文｜鄧中亮

一、智慧社會與數(shù)字孿生城市

習(xí)近平總書記在十九大上提出了要建設(shè)智慧社會。那么什么樣的社會是智慧的？什么樣的城市是智慧的？智慧的社會首先必須是透明化的。在透明化的基礎(chǔ)上，才能做到知己知彼，百戰(zhàn)不殆。而在透明化的同時，信息與網(wǎng)絡(luò)的安全也必須得到保障。在透明和安全的基礎(chǔ)上，我們才有可能談智慧。

數(shù)字孿生正是城市的透明化管理與智能運行的關(guān)鍵，而高精度時空信息是城市數(shù)字孿生的重要基礎(chǔ)，是數(shù)字孿生城市技術(shù)落地的重點之一。高精度的時空基準(zhǔn)和萬物互聯(lián)的透明化時代已經(jīng)到來，感知無處不在，網(wǎng)絡(luò)無處不在。高精度時空信息已成為國家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)，包括智慧社會發(fā)展依賴的核心基礎(chǔ)之一，是人類活動不可或缺的基礎(chǔ)屬性。

高精度、高可靠室內(nèi)外無縫定位已成為國防、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的迫切需要，將用于：

（1）智慧賦能制造：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G 最核心的應(yīng)用之一，已成為新基建核心信息基礎(chǔ)設(shè)施，而時空信息是工業(yè)大數(shù)據(jù)重要獲取源頭。

（2）重大安全生產(chǎn)保障：使保障模式從傳統(tǒng)的被動響應(yīng)為主的救援模式發(fā)展成為精準(zhǔn)的全時空主動預(yù)防模式轉(zhuǎn)變。

（3）智慧農(nóng)耕：廣域高精度定位、全時空精細(xì)遙感和超寬帶移動通信可極大促進(jìn)我國農(nóng)耕水平發(fā)展。

（4）智慧交通：通過精準(zhǔn)位置服務(wù)，可大幅提升城市交通管理水平和智慧服務(wù)能力。

（5）高安全的物件位置跟蹤：米級定位精度是智慧社會現(xiàn)代智能化物流運輸?shù)闹匾Ｕ稀?/p>

（6）低空開放：無縫位置感知是“低、慢、小”無人飛行器安全管控的基礎(chǔ)。

（7）智慧醫(yī)療：精確位置感知將賦能疫情監(jiān)控、應(yīng)急救援、特殊人群關(guān)愛，助力健康中國和全面小康社會建設(shè)。

除了上述的應(yīng)用，位置大數(shù)據(jù)和位置服務(wù)已經(jīng)成為移動運營服務(wù)和盈利增長的新動能，激發(fā)了移動社交、移動支付、移動體驗、智慧物聯(lián)、無人駕駛等基于位置的移動通信新業(yè)態(tài)；平安城市建設(shè)也需要物聯(lián)網(wǎng)、視覺、位置服務(wù)等一系列基礎(chǔ)設(shè)施；2022年智慧冬奧會上，“北斗+5G”的重要應(yīng)用將提供全過程全天候的場館與人員精細(xì)保障。

二、通信導(dǎo)航深度融合

（一）北斗與無線網(wǎng)絡(luò)的融合

2020年7月31日，北斗開啟導(dǎo)航全球服務(wù)。相比之下，美國的GPS 發(fā)展了40 多年，俄羅斯的GLONASS 比GPS 晚，但也比北斗早了20 多年，加上歐洲還沒建成的伽利略，全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為人類帶來了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益，但彼此之間路線相近、市場競爭激烈。

北斗與無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合可以形成差異化服務(wù)，帶來增量效應(yīng)：

（1）北斗精確授時可為電網(wǎng)、鐵路以及通信行業(yè)等領(lǐng)域帶來納秒級甚至亞納秒級的網(wǎng)絡(luò)時間同步，提升運行的安全性、穩(wěn)定性、自主可控。

（2）強大的網(wǎng)絡(luò)可以為衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)帶來從源到端的服務(wù)保障，將時空信息從“泛在的、精確的”提升至“可信的、安全的、智慧的”，從定位導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化走向位置服務(wù)商業(yè)化。

