北斗三号系统全球导航与位置服务技术创新的分析

+景贵飞（北京航空航天大学前沿科学技术研究院）

导航与位置服务是科技发展“十二五”专项规划推出的概念[1]，目前在我国已经成为业内普遍认可接受的科研方向。导航与位置服务是指基于导航定位、移动通信、数字地图等技术，建立人、事、物、地在统一时空基准下的位置与时间标签及其关联，为政府、企业、行业及公众用户提供随时获知所关注目标的位置及位置关联信息的服务。现在回顾“十二五”科技发展专项规划提出的目标已经基本实现，精准地预测和推动了国内导航与位置服务技术、产业的发展，众多信息通信（ICT）企业进入卫星导航行业，极大地促进了技术和产业的进步及规模的扩张。2020年，北斗三号系统将完成全球星座建设，并将开始向全球用户提供服务[2][3]，这为中国参与全球导航与位置服务提供了良好的机遇，要实现北斗信号引领的全球导航与位置服务还需要做很多艰苦的工作。

一、对我国导航与位置服务发展的认识

产业发展已经显示导航与位置服务成为了一个新的产业方向。百度、腾讯、阿里巴巴、美团等互联网企业的强势介入，推动中国的位置服务市场按照互联网发展范式、企业竞争模式发展，因此在很大程度上快速增加了用户数量、用户黏度，每天的点击服务数量成为国际上最大的市场，依据国际通用的点击成本计算，也是规模最大的市场，其中兴趣点数量、用户量、数据加工能力等等在国际上具备竞争力的产业发展，都成为拉动卫星导航应用的一个重要方面，进一步的大数据加工更成为增值服务的新方向，假期旅游热点、物流、车流和人流分析等等成为互联网上及时的数据产品服务的重要组成[4][5]。行业应用也在逐步深入推进中[6][7][8]。北斗系统的建设和应用成为我国最高层领导直接关心的重大科技工作[9]，应用的规模化、全球服务的落地、未来综合时空体系的完善等等目标的实现，不但为中国行业用户提供了迫切和深入的要求，更对用户应用北斗系统发展自身的业务提供了强大的信心，在中国数字交通规划、智能驾驶、民航、高铁、水利、精准农业等等行业都把支持北斗系统应用纳入到业务系统实践中，这在卫星导航不长的发展时间里是革命性的，是又一个里程碑式的推广过程。如果说过去卫星导航应用是处于辅助性、非业务支持承诺的状态，那么现在所产生的是中流砥柱、支撑发展、承担行业职能应用的中坚角色，北斗卫星导航系统必须要提供的是硬可靠服务，是支持行业执法和承担法律责任的服务，这种探索刚刚开始，但这必将是卫星导航系统发展的必由之路，只是北斗系统被要求的走的快了一点。

导航与位置服务在中国的快速发展和扩张带动了技术的进步[10]。

（1）协同精密定位技术在瞄准大众用户高效、精准、无缝、无盲区的定位需求，构建面向移动互联网和物联网亿级用户的位置云服务平台上取得初步可喜成果，搭建完成GNSS实时高精度云处理系统、网络辅助北斗/GNSS位置服务系统、多源定位数据协同处理系统，初步完成了协同精密定位服务平台的集成，能够实现大众智能手机室外定位精度1米、室内定位精度3米的室内外无缝定位，以及无人系统多源协同定位厘米级精度的服务能力[11][12]。

（2）全球位置信息叠加协议与位置服务网的研发上也取得初步的较好的进展，梳理和实施了基于混合云的泛在位置感知与信息叠加协议、动态多源时空信息本体构建与位置网框架设计、全球一致的室内外无缝剖分位置编码与IPv6映射、位置感知的信息融合协同计算与服务、全球位置服务试验网构建与应用示范等研制[13]。

（3）全空间信息系统，创建以多粒度时空对象来描述现实世界（含人机物三元世界）的建模理论，解决多粒度时空对象描述、生成、管理、分析、可视化等一系列关键技术，研制全空间信息系统平台，项目已设计和实现了多粒度时空对象数据结构、数据模型和交换格式，研制了多粒度时空对象建模工具、全空间数据库管理软件、时空对象访问引擎、全空间信息系统集成开发框架等，开发了全空间信息系统平台原型[14][15]。

