中国曾经的巨大劣势正变成优势？“李德仁是一种方法”

巴黎奥运期间，中国长光卫星官方账号po出的一张塞纳河卫星图，被眼尖的网友看出了很多重要细节，图片的高精度、高分辨率令人振奋，它说明中国已经具备了从天上对地球任意一个角落实时监测的能力。这意味着什么，毋庸赘言。
在中美战略博弈和竞争中，美国看得见，我们看不见，或者美国看得清，我们看不清，曾是长期困扰中国的一个重大问题。不谦虚地说，这个问题现在已经基本得到解决。中国建立了完整的遥感观测体系，技术和能力的快速提升，正在让中国曾经的巨大劣势逐渐变成优势。
这里必须提到一个人，85岁的李德仁院士，他不久前刚荣获2023年度国家最高科学技术奖，他的故事，贯穿了中国遥感从无到有、由大到强的整个过程；“李德仁是一种方法”，见证了系统集成思维在科技领域的显著应用效果。

引子：偷看福建号的“鸽群”

今年5月2日，美国行星实验室（PlanetLabs）大名鼎鼎的“鸽群”星座，跑来围观中国第一艘超级航母“福建”舰在东海水域的试航。

Planet Labs“鸽群”卫星拍摄的“福建”舰于5月2日试航情景

在上海海事局提前预告5月1日至5月9日试航，并划定试航海域在长江口以东100公里左右的一个矩形区域的情况下，美国卫星交出这样的成绩单，只能说勉强及格。

把咱的航母拍得这么小，啥也看不清，这也没办法，因为“鸽群”的视力太差了。

作为对比，我们来看看中国长光卫星“吉林一号”的照片。

8月11日，长光卫星官方账号发布文章，po出一张7月29日的塞纳河卫星图。

然后翻了翻小本本，发现2021年9月和2022年3月，塞纳河的COD（与粪污排放强相关的水质参数）监测浓度确实曾经严重超标。

至于奥运期间，塞纳河水质到底怎样，长光卫星采取了“看破不说破”的态度。

虽然多少让人觉得到嘴不到肚吧，但是，很快有善于帧察的网友，关注到新闻背景中的细节。

“目前星座在轨卫星108颗，可对全球任意地点实现每天35至37次重访”。

“相当于30分钟就有一颗卫星从上面经过。现在是108颗，以后300颗的话，就是5分钟能重访一次。这就跟在天上实时监测整个地球差不多了。”

“航母最高航速50km每小时，能开出去36km，也就是说如果重访图片宽度72km，航母就开不出图外。”

不得不为观网网友们的专业度和敏感性点赞。

“吉林一号”2020年拍摄美军诺福克海军基地的照片

卫星遥感，简单来说，就是用卫星来看地球上的东西。

理想状态当然是用地球同步轨道卫星来看，在3.6万公里的高空，一动不动，尽收眼底，想看哪看那。

但问题是，实在太高了，眼神没那么好，中国的高分四号的分辨率能做到可见光50米，中波红外谱段400米，已经是全球领先的水平，勉强可以看到航母和大型邮轮的轮廓吧。

怎么办呢？离得近就看得清了嘛。

于是，低轨遥感卫星就流行起来，在目前所有商业遥感卫星中，近地轨道（LEO）遥感卫星共1197颗，占比达到94.70%。

低轨虽然看得清，但是看得近，飞得快，地球那么大，没办法随时随地想看啥就看啥。怎么办？那就通过多星组网的方式，通过接力来实现特定地区更高的重访周期，这是“时间分辨率”的概念。

“鸽群”虽然视力不怎么样，却是目前蓝星上时间分辨率最高的遥感星座，规模一般维持在230多颗，它的理念是消耗，低成本，牺牲部分性能，以量取胜，单星重量只有5公斤，寿命在6个月到3年。8月17号猎鹰9号的发射，刚刚又补了36颗。