（3）衛(wèi)星定位導(dǎo)航信號覆蓋廣，直接定位精度達(dá)10 米，差分增強可達(dá)厘米級，但在遮擋區(qū)域接收衛(wèi)星定位信號困難。無線網(wǎng)絡(luò)定位導(dǎo)航可以作為衛(wèi)星在這些區(qū)域的補充，與衛(wèi)星融合實現(xiàn)無縫定位導(dǎo)航。

（4）北斗與移動通信網(wǎng)可以在信號、信息、設(shè)施、應(yīng)用等層面深度融合，既能使北斗增強移動通信網(wǎng)支撐網(wǎng)絡(luò)高效、安全運行，還能用移動通信網(wǎng)增強北斗，實現(xiàn)A-BDS 快速定位、室內(nèi)定位信號覆蓋補充與差分增強。

（二）無線網(wǎng)絡(luò)定位機遇與挑戰(zhàn)

人們80%的時間都在建筑內(nèi)，但室內(nèi)接收衛(wèi)星定位信號困難。而2G、3G、4G 網(wǎng)覆蓋了95%以上人口，假設(shè)通信這張網(wǎng)能用好，跟天上的衛(wèi)星網(wǎng)實現(xiàn)對接，就可以解決無縫定位導(dǎo)航的難題。包括我國的“羲和計劃”在內(nèi)，世界大國相繼實施了多個重要計劃推動無線網(wǎng)絡(luò)定位的發(fā)展。同時，美日歐等已自1996年起相繼立法要求移動通信運營商必須提供定位服務(wù)。無線定位技術(shù)的發(fā)展可概括為從“單網(wǎng)自主”到“多網(wǎng)智能”的轉(zhuǎn)變，在未來更將向“全源智慧”發(fā)展，最終實現(xiàn)“萬物皆知”。

如果能對移動通信網(wǎng)進(jìn)行賦能，實現(xiàn)高精度定位，將能極大地激發(fā)位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。需要突破以下挑戰(zhàn)：

挑戰(zhàn)一：可測性。城市峽谷和橋梁下環(huán)境復(fù)雜，多徑非視距效應(yīng)嚴(yán)重，對無線網(wǎng)絡(luò)高精度定位帶來極大挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)二：可靠性。單一網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋盲區(qū)，異構(gòu)多源網(wǎng)絡(luò)融合導(dǎo)航基準(zhǔn)、觀測量，方式、能力差異大，存在異構(gòu)多網(wǎng)融合定位難題。

挑戰(zhàn)三：精確性。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)定位存在瓶頸，如何實現(xiàn)低成本優(yōu)于厘米級測距是需要解決的問題。

挑戰(zhàn)四：魯棒性。大、中、小多尺度覆蓋網(wǎng)絡(luò)融合可以通過大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)測算技術(shù)與智能控制，提高導(dǎo)航控制與決策的魯棒性，但相應(yīng)技術(shù)需要進(jìn)一步突破。

挑戰(zhàn)五：實時性。巨量位置感知計算的實時性處理（＞2000 億人次/天）為位置服務(wù)計算能力帶來挑戰(zhàn)。

（三）單無線網(wǎng)絡(luò)定位

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，北京郵電大學(xué)鄧中亮教授團(tuán)隊在科技部“羲和計劃”和國家重點研發(fā)計劃“室內(nèi)混合智能定位與室內(nèi)GIS 技術(shù)研究及示范應(yīng)用”項目的支持下形成了通導(dǎo)融合“共頻帶”定位理論技術(shù)體系，成功實現(xiàn)了基于移動通信網(wǎng)的高可用、高精度、高可信定位，成為了國際5G 高精度定位標(biāo)準(zhǔn)，并在項目支持下于天津搭建了基于5G 網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外無縫定位示范系統(tǒng)驗證。國際標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，團(tuán)隊在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下實現(xiàn)了0.2 米的定位精度。

圖1 測試人員在示范區(qū)進(jìn)行室內(nèi)定位測試

（四）異構(gòu)多網(wǎng)多源協(xié)同定位

移動通信網(wǎng)的建設(shè)要求是實現(xiàn)90%以上覆蓋，剩下的百分之幾，可以用多網(wǎng)融合來解決。鄧中亮教授團(tuán)隊針對模糊環(huán)境定位導(dǎo)航普適性難題，創(chuàng)新提出圖像-無線融合快速定位關(guān)聯(lián)計算方法，實現(xiàn)國際最優(yōu)的多邊界約束尋優(yōu)厘米級定位。

