北斗+5G 織就精確定位的“天羅地網(wǎng)”

　　今年，鄧中亮更忙了。

　　外部會議，內(nèi)部討論，課題研究，還有疫情困擾期間沒能出的差鉚足勁似的補(bǔ)上，一天里，從離開床和回到床中間的時間都被工作冠名了。

　　北京郵電大學(xué)教授鄧中亮

　　忙碌的加速鍵在2020年按下暫停鍵。2020年7月31日，天上的北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開啟服務(wù)全球，與美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并分天下。在地球上，當(dāng)時很多地方開始經(jīng)受疫情的考驗(yàn)，對于精準(zhǔn)位置的需求更加迫切。這一年，國際歐亞科學(xué)院院士、北京郵電大學(xué)教授鄧中亮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)的導(dǎo)航定位相關(guān)研究獲得了“全國創(chuàng)先爭優(yōu)獎”。此后，鄧中亮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的天地一體，北斗+5G相關(guān)技術(shù)的場景落地應(yīng)用規(guī)模不斷廣泛擴(kuò)大。

　　打通北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“最后一公里”

　　十多年前，湖南老家的一位老太太來北京走丟的故事，鄧中亮如今依然印象深刻：老太太在鳥巢游玩跟孩子們走散了，找了一整個晚上沒找到，直到第三天孩子去派出所才把老太太領(lǐng)回來。

　　“如果當(dāng)時有精準(zhǔn)的位置導(dǎo)航服務(wù)，就不會等到第三天才找到人。”鄧中亮感慨道。在他看來，互聯(lián)網(wǎng)改變了人們的生活方式，位置網(wǎng)時空大數(shù)據(jù)將會改變整個世界，尤其是北斗與5G的深度融合可以實(shí)現(xiàn)能通信就能高精度定位。

　　的確，北斗被稱為“天上的網(wǎng)”，解決的是時間空間高精度問題，北斗系統(tǒng)全球范圍定位精度優(yōu)于10米、測速精度優(yōu)于0.2米/秒、授時精度優(yōu)于20納秒、服務(wù)可用性優(yōu)于99%，“準(zhǔn)”是北斗的優(yōu)勢;而5G是“地上的網(wǎng)”，能解決數(shù)據(jù)高速傳輸室內(nèi)外廣域覆蓋的問題，最大的優(yōu)勢在于“快”，具有大帶寬、低時延等特點(diǎn)，不僅比4G網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快100倍，同時時延低于1毫秒定位能力也提升到亞米級。二者合力帶來了海量的高精度、高時效的地理時空大數(shù)據(jù)，并且在信號、信息、設(shè)施、應(yīng)用等層面深度融合,實(shí)現(xiàn)互相增強(qiáng),形成增量效應(yīng)。

　　中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其曾表示：“5G和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有天然的融合性。”隨著5G的到來，從互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)時代，北斗和5G、人工智能、新興技術(shù)等的融合一定會催生出新興產(chǎn)業(yè)、行業(yè)，帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，并且為國防軍事、智慧城市、自然資源、通信網(wǎng)絡(luò)、交通、電力等各行各業(yè)等應(yīng)用帶來無限可能。

　　無處不在、無人不用、無所不需的位置服務(wù)都需要大規(guī)模、高可靠、高精度和低成本的不同尺度的時空信息。北斗一號系統(tǒng)工程建設(shè)于1994年啟動，2000年建成并投入使用;2004年，北斗二號系統(tǒng)工程建設(shè)啟動，2012年建成后面向亞太地區(qū)提供位置服務(wù)和定位導(dǎo)航服務(wù)，在室外可以成功解決定位與導(dǎo)航的問題。

　　然而，導(dǎo)航衛(wèi)星距離地面距離遠(yuǎn)，遇到遮擋后信號容易被阻斷。在地面生活的人們大部份時間都在室內(nèi)活動，一些很多大型工程實(shí)施，例如地鐵工程建設(shè)，長期在下地下環(huán)境，難以進(jìn)行基于衛(wèi)星的精確定位，。如何在室內(nèi)衛(wèi)星信號被遮擋區(qū)域進(jìn)行精確定位是各國都面臨的難點(diǎn)。

