北斗與5G融合到一起，可以進一步提升位置服務精度以及服務的可靠性。圖為位于臨沂高新區的中瑞5G生產線 圖片來源：臨沂高新區
作者：鄧中亮
高達動態厘米級的高精度定位服務，不僅是北斗衛星導航系統的一大獨門絕技，其在產業化應用層面也已逐步向普適化、標配化演進，并延展出時空智能新興產業。
5月17日，當長征三號乙運載火箭成功發射北斗系統的第五十六顆導航衛星時，北斗系統的發展從此進入了一個新的階段。
這是北斗三號全球衛星導航系統的首顆備份星，也是2020年北斗三號系統正式開通全球服務以來的首次發射，為建設下一代國家綜合定位導航授時體系相應的一些新技術和新產品奠定技術基礎并提供進階。這顆衛星可以具備支持播發更多系統的修正信息，對高精度定位服務有很大的改善。
“精準時空”
支撐數字經濟蓬勃發展
建設制造強國已成為我國重大發展戰略。由此，智慧制造就成為當前發展的重要任務。我國制造工業的發展將由智慧制造重新定義：首先要有先進的通信手段;第二要通過實時的計算;第三需要高精度的時空信息支撐;第四就是智能控制。所以，高精度時空基準與萬物互聯的透明化時代已經到來，感知無處不在，網絡無處不在。
精確時空基準將賦能智慧制造與新工業革命，包括工廠智能化、車間智能化、裝備智能化、產品智能化等全生命流程。智慧制造需要依賴精準時空、全面感知、低時延高可靠通信和深度智能的融合處理。從上世紀70年代發展至今，工業互聯網已成為5G最核心的應用之一、新基建核心信息基礎設施。未來，5G的應用場景的80%將在工業互聯網方面，預計到2023年年底，工業互聯網的產值將超過萬億的規模。
高精度時空信息，對工業互聯網的信息安全建設意義重大。有了工業互聯網，人們很容易就聯想到工業大數據，與以往的大數據相比，工業大數據多了兩個維度：一個是可見性，另一個是價值性。以時空信息作為工業大數據源頭，可以解決連續性、準確性、關聯性、邏輯性、可視性大數據的需求。高精度時空信息同時也是深度挖掘工業大數據的關鍵基礎，90%以上的工業大數據以時空基準作為數據管理的組件。
然而，目前空間數據精度不足，導致數據挖掘的不確定性。融合精準的時空信息，就可以有效解決工業大數據中的引領性問題。同時，高精度時空信息也是提升工業大數據價值的重要手段。有人評價工業大數據領域的“二八法則”即20%的小數據具有80%的價值密度，而80%的工業大數據的價值密度只有20%。所以時空關聯多維數據挖掘，可有效解決工業大數據中的低價值性問題，提升重大生產安全保障能力。
我國是全球第一大工業生產國，以往的生產安全保障狀態是傳統被動響應為主，未來需要發展到精準的全時空主動防御。發達國家高度重視重大生產安全保障，全過程的安全保障是制造業和生產領域面臨的重要挑戰。高精度時空信息可實現無縫的高安全通信、高精度目標感知、智能風險評估，包括快速可靠處置與救援。
通信與導航牽手
需5G與北斗融合
講到時空信息，很容易聯想到全球四大衛星導航系統。2020年7月31日，我國宣布開啟北斗導航的全球服務。全球四大衛星導航系統的技術路線基本一致，要開展全球服務就面臨市場的新競爭。而競爭就需要新的抓手，由此如何搶占全球市場成為重要目標。
根據分析，衛星導航花費很小的代價就可實現全球覆蓋，但是無法實現室內、城市峽谷、地下環境的定位與導航，也很容易受到信號干擾和欺騙，無法實現安全可靠的定位。因此，發展可靠定位就成為全球的研究熱點，亟待發展自主的時空體系，形成不依賴于衛星導航系統的定位導航能力。
5G的應用目標是：信息隨心而至，萬物觸手可及。很顯然，這需要高精度的時空信息支撐。是否能夠通過無線網絡解決半遮蔽、遮蔽空間的高清定位難題，并與衛星導航系統有效組合解決無縫的高精度定位?我國在2006年提出“羲和計劃”以此支撐北斗落地應用，同時賦能通信網實現高精度定位。
