鄧中亮，高彥彪，張 耀

(1.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876；2.北京郵電大學(xué) 人工智能學(xué)院，北京 100876)

0 引言

全球數(shù)字化發(fā)展日益加快,時空信息、定位導(dǎo)航服務(wù)成為重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施。時空信息作為新基建中信息基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵內(nèi)容,是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要根基。2012年以來,我國深入實施網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國與國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略,在數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的浪潮下,時空信息已成為數(shù)字政府、數(shù)字社會和數(shù)字中國建設(shè)過程中不可或缺的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)以數(shù)字化的知識和信息作為關(guān)鍵生產(chǎn)要素,以數(shù)字技術(shù)為核心驅(qū)動力量,以現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)為重要載體,通過數(shù)字技術(shù)與實體經(jīng)濟(jì)深度融合,不斷提高經(jīng)濟(jì)社會的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平,加速重構(gòu)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與治理模式的新型經(jīng)濟(jì)形態(tài)。數(shù)字經(jīng)濟(jì)正在深刻地改變著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的運(yùn)作方式和社會的生活方式,完善數(shù)字經(jīng)濟(jì)頂層設(shè)計、統(tǒng)籌數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展成為各國激發(fā)經(jīng)濟(jì)增長活力的重要手段。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)可以極大提高生產(chǎn)效率,打破傳統(tǒng)行業(yè)壁壘,已受到國際上的高度關(guān)注。目前世界各國已爭相出臺相關(guān)戰(zhàn)略,并采取了系列政策措施支持?jǐn)?shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展,正努力搶占數(shù)字經(jīng)濟(jì)制高點[1-3]。在我國,黨的十八大以來,黨中央高度重視發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì),將其上升為國家戰(zhàn)略,先后印發(fā)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略、“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃,促進(jìn)數(shù)字技術(shù)和實體經(jīng)濟(jì)深度融合,賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式。數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的大勢所趨,數(shù)字技術(shù)在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用可以顯著提高生產(chǎn)力、加速創(chuàng)新、提高企業(yè)與政府的運(yùn)行效率、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

在國家推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中,不論是通過數(shù)字化實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置,還是提升公共服務(wù)數(shù)字化水平、健全數(shù)字經(jīng)濟(jì)治理體系,或者是加強(qiáng)城鄉(xiāng)融合發(fā)展、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村,都迫切需要發(fā)展高速通信、云計算、精準(zhǔn)時空感知和智能控制等關(guān)鍵技術(shù)。其中,精準(zhǔn)時空感知可以提供更精確的定位與導(dǎo)航服務(wù),賦能智慧城市、精細(xì)生產(chǎn)和風(fēng)險預(yù)測等方方面面。因此,發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)必須打造精準(zhǔn)時空底座。

1 廣域高精度定位導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

然而,實現(xiàn)精準(zhǔn)時空感知,需要高精度定位導(dǎo)航服務(wù)的支撐。2020年7月31日,北斗三號全球系統(tǒng)正式開通[4]。目前,北斗系統(tǒng)在室外場景下已能提供高精度的定位導(dǎo)航服務(wù)[5-6],但是在建筑物遮擋下衛(wèi)星信號覆蓋困難,無法實現(xiàn)室內(nèi)、地下城市、峽谷等復(fù)雜環(huán)境的高精度定位,基于高精度位置信息的導(dǎo)航服務(wù)更是無從談起。針對室內(nèi)外無縫高精度定位導(dǎo)航需求,如何彌補(bǔ)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)室內(nèi)定位信號覆蓋盲區(qū),實現(xiàn)室內(nèi)外無縫高精度定位導(dǎo)航成為了定位導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要方向。

在早期,基于藍(lán)牙[7]、超寬帶[8]和WiFi[9]等無線局域網(wǎng)的定位導(dǎo)航技術(shù)得到了大量關(guān)注,但當(dāng)應(yīng)用規(guī)模從一棟樓宇擴(kuò)展為一座城市時,鋪設(shè)基于局域網(wǎng)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)將產(chǎn)生龐大的專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。與此同時,移動通信網(wǎng)已覆蓋了絕大部分人口。據(jù)統(tǒng)計,截止2021年底,我國已建成全球最大第五代移動通信(5G)網(wǎng),成功覆蓋全國所有地級市城區(qū)、超過98%的縣城城區(qū)和80%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)[10]。如果能充分利用移動通信網(wǎng),與星網(wǎng)實現(xiàn)深度融合,無縫定位導(dǎo)航的難題便有了解決方向。因此,研究者們期望依托于城市中廣域無縫覆蓋的電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高精度的室內(nèi)定位與室內(nèi)導(dǎo)航[11-13]。

