施 闖，張雨露，辜聲峰，景貴飛

構(gòu)建中國(guó)時(shí)空體系保障時(shí)空信息安全服務(wù)的探討

施 闖1,2，張雨露2,4，辜聲峰3，景貴飛2,4

（1．北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2．衛(wèi)星導(dǎo)航與移動(dòng)通信融合技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；3．武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079；4．北京航空航天大學(xué) 前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院，北京 100191）

為保障時(shí)空信息的高可信、高安全和自主可控，對(duì)保障時(shí)空信息安全服務(wù)進(jìn)行研究：提出一種通信導(dǎo)航融合的時(shí)空網(wǎng)絡(luò)體系；并探討構(gòu)建中國(guó)時(shí)空系統(tǒng)的架構(gòu)。研究結(jié)果表明，通過中國(guó)時(shí)空網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信即增強(qiáng)的時(shí)空服務(wù)，既可以為用戶提供高精度、高可信的時(shí)空服務(wù)，又能夠保障國(guó)家時(shí)空信息的安全。

時(shí)空網(wǎng)；中國(guó)時(shí)空體系；時(shí)空信息安全；定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）；通導(dǎo)融合

0 引言

時(shí)空信息是國(guó)家重要的戰(zhàn)略性資源。近年來，伴隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)（the fifth mobile communication technology，5G）/第六代移動(dòng)通信技術(shù)（the sixth mobile communication technology，6G）、人工智能、云計(jì)算、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)及大眾用戶對(duì)定位導(dǎo)航授時(shí)（positioning, navigation and time，PNT）時(shí)空信息服務(wù)的需求朝著更精確、更可信、更智能和更安全的方向發(fā)展[1-3]。自動(dòng)駕駛和智慧物流等領(lǐng)域需要實(shí)時(shí)采集人、車、物的位置信息和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而展開精確的實(shí)時(shí)追蹤和監(jiān)控；城市運(yùn)行和工業(yè)運(yùn)維等領(lǐng)域需要安全可靠的網(wǎng)絡(luò)接入和傳輸來保障數(shù)據(jù)信息的安全；萬物互聯(lián)場(chǎng)景需要覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)來準(zhǔn)確、及時(shí)地傳送廣泛分布的信息，尤其要能夠覆蓋現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋或自然災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域；海量數(shù)據(jù)和差異化的應(yīng)用需求需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力和信息智能處理能力，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制的智能化；虛實(shí)全息互聯(lián)互通需要低延遲傳輸和精確位置信息保障；虛實(shí)相融和互反饋的數(shù)字孿生構(gòu)建需要對(duì)物理世界進(jìn)行精確時(shí)空映射；虛實(shí)共生的元宇宙[4]平行世界同步演化需要統(tǒng)一的時(shí)空坐標(biāo)軸和高精度的時(shí)空信息。

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和信息基礎(chǔ)設(shè)施在滿足未來萬物感知、萬物互聯(lián)和萬物智能時(shí)代對(duì)時(shí)空信息服務(wù)的需求方面存在一些挑戰(zhàn)：不僅需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和感知、安全接入和傳輸，還需要提高時(shí)空信息的精確度、安全度、可信度、覆蓋范圍和可靠性。面向未來發(fā)展需求，本文提出一種融合高精度、高可信時(shí)空信息服務(wù)的時(shí)空網(wǎng)絡(luò)體系。如圖1所示為時(shí)空網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、元宇宙和數(shù)字孿生的關(guān)系。

圖1 時(shí)空網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、元宇宙和數(shù)字孿生的關(guān)系