但是，通信與導航的結合面臨3個方面的挑戰。第一，地面環境復雜，能否基于無線通信網絡實現精確測量與定位?第二，單個通信網絡會有盲區，如何解決可靠魯棒的定位難題?第三，應用服務業務需求種類多樣，精度等級要求不同，監測對象有人、有機器、有物品，能否實現泛在的智能服務保障能力?在國家重大專項計劃、國家發改委產業發展計劃的支持下，筆者帶領團隊完成了從單個無線網絡高精度，到異構多網多源協同高可靠，再到天地一體的智能定位導航研究，突破了理論方法與多項關鍵技術，并成功研制設備，開展系列應用。
在20余年的研究基礎之上，筆者團隊構建了無線通信網絡理論方法與技術體系。在單個無線網絡高精度點方面，創新提出了“隱嵌信噪”相位定位方法、無線虛擬網格差分定位理論方法。在異構多網多源協同高可靠高定位方法研究中，攻克了多網多源隨遇接入和在線同步難題，建立了基于時空自洽的最優定位優化相關模型。在天地一體普適位置服務方面，率先解決了衛星與地面通信網的天地一體深度融合定位架構與關鍵技術。同時，利用通信網絡設備增強衛星定位差分增強，以及可重構等關鍵技術，定位精度達到國際領先水平。
在5G時代，將定位性能從原來的米級提升至分米級、厘米級，從而推動我國無線通信網絡技術走向世界領先地位。在應用方面，面向生產安全保障，創新突破了網絡全域覆蓋、全時空定位感知、安全隱患與風險精準評估、精細防控與高可靠救援等系列關鍵技術，從而實現生產安全保障從被動撞擊響應走向主動防御跨越。筆者團隊研發了重大生產安全保障體系裝備、開展了集成應用，為化工、能源、冶煉、安保等多個行業提供了重大支撐。率先服務于國內外特大型化工企業的安全生產與監管，實現了空間位置服務在大型企業從無到有的體系化、規模化應用，解決了化工園區兩重點一重大的難題。
通過研究發現，通信網絡可以賦能高精度定位感知的服務能力。通過北斗和5G的高效融合，解決了衛星信號被遮擋的高精度定位難題。5G的定位性能通過前期的技術突破，跟衛星定位性能越來越接近，且信號覆蓋更加全面，從而解決了衛星信號盲區定位難題。北斗與5G融合到一起，可以進一步提升位置服務精度以及服務的可靠性。
在前期研究的基礎之上，筆者團隊率先提出了首個5G高精度定位的國際標準，為我國搶占5G定位制高點發揮了重要作用。
征途漫漫未有窮期
唯有奮斗披荊斬棘
北斗與5G有機融合可以相互增強，利用北斗為5G的服務業務提供新的支撐，同時利用5G拓展北斗應用服務能力，從而形成國家綜合定位導航授時體系，這已成為國家當前的重大工程重要建設內容。國家綜合定位導航授時體系建設可以解決全空域、全時域、全頻域的高精度、高可靠、高可能的位置服務。
2035年前，我國將建成以北斗系統為核心，更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系，為未來智能化、無人化發展提供核心支撐。屆時，從室內到室外、深海到深空，用戶均可享受全覆蓋、高可靠的導航定位授時服務，北斗衛星導航系統將更好地服務全球、造福人類。
未來，市場需求對定位導航授時技術及綜合位置服務的需求，將逐漸轉變為對時空信息采集與服務的需求。這會使得市場被重新定義，形成以時空信息獲取、處理和服務為主的新經濟形態，并必將成為數字經濟的重要組成部分。
北斗衛星導航系統融合移動互聯網，讓產業鏈、用戶類型和應用場景范圍發生巨大變化，使國家綜合定位導航授時體系和時空服務產業范疇進一步擴大，并顯著改變了產業生態。
生態的和諧，人與生態的互聯，以及對各種生物目標的定位，將成為社會環境發展的重要基礎。無人化、智能化、更高安全的需求，是未來制造業發展的重要趨勢。保障制造業產業化的良性發展，標準基準法規是不可或缺的重要保障條件。
30年前，首星承夢升空，而今，北斗惠及全球。科研工作者要秉承 “自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”的新時代北斗精神，讓“北斗和5G”成為賦能經濟社會發展的重要時空基石，成為服務民生福祉、助力美好生活的科技力量。
(作者系國際歐亞科學院院士、災備技術國家工程實驗室主任、北京郵電大學教授)