“南海战略态势感知计划”认为，“鸽群”是美国通过“印太海域态势感知伙伴关系计划”在南海膈应我们的主要技术手段之一。

但是现在，中国在这个方面的快速追赶，已经让“鸽群”越来越暗淡。

微纳星空“泰景四号”合成孔径雷达拍摄的美国航母

首先是前面提到的中国长光卫星“吉林一号”星座，在分辨率上最高达到0.5米，视力远超“鸽群”；数量上也在迅速追赶，目前有108颗，计划到今年年底达到138颗，明年底要达到300颗；重量与成本上，早期单星可达420公斤，目前的高分06系列降到22公斤，单星成本从早期每颗千万元级降到目前的百万元级，分辨率仍然达到0.75米，堪称“性价比之王”。

另一方面，也有中国公司在做极致“白菜化”，北京商业航天公司“零重力空间”的"灵鹊"星座，明确号称对标“鸽群”，其分辨率是4米级别，重量最低做到了单星7.3公斤，计划在2025年完成132颗灵鹊一号、30颗灵鹊二号和4颗灵鹊三号卫星的组网。

截止2023年5月的数据显示，拥有商业遥感卫星数量最多的国家是美国，共有504颗；排名第二的是中国，共有346颗，美国与中国的遥感卫星数量占全球的比重接近七成，与身后的其他国家都已拉开距离。

当然，“鸽群”不是美国航天遥感力量的全部，遥感，也不是航天的全部，中美航天对比的整体态势是什么？我们后面还会提到。

但在那之前，我们想先提一位老人。

“李德仁是一种方法”

2024年6月24日，2023年度国家最高科学技术奖揭晓，85岁的李德仁院士凭借在地理信息科学领域的卓越贡献获此殊荣。

作为国际著名的测绘遥感学家，他在近40年的科研生涯中，致力于提升我国遥感对地观测水平，此前，作为第一完成人，他已经6次获得国家科技进步奖，为我国遥感从无到有、由大到强奋斗了大半生。

在李德仁的学生时代，他的起点就是不同凡响的。

把时钟拨回1957年，时年18岁的李德仁考取武汉测绘学院，课余阅读大量的测量与制图的书刊之后，善于思考的李德仁常常会发现一些问题，为了解惑，也为了辨明是非，1958年，他写了4篇文章，阐述自己的观点，对苏联和加拿大两位教授的一些观点提出质疑。

这些文章辗转来到王之卓院士手中，他是当时学院的副院长，是公认的学术专家和权威，他看到文章兴奋不已，拿着文章一一圈点，把李德仁叫到自己家中，告诉他，他的质疑是对的，他的原理思想也很好，只是，当时实现思想的硬件条件现在还不具备。

敢质疑，只唯实的精神，是李德仁在学术和科研生涯起点就打下的一块基石。

1982年，经王之卓先生介绍，李德仁前往当时全世界航测理论最先进的西德留学，师从世界摄影测量领域领军人物之一，阿克曼教授，在德国波恩大学进修期间，他首创了从验后方差估计导出粗差定位的“选权迭代法”，这一方法被测量学界称为“李德仁方法”。

这种方法能够同时处理不同类型的误差，包括粗差（明显错误的测量值）、系统误差（由于测量系统本身的问题导致的误差）以及偶然误差（随机发生的小误差）。通过这种方法，可以在不知道哪些数据存在问题的情况下，逐步识别并纠正这些错误，从而从海量的测量数据中提取出精确的地理信息。

随后，他去到斯图加特大学攻读博士，期间，又把具体的“李德仁方法”进一步上升为理论框架，创立了“误差可区分性理论和系统误差与粗差探测方法”。

这里，让我们花一点时间，尝试通俗地理解一下“李德仁方法”：

想象你正在努力组装一幅大型拼图，这个拼图有成千上万片，代表着从卫星或飞机拍摄的大量测量数据。你的任务是把这些拼图准确地拼在一起，形成一幅完整的地球表面图像。但是问题来了：有些拼图片可能本来就是完全错的（这就是“粗差”），有些可能因为生产过程中的小问题而稍微变形（这就是“系统误差”），还有一些可能因为各种原因稍微偏离了正确位置（这就是“偶然误差”）。