互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層使用網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet protocol，IP）來控制子網(wǎng)的運(yùn)行和節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)互通[5]。由于分配不合理以及萬物互聯(lián)帶來的海量接入需求，只有32 bit的IPv4地址正在逐漸耗盡，IPv6開始逐步走向商用。已有學(xué)者[6-7]在IPv6的地址結(jié)構(gòu)、接口標(biāo)識(shí)生成方案、路由選擇等方面做了許多工作，促進(jìn)了IPv6的發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)位置追溯、網(wǎng)絡(luò)位置監(jiān)控等，IPv4中通過建立IP地址數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)位置預(yù)測(cè)，但預(yù)測(cè)精度只能達(dá)到街道級(jí)。IPv6時(shí)代，張千里等[6]提出將位置信息通過單播地址、組播地址等方式嵌入到IPv6地址中，位置精度可達(dá)米級(jí)。但當(dāng)前IPv6仍然存在用戶隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)，且未經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間和大規(guī)模應(yīng)用的考驗(yàn)，在滿足海量地址接入和高可信服務(wù)保障方面存在挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是由麻省理工學(xué)院的自動(dòng)識(shí)別實(shí)驗(yàn)室[8]于1999年提出，并于2005年正式確定。面向未來應(yīng)用場(chǎng)景，物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前發(fā)展存在以下挑戰(zhàn)：低成本和低功耗的傳感器設(shè)計(jì)對(duì)終端的軟硬件算法和集成能力帶來了挑戰(zhàn)；傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)、無線保真技術(shù)（wireless fidelity，Wi-Fi）等地面網(wǎng)絡(luò)難以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的海量數(shù)據(jù)接入和傳輸，且容易受到地形、氣候等影響；還面臨安全和碎片化等問題。

綜上，面向未來萬物感知、萬物互聯(lián)和萬物智能時(shí)代，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)存在時(shí)空信息精度不高、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延較大等問題，面臨網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋、信息實(shí)時(shí)采集、安全接入和傳輸、智能處理和分析等挑戰(zhàn)。因此，本文提出一種融合高精度、高可信時(shí)空信息服務(wù)的時(shí)空網(wǎng)體系架構(gòu)，并探討中國(guó)時(shí)空體系架構(gòu)。

1 時(shí)空網(wǎng)概念及其模型

1.1 時(shí)空網(wǎng)概念

本文提出的時(shí)空網(wǎng)是一種融合高精度時(shí)空信息的網(wǎng)絡(luò)，通過整合多種定位、導(dǎo)航、授時(shí)和通信技術(shù)，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等智能感知和信息處理技術(shù)，向用戶提供高可信、高精度的時(shí)空信息服務(wù)。用戶可通過通信網(wǎng)絡(luò)或定位導(dǎo)航授時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施接入時(shí)空網(wǎng)，解析出位置和時(shí)間信息，獲取相關(guān)的時(shí)空服務(wù)，并成為時(shí)空網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。時(shí)空網(wǎng)具備通導(dǎo)融合、智能感知、自主可控、高精度、高可信等特征。時(shí)空網(wǎng)的基本要素包括各種定位、授時(shí)、導(dǎo)航、通信技術(shù)，大數(shù)據(jù)、人工智能、云/霧計(jì)算等信息處理技術(shù)，各種低成本、低功耗的傳感器和終端，以及高精度、高可信的時(shí)空信息。

1.2 時(shí)空網(wǎng)模型

基于上述分析，首先提出時(shí)空網(wǎng)模型，自下而上依次為物理感知層、數(shù)據(jù)增強(qiáng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和時(shí)空應(yīng)用層。如圖2所示為時(shí)空網(wǎng)模型和其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

圖2 時(shí)空網(wǎng)模型及其數(shù)據(jù)信息

物理感知層基于傳感設(shè)備，利用多種定位、導(dǎo)航、授時(shí)和通信技術(shù)，實(shí)時(shí)感知并采集用戶姿態(tài)和周圍環(huán)境特征等信息。以自動(dòng)駕駛為例，自動(dòng)駕駛汽車通過自身搭載的雷達(dá)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）接收機(jī)、慣導(dǎo)、攝像頭和里程計(jì)等傳感器，利用衛(wèi)星導(dǎo)航、移動(dòng)基站通信、慣性導(dǎo)航等技術(shù)，全方位地感知自身位置、速度、加速度，周圍人流量、車流量，以及所在道路環(huán)境特征、紅綠燈信息和天氣情況等。

數(shù)據(jù)增強(qiáng)層利用時(shí)空增強(qiáng)信息對(duì)物理感知層獲取的各類信息進(jìn)行處理，生成高精度的時(shí)空信息，并與其他信息一起打包，進(jìn)一步編碼為符合接入和傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)包。其中，時(shí)空增強(qiáng)信息為差分改正信息、衛(wèi)星精密軌道鐘差信息和完好性監(jiān)測(cè)信息等。以自動(dòng)駕駛為例，自動(dòng)駕駛汽車通過獲取到的附近基站或衛(wèi)星播發(fā)的各類差分改正信息，結(jié)合汽車自身導(dǎo)航系統(tǒng)提供的基礎(chǔ)時(shí)空信息，融合處理得到高精度、高可信的時(shí)空信息。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)增強(qiáng)層生成的包含高精度時(shí)空信息的數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后將其接入全球無縫覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的安全和快速傳輸；同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)信息進(jìn)行智能處理和分析。以自動(dòng)駕駛為例，數(shù)據(jù)包能夠通過車載終端連接到附近基站或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并利用高精度時(shí)空信息作為數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符確保其在網(wǎng)絡(luò)中的準(zhǔn)確傳輸。

