文等八大服务的北斗三号全球导航系统建设完成，可满足高精度测绘、民航高精度导航等特殊需求，相关产品已出口120多个国家和地区，可在全球范围内为各类用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。在卫星遥感服务方面，我国已经构建了陆地、海洋和气象三大遥感卫星系列，同时，商业遥感卫星发展迅速，建立了涵盖可见光、高光谱、红外、微波等全方位、多种载荷、多层次的综合观测体系，空间对地观测迈入了亚米级高分辨率时代，达到世界先进水平，在资源环境、应急管理、防灾减灾和智慧城市建设等诸多领域发挥了重要作用。
随着空间基础设施日益完善，在国家战略规划和行业政策推动下，以卫星通信、卫星导航、卫星遥感为核心的卫星应用产业进入高速发展期，已广泛融入到人们的生产生活中，正成为当前经济发展新增长极和推动国家科技创新的新质生产力。
近年来，通导遥融合发展无论在技术上还是在应用上都是一个重要的发展趋势。天地一体化是促进通导遥融合发展的关键支撑，通过系统联通、信息融合和服务畅通手段，构建天地一体化的卫星应用体系，可以提升现有卫星应用系统服务能力，推进新型卫星应用产业化发展。因此，面向未来卫星应用产业发展的迫切需求，亟需构建天地一体化卫星应用体系，通过系统的全域感知协同化、通信网络立体化、数据处理一体化以及服务应用智能化，实现全域、智能、可靠的卫星应用服务。
天地一体化卫星应用体系的构建
体系架构
随着通信卫星、导航卫星、遥感卫星空间资源的日益丰富，以通信、导航、遥感为核心的天地一体化卫星应用体系初步建立，形成了“四横二纵”的体系架构，包含“全域感知、高效传输、融合处理、智能应用”四个功能层的横向技术，以及“体系设计仿真验证和卫星信息安全支撑”两类贯通功能层的纵向技术，通过系统联通、信息融合和服务畅通手段，推动天地一体化卫星应用发展，实现全域、智能、可信的卫星应用服务（图1）。
图1 天地一体化卫星应用体系架构
技术特点
随着天地一体化卫星应用“四横二纵”体系架构的持续建设，逐步形成了天地一体化感知网、天地一体化传输网、数据处理一体化和天地一体化应用服务，主要表现出以下技术特点：
- 全域感知协同化——立体协同、精细感知。当前卫星应用存在高精度感知信息获取问题，为此建立时空频跨域协同感知体系，实现空间上高低轨多分辨率协同观测，时间上不同重访间隔快速识别与近实时跟踪，频段上光学发现目标、微波精准跟踪，实现全球高精度高分辨率观测能力。
- 通信网络立体化——异构组网、智能互联。面向新时期多网异构融合应用，构建大时空尺度天基泛在网络体系，实现资源“智能”管控、信息“按需”互联，助力打造从近地空间到地月空间太空经济圈的发展目标。
- 数据处理一体化——星地一体、数字赋能。采用星地云-边-端协同计算架构，结合互联网、云计算、大数据等新技术，建设“云/端-大/小模型”协同处理体系，实现天基多模态数据的天地一体化处理，打造时空大数据服务平台，满足多维空间信息的一体化承载、大数据汇聚、管理挖掘与应用。
- 服务应用智能化——数字时空、精敏洞察。面向数据时空对齐、信息泛在的服务需求，以时空信息服务平台为基础，构建多维、多尺度数据底板，综合应用人工智能通用大模型技术，实现数据“全量”接入、信息“高效”融合，充分赋能各行业，促进国民经济高质量发展。
天地一体化卫星应用体系典型行业示范应用
我国天地一体化卫星应用在自然资源、应急管理、生态环境、海洋治理、灾害预警、农业气象等重点领域取得了显著的经济和社会效益，本文选取生态环境保护、城市低空管理、应急行业应用三个典型行业的天地一体化应用案例进行介绍。
生态环境保护
2023年国家林草局联合四部委出台了《国家公园空间布局方案》，提出到2035年我国将基本建成全世界最大的国家公园体系。国家公园大多地处偏远地区，面积广阔、人员稀少、交通不便，地面通信难以全覆盖。为解决此难题，综合运用了卫星遥感、卫星导航、卫星通信技术，融合无人机、地面物联网、云计算与大数据，提出了以天地一体化生态环境监测与管理为基础的综合系统化解决方案。通过打造国家公园天地一体化生态感知系统（图2），建立国家公园大数据平台，建成天地一体化监测网与天地融合通信网，进而形成立体数据感知与全域通信能力。同时，打造大数据中心，统一建成大数据平台底座，打造林、草、湿等生态感知数据一体化应用体系，实现对国家公园内山水林田湖草沙的全方位监测和一张图的构建。以三江源国家公园生态保护为例，天地一体化卫星应用助力形成国家公园生态保护新机制，实现水源涵养增幅6%、草地覆盖率提高11%，利用天地一体化卫星应用技术，实现我国面积最大、海拔最高、生物多样性最丰富的国家公园的生态环境保护。