现在，你要在不知道哪些拼图片有问题的情况下，找出并纠正这些错误，同时还要尽可能准确地完成拼图。这就是当时全球测量学家们长期面临的难题。

“李德仁方法”通过计算机，一步步解决这个复杂的问题：

首先，它会概略地看一遍所有的拼图片，找出那些明显不对劲的部分（粗差检测）。然后，它会仔细检查每一片拼图，看看是否有轻微的变形或系统性的偏差（系统误差识别）。接着，它会考虑到所有拼图片之间的关系，用数学方法计算出每一片应该放在哪里（最优估计）。最后，它会反复进行这个过程，每次都变得更精确，直到找到最佳的拼图方案。

“李德仁方法”的独特之处在于，它能够同时处理这些不同类型的误差，而且可以在处理过程中不断提高精度。这就像是一个超级玩家，不仅能纠正拼图中的错误，还能在拼图过程中逐渐看清整幅图像的样子。

在现实世界中，它帮助科学家们从海量的测量数据中提取出精确的地理信息，为绘制精确的地图、监测地球变化等工作提供了强有力的工具。

随着遥感技术和地理信息技术的不断发展，对数据精度的要求越来越高，“李德仁方法”作为一种先进的数据处理技术理念，不但至今仍被广泛使用，其重要性还在不断增加。

从哲学角度来看，“李德仁方法”与系统集成思维密切相关。

系统思维和系统科学思想贯穿“中国航天之父”钱学森的一生，1954年，他写下《工程控制论》，将系统科学的方法应用于航天事业的实践。这种思维强调整体性、关联性和动态性，认为系统内各部分之间存在着相互作用和依赖关系。

“李德仁方法”正是将测量学中的误差处理问题视为一个整体，通过综合考虑测量数据之间的相互关系，运用数学方法进行最优估计，以实现对整个测量系统的精确重建。它体现了系统论中的整体优化和综合分析原则，通过迭代过程不断提高精度，最终达到对系统整体的最佳理解和描述。

系统集成思维，是贯穿李德仁整个科研生涯的一样法宝。

李德仁至今仍是斯图加特大学的一位传奇。6年博士课程，他想2年学完，解决测量学的百年难题的博士论文，他仅用一年零四个月就用德文完成，答辩成绩优异，并荣获1988年“汉莎航空测量奖”。

1985年2月，李德仁以优异成绩获得斯图加特大学博士学位央视新闻

3S集成，德国老师没想到

1989年，两德合并，这一年，美国政治学者福山写下《历史的终结？》，向新自由主义山呼万岁。

1991年，海湾战争激战正酣，在“沙漠风暴”行动中，以美国为首的多国部队空袭伊拉克，在GPS支持下的“处刑”向全球直播。

这一年，李德仁回国了。

他从未想过回国之外的选项， “我跟我的爱人，我们俩很清楚，中国科学家要发挥你的能量，回国为自己的祖国做，是可以发挥到极致。”

回国后，李德仁接到第一个任务——在有地雷的地区为中国和某邻国边界测图。

绵长的边界线或隐于茫茫群山，或分布在险峻之地，如何在短时间内迅速摸清情况？如果要靠人腿去趟地雷，既费力，又危险。

李德仁提出“把GPS放到飞机上”。运用“GPS空中三角测量”技术，他很快完成了无须地面控制点（GroundControlPoints，指一组在地面上已知的精确位置）的边界测图任务。