　　科技部2006年“十一五“開始啟動了“羲和”計劃，旨在構(gòu)建天地一體的時空定位系統(tǒng)實(shí)時高精度定位系統(tǒng)，提高衛(wèi)星定位的性能和精度的同時實(shí)現(xiàn)基于通信信號從室外到室內(nèi)的定位全覆蓋。鄧中亮是“羲和”計劃室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要負(fù)責(zé)人和學(xué)術(shù)帶頭人，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心攻關(guān)，自主研發(fā)的TC-OFDM定位與通信融合的導(dǎo)航一體化新型信號體制和高精度定位技術(shù)，把移動通信網(wǎng)變成了一張既能通信網(wǎng),又能高精度定位的網(wǎng)。“羲和”系統(tǒng)得以具備室外亞米級、城市室內(nèi)優(yōu)于3米的無縫定位導(dǎo)航能力，率先解決了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“最后一公里”瓶頸，也讓我國在室內(nèi)位置服務(wù)科學(xué)研究技術(shù)上實(shí)現(xiàn)重大突破。

　　此后，“羲和計劃”的相關(guān)研究也拉動了從芯片到終端、從基站到網(wǎng)絡(luò)、從運(yùn)營到服務(wù)的整個導(dǎo)航通信產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

　　迎難而上 關(guān)關(guān)難過關(guān)關(guān)過

　　鄧中亮喜歡挑戰(zhàn)，有時間便偶爾會去北京的歡樂谷，玩大擺錘等極限挑戰(zhàn)的游樂項(xiàng)目。他享受挑戰(zhàn)帶來的快樂，而這種愛挑戰(zhàn)的特質(zhì)從上學(xué)期間到回歸回國確定研究方向便已經(jīng)明顯展示出來。尤其是2003年，鄧中亮交流從美國做高級訪問學(xué)者歸國，回到北京郵電大學(xué)，他首要面臨的是如何確定自己的研究方向，怎么能夠更好地為國家發(fā)展重大戰(zhàn)略需求貢獻(xiàn)自己的力量。

　　當(dāng)時，北郵北京郵電大學(xué)大部分人都在研究信息與通信工程，擺在鄧中亮面前的選擇無非兩種：一是“跟風(fēng)”搞通信，加入擁擠的賽道，順理成章搞移動通信;另一種選擇是自己開拓新的方向。“彎道超車不是我的選擇，另辟蹊徑才是我的風(fēng)格。當(dāng)時很多人都做衛(wèi)星定位導(dǎo)航，跟著走會比較艱難，怎么另辟蹊徑?”鄧中亮認(rèn)為，應(yīng)該將自己的研究重點(diǎn)和國家發(fā)展的重大方向進(jìn)行緊密結(jié)合。

　　彼時，恰逢國家北斗導(dǎo)航事業(yè)方興未艾，結(jié)合北郵北京郵電大學(xué)自身在通信技術(shù)方面的深厚積淀，他決定開展導(dǎo)航和通信技術(shù)相結(jié)合的研究，在衛(wèi)星導(dǎo)航、無線定位、通導(dǎo)融合移動通信等方向上集中研究火力。

　　“我發(fā)現(xiàn)地面有很多衛(wèi)星定位定位導(dǎo)航可以用到的資源，全球主流的定位衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)都只解決了室外定位問題，現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)要實(shí)現(xiàn)局域泛在室內(nèi)高精度定位，須布置大量節(jié)點(diǎn)，信號覆蓋成本較高，且不利于向廣域推廣，阻礙了室內(nèi)位置服務(wù)發(fā)展壯大和普適應(yīng)用。”鄧中亮回憶，“突破室內(nèi)外無縫精準(zhǔn)定位是推動我國北斗在技術(shù)上定位導(dǎo)航服務(wù)應(yīng)用超越GPS的關(guān)鍵之一，因此我第一個早期承擔(dān)的863項(xiàng)目答辯是就是關(guān)于國家大劇院大型場館復(fù)雜建筑場景內(nèi)怎么進(jìn)行高精度定位導(dǎo)航的探索，當(dāng)時用Wi-Fi、藍(lán)牙等無線技術(shù)方式把它解決了。”