图2 国家公园天地一体化生态感知体系
城市低空管理
在国家政策引导下，以“北斗+低空开放”为特色，国内充分利用已有天基资源开展应用。湖南省以全域低空空域管理改革建设为目标，建设省级低空综合服务平台（图3），将北斗低空综合应用服务平台作为系统的数据核心，通过北斗应用、物联网应用、智能传感等技术深度融合，实现北斗在通航应急救援、无人机物流试点、林业空地一体化、无人机数字农业服务等方向的综合应用。面向低空综合管控任务的需求，湖南省建设低空监视管理、通航地面保障、无人机管控服务，通过接入通航应急救援、无人机物流、农业、林业等低空应用模块数据和航空器、机场人车物等位置信息和综合数据，实现低空安全监管及低空经济数据的共享和行业应用，解决了湖南省低空全域监视通信覆盖低的安全问题，助推实现了通航飞行全流程线上服务，进一步提升了机场地面安全保障和应急能力，营造了“开放、包容、绿色、普惠”的发展生态。
图3 湖南省北斗低空综合应用服务平台
应急行业应用
我国灾害具有种类多、分布地域广、发生频率高、损失重等特点，目前亟需解决统一指挥、专常兼备、反应灵敏、上下联动等业务难题，提升通导遥融合全场景感知、应急通信保障体系、现场灾情应急采集及自动判读技术、灾情预警及损失的评估能力。应急行业以应急通信指挥为主，因此以“多元遥感＋融合通信+智能应用”为特色，构建天地一体化通信指挥和多维感知应急应用架构，可以有效解决上述难题，实现灾区信息快速获取、快速处理、即时远程传输、救灾指挥调度等新型应急测绘保障。天地一体化应急行业应用的总体架构包括：天基通信/北斗卫星全天时全区域服务、遥感卫星广域覆盖，空基无人机和直升机的机动灵活与高分辨率监测，地基现场设备快速监测（图4），在安全、效率和效益方面成效显著。在安全方面，通过“立体化感知手段+全场景通信能力”，保障灾情救援人员现场人身安全；在效率方面，遥感卫星1小时内获取影像，无人机实时获取影像，基于卫星通信+北斗实时卫星通信能力，准确判明受灾位置，快速通报灾情、传达指令，最大限度保证“72小时黄金抢救时间”，后端目标近实时处理及识别，多手段保障应急救灾的及时性和效率；在效益方面，“卫星通信+北斗通信”提升了防灾预警和指挥救灾的信息传递能力，人工智能平台提升了灾情目标识别、预警及损失评估能力，实现森林火灾等灾害的无死角、全天候、实时监控。
图4 天地一体化应急行业应用总体架构
新时期天地一体化卫星应用思考与建议
目前，我国天地一体化卫星应用在体系构建、设施支撑、服务响应、产业发展和技术基础方面的发展速度滞后于应用需求的快速增长。为进一步提升卫星应用系统服务能力，推进卫星应用产业化发展，应持续推动天地一体化卫星应用体系创新发展，为此，从系统建设、技术创新、模式拓展和产业发展四个方面提出建议（图5）。
图5 新时期天地一体化卫星应用体系发展建议
加速系统建设，夯实发展基础
以应用为牵引，围绕重大需求和战略问题，以“规划同步、建设同步、技术同步”为原则，统筹系统建设，推行天基和地面同步规划、卫星与应用同步建设、卫星技术与应用技术同步布局，建立我国天地一体化智能服务平台，推动多星、多网协同应用，强化应用终端，打通应用“最后一公里”，为天地一体化卫星应用体系建设提供基础支撑。
强化技术创新，增强发展动力
以体系为指导、数据为核心，按照天地一体化应用要求，完善空间信息产品和服务标准规范体系，开展体系融合构建、体系验证与仿真等顶层创新设计，突破空间网络、导航增强、行业大模型等关键技术，着力攻克芯片、系统软件等卡脖子技术，打通产业堵点，补齐技术短板，推动天地一体化卫星应用创新发展。
促进模式创新，拓展发展边界
以“政产学研用”大联盟为依托，发挥制度优势，坚持体系布局，释放信息要素潜能，推动产业链发展模式创新、应急和常态融合的卫星应用服务模式创新，促进面向政府的G端应用和面向行业的B端应用融合发展，倡导和鼓励面向大众用户的新型卫星应用产品创新。
扩大产业规模，优化产业结构
以产业链为抓手，发挥产业链链长的带动作用，健全和完善信息化产业链合作机制，从稳链、固链到强链、优链，发挥链上各环节的资源优势，带动产业链一体化发展；推动空间信息服务常态化，优化产业结构，扩大产业规模，推进卫星应用广泛、高效地服务国家战略。