時(shí)空應(yīng)用層基于用戶需求，經(jīng)過物理感知層、數(shù)據(jù)增強(qiáng)層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層對(duì)信息的處理和傳輸后，向用戶提供服務(wù)接口，以使用戶通過接口獲取到專屬時(shí)空服務(wù)。以自動(dòng)駕駛汽車為例，其通過合乎規(guī)范的接口接入時(shí)空網(wǎng)，獲取時(shí)空增強(qiáng)信息用以生成高精度的時(shí)空信息，進(jìn)一步獲取到當(dāng)前街道的實(shí)景、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地圖信息，用于輔助駕駛決策。

2 時(shí)空網(wǎng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)空網(wǎng)體系架構(gòu)

在時(shí)空網(wǎng)模型中，物理感知層需要智能感知和處理多源全域信息；數(shù)據(jù)增強(qiáng)層需要時(shí)空增強(qiáng)信息來增強(qiáng)物理感知層獲取到的信息從而得到高精度的時(shí)空信息；網(wǎng)絡(luò)傳輸層需要安全透明的入網(wǎng)和傳輸協(xié)議來保障信息的安全快速傳輸；時(shí)空應(yīng)用層需要設(shè)計(jì)終端的軟硬件算法來實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、多場(chǎng)景的應(yīng)用；還需要高性能的服務(wù)平臺(tái)。因此，時(shí)空網(wǎng)體系應(yīng)包含通導(dǎo)融合的時(shí)空增強(qiáng)子系統(tǒng)、智能感知與信息處理子系統(tǒng)、高性能時(shí)空網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)、低成本時(shí)空網(wǎng)應(yīng)用終端和高可信時(shí)空網(wǎng)應(yīng)用，架構(gòu)如圖3所示。

通導(dǎo)融合的時(shí)空增強(qiáng)子系統(tǒng)的主要功能是通過數(shù)據(jù)播發(fā)平臺(tái)提供時(shí)空增強(qiáng)信息，如實(shí)時(shí)精密鐘差和軌道數(shù)據(jù)、大氣延遲和完好性監(jiān)測(cè)等信息。通導(dǎo)融合的時(shí)空增強(qiáng)子系統(tǒng)的搭建可以分為2步。第一步為基于地面移動(dòng)通信網(wǎng)、低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和BDS/GNSS高精度導(dǎo)航定位網(wǎng)，攻關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)融合播發(fā)技術(shù)，搭建通導(dǎo)融合一體化的增強(qiáng)信息播發(fā)平臺(tái)。第二步為融合精度增強(qiáng)、時(shí)間增強(qiáng)和服務(wù)質(zhì)量增強(qiáng)方法，輸出差分信息、實(shí)時(shí)精密軌道鐘差數(shù)據(jù)和完好性監(jiān)測(cè)信息，構(gòu)建高質(zhì)量、高可用的通導(dǎo)融合數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。智能感知與信息處理子系統(tǒng)利用前述增強(qiáng)信息，集成高精度定位與授時(shí)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，全面感知、獲取和處理信息，提供多源、全域的時(shí)空信息服務(wù)。高性能的時(shí)空服務(wù)平臺(tái)基于前述信息向用戶提供高精度、高可信、高可用、智能化的服務(wù)，以滿足多場(chǎng)景、差異化條件下海量用戶的時(shí)空服務(wù)需求。時(shí)空網(wǎng)應(yīng)用終端作為用戶接入時(shí)空網(wǎng)獲取服務(wù)的接口，須著重設(shè)計(jì)終端的軟硬件算法及安全透明的接入?yún)f(xié)議，以便終端能夠以較低成本和較低功耗獲取服務(wù)?；谇笆鼋K端和平臺(tái)，開展高可信時(shí)空網(wǎng)應(yīng)用，在大眾消費(fèi)領(lǐng)域提供低成本、高精度的時(shí)空信息服務(wù)，進(jìn)一步支持智慧城市、元宇宙等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖3 時(shí)空網(wǎng)體系架構(gòu)