但是,目前實現(xiàn)室內(nèi)外無縫高精度位置服務(wù)仍然存在以下挑戰(zhàn):

① 5G移動通信技術(shù)具有大帶寬的優(yōu)勢,但目前通信的大帶寬均需用于保障高速流暢的通信需求,定位可用的空口資源極為稀缺,現(xiàn)有方法無法滿足高精度定位需求,亟待攻克無線通信網(wǎng)高精度定位難題。

② 發(fā)展室內(nèi)外無縫位置服務(wù),必須保證特殊場景均能提供高精度位置服務(wù)。但是,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中,無線網(wǎng)覆蓋無法滿足無死角覆蓋需求。多無線網(wǎng)雖能互補(bǔ),但存在嚴(yán)重的木桶效應(yīng)。亟需解決網(wǎng)間納秒級同步、異構(gòu)信號隨遇接入和跨網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化等難題。

③ 數(shù)字經(jīng)濟(jì)下的智慧城市迫切需要更大范圍高精度無縫定位導(dǎo)航,但在許多場景中,比如地鐵工程,地下環(huán)境跨度大、衛(wèi)星拒止、場景切換頻繁,亟需開展無線通信網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)深度融合,為泛在位置感知提供支撐。

2 通信導(dǎo)航深度融合的技術(shù)突破

為實現(xiàn)通信導(dǎo)航深度融合的廣域位置服務(wù),創(chuàng)立了廣域無線網(wǎng)絡(luò)高精度定位理論方法、多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)自洽協(xié)同定位技術(shù)體系,突破了天地一體普適智能無縫定位導(dǎo)航瓶頸,破解了長期困擾國際的高精度、廣覆蓋、室內(nèi)外無縫隙、低成本定位導(dǎo)航基礎(chǔ)性難題,開拓了廣域無線網(wǎng)絡(luò)高精度定位導(dǎo)航新方向,帶領(lǐng)我國無線網(wǎng)絡(luò)定位導(dǎo)航研究與應(yīng)用走向世界領(lǐng)先地位。通信導(dǎo)航深度融合的廣域位置服務(wù)技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 通信導(dǎo)航深度融合的廣域位置服務(wù)技術(shù)框架Fig.1 Technical framework of wide-area location service with deep integration of communication and navigation

2.1 廣域無線網(wǎng)絡(luò)高精度定位理論方法

采用傳統(tǒng)通信網(wǎng)進(jìn)行定位,無獨立定位資源,導(dǎo)致定位信號承載難;基站單重覆蓋,導(dǎo)致幾何定位難;數(shù)據(jù)高速率傳輸,導(dǎo)致相位跟蹤難。移動通信網(wǎng)無線資源極為寶貴,迫切需要在不占用通信資源的前提下提升定位精度。國際上提出的小區(qū)定位方法,誤差在數(shù)百米:導(dǎo)頻定位和邊帶定位方法,由于信號不連續(xù)、頻率帶寬小,導(dǎo)致測距精度低,誤差在十幾甚至數(shù)十米。由此可見,傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)不具備高精度測距能力。

在科技部“羲和計劃”支持下形成了共頻帶信號體制,在國家重點研發(fā)計劃“室內(nèi)混合智能定位與室內(nèi)地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)研究及示范應(yīng)用”項目支持下提出了“隱嵌信噪”定位技術(shù),以不影響通信效能實現(xiàn)資源共享復(fù)用的核心思想將新型極弱定位信號湮沒在強(qiáng)通信信號中,形成共頻融合體制,不消耗獨立頻率資源,將定位信號“隱嵌”于噪聲,提升了信號的連續(xù)性與帶寬,實現(xiàn)了通信定位的同頻共載,極大提升了移動通信網(wǎng)絡(luò)的定位能力,將基站測距精度從數(shù)十米提升至厘米級,遠(yuǎn)優(yōu)于高通、愛立信等國際巨頭方案。此外,還形成了5G共頻帶定位參考信號[14],在天津搭建了基于5G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外無縫定位示范系統(tǒng),成為了國際5G高精度定位標(biāo)準(zhǔn),率先實現(xiàn)了優(yōu)于0.1 m[15]的高精度定位,定位性能國際領(lǐng)先。

