北斗+5G,打開社會發展“全知視角”

2021.07.20 , 瀏覽次數: 4426

北斗導航衛星效果圖。 中科院微小衛星創新研究院供圖

“千里之堤潰于蟻穴”,比喻小事不慎也可能釀出大禍,意在提醒人們要防微杜漸、防患于未然。不過,有些科學家可不止這么看:“千里之堤潰于蟻穴”背后的科學問題是什么?如果能夠與螞蟻溝通、定位蟻穴,豈不是可以挽救千里之堤于既倒?

類似地,“大雁一會兒在天上排成‘一’字、一會兒排成‘人’字……”這一自然現象面前,科學家想的是:那么多鳥在天上飛,它們為什么不“追尾”?

北京郵電大學教授鄧中亮就是這樣的科學家。近日,他在接受專訪時向記者拋出了這個命題:在萬物互聯的智能時代,人類能不能“開天眼”,打開“上帝視角”?

 

擁有“上帝視角”不是異想天開

在鄧中亮看來,要擁有“上帝視角”,需要構建一個感知和網絡無處不在、信息安全可充分保障的、以高精度時空基準為基礎的透明社會。“有了這個基礎,社會發展將被基于通信、計算、時空感知、智能控制的‘智慧’重新定義。”

這不是異想天開——發現新冠肺炎患者,我們希望第一時間找到病患的密切接觸者;發生地震、火災后,我們希望能第一時間精準定位救援目標;要實現自動駕駛,要確保智能車的定位精度在亞米級且100%在線、網絡響應不高于200毫秒的時延;未來無人機送貨上門,除了定位精度要求之外,還要能無縫感知,以實現在城市低空對無人飛行器的安全管控……凡此種種,鄧中亮認為,高精度的時空基準和萬物互聯,是智慧社會建設的一個標志。

“以高精度時空基準為基礎,加上通信等物聯手段,將對智慧經濟的發展發揮重要作用。”鄧中亮說,目前許多國家已制訂了相應的計劃,發展智慧產業、建設智慧社會。

可是,如何實現?

鄧中亮告訴記者,北斗衛星導航系統和5G通信網絡這兩大“新基建”的融合,或將為這一圖景的實現提供一條行之有效的路徑。

“導航衛星很強大、終端也很‘聰明’,但二者合在一起也無法實現全空域全時域的定位導航服務、位置服務保障。”鄧中亮說,這就需要把衛星和地面網融合起來,構成強大的天地一體化網絡,推動定位導航從產業化走向位置服務的商業化。

 

北斗+5G融合發展“是時代必然”

2020年7月31日,北斗三號全球衛星導航系統建成開通,標志著中國自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統開啟服務全球、造福人類的新篇章。

但在中國北斗之前,世界上已經有了美國GPS、俄羅斯格洛納斯等衛星導航系統。尤其GPS經過長期發展,已占據了近90%的市場。中國北斗要在全球“三分天下有其一”,未來道阻且長。

不過,機遇仍然存在。由于導航衛星距離地面太遠,在遇到遮擋后容易信號中斷,難以提供信號全覆蓋的服務形態——這也是GPS經歷40多年發展至今未能發展出有效商業模式的原因之一。鄧中亮說,由于缺乏米級、亞米級位置服務保障能力,衛星導航的商業化一直是個空白。

北斗能不能超越GPS,實現一種泛在的高精度、高可靠定位導航服務?鄧中亮的答案是“能”,那就是“北斗+5G”。

目前我國已建成全球最大5G網絡。在應用方面,自2019年開啟5G商用元年至今,5G應用迎來導入期,迫切需要增強服務能力。

一邊,5G商用即將迎來爆發,增強服務能力迫在眉睫;另一邊,北斗要靠自己 “單打獨斗”發展獨立應用也力不從心。這在鄧中亮看來,北斗+5G的融合賦能智慧社會建設,“存在時代必然性”。

“北斗和5G融合發展將給這兩大系統的應用創新提供新思路,最顯著的就是‘北斗+5G’有望打造精準位置服務能力,實現北斗‘在地上用好’的目標;同時,‘通導融合’將為5G產業化應用提供支撐,進而推動智慧社會建設。”鄧中亮說。

 

難關重重,通導融合“沒那么簡單”

通導融合的理論邏輯在于,衛星系統可以為地面基站等提供授時、定位服務的時空基準,但存在信號覆蓋不全的問題;而如果原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能,兩者的信號覆蓋互為補充,再設法提高位置精度,位置服務能力就能大大提高了。

事實上,早在1996年美國就有《緊急呼叫法案》,立法約定“當衛星無法提供定位信號的時候,移動通信網在緊急情況必須提供位置服務”。歐盟在2014年也出臺過類似法案。但為何“通導融合”至今沒有合體變強?

鄧中亮說,通導融合沒那么簡單,其中的關鍵在于,通信網用于精準導航定位,還需要解決一系列技術難題。

首先,通信網絡目前還沒有精確測距的能力,這是通信網提供位置服務的關鍵;其次是可靠性問題,通信網絡雖說覆蓋更廣,但還達不到100%,手機“信號弱”“無信號”的情況仍偶有發生;第三,在定位精度方面,通信網絡能否達到厘米級、毫米級以滿足特殊應用,還是一個問號;第四,在復雜空間內的定位導航,還要排除環境干擾問題——這需要關聯環境大數據,并進行計算加以智能控制。此外,還要通過端計算實現實時計算,以響應數以千億計的位置服務請求。

“用最小的代價、很高的性價比、最低的成本來實現這種能力,是全球性的新挑戰,我們的大量研究工作就圍繞這個開展。”鄧中亮介紹道。

 

關鍵技術的突破

在這些問題上,鄧中亮已經帶領團隊取得一些技術突破。比如為解決通信網高精度定位中的頻率復用、信號干擾、測距精度低等問題,他們提出“定位—通信融合‘共頻帶’相位定位方法”,將基于無線網絡基站的室內外3D定位精度提升至米級以下?;谠摷夹g的測距方案可將測距能力提高至厘米級以下。鄧中亮告訴《中國科學報》,這一技術相比國際上已有方案將通信網定位導航能力提升一個數量級,并已于2020年7月獲得國際專利授權、成為國際標準。

此外,研究團隊還針對模糊環境定位導航普適性難題(單種信號易被遮擋的盲區定位問題),創造性提出“圖像—無線融合快速定位關聯計算”方法,建立從信號測量、估計、預測到校正的多網融合定位方法與模型,實現了國際最優的多邊界約束尋優厘米級定位,使現有“無線網絡+實時圖像”定位精度小于2厘米。

同時,將地面基站視作衛星的“天地一體定位”,是構建更大范圍高精度無縫定位的有效手段,但存在信號異構的挑戰。鄧中亮團隊提出了融合定位、可重構、低功耗設計與全鏈路仿真測試等方法,實現跨物理層的信號融合,使天地一體定位精度進一步提高。

回到“千里之堤潰于蟻穴”的問題上,假設螞蟻是一個智能終端,只要它可通信、有信號,通過衛星和通信基站就可以對它定位,且定位精度可達厘米級。

鄧中亮說,相關的解決方案已在一些工程實踐中得到了應用。比如在APEC峰會、奧運會等重大活動以及相關重點工程建設中,解決了人員和貴重物資室內外無縫精確定位的難題,為預警、透明化應急指揮提供了重要保障。他也提出,這些成果的應用場景可挖潛力還很大,希望社會各界能夠增進對北斗+5G的應用能力的了解。“這些成果可以服務社會,而不只是‘服務’我們實驗室設備。”

(來源:中國科學報 記者趙廣立)

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