2.2 關(guān)鍵問題

2.2.1通導(dǎo)融合的時(shí)空接入與增強(qiáng)技術(shù)

在增強(qiáng)信息播發(fā)端，融合通信網(wǎng)絡(luò)和高精度定位網(wǎng)搭建增強(qiáng)信息播發(fā)平臺(tái)。用戶可通過地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、BDS/GNSS高精度定位網(wǎng)和低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)接入獲取信息。低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)可以聯(lián)合地面通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的全球無縫覆蓋[9]。除提供通信服務(wù)外，低軌通信星座還可播發(fā)導(dǎo)航增強(qiáng)信息[10]，亦可通過改造信號(hào)提供與導(dǎo)航衛(wèi)星兼容的測(cè)距信息，支撐更加廣泛的導(dǎo)航服務(wù)[11]。進(jìn)一步，攻關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)融合播發(fā)技術(shù)、天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[12]、多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)[13]等。在衛(wèi)星端，通過軟件定義衛(wèi)星技術(shù)[14]、多星協(xié)同儲(chǔ)存與信息處理等技術(shù)，搭建通導(dǎo)載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺(tái)[15]，滿足移動(dòng)通信和增強(qiáng)導(dǎo)航等需求。用戶終端應(yīng)著重設(shè)計(jì)通導(dǎo)一體化算法，集成通導(dǎo)一體化模塊。

其次要攻關(guān)增強(qiáng)技術(shù)以提供差分增強(qiáng)信息。增強(qiáng)技術(shù)包括精度增強(qiáng)、時(shí)間增強(qiáng)和服務(wù)質(zhì)量增強(qiáng)。在精度增強(qiáng)方面，現(xiàn)有的星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)技術(shù)已較為成熟。許多機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司已經(jīng)開始為廣域?qū)崟r(shí)精密定位提供高精度產(chǎn)品服務(wù)，如日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)的厘米級(jí)增強(qiáng)服務(wù)[16]，Trimble公司的提供的服務(wù)于歐美地區(qū)的高精度（厘米級(jí)）實(shí)時(shí)差分快速服務(wù)（CenterPoint RTX Fast）[17]等。但現(xiàn)有系統(tǒng)尚存在地理覆蓋范圍有限的不足，利用低軌通信星座有望解決全球覆蓋問題[18]。服務(wù)質(zhì)量增強(qiáng)主要包括服務(wù)端和用戶端。服務(wù)端包括衛(wèi)星星座和增強(qiáng)信息的完好性監(jiān)測(cè)，參考站數(shù)據(jù)完好性監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)增強(qiáng)服務(wù)信號(hào)完好性監(jiān)測(cè)，以保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行；還須研究BDS之外的其他GNSS異常檢測(cè)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)特殊極端情況。用戶端通常使用接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)。在時(shí)間增強(qiáng)方面，BDS實(shí)時(shí)鐘差的快速確定算法和鐘差基準(zhǔn)高穩(wěn)定算法可以實(shí)現(xiàn)鐘差參數(shù)的穩(wěn)定連續(xù)輸出，從而滿足高精度時(shí)間比對(duì)需求；北斗時(shí)（BeiDou time，BDT）與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)（coodinated universal time，UTC）溯源算法，可以滿足高精度單向授時(shí)需求。以北斗廣域高精度時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)[19]為例，其通過測(cè)站原子鐘和UTC（）/BDT引入連續(xù)穩(wěn)定可溯源的時(shí)間基準(zhǔn)（其中為某一具體守時(shí)實(shí)驗(yàn)室的代稱）；繼而基于全球分布的GNSS跟蹤站生成相應(yīng)時(shí)間基準(zhǔn)下的廣域?qū)崟r(shí)差分改正產(chǎn)品，并通過網(wǎng)絡(luò)播發(fā)至用戶；用戶端基于實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位時(shí)間傳遞算法獲取本地鐘與系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)的差異，并采用精密調(diào)鐘技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端與系統(tǒng)的同步。

2.2.2 智能感知與信息處理技術(shù)