他的思路，仍然是系统集成式的。

这次，是把全球卫星导航系统（GNSS，包括美国的GPS系统）、遥感技术（RS）、和地理信息系统（GIS）三种既有技术进行集成，就是后来所说的“3S集成”。

本来，这三个“S”是分开工作的，GNSS负责“点”，遥感负责“面”，先通过GNSS提供的位置数据来标定地面控制点，然后通过遥感技术高效率获得整个面的情况，最后在GIS系统上进行点面结合的数据分析，并整合形成结果。

能不能三步并一步呢？难，但可以做到。主要是在当年的技术条件下，保证飞机在高速飞行和照相时，机上不丢失GPS信号。

时间同步也是个大问题，GPS的原理是测量信号从卫星到接收器的传播时间，计算出与每颗卫星的距离，即使是微小的时间误差也会谬以千里。

通过突破惯性导航与传感器集成的时间同步与精确标定等关键技术，李德仁团队成功研发出3S集成的航空遥感与低空无人机遥感数据获取与实时处理系统。

后来有一次，李德仁与阿克曼教授、格拉发伦特教授聚会，两位德国教授在同一所大学供职，一个搞大地测量，一个搞遥感，聊到“三S集成”，他们相视而笑，说，我们两个为什么没有搞集成呢？

这或许是一个思维方式的问题。

同时，当时美西方对我们长期限制，面对国内元器件不好、系统误差偏大的问题，我们习惯了用软件的优势、系统的理论来将其校正，也应是重要因素。

1989，李德仁（左二）随导师王之卓（右三）访问德国柏林工大学领取金博士奖。长江日报

目标分辨率：0.5米，3分钟

正对李德仁的办公桌，一幅“汶川地震唐家山堰塞湖三维晕渲地形图”在墙上挂了十几年，有一种卧薪尝胆的意味。

2008年汶川地震时，当时美国有400颗卫星，我们只有20颗，遥感卫星分辨率只有3米，获取第一幅卫星影像花了36个小时，震中都找不到，耽误了宝贵的救援时间，“……我们做了一辈子遥感，却不能满足抗震救灾的要求，我们有愧呀！”

事实上，当时遥感技术仍然在救灾中发挥了不小的作用，唐家山在地震中被削去一半，形成蓄水近3亿立方米的悬湖，一旦崩塌，将给绵阳等地几百万人带来巨大灾难。到底该怎么办，相关部门决策困难。

紧急关头，李德仁主动请缨赶赴汶川，带领团队运用航空遥感对唐家山堰塞湖地形进行了扫描，根据数据分析结果，他们认为唐家山堰塞湖虽险，但依然是稳固的，可以用明渠导流的办法排除风险。团队将这些数据呈报给抗震救灾指挥部，为正确处置险情提供了科学依据。

每每谈及此事，他的表现就像解放军的“火力不足恐惧症”。

“2013年芦山地震时，获取第一幅卫星影像时间缩短到10个小时；但是2015年天津港爆炸时，获取第一幅卫星影像时间仍然花了12个小时，损失了黄金救援时间；”在2018年8月的第十六期钱学森论坛上，李德仁院士说道，“去年（2017年）九寨沟地震时利用了无人机，获取图像缩短到4个小时。但这还不够……”

怎样才够呢？最终的目标是全球0.5米空间分辨率，3分钟时间分辨率的遥感网络+亚米级的全球实时导航定位精度+通信容量不低于600Gbps，支持高速移动过程中的音视频通话能力和遥感影像的接收能力的全球卫星通信网络：通导遥（通信、导航、遥感）一体。

今天，大家对SpaceX的“星链”卫星互联网系统耳熟能详，也看到美国麦克萨科技（MaxarTechnologiesInc.）、行星实验室（PlanetLabs）和黑色天空（BlackSkyGlobal）等商业遥感公司的卫星在俄乌战场上发挥了重要作用，但通信与遥感，两者仍是相对割裂的系统。

直到2022年12月，SpaceX提出将“星链”升级为“星盾”，试图将通信与遥感星座融合到一起，今年5月22日和6月29日，首批20颗和第二批21颗“星盾”卫星发射升空。

