面向军民融合的空间信息云服务平台体系研究
本文由信息与电子前沿（ID:caeit-e）授权转载，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第5期，作者：秦智超、胡金晖、张平、秦鹏、柳罡（中国电子科技集团公司电子科学研究院专家）
自1970年“东方红一号”卫星成功发射以来，我国航天事业经过40多年发展取得了辉煌的成就，构建了门类齐全的通信、导航、气象、资源、遥感、测绘、环境、侦察等卫星系统。目前，我国各种在轨卫星数量已达130余颗，基本满足国家战略需求，成为了世界航天大国。
一方面，随着航天装备数量的增多，数据获取速度的加快，空间数据量呈指数级增长，我国空间数据已迈入大数据时代。另一方面，随着国家军民融合战略的实施，空间数据作为国家的战略性信息资源，具有巨大的应用空间和价值，为支撑国家的信息化建设提供重要保障。
本文主要分析国内外空间信息应用的现状、趋势和问题，分析我国存在的差距和不足，提出了面向军民融合的空间信息云服务平台体系，探讨建设实施的途径。
1.发展现状
1.1 国外发展现状
（1）空间基础设施建设
通信卫星是国外重点发展的空间基础设施，美国在轨卫星数量、技术水平和应用能力方面处于绝对领先地位，构成了宽带、窄带、防护、中继和商业卫星构成的通信卫星体系，如表1所示。
表1 美国通信卫星体系与能力
遥感方面，国外已经形成高、低轨结合，涵盖光学、微波和物理场等探测手段结合的综合遥感观测能力。成像侦察卫星方面，美国军用卫星领先其他国家一代，商业卫星达到其他国家军用卫星水平。环境卫星方面，是目前世界上唯一发射了军用气象、海洋环境监测卫星的国家，为其在全球范围的军事行动提供环境信息保障。其构建的地球观测系统（EOS）观测要素覆盖全面，空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率高。国外遥感卫星（主要为美国卫星）典型能力见表2。
表 2 国外遥感（对地观测）卫星能力
导航卫星方面，美国GPS系统是目前性能最先进、运行最稳定的全球卫星导航系统，可全天候连续为全球用户提供高精度定位与授时服务，具有180天自主运行能力。未来的第三代GPS系统预计2016年发射寿星，寿命将提高至15年，空间信号用户定位误差将达到0.9m，远期将达到0.15m，点波束增强能力可使信号功率增强100倍，极大地提升抗干扰能力。
表 3 现役美国GPS卫星能力
（2）空间信息应用
在政策方面，美国2010年颁布的《国家航天政策》中指出“将充分利用空间系统及这些系统产生的信息及应用”、“承诺鼓励并推动美国商业空间部门的发展”，催生了全新的卫星应用和颠覆式商业运营模式。英国政府近年发布了包括《航天创新与发展战略（IGS）行动计划2014-2030》在内的多项空间政策，将太空经济纳入国家战略视野；俄罗斯政府2014年出台了《2030年前使用航天成果服务俄联邦经济现代化及其区域发展的国家政策总则》，旨在推动以卫星应用为主的航天技术转化，使航天成果走入市场，惠及于民；2014年日本防卫省对《航天开发利用基本基本方针》进行了修订，提出强化利用卫星提升信息收集能力以及情报通信能力。
在行业应用方面，欧美发达国家空间信息业务化应用日趋成熟，空间信息应用已经广泛应用于气象、农业、灾害监测、国土、环境保护、林业、海洋、测绘等多个领域。随着世界各国对空间信息应用技术和产业的重视和发展，全球航天信息应用产业规模快速扩张。据美国卫星产业协会2014年公布的全球卫星产业年度报告显示，以卫星服务业和地面设备制造业为主的全球卫星应用产值达1741亿美元，约占卫星产业总收入的89%，年均增长率保持10%以上，远高于世界经济增长率。
当前国外空间信息应用的发展趋势是在现有通信、遥感、导航等系统的基础上进行集成、扩展，建成一体化的应用体系，并利用“互联网+”的方式来开展空间信息的应用服务，最终目标是希望各个部门、行业、区域都能够实现互连互通、信息共享。
1.2 国内发展现状
（1）空间基础设施建设
在卫星通信领域，我国大力发展通信卫星广播系统，目前在轨的同步轨道商业卫星10颗，包括中星系列、亚太系列等，覆盖国家和地区包括中国、亚太、中东、澳大利亚、欧洲、非洲等地区。我国已规划第一代卫星移动通信系统，并建成了天链卫星数据中继系统，主要为载人航天等应用提供高速数据中继服务，如表4所示。