智能感知與信息處理技術(shù)指的是通過高精度導(dǎo)航、定位與授時(shí)技術(shù)，全面感知和獲取多源、全域信息，并利用智能計(jì)算框架和智能數(shù)據(jù)處理算法對(duì)信息進(jìn)行處理。面向未來萬物互聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)景勢(shì)必會(huì)帶來海量的接入信息。若仍在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理中心（站點(diǎn)）集中處理，將增加站點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理壓力，給數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)資源帶來負(fù)擔(dān)，還可能面臨傳輸過程中信息缺失等風(fēng)險(xiǎn)?；谠朴?jì)算、霧計(jì)算[20]等計(jì)算框架，可以將數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)處理壓力轉(zhuǎn)移到更加廣泛分布的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中。一方面，可以減緩數(shù)據(jù)處理中心的計(jì)算壓力，減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量和時(shí)間消耗，為用戶提供低時(shí)延和位置感知；另一方面，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)在地理空間上的廣泛分布更加適應(yīng)移動(dòng)性的應(yīng)用需求，可以支持更多的邊緣節(jié)點(diǎn)接入。大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)是直接部署在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)處理算法，體現(xiàn)信息處理的智能化程度?；诤Ａ繑?shù)據(jù)，充分挖掘數(shù)據(jù)特征，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)掘數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的信息，從而催生出更多的智能算法，服務(wù)于無人駕駛等時(shí)空應(yīng)用。

2.2.3 低成本應(yīng)用終端與信息安全

面向萬物互聯(lián)應(yīng)用，須著重設(shè)計(jì)應(yīng)用終端的軟硬件算法，以便終端能夠以較低成本和較低功耗獲取時(shí)空服務(wù)。通過設(shè)計(jì)低功耗的導(dǎo)航芯片、多模定位技術(shù)、按需分級(jí)的定位算法和流程、智能處理信息算法，使得終端能夠依托時(shí)空網(wǎng)在較低成本和較低功耗下獲取高精度、高可信的時(shí)空服務(wù)。面向未來人、機(jī)、物的海量接入和快速增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量，需要研究大容量并發(fā)信號(hào)的檢測(cè)分離技術(shù)，設(shè)計(jì)多種終端接入模式和控制策略。良好的網(wǎng)絡(luò)接入和傳輸協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)物理空間時(shí)空數(shù)據(jù)與信息空間時(shí)空語義的匹配，避免丟失重要信息，保障信息的實(shí)時(shí)、安全傳輸。融合時(shí)空信息的接入和傳輸協(xié)議在保障信息安全方面有天然的優(yōu)勢(shì)。高精度的時(shí)空信息標(biāo)簽有助于對(duì)終端進(jìn)行接入控制和溯源，便于實(shí)現(xiàn)敏感時(shí)空信息的集中管控，可以保障信息和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全。在時(shí)空信息編碼和網(wǎng)絡(luò)映射方面，龔健雅院士提出的全球位置信息疊加協(xié)議與位置服務(wù)網(wǎng)技術(shù)[21]，魏小峰等提出的網(wǎng)格編碼降維優(yōu)化方法[22-23]，張千里等提出的全球一致的室內(nèi)外無縫剖分編碼及其與IPv6的融合方案[6]，沈鉦晨等提出的授權(quán)密鑰恢復(fù)位置信息的映射算法[24]等，為時(shí)空信息編碼、編碼壓縮、網(wǎng)絡(luò)映射、用戶隱私保護(hù)等關(guān)鍵問題提供了研究思路。時(shí)空網(wǎng)體系涉及通信、導(dǎo)航等方面的多種資源，需要對(duì)資源進(jìn)行協(xié)同調(diào)度與優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)處理和信息提取效率，提高資源的利用率。為保障時(shí)空信息安全，還須提高系統(tǒng)的抗干擾與抗毀能力。

3 中國(guó)時(shí)空體系構(gòu)建

3.1 中國(guó)時(shí)空體系架構(gòu)

以我國(guó)為例，搭建面向用戶透明、具備百億級(jí)服務(wù)能力的中國(guó)時(shí)空體系，以滿足多場(chǎng)景差異化的用戶需求。中國(guó)時(shí)空是實(shí)現(xiàn)我國(guó)時(shí)空網(wǎng)安全可信服務(wù)的重要途徑，由定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)、全時(shí)空信息系統(tǒng)和綜合時(shí)空服務(wù)系統(tǒng)組成，體系架構(gòu)如圖4所示，圖中LEO表示低軌衛(wèi)星（low Earth orbit）。