隱嵌信噪定位技術(shù)可通過配置信號的播發(fā)周期,靈活地調(diào)整播發(fā)模式,可進(jìn)行信標(biāo)式短時信號播發(fā)、短周期間斷信號播發(fā)以及長周期連續(xù)播發(fā),支撐終端對定位信號的連續(xù)跟蹤,提高了相位測量精度:隱嵌信噪定位不占用獨立的頻譜資源,不需要搭建專用網(wǎng)絡(luò),有效降低了網(wǎng)絡(luò)成本;此外,隱嵌信噪技術(shù)具有極高的安全性,定位信號以低功率隱藏在通信信號背景噪聲下,難以被第三方探測與監(jiān)聽。

2.2 多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)自洽協(xié)同定位技術(shù)體系

移動通信網(wǎng)可以覆蓋大部分區(qū)域,剩下小部分區(qū)域的覆蓋可以采用多網(wǎng)多源融合來解決。在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差的區(qū)域,可以采用藍(lán)牙、WiFi和超寬帶等局域定位方法進(jìn)行補(bǔ)償,將5G網(wǎng)絡(luò)與其他定位手段進(jìn)行融合,提供更為豐富的觀測信息,保證定位的連續(xù)性和魯棒性。

提出了異構(gòu)無線通信網(wǎng)融合定位技術(shù)體系,破解了跨網(wǎng)優(yōu)化定位難題,突破共視馴服與信號伴生時間同步技術(shù),建筑內(nèi)外基站群同步誤差從20 ns減小到3 ns內(nèi);構(gòu)建了無線信號多域特征譜,率先實現(xiàn)了隨遇信號快速辨識與接入;創(chuàng)建了異構(gòu)信號分層融合、時-空-態(tài)多維特征聯(lián)合優(yōu)化等定位模型與技術(shù),打破國際慣用幾何因子(GDOP)優(yōu)化定位局限;創(chuàng)建了多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)自洽協(xié)同定位系列技術(shù),實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境高魯棒定位[16];攻克了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與多媒體、慣性、高程傳感等多源、多基準(zhǔn)與多觀測量轉(zhuǎn)換重構(gòu)等難題,創(chuàng)建了從測量、估計、預(yù)測到校正的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同定位體系,實現(xiàn)了精準(zhǔn)測量、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同與智能控制,保證了高精度定位的連續(xù)性和魯棒性。

2.3 北斗+5G天地一體智能普適無縫定位導(dǎo)航技術(shù)

北斗與5G網(wǎng)絡(luò)可以在信號、信息、基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用等多個層面實現(xiàn)深度融合[17-18]。北斗系統(tǒng)可為5G網(wǎng)絡(luò)提供精確的時空基準(zhǔn),輔助通信網(wǎng)絡(luò)提高移動管理效率和天線波束管理準(zhǔn)確性,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率[19];5G網(wǎng)絡(luò)可轉(zhuǎn)發(fā)北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航電文以及其他輔助信息至終端,減少終端捕獲時間,提高接收靈敏度,還可與北斗系統(tǒng)的地面差分增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)合,高速傳輸增強(qiáng)信息,提高定位精度。在導(dǎo)航領(lǐng)域,北斗+5G實現(xiàn)的天地一體普適無縫覆蓋可賦能用戶室內(nèi)外無縫精準(zhǔn)路徑規(guī)劃,激發(fā)智能停車、自動駕駛等新生應(yīng)用。北斗與5G網(wǎng)相互補(bǔ)充、相互增強(qiáng),形成增量效應(yīng),如圖2所示。

圖2 天地一體智能普適無縫定位技術(shù)Fig.2 Space-ground integrated intelligent ubiquitous seamless positioning technology

