北斗與5G融合到一起，可以進(jìn)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(lái)源：臨沂高新區(qū)
作者：鄧中亮
高達(dá)動(dòng)態(tài)厘米級(jí)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(dú)門絕技，其在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用層面也已逐步向普適化、標(biāo)配化演進(jìn)，并延展出時(shí)空智能新興產(chǎn)業(yè)。
5月17日，當(dāng)長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)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(shí)，北斗系統(tǒng)的發(fā)展從此進(jìn)入了一個(gè)新的階段。
這是北斗三號(hào)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(hào)系統(tǒng)正式開通全球服務(wù)以來(lái)的首次發(fā)射，為建設(shè)下一代國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)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(jìn)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(duì)高精度定位服務(wù)有很大的改善。
“精準(zhǔn)時(shí)空”
支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展
建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)已成為我國(guó)重大發(fā)展戰(zhàn)略。由此，智慧制造就成為當(dāng)前發(fā)展的重要任務(wù)。我國(guó)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(jìn)的通信手段；第二要通過(guò)實(shí)時(shí)的計(jì)算；第三需要高精度的時(shí)空信息支撐；第四就是智能控制。所以，高精度時(shí)空基準(zhǔn)與萬(wàn)物互聯(lián)的透明化時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，感知無(wú)處不在，網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在。
精確時(shí)空基準(zhǔn)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(zhǔn)時(shí)空、全面感知、低時(shí)延高可靠通信和深度智能的融合處理。從上世紀(jì)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(lái)，5G的應(yīng)用場(chǎng)景的80%將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，預(yù)計(jì)到2023年年底，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)值將超過(guò)萬(wàn)億的規(guī)模。
高精度時(shí)空信息，對(duì)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(gè)維度：一個(gè)是可見(jiàn)性，另一個(gè)是價(jià)值性。以時(shí)空信息作為工業(yè)大數(shù)據(jù)源頭，可以解決連續(xù)性、準(zhǔn)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(shí)空信息同時(shí)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(shí)空基準(zhǔn)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(zhǔn)的時(shí)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(wèn)題。同時(shí)，高精度時(shí)空信息也是提升工業(yè)大數(shù)據(jù)價(jià)值的重要手段。有人評(píng)價(jià)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(jià)值密度，而80%的工業(yè)大數(shù)據(jù)的價(jià)值密度只有20%。所以時(shí)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(jià)值性問(wèn)題，提升重大生產(chǎn)安全保障能力。
我國(guó)是全球第一大工業(yè)生產(chǎn)國(guó)，以往的生產(chǎn)安全保障狀態(tài)是傳統(tǒng)被動(dòng)響應(yīng)為主，未來(lái)需要發(fā)展到精準(zhǔn)的全時(shí)空主動(dòng)防御。發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視重大生產(chǎn)安全保障，全過(guò)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(shí)空信息可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的高安全通信、高精度目標(biāo)感知、智能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(shí)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(guó)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(chǎng)的新競(jìng)爭(zhēng)。而競(jìng)爭(zhēng)就需要新的抓手，由此如何搶占全球市場(chǎng)成為重要目標(biāo)。
根據(jù)分析，衛(wèi)星導(dǎo)航花費(fèi)很小的代價(jià)就可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，但是無(wú)法實(shí)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(hào)干擾和欺騙，無(wú)法實(shí)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(diǎn)，亟待發(fā)展自主的時(shí)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(biāo)是：信息隨心而至，萬(wàn)物觸手可及。很顯然，這需要高精度的時(shí)空信息支撐。是否能夠通過(guò)無(wú)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(wú)縫的高精度定位？我國(guó)在2006年提出“羲和計(jì)劃”以此支撐北斗落地應(yīng)用，同時(shí)賦能通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高精度定位。
但是，通信與導(dǎo)航的結(jié)合面臨3個(gè)方面的挑戰(zhàn)。第一，地面環(huán)境復(fù)雜，能否基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量與定位？第二，單個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)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(jí)要求不同，監(jiān)測(cè)對(duì)象有人、有機(jī)器、有物品，能否實(shí)現(xiàn)泛在的智能服務(wù)保障能力？在國(guó)家重大專項(xiàng)計(jì)劃、國(guó)家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃的支持下，筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了從單個(gè)無(wú)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(xiàng)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(tuán)隊(duì)構(gòu)建了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)理論方法與技術(shù)體系。在單個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)高精度點(diǎn)方面，創(chuàng)新提出了“隱嵌信噪”相位定位方法、無(wú)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(shí)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(shí)，利用通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備增強(qiáng)衛(wèi)星定位差分增強(qiáng)，以及可重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，定位精度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
在5G時(shí)代，將定位性能從原來(lái)的米級(jí)提升至分米級(jí)、厘米級(jí)，從而推動(dòng)我國(guó)無(wú)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(shí)空定位感知、安全隱患與風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)評(píng)估、精細(xì)防控與高可靠救援等系列關(guān)鍵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全保障從被動(dòng)撞擊響應(yīng)走向主動(dòng)防御跨越。筆者團(tuán)隊(duì)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(gè)行業(yè)提供了重大支撐。率先服務(wù)于國(guó)內(nèi)外特大型化工企業(yè)的安全生產(chǎn)與監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)了空間位置服務(wù)在大型企業(yè)從無(wú)到有的體系化、規(guī)�；瘧�(yīng)用，解決了化工園區(qū)兩重點(diǎn)一重大的難題。
通過(guò)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(guò)北斗和5G的高效融合，解決了衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的高精度定位難題。5G的定位性能通過(guò)前期的技術(shù)突破，跟衛(wèi)星定位性能越來(lái)越接近，且信號(hào)覆蓋更加全面，從而解決了衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)定位難題。北斗與5G融合到一起，可以進(jìn)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(tuán)隊(duì)率先提出了首個(gè)5G高精度定位的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為我國(guó)搶占5G定位制高點(diǎn)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(jī)融合可以相互增強(qiáng)，利用北斗為5G的服務(wù)業(yè)務(wù)提供新的支撐，同時(shí)利用5G拓展北斗應(yīng)用服務(wù)能力，從而形成國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系，這已成為國(guó)家當(dāng)前的重大工程重要建設(shè)內(nèi)容。國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系建設(shè)可以解決全空域、全時(shí)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(guó)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(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系，為未來(lái)智能化、無(wú)人化發(fā)展提供核心支撐。屆時(shí)，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(shí)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(lái)，市場(chǎng)需求對(duì)定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)及綜合位置服務(wù)的需求，將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)時(shí)空信息采集與服務(wù)的需求。這會(huì)使得市場(chǎng)被重新定義，形成以時(shí)空信息獲取、處理和服務(wù)為主的新經(jīng)濟(jì)形態(tài)，并必將成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，讓產(chǎn)業(yè)鏈、用戶類型和應(yīng)用場(chǎng)景范圍發(fā)生巨大變化，使國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系和時(shí)空服務(wù)產(chǎn)業(yè)范疇進(jìn)一步擴(kuò)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(duì)各種生物目標(biāo)的定位，將成為社會(huì)環(huán)境發(fā)展的重要基礎(chǔ)。無(wú)人化、智能化、更高安全的需求，是未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。保障制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化的良性發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)法規(guī)是不可或缺的重要保障條件。
30年前，首星承夢(mèng)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(wàn)眾一心、追求卓越”的新時(shí)代北斗精神，讓“北斗和5G”成為賦能經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要時(shí)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�(guó)際歐亞科學(xué)院院士、災(zāi)備技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任、北京郵電大學(xué)教授）
