北斗與5G融合到一起，可以進一步提升位置服務(wù)精度以及服務(wù)的可靠性。圖為位于臨沂高新區(qū)的中瑞5G生產(chǎn)線
圖片來源：臨沂高新區(qū)
作者：鄧中亮
高達動態(tài)厘米級的高精度定位服務(wù)，不僅是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一大獨門絕技，其在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用層面也已逐步向普適化、標配化演進，并延展出時空智能新興產(chǎn)業(yè)。
5月17日，當長征三號乙運載火箭成功發(fā)射北斗系統(tǒng)的第五十六顆導(dǎo)航衛(wèi)星時，北斗系統(tǒng)的發(fā)展從此進入了一個新的階段。
這是北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的首顆備份星，也是2020年北斗三號系統(tǒng)正式開通全球服務(wù)以來的首次發(fā)射，為建設(shè)下一代國家綜合定位導(dǎo)航授時體系相應(yīng)的一些新技術(shù)和新產(chǎn)品奠定技術(shù)基礎(chǔ)并提供進階。這顆衛(wèi)星可以具備支持播發(fā)更多系統(tǒng)的修正信息，對高精度定位服務(wù)有很大的改善。
“精準時空”
支撐數(shù)字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展
建設(shè)制造強國已成為我國重大發(fā)展戰(zhàn)略。由此，智慧制造就成為當前發(fā)展的重要任務(wù)。我國制造工業(yè)的發(fā)展將由智慧制造重新定義：首先要有先進的通信手段；第二要通過實時的計算；第三需要高精度的時空信息支撐；第四就是智能控制。所以，高精度時空基準與萬物互聯(lián)的透明化時代已經(jīng)到來，感知無處不在，網(wǎng)絡(luò)無處不在。
精確時空基準將賦能智慧制造與新工業(yè)革命，包括工廠智能化、車間智能化、裝備智能化、產(chǎn)品智能化等全生命流程。智慧制造需要依賴精準時空、全面感知、低時延高可靠通信和深度智能的融合處理。從上世紀70年代發(fā)展至今，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為5G最核心的應(yīng)用之一、新基建核心信息基礎(chǔ)設(shè)施。未來，5G的應(yīng)用場景的80%將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，預(yù)計到2023年年底，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)值將超過萬億的規(guī)模。
高精度時空信息，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的信息安全建設(shè)意義重大。有了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，人們很容易就聯(lián)想到工業(yè)大數(shù)據(jù)，與以往的大數(shù)據(jù)相比，工業(yè)大數(shù)據(jù)多了兩個維度：一個是可見性，另一個是價值性。以時空信息作為工業(yè)大數(shù)據(jù)源頭，可以解決連續(xù)性、準確性、關(guān)聯(lián)性、邏輯性、可視性大數(shù)據(jù)的需求。高精度時空信息同時也是深度挖掘工業(yè)大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，90%以上的工業(yè)大數(shù)據(jù)以時空基準作為數(shù)據(jù)管理的組件。
然而，目前空間數(shù)據(jù)精度不足，導(dǎo)致數(shù)據(jù)挖掘的不確定性。融合精準的時空信息，就可以有效解決工業(yè)大數(shù)據(jù)中的引領(lǐng)性問題。同時，高精度時空信息也是提升工業(yè)大數(shù)據(jù)價值的重要手段。有人評價工業(yè)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的“二八法則”即20%的小數(shù)據(jù)具有80%的價值密度，而80%的工業(yè)大數(shù)據(jù)的價值密度只有20%。所以時空關(guān)聯(lián)多維數(shù)據(jù)挖掘，可有效解決工業(yè)大數(shù)據(jù)中的低價值性問題，提升重大生產(chǎn)安全保障能力。
我國是全球第一大工業(yè)生產(chǎn)國，以往的生產(chǎn)安全保障狀態(tài)是傳統(tǒng)被動響應(yīng)為主，未來需要發(fā)展到精準的全時空主動防御。發(fā)達國家高度重視重大生產(chǎn)安全保障，全過程的安全保障是制造業(yè)和生產(chǎn)領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。高精度時空信息可實現(xiàn)無縫的高安全通信、高精度目標感知、智能風險評估，包括快速可靠處置與救援。
通信與導(dǎo)航牽手
需5G與北斗融合
講到時空信息，很容易聯(lián)想到全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2020年7月31日，我國宣布開啟北斗導(dǎo)航的全球服務(wù)。全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)路線基本一致，要開展全球服務(wù)就面臨市場的新競爭。而競爭就需要新的抓手，由此如何搶占全球市場成為重要目標。
根據(jù)分析，衛(wèi)星導(dǎo)航花費很小的代價就可實現(xiàn)全球覆蓋，但是無法實現(xiàn)室內(nèi)、城市峽谷、地下環(huán)境的定位與導(dǎo)航，也很容易受到信號干擾和欺騙，無法實現(xiàn)安全可靠的定位。因此，發(fā)展可靠定位就成為全球的研究熱點，亟待發(fā)展自主的時空體系，形成不依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位導(dǎo)航能力。
5G的應(yīng)用目標是：信息隨心而至，萬物觸手可及。很顯然，這需要高精度的時空信息支撐。是否能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)解決半遮蔽、遮蔽空間的高清定位難題，并與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有效組合解決無縫的高精度定位？我國在2006年提出“羲和計劃”以此支撐北斗落地應(yīng)用，同時賦能通信網(wǎng)實現(xiàn)高精度定位。