表 4 卫星通信广播系统现状
在卫星遥感领域，初步形成了高分、资源、气象、海洋、环境减灾卫星体系，高分遥感系统快速发展，系统性能不断提升，遥感应用向深度化、综合化方向发展，产业发展初具规模，已成为国家重要的战略资源和基础设施，如表5所示。
表 5 卫星遥感系统现状
在卫星导航领域，北斗卫星导航系统是我国自主建设，是全球四大卫星导航系统之一。空间段由5颗地球静止轨道卫星和30颗非地球静止轨道卫星组成。截止目前，北斗已完成了一期建设，形成区域覆盖能力，并正式向亚太地区提供服务，计划2020年前建成第二代卫星导航系统，面向全球提供服务。
（2）空间信息应用
在卫星通信领域，初步形成商业化的通信卫星研制发射、地面设施设备建设和运营服务模式。卫星广播方面全国直播卫星户户通开通用户超过 1700 万户，卫星固定业务发展迅猛，各类固定、车载、便携卫星通信地面站点超过10万个，卫星移动通信超过7万多用户，巧通信试验卫星发射成功，机上卫星宽带上网技术取得突破。
在卫星遥感领域，我国遥感卫星及地面系统已具规模，卫星遥感应用正由试验应用型向业务服务型转变。从2010年实施高分辨率对地观测系统重大专项以来，已经基本建成了遥感卫星数据接收、处理、分发和管控系统，在北京、河北、湖南等16个省市自治区建立了高分辨率对地观测系统省级数据应用中心，开展了典型行业应用示范和区域综合应用示范，极大促进了基于自主卫星遥感数据的遥感应用产业的发展，初步形成了卫星遥感应用产业发展规模。
在卫星导航领域，国家继续加大力度推动北斗产业化进程。北斗产业已经成为国家经济转型、社会发展的重要支撑力量，相关技术已广泛应用于交通运输、农业、电力、金融、测绘和通信授时等领域。北斗室内外位置服务基础平台建设和应用示范、行业重大应用示范、区域重大应用示范被列为重点支持领域。2014 年，北斗首获国际海事组织的认可，成为继美俄之后第三个全球卫星导航供应商。
据统计，近十年我国卫星应用产业规模逐年扩大，从2000年的100亿元达到2010年的1100亿元左右，增长了约10倍，到2012增长到2000亿元，年复合增长率约为40%。2015年我国卫星应用产业规模将突破3000亿元，随着卫星装备数量的增加和卫星应用产业政策的放开，“十三五”期间我国卫星应用的产业规模还将高速扩张，预计到2020年产业规模将达到7000亿元。
1.3 存在的问题
在应用体系建设方面，目前存在卫星装备建设和应用失衡现象严重的问题，缺乏顶层的一体化设计与规划，存在严重的重卫星装备建设，轻视甚至忽视卫星应用的现象。星资源的应用效益较低，卫星应用体系建设脉络不够清晰，导致“卫星一大片、应用看不见”。
在数据共享分发方面，第一，由于各卫星系统间呈“烟囱式”发展，卫星地面站分散建站，相似功能不同系列的卫星系统独立建设各自地面站，缺乏有效的数据共享和信息融合平台，无法实现卫星数据的军民实时有效共享；第二，卫星数据分发销售不畅，卫星用户仍然局限于少数政府行业部门，大量用户不能顺畅地获取国产卫星数据，一定程度导致了国内卫星数据多数依赖进口，国产卫星数据的市场占有率较低。
在数据应用服务方面，一方面，目前停留在较低层次的卫星数据开发和利用阶段，大部分应用机构或企业主要提供卫星数据的通用处理服务，卫星数据的高级和专业化处理服务尚不成熟，缺乏规模化、专业化的快速数据处理和分发生产线；另一方面，数据源和数据处理、加工、分析的可靠性不高，导致卫星数据应用在科研、试验层面多，一次性决策分析应用多，未能与行业用户的日常生产业务相结合、融入用户的常态管理与日常工作，未能形成高可靠性的业务化行业应用系统。
2.总体方案
2.1 总体构想
面向军民融合，以数据为平台，以服务为中心，集成军用和民用的空间数据资源及前期空间数据应用的成果，建立结构开放、时空统一、面向服务的空间信息云服务平台体系，面向行业专业化、区域综合化应用的需求，提供空间数据的基础和增值化等典型数据应用服务，开展空间信息应用服务的验证示范和推广应用。
图 1 空间信息应用总体方案
如图1所示，空间信息综合应用平台建设采用分布式、多中心的方案、在北京建设空间信息应用服务中心，采用“云”的设计理念将各中心的存储资源、网络资源、计算资源虚拟化，并基于精细权限管理的分级共享机制和自组织网络技术路线，实现各地区、各行业资源自治基础上的虚拟整合、对等共享、协同服务、灵活扩展、互为备份、容灾抗毁；以“物理分布，逻辑集中”的方式为用户提供在线、可视化的平台服务、数据服务、应用服务；通过资源池化、灵活调度、灵活定制和按需服务，实现资源与服务的高效调配，提升空间信息应用水平。