二、北斗全球服务带来的新需求分析

从全球导航与位置服务市场所扮演的角色来讲，北斗系统还处于姗姗学步阶段。北斗系统开始全球服务带来了全球用户新的要求和期待。

1、多模系统提供的更高性能服务使市场充满了期待，更多行业、公众的应用要求星座提供信号稳定可靠。

中美俄欧四大全球卫星导航系统在今年年底将实现共同提供服务，这在人类卫星导航史上是第一次，四大系统超过100颗卫星对地球用户提供信号，这极大刺激了制造商和用户的信心，也意味着来自于星座的信号稳定性更好、完好性和精度更加优秀[16]，人们可以更放心地用这些来自天空的信号做自己的事情，北斗系统最近五年来在全球尤其是“一带一路”上的推广就验证了这一点。北斗系统在其中扮演好自己的角色、提供不输于人的服务是必然的要求，而北斗产品制造商和服务商则更需要加强业务拓展工作，在产品生产落地、标准和认证许可、产品销售代理、后续保障服务等方面加大力度，像今天的华为、海尔等企业一样在全球具备生产、销售、服务能力，保证北斗系统产品能够与其他卫星导航系统产品相融合，共同为当地用户提供服务。今天北斗系统接收终端在芯片、主板、天线等方面都取得了巨大进步，国内市场实现了快速扩张，但是适应国际市场的产品形式还不多，如支持不同国家语言显示的产品界面、符合不同国家使用习惯的功能和样式、当地服务网点、当地教育培训机构等等，这些都还是处女地，既是巨大的挑战也是巨大的机遇。

2、导航与位置服务拓展的室内外无缝覆盖已经成为基本需求。

中国在室内外无缝覆盖信号建设、应用开发上的工作，极大促进了行业和公众对于高精度位置网的认可，也极大地推动了用户对于室内定位信号的需求[17]。中国通过国家科技计划支持的多轮、多家承担单位研发室内定位系统，目前在全国各大交通枢纽、商业广场等等布设室内定位信号，所产生的服务能力、服务规模是国际领先的，这也进一步对高精度（1米量级）室内外无缝覆盖的需求产生了良性互动。用户不再对与卫星导航仅仅提供室外服务存在包容态度，已经认为提供无缝覆盖服务是天经地义的、必须的，这在一定程度上放大了应用系统的增值开发，进一步拉动了室内定位信号布设需要。协同精密定位使得室内外无缝得以顺利融合实现，信号的延伸，既拉动了系统建设，也带动了更多终端的生产和销售，可穿戴设备、芯片一卡通等等单独的产品以及与不同终端融合的产品开始出现，同时也对室内地图和室内GIS也提出了要求。室内地图和处理的GIS是更为复杂的问题，因为理论上来说每一个室内环境都可以有一个独立的坐标系统来表示自己的信息，因此在处理时也牵涉到众多的数据同一化、多坐标环境数据并发问题，这时GIS不但要处理传统的空间分析等问题，还需要顾及云计算、大数据等涉及的大并发问题，目前这一点还是一个研究程度不深的难题。

3、全球全息地图获取与位置信息聚合才能够面向全球信息服务。

全球用户对于信息的需求，既是一个整体性问题也是一个局域性问题。整体性问题是在于用户的需求有时需要全球的信息进行综合分析，例如全球贸易趋势分析、全球生态环境变化、全球市场价格和走向分析等等，局域性问题是指用户的需求在较多情况下是局域性的，例如某个城市生活的居民更多情况下对于本身生活城市的实时信息需求更加迫切和频繁。导航与位置服务在全球范围内首先需要考虑全息位置地图获取是全球性的，位置信息的聚合是在互联网整体范围内实施的，必须要对于互联网ZB级数据的聚合和叠加分析具备能力，其次对于局域性反应需要通过某种局域性计算处理能力进行应对，这有些类似于计算领域的云计算和边缘计算（雾计算）的概念，必须要具备这种能力才能够在当前互联网趋势下实现导航与位置服务的发展，不可能抛开互联网的发展单独再制造一个服务方向。面向这种需求和趋势，研制全球位置框架与编码系统成为一种可能的实现渠道，通过国际合作的全球位置框架共识、在互联网环境下形成支持http、html等协议的位置信息共识，这种共识第一代可以以四大星座系统互操作协议为基础进行编制，是现有星座服务能力基础上的信息获取和聚合，为互联网ZB级数据在位置技术上的整合加工提供支撑。