但是，通信與導(dǎo)航的結(jié)合面臨3個方面的挑戰(zhàn)。第一，地面環(huán)境復(fù)雜，能否基于無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)精確測量與定位？第二，單個通信網(wǎng)絡(luò)會有盲區(qū)，如何解決可靠魯棒的定位難題？第三，應(yīng)用服務(wù)業(yè)務(wù)需求種類多樣，精度等級要求不同，監(jiān)測對象有人、有機器、有物品，能否實現(xiàn)泛在的智能服務(wù)保障能力？在國家重大專項計劃、國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃的支持下，筆者帶領(lǐng)團隊完成了從單個無線網(wǎng)絡(luò)高精度，到異構(gòu)多網(wǎng)多源協(xié)同高可靠，再到天地一體的智能定位導(dǎo)航研究，突破了理論方法與多項關(guān)鍵技術(shù)，并成功研制設(shè)備，開展系列應(yīng)用。
在20余年的研究基礎(chǔ)之上，筆者團隊構(gòu)建了無線通信網(wǎng)絡(luò)理論方法與技術(shù)體系。在單個無線網(wǎng)絡(luò)高精度點方面，創(chuàng)新提出了“隱嵌信噪”相位定位方法、無線虛擬網(wǎng)格差分定位理論方法。在異構(gòu)多網(wǎng)多源協(xié)同高可靠高定位方法研究中，攻克了多網(wǎng)多源隨遇接入和在線同步難題，建立了基于時空自洽的最優(yōu)定位優(yōu)化相關(guān)模型。在天地一體普適位置服務(wù)方面，率先解決了衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)的天地一體深度融合定位架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)。同時，利用通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增強衛(wèi)星定位差分增強，以及可重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，定位精度達到國際領(lǐng)先水平。
在5G時代，將定位性能從原來的米級提升至分米級、厘米級，從而推動我國無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)走向世界領(lǐng)先地位。在應(yīng)用方面，面向生產(chǎn)安全保障，創(chuàng)新突破了網(wǎng)絡(luò)全域覆蓋、全時空定位感知、安全隱患與風險精準評估、精細防控與高可靠救援等系列關(guān)鍵技術(shù)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)安全保障從被動撞擊響應(yīng)走向主動防御跨越。筆者團隊研發(fā)了重大生產(chǎn)安全保障體系裝備、開展了集成應(yīng)用，為化工、能源、冶煉、安保等多個行業(yè)提供了重大支撐。率先服務(wù)于國內(nèi)外特大型化工企業(yè)的安全生產(chǎn)與監(jiān)管，實現(xiàn)了空間位置服務(wù)在大型企業(yè)從無到有的體系化、規(guī)�；瘧�(yīng)用，解決了化工園區(qū)兩重點一重大的難題。
通過研究發(fā)現(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò)可以賦能高精度定位感知的服務(wù)能力。通過北斗和5G的高效融合，解決了衛(wèi)星信號被遮擋的高精度定位難題。5G的定位性能通過前期的技術(shù)突破，跟衛(wèi)星定位性能越來越接近，且信號覆蓋更加全面，從而解決了衛(wèi)星信號盲區(qū)定位難題。北斗與5G融合到一起，可以進一步提升位置服務(wù)精度以及服務(wù)的可靠性。
在前期研究的基礎(chǔ)之上，筆者團隊率先提出了首個5G高精度定位的國際標準，為我國搶占5G定位制高點發(fā)揮了重要作用。
征途漫漫未有窮期
唯有奮斗披荊斬棘
北斗與5G有機融合可以相互增強，利用北斗為5G的服務(wù)業(yè)務(wù)提供新的支撐，同時利用5G拓展北斗應(yīng)用服務(wù)能力，從而形成國家綜合定位導(dǎo)航授時體系，這已成為國家當前的重大工程重要建設(shè)內(nèi)容。國家綜合定位導(dǎo)航授時體系建設(shè)可以解決全空域、全時域、全頻域的高精度、高可靠、高可能的位置服務(wù)。
2035年前，我國將建成以北斗系統(tǒng)為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時體系，為未來智能化、無人化發(fā)展提供核心支撐。屆時，從室內(nèi)到室外、深海到深空，用戶均可享受全覆蓋、高可靠的導(dǎo)航定位授時服務(wù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將更好地服務(wù)全球、造福人類。
未來，市場需求對定位導(dǎo)航授時技術(shù)及綜合位置服務(wù)的需求，將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷r空信息采集與服務(wù)的需求。這會使得市場被重新定義，形成以時空信息獲取、處理和服務(wù)為主的新經(jīng)濟形態(tài)，并必將成為數(shù)字經(jīng)濟的重要組成部分。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合移動互聯(lián)網(wǎng)，讓產(chǎn)業(yè)鏈、用戶類型和應(yīng)用場景范圍發(fā)生巨大變化，使國家綜合定位導(dǎo)航授時體系和時空服務(wù)產(chǎn)業(yè)范疇進一步擴大，并顯著改變了產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
生態(tài)的和諧，人與生態(tài)的互聯(lián)，以及對各種生物目標的定位，將成為社會環(huán)境發(fā)展的重要基礎(chǔ)。無人化、智能化、更高安全的需求，是未來制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢。保障制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化的良性發(fā)展，標準基準法規(guī)是不可或缺的重要保障條件。
30年前，首星承夢升空，而今，北斗惠及全球�？蒲泄ぷ髡咭� “自主創(chuàng)新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代北斗精神，讓“北斗和5G”成為賦能經(jīng)濟社會發(fā)展的重要時空基石，成為服務(wù)民生福祉、助力美好生活的科技力量。
�。ㄗ髡呦祰H歐亞科學院院士、災(zāi)備技術(shù)國家工程實驗室主任、北京郵電大學教授）