（五）天地一體定位

物聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、重大工程建設(shè)迫切需要更大范圍高精度無縫定位。衛(wèi)星網(wǎng)覆蓋全球，但在地面覆蓋有限，如室內(nèi)、地下等，需要無線通信網(wǎng)的補充；而無線通信網(wǎng)在邊遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋稀疏，衛(wèi)星可以解決這個問題。將衛(wèi)星地面網(wǎng)和無線通信網(wǎng)結(jié)合，可以實現(xiàn)低成本差分增強與信號無縫覆蓋的定位系統(tǒng)與服務(wù)，能夠做到天網(wǎng)恢恢疏而不漏。

三、新基建“北斗+5G”發(fā)展機遇

（一）北斗+5G——支撐PNT新體系（天地一體）

結(jié)合北斗/GNSS、高中低軌衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)等，基于5G 建立新型泛在、無縫、通導(dǎo)一體化位置服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建全空域、全時域、全頻域、高精度、高可靠、高可用的位置服務(wù)體系?；谔斓匾惑w高精度無縫定位服務(wù)應(yīng)用架構(gòu)，充分利用已有基礎(chǔ)設(shè)施，統(tǒng)一開發(fā)復(fù)制推廣，建立覆蓋全國的集基礎(chǔ)觀測網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)外高精度定位一體的綜合位置服務(wù)系統(tǒng)。

中國在軌衛(wèi)星數(shù)量逐年遞增，通信衛(wèi)星占比19%，提交的衛(wèi)星申請數(shù)已超過3000 顆，將這些衛(wèi)星與北斗、5G 結(jié)合起來將能極大降低服務(wù)延遲，提高用戶規(guī)模，增強系統(tǒng)抗毀能力。

（二）5G 愿景：信息隨心至，萬物觸手及

5G 業(yè)務(wù)在于萬物互聯(lián)，而高精度時空信息可為萬物互聯(lián)提供支撐，是5G 服務(wù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要抓手。

5G 大帶寬、低時延、高容量的特性，可支撐虛擬雙頻、三頻差分定位、降低多徑/非視距對定位影響、降低站間系統(tǒng)誤差，對導(dǎo)航定位性能提升具有重要意義。

四、展望

（一）空間信息無縫感知是數(shù)字孿生的重要支撐，未來城市中的萬物即是感知源也是應(yīng)用終端。

（二）我國位置服務(wù)用戶激增，泛在化的位置服務(wù)計算是演進(jìn)的方向，需結(jié)合云計算、邊緣計算進(jìn)行位置大數(shù)據(jù)處理。

（三）仿生通信定位導(dǎo)航是實現(xiàn)無人化、智能化、高安全的重要潛在手段。

（四）基于人工智能的認(rèn)知與控制結(jié)合全源定位、通信與計算，實現(xiàn)智慧導(dǎo)航是未來的發(fā)展方向之一。

（五）室內(nèi)外通信與無縫、高精度、高可靠定位可為多機協(xié)同及自組網(wǎng)為無人機集群作業(yè)等提供支撐，是未來低空安全開放的關(guān)鍵之一。

（六）構(gòu)建時空服務(wù)安全保障服務(wù)體系是預(yù)防未來智慧社會中隱私與安全問題的關(guān)鍵。

（七）還需進(jìn)行智慧城市創(chuàng)新應(yīng)用，提升社會治理水平、運行效率和服務(wù)能力，實現(xiàn)城市精細(xì)化管理、智能交通、現(xiàn)代物流等應(yīng)用，將帶來萬億產(chǎn)業(yè)鏈。

（八）需要制定通信-導(dǎo)航融合位置服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、政策、法規(guī)，促進(jìn)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)、向應(yīng)用服務(wù)轉(zhuǎn)化。

（九）新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)存在產(chǎn)值大、人才缺的問題，需要加強通信與導(dǎo)航復(fù)合人才的培養(yǎng)。

祝愿未來虛實孿生演繹，城市更美好！