4、为全球用户提供导航和位置服务需要新的网络架构，高精度位置网在全球的实现需要新的扩展。

“中国高精度位置网及其在交通领域的重大应用”获得了2018年度国家科技进步一等奖，构建了稳健、可信的中国高精度位置服务系统，研制了高性能、低成本的北斗核心芯片和系列装备，开拓了北斗精准定位在公路、水路、设施建设和大众出行等方面的规模化，为数字交通、交通强国等等战略规划中北斗系统应用方向的提出和实施提供了重要支撑，也为进一步拓展北斗系统行业业务深化应用提供了信心和技术保障。面向全球高精度位置网建设和服务，需要考虑新的用户和技术条件，构建新的网络架构[18][19]。首先世界不同国家之间基础设施构建和信号落地有不同的政策，必须要保证每个国家对于落地信号的可控、安全等等因素，同时也关系到在信号应用中的各国自身标准和管理政策问题，因此需要在整体全球高精度位置网的框架下照顾到每个国家像类似的独立高精度位置网，这种架构类似云计算和雾计算的关系，是一个全球到局域的分形结构，涉及这种模式是全球应用落地的必然要求，也是推动每个国家本地化产业发展的首要条件，不解决这个问题，规模化的本地应用很难开展起来。

5、从全球今后导航与位置服务发展目标来看，全空间信息系统成为重大需求。

全空间信息系统（Pan-Spatial Information System,PSIS）是一套依据地球科学理论真实客观数字化现实世界并支持未来决策的智能系统，通过传感器网络获取从微观到宏观的动态复杂世界的时空实体信息，深度融合计算和通信能力，形成多元空间的统一表达和大数据的空间化重构，运用网络空间的数据与模型的双重驱动来可靠实时安全地支持智能化时空决策，实现与物理世界进程的完美协作。其理论基础是多粒度时空对象数据模型。未来全球构建位置服务产业的形态必将是信息互联互通、服务彼此融合，通过利益核算方式形成全球网络上的位置信息综合加工，因此全空间信息系统作为推动基于位置的数字镜像（Digital Twin）体系的核心手段，成为今后业态发展的未来结果。全空间信息系统认为与时空相关的导航与位置服务集聚数据描述至少包括时空参照、空间位置、空间形态、组成结构、关联关系、认知能力、行为能力、属性特征等八个方面，由此推动数据的相互融合能力，形成全球化的、类似今天我国位置服务企业数据管理和生产模式，适应每天超过n个千亿次服务请求。全空间信息系统是地理信息系统发展的一次新飞跃，是数字经济时代人类用数字化方式来支持自己生活的集大成解决方案，是地球村和网络空间治理的必要基础。

当然，北斗全球服务带来的需求是全方位的，从技术角度来说还有知识产权、技术转移、许可认证等等方面，这些将随着以北斗系统为基础的全球导航与位置服务的发展，不断显示出重要性。

三、全球导航与位置服务对技术创新方向的分析

在万物互联逐渐成为现实的时代，参与全球导航与位置服务对于基于北斗系统的技术创新是一个巨大的挑战，也是现实的具有迫切需求的拉动力，将更加大跨度地推动技术进步。目前来看，以下五个方面将是发展的核心方向：

