作者:赵广立 来源: 中国科学报 发布时间:2021-7-8
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北斗+5G,打开社会发展“全知视角”

北斗导航卫星效果图。 中科院微小卫星创新研究院供图

 

本报记者 赵广立

“千里之堤溃于蚁穴”,比喻小事不慎也可能酿出大祸,意在提醒人们要防微杜渐、防患于未然。不过,有些科学家可不止这么看:“千里之堤溃于蚁穴”背后的科学问题是什么?如果能够与蚂蚁沟通、定位蚁穴,岂不是可以挽救千里之堤于既倒?

类似地,“大雁一会儿在天上排成‘一’字、一会儿排成‘人’字……”这一自然现象面前,科学家想的是:那么多鸟在天上飞,它们为什么不“追尾”?

北京邮电大学教授邓中亮就是这样的科学家。近日,他在接受《中国科学报》专访时向记者抛出了这个命题:在万物互联的智能时代,人类能不能“开天眼”,打开“上帝视角”?

拥有“上帝视角”不是异想天开

在邓中亮看来,要拥有“上帝视角”,需要构建一个感知和网络无处不在、信息安全可充分保障的、以高精度时空基准为基础的透明社会。“有了这个基础,社会发展将被基于通信、计算、时空感知、智能控制的‘智慧’重新定义。”

这不是异想天开——发现新冠肺炎患者,我们希望第一时间找到病患的密切接触者;发生地震、火灾后,我们希望能第一时间精准定位救援目标;要实现自动驾驶,要确保智能车的定位精度在亚米级且100%在线、网络响应不高于200毫秒的时延;未来无人机送货上门,除了定位精度要求之外,还要能无缝感知,以实现在城市低空对无人飞行器的安全管控……凡此种种,邓中亮认为,高精度的时空基准和万物互联,是智慧社会建设的一个标志。

“以高精度时空基准为基础,加上通信等物联手段,将对智慧经济的发展发挥重要作用。”邓中亮说,目前许多国家已制订了相应的计划,发展智慧产业、建设智慧社会。

可是,如何实现?

邓中亮告诉记者,北斗卫星导航系统和5G通信网络这两大“新基建”的融合,或将为这一图景的实现提供一条行之有效的路径。

“导航卫星很强大、终端也很‘聪明’,但二者合在一起也无法实现全空域全时域的定位导航服务、位置服务保障。”邓中亮说,这就需要把卫星和地面网融合起来,构成强大的天地一体化网络,推动定位导航从产业化走向位置服务的商业化。

北斗+5G融合发展“是时代必然”

2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成开通,标志着中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统开启服务全球、造福人类的新篇章。

但在中国北斗之前,世界上已经有了美国GPS、俄罗斯格洛纳斯等卫星导航系统。尤其GPS经过长期发展,已占据了近90%的市场。中国北斗要在全球“三分天下有其一”,未来道阻且长。

不过,机遇仍然存在。由于导航卫星距离地面太远,在遇到遮挡后容易信号中断,难以提供信号全覆盖的服务形态——这也是GPS经历40多年发展至今未能发展出有效商业模式的原因之一。邓中亮说,由于缺乏米级、亚米级位置服务保障能力,卫星导航的商业化一直是个空白。

北斗能不能超越GPS,实现一种泛在的高精度、高可靠定位导航服务?邓中亮的答案是“能”,那就是“北斗+5G”。

目前我国已建成全球最大5G网络。在应用方面,自2019年开启5G商用元年至今,5G应用迎来导入期,迫切需要增强服务能力。

一边,5G商用即将迎来爆发,增强服务能力迫在眉睫;另一边,北斗要靠自己 “单打独斗”发展独立应用也力不从心。这在邓中亮看来,北斗+5G的融合赋能智慧社会建设,“存在时代必然性”。

“北斗和5G融合发展将给这两大系统的应用创新提供新思路,最显著的就是‘北斗+5G’有望打造精准位置服务能力,实现北斗‘在地上用好’的目标;同时,‘通导融合’将为5G产业化应用提供支撑,进而推动智慧社会建设。”邓中亮说。

难关重重,通导融合“没那么简单”

通导融合的理论逻辑在于,卫星系统可以为地面基站等提供授时、定位服务的时空基准,但存在信号覆盖不全的问题;而如果原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能,两者的信号覆盖互为补充,再设法提高位置精度,位置服务能力就能大大提高了。

事实上,早在1996年美国就有《紧急呼叫法案》,立法约定“当卫星无法提供定位信号的时候,移动通信网在紧急情况必须提供位置服务”。欧盟在2014年也出台过类似法案。但为何“通导融合”至今没有合体变强?

邓中亮说,通导融合没那么简单,其中的关键在于,通信网用于精准导航定位,还需要解决一系列技术难题。

首先,通信网络目前还没有精确测距的能力,这是通信网提供位置服务的关键;其次是可靠性问题,通信网络虽说覆盖更广,但还达不到100%,手机“信号弱”“无信号”的情况仍偶有发生;第三,在定位精度方面,通信网络能否达到厘米级、毫米级以满足特殊应用,还是一个问号;第四,在复杂空间内的定位导航,还要排除环境干扰问题——这需要关联环境大数据,并进行计算加以智能控制。此外,还要通过端计算实现实时计算,以响应数以千亿计的位置服务请求。

“用最小的代价、很高的性价比、最低的成本来实现这种能力,是全球性的新挑战,我们的大量研究工作就围绕这个开展。”邓中亮介绍道。

关键技术的突破

在这些问题上,邓中亮已经带领团队取得一些技术突破。比如为解决通信网高精度定位中的频率复用、信号干扰、测距精度低等问题,他们提出“定位—通信融合‘共频带’相位定位方法”,将基于无线网络基站的室内外3D定位精度提升至米级以下。基于该技术的测距方案可将测距能力提高至厘米级以下。邓中亮告诉《中国科学报》,这一技术相比国际上已有方案将通信网定位导航能力提升一个数量级,并已于2020年7月获得国际专利授权、成为国际标准。

此外,研究团队还针对模糊环境定位导航普适性难题(单种信号易被遮挡的盲区定位问题),创造性提出“图像—无线融合快速定位关联计算”方法,建立从信号测量、估计、预测到校正的多网融合定位方法与模型,实现了国际最优的多边界约束寻优厘米级定位,使现有“无线网络+实时图像”定位精度小于2厘米。

同时,将地面基站视作卫星的“天地一体定位”,是构建更大范围高精度无缝定位的有效手段,但存在信号异构的挑战。邓中亮团队提出了融合定位、可重构、低功耗设计与全链路仿真测试等方法,实现跨物理层的信号融合,使天地一体定位精度进一步提高。

回到“千里之堤溃于蚁穴”的问题上,假设蚂蚁是一个智能终端,只要它可通信、有信号,通过卫星和通信基站就可以对它定位,且定位精度可达厘米级。

邓中亮说,相关的解决方案已在一些工程实践中得到了应用。比如在APEC峰会、奥运会等重大活动以及相关重点工程建设中,解决了人员和贵重物资室内外无缝精确定位的难题,为预警、透明化应急指挥提供了重要保障。他也提出,这些成果的应用场景可挖潜力还很大,希望社会各界能够增进对北斗+5G的应用能力的了解。“这些成果可以服务社会,而不只是‘服务’我们实验室设备。”

 

《中国科学报》 (2021-07-08 第3版 信息技术)
 
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