　　回望過去，探索5G與北斗融合的研究道路并非坦途，各種艱難關(guān)卡橫亙在前。鄧中亮不是沒有過退縮的念頭，“我憋著想著來回思考走好幾回了，但創(chuàng)新哪有那么容易，但我老是想起老家耕地的牛，他就在那慢慢埋頭向前，笨牛耕地首要一點(diǎn)是能堅持。”

　　喜歡挑戰(zhàn)且不斷攻堅克難的結(jié)果是，他們解答他解決了一個個看似無解的難題。在研究過程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，5G和北斗作為有著不同的信號，體制，通信頻率資源十分寶貴，很難尋找出獨(dú)立的頻率資源來支持無線通信王的定位導(dǎo)航，但所有無線通信信號都會有“噪聲”存在，要想能否把微弱的信號藏在噪聲底下，同頻共載，讓通信和定位各司其職且能相互增強(qiáng)并非易事。對此，鄧中亮團(tuán)隊(duì)研發(fā)出提出了定位—通信融合“共頻帶”定位方法，依靠“隱嵌信噪”技術(shù)解決了在不改變基站分布密度的情況下，通過技術(shù)手段突破提高信號接收能力，做到了只要能通信，一個蜂窩網(wǎng)就能實(shí)現(xiàn)三、四重以上的定位信號覆蓋，測距和定位問題迎刃而解同時有效節(jié)約了室內(nèi)定位成本。并且已經(jīng)成為了3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)的一部分，制定了通信領(lǐng)域全球第一個高精度定位國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　更進(jìn)一步，面對異構(gòu)信號該如何融合，跨系統(tǒng)時間同步問題能否解決等一系列挑戰(zhàn)，鄧中亮團(tuán)隊(duì)教授提出了天地聯(lián)合定位架構(gòu)，他創(chuàng)造性構(gòu)建了包括單無線網(wǎng)絡(luò)高精度定位、異構(gòu)多網(wǎng)多源協(xié)同高可靠定位、天地一體高可信位置服務(wù)在內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)定位理論方法與異構(gòu)多網(wǎng)多源協(xié)同定位技術(shù)體系，進(jìn)一步提高天地一體定位精度，解決了多年困擾學(xué)術(shù)界的復(fù)雜遮擋多徑環(huán)境下無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時精確定位的難題。鄧中亮教授以第一完成人，先后獲得了一項(xiàng)國家技術(shù)發(fā)明二等獎，兩項(xiàng)國家科技進(jìn)步二等獎，以及十余項(xiàng)其他省部級獎項(xiàng)。

　　技術(shù)找到應(yīng)用場景 商用創(chuàng)造更大價值

　　據(jù)了解，我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資規(guī)模超過1.2萬億元，北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋投資規(guī)模約為600多億元。巨額的投入需要拓展更多的應(yīng)用場景，挖掘更豐富的商業(yè)模式，從而讓其為經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展創(chuàng)造更大的價值。《新時代的中國北斗》白皮書顯示，截至2021年，中國衛(wèi)星(600118)導(dǎo)航與位置服務(wù)總體產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到約4700億元，年均復(fù)合增長率超過20%。第三方機(jī)構(gòu)預(yù)測，按照目前北斗系統(tǒng)的產(chǎn)值增加速度，預(yù)計2025年其產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望達(dá)到萬億元。

　　“建好5G網(wǎng)對于國家構(gòu)建導(dǎo)航、通信、計算、控制一體化體系,服務(wù)社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)建設(shè)將發(fā)揮關(guān)鍵作用。”鄧中亮說，“天地一體、時空一體、通導(dǎo)一體的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將會給人類帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會價值。”