2.2 体系架构
各空间信息应用服务中心的建设采用相似的系统架构，自底向上包括：硬件平台层、虚拟资源层、资源管理与调度层、数据服务层、业务应用层5个层次，如图2所示。
图 2 航天信息区域综合应用系统架构
a) 硬件平台层。为空间信息应用服务中心提供硬件支撑环境，包括存储空间、计算节点、网络环境、卫星数据接收站、安全防护设备等。
b) 虚拟资源层。应用云计算技术中的虚拟化技术，对硬件平台层中提供的物理设备在内的各种基础硬件设施进行统一的组织管理和虚拟化整合，并将其封装为界面统一的逻辑资源提供给最终用户和上层应用功能。
c) 资源管理调度层。应用大数据并行存储管理和资源调度技术，对海量数据资源进行统一、高效、安全的分布式组织、存储和管理，结合分布式并行的计算资源调度方法，形成高性能、可伸缩的数据管理调度模型，支持分布式数据处理功能，并向上层应用提供统一、易用的调用接口。
d) 数据服务层。为适应各行业应用提供数据服务支撑，基于空间信息处理及分析技术，主要为用户提供数据与信息服务、空间信息软件服务、平台处理服务。包括多源数据融合、通用数据处理、专业数据处理、专题图制作、通信服务、导航服务、GIS服务和二次开发服务等。
e) 业务应用层。业务应用层基于Web服务，为行业用户提供门户网站服务平台，提供具体的空间信息应用服务。
2.3 主要功能
航天信息的接入与共享。通过地面光纤网、移动通信网、卫星通信网等与军民数据交换中心、民用数据中心等数据中心实现对接，实现空间数据的接入，同时兼容其他商业渠道获取的空间数据，对多源数据进行规范化处理，通过核心网络进行有限共享，对用户提供数据、产品、数据处理能力等服务。
海量大数据航天信息的通用处理和专业处理。通过并行计算集群、云计算等手段，将规范化后的航天信息进行通用处理和深加工，构建标准化的通用处理流程，实现标准产品、其他高级产品的加工制作以及产品的质量评定；同时，提供面向各行业用的专题产品，如通过多时相遥感数据的专业处理和分析，生成辅助水利、国土等行业决策的专题情报。
数据的可视化显示。提供完整、及时、可视的信息资源服务，能够根据用户需求叠加不同的图层进行显示，实现矢量地图、遥感影像、专题产品等信息的叠加显示。
资源共享与服务。实现对外发布各类标准产品、专题产品、处理资源的服务功能，实现各行业各类数据产品的统一展现及服务，为行业用户提供一站式的专题产品服务，以Web Service的形式提供服务接口，使得用户可以方便的将服务功能集成至自身业务系统中。同时，向用户开放接口，允许用户通过平台定义的规范要求共享开放其所属资源，实现入库产品的展示、实时发布功能。
异构环境下网格资源的组织与管理。对数据、产品、设备、计算能力、人力资源等各类资源进行分类组织和管理，形成元数据，并建立索引，建立服务注册、动态发现以及同步的规范。
平台内的安全审计与监控管理。实现平台内统一的用户管理、权限控制、数据传输保密，对平台内的各类资源进行统一的安全监控，保障平台可靠高效的运转。
2.4 服务流程
图 3 空间信息应用服务工作流程
a)在执行空间信息应用任务时，用户终端向应用服务分中心提出数据订单；
b)应用服务分中心如果存在相应数据，则将加工后的专题信息产品数据通过地面网络或卫星链路返回，否则向空间信息云服务平台提出需求；
c)空间信息云服务平台接收到数据请求后，如果存在相应数据，则地面网络或卫星链路返回应用服务分中心,否则申请遥感卫星或者数据接收处理站执行相应任务以获取数据；
d)一方面遥感卫星将原始观测数据按需（或定期）下发至空间信息云服务平台，另一方面数据处理接收站位于观测区域，将更加详细的原始观测数据通过卫星链路返回至空间信息云服务平台。
3.结 语
军民融合式发展是我国的一项重大战略部署，也是一项政策性、实践性极强的课题。空间信息云服务平台体系是突破现有体制束缚，实现军民融合的有效方式，通过在数据服务层面实现军民资源共享，逐步走上能够自主良性发展的道路，服务于国防和国民经济建设。
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