在李德仁看来，在通遥融合方面，我们并没有落后，反而想在前面，也走在前面。“我们中国人不要由于过去落后，就习惯性地看外国人做什么咱们就跟着做什么。作为一名真正有志向的中国科学家，我们可以进行创新引领，从0到1。”他说道，“通导遥一体”发展的思路，是他2006年最早在世界上提出的。

通导遥集成与中国院士“天团”

为什么要“通导遥一体”一体呢？

举个例子。非洲索马里有海盗，为了保护中国船只安全航行，我们需要拍摄图像。图像拍到以后，原来是要等遥感卫星从非洲上空转到中国的上空以后，信息才能传下来；传下来之后，再用计算机软件处理；处理完了，再通过通信卫星传上去。一系列操作下来，8个小时过去了。

现在我们计划把通信卫星、导航卫星、遥感卫星结合在一起，再把处理这个数据的方法——人工智能送到天上去，几分钟就可以将信息送到用户手中，——仍然是系统集成的思维，但规模、需要克服的难题和需要调动的资源不可同日而语。

李德仁在十六期钱学森论坛上发言《网信军民融合》2018年12月刊

想法提出后，一个中国“院士天团”进行了论证。

2017 年，中国工程院批复了“天基服务信息系统（PNTRC）发展战略研究”重大咨询项目。该项目以 17 位宇航、通信、导航、遥感、信息领域的两院院士为骨干，以李德仁院士为项目组长。

其中，星基导航增强技术方面，请刘经南院士牵头；天地一体化网络通信技术，请清华的陆建华院士牵头，他研发了灵巧智能小卫星，能用自适应软件控制卫星运行轨迹；多源成像数据在轨处理技术由李德仁院士牵头，实现卫星监测地面变化，提取处理后压制传输，通过公用网络送到地面手机上；天基信息智能终端服务技术请龚健雅院士牵头；天基资源调度与网络安全请张军院士牵头，用以前做飞机调度的经验来调度卫星；多载荷集成的一体化卫星平台请航天科技集团的张庆君研究员牵头，实现新一代小型化自动化的一体化平台；空天地一体化的非线性地球参考框架构建由李建成院士牵头。

该项目论证天基信息实时服务系统建设目标、技术体系、可行性方案、运行服务模式，提出我国未来PNTRC 系统发展战略建议和建设路线图。

最终，李德仁院士呈送建议，分“三步走”，最终建成一整套“空天信息实时智能服务系统”：

第一步，构建局域服务系统（大湾区、南海、海南、珠江、长江、黄河流域、京津冀）。发射50颗0.5m高分辨的低轨遥感/导航增强卫星（光学卫星25颗、合成孔径雷达（synthetic apertureradar，SAR）卫星25颗）和1~3颗地球静止轨道高轨通信卫星，形成初级星座，目标信息获取优于5分钟，实时导航定位精度为亚米级，具有90个波束覆盖全亚太，每个波束出向带宽最大1Gbps，入向200Mbps，点对点或广播，落地后通过5G上手机。

第二步，构建区域服务系统（中国及“一带一路”沿线）。发射150颗低轨通信/导航增强卫星和150颗低轨多角度遥感卫星（具备星间通信能力），形成中级星座，目标信息获取优于5分钟，实时导航定位精度为亚米级，具有自适应变带宽，单波束最高速率达到40Mbps。其中，低轨通信卫星可依托国内具有星间链路的低轨通信星座发展计划，如鸿雁、虹云等，并增加导航增强载荷。

第三步，构建全球服务系统。在中国6G低轨通信卫星网络中布设500~1000颗低轨遥感卫星（具备星间通信能力），空间分辨率优于0.5米，时间分辨率优于3分钟，实时导航定位精度为亚米级，全网通信容量不低于600Gbps，支持高速移动过程中的音视频通话能力和遥感影像的接收能力。