為實現(xiàn)天地一體智能普適無縫定位導(dǎo)航,突破了云邊協(xié)同敏捷插件引擎技術(shù),提出多模重構(gòu)、通導(dǎo)兼容、低功耗設(shè)計方法,研制出通信導(dǎo)航融合的定位芯片、設(shè)備、系統(tǒng)與應(yīng)用平臺,賦能了數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展中智慧交通、智慧物流和智慧醫(yī)療等多個領(lǐng)域。在反恐維穩(wěn)與“3111工程”監(jiān)控中,解決了人員室內(nèi)外無縫最優(yōu)路徑規(guī)劃、貴重物資室內(nèi)-外無縫精確定位難題,為預(yù)警、透明化應(yīng)急與指揮提供重要保障,避免了多起事故,保障了人員、財產(chǎn)安全。在肆虐世界3年的疫情中,率先解決了海量人-物室內(nèi)外精確位置感知與單網(wǎng)盲區(qū)定位導(dǎo)航難題,實現(xiàn)了位置服務(wù)無死角覆蓋。此外,還與高德、百度和智慧圖等公司合作,解決了傳統(tǒng)車輛衛(wèi)星導(dǎo)航不連續(xù)、實時性差、不精確等難題,實現(xiàn)了精準(zhǔn)連續(xù)定位導(dǎo)航、實時路況分析和時長精確估計。通信導(dǎo)航融合的定位芯片、設(shè)備、系統(tǒng)、平臺及應(yīng)用如圖3所示。

圖3 通信導(dǎo)航融合的定位芯片、設(shè)備、系統(tǒng)、平臺及應(yīng)用Fig.3 Positioning chips,devices,systems,platforms,and applications integrated with communication and navigation

3 北斗+5G發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì),必將需要高可靠感知與高速通信進(jìn)行支撐。隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和完善,北斗+5G通信導(dǎo)航融合感知網(wǎng)絡(luò)也將會有更廣泛的應(yīng)用場景和更高的發(fā)展前景。發(fā)展精準(zhǔn)時空底座,賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì),仍存在一些新機(jī)遇,未來可能的發(fā)展方向如下:

可信定位:現(xiàn)有定位方法均能夠在設(shè)置場景下實現(xiàn)高精度定位,但很難保證在全場景、全應(yīng)用中保持穩(wěn)定的定位精度。因此,構(gòu)建符合應(yīng)用要求的最低性能體系、機(jī)理清晰的可信監(jiān)測和完好性風(fēng)險故障樹、魯棒可靠的精準(zhǔn)定位體制以及可落地的系統(tǒng)解決方案,是未來精準(zhǔn)時空服務(wù)的重要發(fā)展方向。

語義導(dǎo)航:現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)主要依賴基于坐標(biāo)匹配的預(yù)定路線圖,缺乏上下文意識,無法滿足用戶個性化導(dǎo)航需求,亟需發(fā)展下一代基于語義的個性化情景感知導(dǎo)航方法,突破空間語義理解、空間地理信息智能融合技術(shù),深度理解用戶需求,提升定制化導(dǎo)航服務(wù)能力。

隱私保護(hù):在未來網(wǎng)絡(luò)中,每個人都將全天候在線,其產(chǎn)生的位置、狀態(tài)等數(shù)據(jù)都將被記錄在網(wǎng)絡(luò)中,這些信息的存儲、傳輸與管理必將產(chǎn)生隱私與財產(chǎn)安全等問題。因此,在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的過程中,需要并行發(fā)展可靠的隱私保護(hù)技術(shù)、完備的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控體制,以確保用戶的安全。

4 結(jié)束語

精準(zhǔn)時空感知技術(shù)不僅是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施,更是其核心驅(qū)動力。盡管面臨眾多挑戰(zhàn),但我國已成功在該領(lǐng)域完成顯著突破。提出的廣域無線網(wǎng)絡(luò)高精度定位理論方法、多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)自洽協(xié)同定位技術(shù)體系以及北斗+5G天地一體智能普適無縫定位導(dǎo)航技術(shù),為精準(zhǔn)時空感知賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐。未來,精準(zhǔn)時空感知還需在可信定位、語義導(dǎo)航和隱私保護(hù)方面繼續(xù)挖掘。精準(zhǔn)時空感知技術(shù)的發(fā)展必將為整個社會帶來更深遠(yuǎn)的影響。