　　因此，鄧中亮和團(tuán)隊(duì)積極和國內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)合作，開發(fā)了系列終端、基站、平臺等設(shè)備,并與多個通信技術(shù)研究機(jī)構(gòu)等聯(lián)手探索北斗與5G通導(dǎo)融合的室內(nèi)外混合智能定位測試，開展了商場室內(nèi)導(dǎo)航、大型室內(nèi)停車位尋找、共享停車、智慧醫(yī)療、大型綜合體室內(nèi)導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用，為災(zāi)害救援、礦井、地下工程等迫切需要無衛(wèi)星信號盲區(qū)提供更精準(zhǔn)的定位服務(wù)。

　　比如，在危險化學(xué)品、石油、冶煉、鋼鐵等重大工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工人作業(yè)時容易出現(xiàn)定位盲區(qū)，產(chǎn)生人員誤入危險區(qū)的風(fēng)險，同時也容易出現(xiàn)非實(shí)時監(jiān)測的問題，以及出現(xiàn)危機(jī)問題時無法實(shí)時應(yīng)對的情況。借由通信與導(dǎo)航合力，園區(qū)的空間分辨能力由國際上數(shù)十米提升至1米以內(nèi)，包括人員分布、實(shí)時監(jiān)控、軌跡跟蹤、風(fēng)險感知，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)園區(qū)內(nèi)精準(zhǔn)無縫定位、危險區(qū)透明監(jiān)控，實(shí)時連續(xù)崗位監(jiān)控、規(guī)范巡查，也能提早主動預(yù)防危機(jī)事件產(chǎn)生。

　　在民生方面，室內(nèi)精準(zhǔn)定位可以助推養(yǎng)老服務(wù)。一方面居家養(yǎng)老，據(jù)調(diào)查，我國老年人口中空巢老人占比目前已超過一半，部分大城市和農(nóng)村地區(qū)，空巢老年人比例甚至超過70%，大量老年人不與子女或其他家人共同居住生活，面臨著居家養(yǎng)老的許多生活不便或困難，甚至是安全風(fēng)險隱患。孩子們擔(dān)心，老人經(jīng)會走失或者在家里發(fā)生了事故不知道，在這個條件下，老人的位置信息非常重要。另一方面，著養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，中老人，、護(hù)工的位置信息同樣有助于提升養(yǎng)老服務(wù)質(zhì)量。

　　不容忽視的是，即使應(yīng)用廣泛，技術(shù)想要在激烈的國際競爭中脫穎而出,就一定要形成國際標(biāo)準(zhǔn)。鄧中亮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì),積極參與3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的5G標(biāo)準(zhǔn)制定工作,也推動了我國5G高精度定位信號體制的進(jìn)入國際標(biāo)準(zhǔn)制定。

　　如今，我國5G通信技術(shù)手段可以達(dá)到亞米級、分米級的定位服務(wù)能力，未來可以獲得更高的定位精度。北斗支撐著5G網(wǎng)絡(luò)安全高效運(yùn)行，5G能增強(qiáng)北斗導(dǎo)航服務(wù)能力，北斗+5G正在形成泛在、無縫、高精度、高可信的PNT(即Positing定位、Navigating導(dǎo)航、Timing授時)體系，橫向無縫覆蓋室內(nèi)、縱向拓展到水下地下及深空，且能在復(fù)雜環(huán)境下提供高精度、連續(xù)穩(wěn)定的時空信息服務(wù)。

　　下一步，怎么走?鄧中亮坦言，6G時代已經(jīng)不遠(yuǎn)，定位技術(shù)也從“強(qiáng)大的衛(wèi)星、聰明的終端”階段向“強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)、聰明的服務(wù)”轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從定位導(dǎo)航的產(chǎn)業(yè)化走向位置服務(wù)的商業(yè)化，最終實(shí)現(xiàn)可信、安全、智慧的位置導(dǎo)航新時代。