圖4 中國(guó)時(shí)空的體系架構(gòu)

其中，定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)通過BDS/GNSS、低軌衛(wèi)星、移動(dòng)基站、慣性等PNT技術(shù)，提供泛在、精準(zhǔn)、可信的時(shí)空基準(zhǔn)；全時(shí)空信息系統(tǒng)則通過智能傳感器采集全空間信息，并構(gòu)建物理世界的數(shù)字孿生地圖，提供實(shí)時(shí)、實(shí)景、定制化的時(shí)空信息；綜合時(shí)空服務(wù)系統(tǒng)通過人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)為人、機(jī)、物等用戶提供智能、融合、安全的解決方案。

3.2 定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)與泛源定位

定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)的主要作用是提供統(tǒng)一、泛在、精準(zhǔn)、可信的時(shí)空基準(zhǔn)，并解析用戶的位置和時(shí)間，賦予其精準(zhǔn)的時(shí)空信息標(biāo)簽。PNT系統(tǒng)要保證時(shí)域和空域上的全覆蓋，確保用戶在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間都能接入，可以通過泛源定位實(shí)現(xiàn)。泛源定位強(qiáng)調(diào)的是利用一切可以獲取到的泛在導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)源進(jìn)行協(xié)同融合處理，從而實(shí)現(xiàn)泛在的能力。泛在導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)源包含GNSS等天基無線電信息源，移動(dòng)基站等地基無線電信息源，以及慣性導(dǎo)航、匹配導(dǎo)航、量子導(dǎo)航等[1]。不同原理的冗余信息源比相同原理的信息源受到干擾、遮蔽的影響小，從而使得這些信息源在支持泛在能力外，還能提高系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性。泛源定位的實(shí)現(xiàn)在技術(shù)層面上需要計(jì)算框架的輔助?；谠朴?jì)算的云定位[25]在云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)定位資源信息的綜合處理，但存在網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力大、用戶隱私泄露等風(fēng)險(xiǎn)?；陟F計(jì)算的霧定位[26]可以通過部署在用戶端和傳統(tǒng)云平臺(tái)之間的霧節(jié)點(diǎn)來分擔(dān)部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算壓力，是云定位向用戶端的延伸，是定位資源的泛在化實(shí)現(xiàn)，能夠更好地滿足用戶對(duì)移動(dòng)性、位置感知以及低延遲需求。

3.3 全時(shí)空信息系統(tǒng)與數(shù)字孿生地圖

全時(shí)空信息系統(tǒng)需要從物理世界感知時(shí)空信息，提供實(shí)時(shí)、實(shí)景、定制化的時(shí)空信息。定制化是全時(shí)空信息系統(tǒng)最重要的部分，需要根據(jù)不同用戶的差異化需求提供定制化服務(wù)，如針對(duì)自動(dòng)駕駛用戶提取相應(yīng)的城市道路地圖。傳統(tǒng)電子地圖缺少對(duì)移動(dòng)中的車輛、人群等動(dòng)態(tài)信息的捕獲和實(shí)時(shí)顯示，在位置信息完整性和表達(dá)能力方面有所欠缺，難以滿足用戶自適應(yīng)定制的需求。全息位置地圖通過語義位置關(guān)聯(lián)提高了以位置為核心的泛在信息的表達(dá)豐富度和多維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景應(yīng)用的自適應(yīng)性[27-28]。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建數(shù)字孿生地圖有望提供實(shí)時(shí)、實(shí)景的動(dòng)態(tài)化地圖和定制化的時(shí)空應(yīng)用業(yè)務(wù)。數(shù)字孿生地圖的構(gòu)建需要充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，通過對(duì)現(xiàn)實(shí)物理世界進(jìn)行建模和互反饋來實(shí)現(xiàn)[29–31]。具體來說，基于智能傳感器感知人、車、物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)將信息映射到孿生地圖中；基于云/霧計(jì)算模式實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與共享，實(shí)現(xiàn)物理世界的全時(shí)空信息建模；基于大數(shù)據(jù)、人工智能等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并作出智能決策，以實(shí)現(xiàn)虛擬世界和物理世界的聯(lián)結(jié)和反饋。數(shù)字孿生地圖不僅僅是現(xiàn)實(shí)世界時(shí)空信息的孿生，還具備預(yù)測(cè)、推演、重現(xiàn)和分析能力，能夠針對(duì)人、車、無人系統(tǒng)等不同的導(dǎo)航定位需求提供定制化的服務(wù)。

