鄧中亮
高達動(dòng)態(tài)厘米級的高精度定位服務(wù)，不僅是北斗衛星導航系統的一大獨門(mén)絕技，其在產(chǎn)業(yè)化應用層面也已逐步向普適化、標配化演進(jìn)，并延展出時(shí)空智能新興產(chǎn)業(yè)。
5月17日，當長(cháng)征三號乙運載火箭成功發(fā)射北斗系統的第五十六顆導航衛星時(shí)，北斗系統的發(fā)展從此進(jìn)入了一個(gè)新的階段。
這是北斗三號全球衛星導航系統的首顆備份星，也是2020年北斗三號系統正式開(kāi)通全球服務(wù)以來(lái)的首次發(fā)射，為建設下一代國家綜合定位導航授時(shí)體系相應的一些新技術(shù)和新產(chǎn)品奠定技術(shù)基礎并提供進(jìn)階。這顆衛星可以具備支持播發(fā)更多系統的修正信息，對高精度定位服務(wù)有很大的改善。
“精準時(shí)空”
支撐數字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展
建設制造強國已成為我國重大發(fā)展戰略。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(jìn)的通信手段;第二要通過(guò)實(shí)時(shí)的計算;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)空基準將賦能智慧制造與新工業(yè)革命，包括工廠(chǎng)智能化、車(chē)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(lài)精準時(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最核心的應用之一、新基建核心信息基礎設施。未來(lái)，5G的應用場(chǎng)景的80%將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，預計到2023年年底，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)值將超過(guò)萬(wàn)億的規模。
高精度時(shí)空信息，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的信息安全建設意義重大。有了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，人們很容易就聯(lián)想到工業(yè)大數據，與以往的大數據相比，工業(yè)大數據多了兩個(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)大數據源頭，可以解決連續性、準確性、關(guān)聯(lián)性、邏輯性、可視性大數據的需求。高精度時(shí)空信息同時(shí)也是深度挖掘工業(yè)大數據的關(guān)鍵基礎，90%以上的工業(yè)大數據以時(shí)空基準作為數據管理的組件。
然而，目前空間數據精度不足，導致數據挖掘的不確定性。融合精準的時(shí)空信息，就可以有效解決工業(yè)大數據中的引領(lǐng)性問(wèn)題。同時(shí)，高精度時(shí)空信息也是提升工業(yè)大數據價(jià)值的重要手段。有人評價(jià)工業(yè)大數據領(lǐng)域的“二八法則”即20%的小數據具有80%的價(jià)值密度，而80%的工業(yè)大數據的價(jià)值密度只有20%。所以時(shí)空關(guān)聯(lián)多維數據挖掘，可有效解決工業(yè)大數據中的低價(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)是傳統被動(dòng)響應為主，未來(lái)需要發(fā)展到精準的全時(shí)空主動(dòng)防御。發(fā)達國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。高精度時(shí)空信息可實(shí)現無(wú)縫的高安全通信、高精度目標感知、智能風(fēng)險評估，包括快速可靠處置與救援。
通信與導航牽手
需5G與北斗融合
講到時(shí)空信息，很容易聯(lián)想到全球四大衛星導航系統。2020年7月31日，我國宣布開(kāi)啟北斗導航的全球服務(wù)。全球四大衛星導航系統的技術(shù)路線(xiàn)基本一致，要開(kāi)展全球服務(wù)就面臨市場(chǎng)的新競爭。而競爭就需要新的抓手，由此如何搶占全球市場(chǎng)成為重要目標。
根據分析，衛星導航花費很小的代價(jià)就可實(shí)現全球覆蓋，但是無(wú)法實(shí)現室內、城市峽谷、地下環(huán)境的定位與導航，也很容易受到信號干擾和欺騙，無(wú)法實(shí)現安全可靠的定位。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(lài)于衛星導航系統的定位導航能力。
5G的應用目標是：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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )解決半遮蔽、遮蔽空間的高清定位難題，并與衛星導航系統有效組合解決無(wú)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用，同時(shí)賦能通信網(wǎng)實(shí)現高精度定位。
但是，通信與導航的結合面臨3個(gè)方面的挑戰。第一，地面環(huán)境復雜，能否基于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現精確測量與定位?第二，單個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )會(huì )有盲區，如何解決可靠魯棒的定位難題?第三，應用服務(wù)業(yè)務(wù)需求種類(lèi)多樣，精度等級要求不同，監測對象有人、有機器、有物品，能否實(shí)現泛在的智能服務(wù)保障能力?在國家重大專(zhuān)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(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )高精度，到異構多網(wǎng)多源協(xié)同高可靠，再到天地一體的智能定位導航研究，突破了理論方法與多項關(guān)鍵技術(shù)，并成功研制設備，開(kāi)展系列應用。
在20余年的研究基礎之上，筆者團隊構建了無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )理論方法與技術(shù)體系。在單個(gè)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)虛擬網(wǎng)格差分定位理論方法。在異構多網(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(xiàn)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，率先解決了衛星與地面通信網(wǎng)的天地一體深度融合定位架構與關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，利用通信網(wǎng)絡(luò )設備增強衛星定位差分增強，以及可重構等關(guān)鍵技術(shù)，定位精度達到國際領(lǐng)先水平。
在5G時(shí)代，將定位性能從原來(lái)的米級提升至分米級、厘米級，從而推動(dòng)我國無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)走向世界領(lǐng)先地位。在應用方面，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(shí)現生產(chǎn)安全保障從被動(dòng)撞擊響應走向主動(dòng)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(kāi)展了集成應用，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)于國內外特大型化工企業(yè)的安全生產(chǎn)與監管，實(shí)現了空間位置服務(wù)在大型企業(yè)從無(wú)到有的體系化、規?；瘧?，解決了化工園區兩重點(diǎn)一重大的難題。
通過(guò)研究發(fā)現，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，解決了衛星信號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，跟衛星定位性能越來(lái)越接近，且信號覆蓋更加全面，從而解決了衛星信號盲區定位難題。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。
在前期研究的基礎之上，筆者團隊率先提出了首個(gè)5G高精度定位的國際標準，為我國搶占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(shí)利用5G拓展北斗應用服務(wù)能力，從而形成國家綜合定位導航授時(shí)體系，這已成為國家當前的重大工程重要建設內容。國家綜合定位導航授時(shí)體系建設可以解決全空域、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，我國將建成以北斗系統為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時(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)，從室內到室外、深海到深空，用戶(hù)均可享受全覆蓋、高可靠的導航定位授時(shí)服務(wù)，北斗衛星導航系統將更好地服務(wù)全球、造福人類(lèi)。
未來(lái)，市場(chǎng)需求對定位導航授時(shí)技術(shù)及綜合位置服務(wù)的需求，將逐漸轉變?yōu)閷r(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)濟形態(tài)，并必將成為數字經(jīng)濟的重要組成部分。
北斗衛星導航系統融合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，讓產(chǎn)業(yè)鏈、用戶(hù)類(lèi)型和應用場(chǎng)景范圍發(fā)生巨大變化，使國家綜合定位導航授時(shí)體系和時(shí)空服務(wù)產(chǎn)業(yè)范疇進(jìn)一步擴大，并顯著(zhù)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(huì )環(huán)境發(fā)展的重要基礎。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。保障制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化的良性發(fā)展，標準基準法規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(kāi)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。
(作者系國際歐亞科學(xué)院院士、災備技術(shù)國家工程實(shí)驗室主任、北京郵電大學(xué)教授)
(責任編輯：范曉婷)