这个宏大的蓝图，现在落地到哪一步了呢？前文提到的长光卫星“吉林一号”星座，它的进程可以作为参考。

篇幅所限，我们再简单举个例子，讲一下李德仁院士所在的武汉大学和烟台市政府一起做的“东方慧眼”星座。

以下是“东方慧眼”星座“珞珈三号01星”运用“凝视”功能拍摄的两个实时视频：

凝视视频数据有什么作用？

“我们把相关信息提交给卫星，它就可以实时分析捕捉出超速的汽车，跟踪机场的飞机运行情况。”

李德仁院士介绍，运用该项技术，已经分析了尼日利亚卡洛市的车流量监控，昆明机场的静态动态飞机数量监测，“如果将来发射200到300颗卫星，就可以用于城市智能交通管理，或是机场的自动化管理。”

兰州三维实景展示

提供三维立体数据也是“珞珈三号01星”凝视视频的“绝活”。李德仁院士展示了一张2月14日拍摄并制作的我国西藏日喀则实景三维地图。画面右上角是绵延的土黄色的山，山脚下则是城市，每一栋建筑都是立体的，不仔细分辨会认为是航拍照片。

目前，“东方慧眼”星座已有4颗珞珈系列卫星成功发射，正在按既定节奏稳步推进，到2030年，将建成拥有200+颗卫星的全球通导遥一体化服务系统。

除了“吉林一号”星座、“灵鹊”星座和“东方慧眼”星座之外，还有航天科工的“楚天”星座、航天科技的“高景一号”星座、航天宏图的“女娲”星座，都正在按照“通导遥一体、空天地一体”的顶层设计快速推进，与麦克萨科技（MaxarTechnologiesInc.，谷歌地球供应商）、行星实验室（PlanetLabs）、黑色天空（BlackSkyGlobal）、卫星逻辑（Satellogic）、五车二（CapellaSpace）、冰眼（ICEYE）等美国和西方主导的商业遥感公司开始捉对厮杀。

美国卫星看航母是任务，中国卫星看航母是顺带

再分享一个观察，2022年2月俄乌冲突爆发前后，是这些西方遥感卫星公司在资本市场上的历史高光时刻。

黑天、卫星逻辑和行星实验室分别在2021年底和2022年初上市或重新上市，结果“出道即巅峰”，股价一路下滑至今，老牌巨头麦克萨稍微好些，不过也是持续亏损，2022年底放风私有化后大涨一波后退市，随后裁员。

有报道说，2022年5月，美国国家侦察局（NRO）向上述三家商业遥感卫星公司授出“历史性大单”，总金额至少超过40亿美元。但也仅仅40亿美元，而已，——他们的客户主要来自政府机构、情报机构、军事部门。

由于西方整体缺乏实体制造和基建能力，除了服务战场之外，西方的航天遥感基本是“眼高手低”的，——漫天卫星盯着俄罗斯，却阻止不了加州年年爆发的山火，就是明证。

因此，在俄乌战争爆发带来的大单，就是相关企业想象空间的天花板，随后就是“利好出尽是利空”的剧本。

美国卫星看航母是使命，中国卫星看航母是顺带。

同样在2021年下半年的时间点上，习近平总书记在致首届北斗规模应用国际峰会的贺信中指出，当前全球数字化发展日益加快，时空信息、定位导航服务成为重要的新型基础设施。

以天空地对地观测与北斗卫星导航为代表的空间信息基础设施，以 5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施；以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等“新基建”，将互为支撑。同时，“新基建”将与传统基础设施融合，支撑后者转型升级，进而形成的融合基础设施，如智能交通基础设施、智慧能源基础设施等，共同为中国经济的“双循环”和人类命运共同体赋能。

这又是一个更大层面的“系统集成”，不但在于不同层面的基础设施子系统的集成，更在于与现有人类经济和社会系统的耦合，限于篇幅，我们今后有合适机会再展开。