3.4 綜合時(shí)空服務(wù)系統(tǒng)與安全服務(wù)

綜合時(shí)空服務(wù)系統(tǒng)立足于定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)和全時(shí)空信息系統(tǒng)提供的信息，突破全信息聚合、智能PNT技術(shù)等[2,32]，形成智能指令控制，可調(diào)度整個(gè)平臺(tái)根據(jù)用戶的差異化需求提供智能、融合、安全的解決方案。安全問題是時(shí)空服務(wù)系統(tǒng)最受關(guān)注的服務(wù)性能之一。區(qū)塊鏈具有的可追溯、高可信、防篡改等特性[33-34]使得其在數(shù)據(jù)的訪問控制和用戶的隱私保護(hù)方面?zhèn)涫荜P(guān)注。已有學(xué)者[35-36]指出依賴區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制來計(jì)算元宇宙用戶的數(shù)據(jù)內(nèi)容和交易，可以確保用戶的數(shù)據(jù)完整性和隱私保護(hù)。因此，基于區(qū)塊鏈技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)中國(guó)時(shí)空內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問控制和外部用戶的授權(quán)認(rèn)證。

4 結(jié)束語

面向未來萬物感知、萬物互聯(lián)和萬物智能時(shí)代對(duì)時(shí)空信息的更高需求，本文提出一種融合高精度時(shí)空信息的時(shí)空網(wǎng)絡(luò)，其分層模型自下而上依次為物理感知層、數(shù)據(jù)增強(qiáng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和時(shí)空應(yīng)用層。對(duì)應(yīng)的，時(shí)空網(wǎng)體系架構(gòu)由通導(dǎo)融合的時(shí)空增強(qiáng)子系統(tǒng)、智能感知與信息處理子系統(tǒng)、高性能時(shí)空網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)、低成本時(shí)空網(wǎng)應(yīng)用終端和高可信時(shí)空網(wǎng)應(yīng)用組成。

構(gòu)建中國(guó)時(shí)空是實(shí)現(xiàn)我國(guó)時(shí)空網(wǎng)自主可控的重要途徑，作為時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施為用戶提供高可信、高精度的時(shí)空信息服務(wù)，支撐數(shù)字孿生、元宇宙等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，滿足其在物理世界建模、數(shù)字孿生體構(gòu)建、虛實(shí)全息互聯(lián)互通等方面對(duì)時(shí)空信息服務(wù)實(shí)時(shí)精確、全球覆蓋、安全可信的需求。

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Discussion on establishing Chinese spatio-temporal system to ensure services of spatio-temporal information security

SHI Chuang1,2, ZHANG Yulu2,4, GU Shengfeng3, JING Guifei2,4

（1.School of Electronic and Information Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;2. Laboratory of Navigation and Communication Fusion Technology, Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100191, China;3. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China;4. Research Institute for Frontier Science, Beihang University, Beijing 100191, China）

In order to ensure the high credibility, high security and autonomy of spatio-temporal information, the paper studied the spatio-temporal information security service: a spatio-temporal matrix system integrating of communication and navigation was put forward; and the construction of Chinese spatio-temporal system was discussed. Result showed that establishing the Chinese spatio-temporal system would help realize the enhanced spatio-temporal services through communication, which could not only provide spatio-temporal information services with high credibility and precision, but also ensure the national spatio-temporal information security.

spatio-temporal matrix; Chinese spatio-temporal system; spatio-temporal information security; positioning, navigation and timing (PNT); integration of communication and navigation

施闖，張雨露，辜聲峰，等. 構(gòu)建中國(guó)時(shí)空體系保障時(shí)空信息安全服務(wù)的探討[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(6): 1-7 .（SHI Chuang, ZHANG Yulu, GU Shengfeng, et al. Discussion on establishing Chinese spatio-temporal system to ensure services of spatio-temporal information security[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(6): 1-7.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230601.

P228

A

2095-4999(2023)06-0001-07

2023-03-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41931075）。

施闖（1968—），男，博士，教授，研究方向?yàn)楸倍犯呔榷ㄎ粚?dǎo)航授時(shí)等。