1、系统服务检测与备份提升导航信号硬可靠性能。

虽然伽利略系统在2019年出现了长时间的系统故障[20]，但不可否认当前的星座系统通过相互之间的互操作已经具备了良好的完好性，四大卫星星座通过合作能够保证播发信号几乎具备100%的高可用度，但是要实现用户要求的硬可靠性能目标，还需要对于终端性能进行时时刻刻的检测，以保证从系统播发到用户应用具有同样的完好性、可用性和精度，这就需要建立系统的服务检测能力，以便对于用户端的失误随时做出反应，给予提醒或者做出替代性服务。相比提醒式的预警而言，替代性往往是用户更加需要的，因为用户在使用导航过程中，提醒和预警能够使他意识到问题即将发生，但是并不能够解决他继续使用的要求，因此替代性的导航能力是目前硬可靠研究的又一个重要方向。弹性PNT、惯性导航耦合、全源导航导航等等概念都是这方面的努力，目前看来5G[21]、低轨卫星星座[22][23]可能是比较有发展潜力的市场应用的解决方案。它们分别部署了大量的地面基站或者天上卫星，具备很高的冗余度，而且其播发频点、播发方式与卫星导航的各类服务都具备差异性，具备实现服务检测和备份的能力。

2、信号综合网管推动室内外无缝覆盖。

从中美对于综合时空体系的研究现状可以看出，目前室内室外环境的1米级高精度定位导航的硬可靠实现还是有很大的距离的。目前各国科学家的研究重点大多集中在终端集成上，希望通过终端集成能够适应各类信号源的服务。这是非常重要的。但应当看到，云平台控制、雾定位虽然在定义中被提及，但是其重视程度与终端集成相比还有很大的差距，云平台架构、功能、运行、维护等等内涵如何还未得到阐述和深入研究实践。信号源的调控和面向终端用户的服务需要网络管理系统。室外环境有卫星导航和惯导作为比较一致的信号供应，但是室内环境由于每一个小型区域例如一个房间、一座大楼、一个机构等等都可能是一个独立的室内定位信号系统，具备自己的坐标系，因此管理信号源对于网管系统有极高的要求。终端用户是在不同的信号源之间运动穿越的，需要网管系统对于信号和终端之间的适配切换及时作出反应，在一定请求频率、动态、用户数情况下，保证每个用户都得到良好服务。同时，网管系统还需要对于信号到终端的整体流程的服务质量、故障诊断进行随时的检测，对各类事故作出及时应对。综合时空体系的网络管理系统必须要支持管理业务等功能的实现，满足对被管理网络的操作、维护和管理的需要。综合时空体系的网络管理系统的应用领域几乎涉及定位导航授时的方方面面，从业务预测到网络规划，从时空工程、系统安装到运行维护、网络组织，从业务控制和质量保证到运行企业的事务管理等等。业务范围至少包括综合时空体系日常业务和网络运行管理业务、综合时空体系的检测、测试和故障处理等网络维护管理业务、综合时空体系网路控制和异常业务处理等网络控制业务，甚至应该包括未来的收费账户管理。

3、全息位置信息聚集技术。

首先需要依托导航系统提供的全球一致性的位置和时间参量，制作、管理与IPv6相融合的社会标识系统，具备定位、授时、互联网连接的全球化个体标识系统，通过标识附加使社会传感网具备基于时空要素的信息获取能力，为真实客观数字化现实世界、互联网数据进行全息位置地图入库整理提供良好数据源；其次是发展全球位置框架协调栈，使各国、各用户、各业主的不同数据能够协调产生一个统一共识时空的综合坐标体系，以便对于互联网数据进行数据时空关联、对任意区域参量的空间分布进行映射表达和测度。最后达到构建具备全球统一管理、交互能力的全息位置地图的能力，支持任意网站依据自身的业务特点，在空间映射技术支持下形成专题化全息位置地图，并提供空间信息服务。上述三个方面是一个位置服务的流程环节，在这个环节里，必须要解决数据的权益、安全、隐私等问题，在目前技术条件下，可能还需要引入区块链和通证技术来支持全球位置信息叠加协议。这些技术需要研发、更需要不同国际用户之间的协调。

4、用户服务网络架构。

在全球范围内推动高精度导航与位置服务，用户可能是几百亿个网页地址，也可能是几千亿个物联网终端，也可能是某一个组织的业务系统，因此应用场景可以定义在整个互联网的基于位置的服务系统，其良好性能考核至少是，要在一定的时间约束（如毫秒级）条件下，针对不同规模的网络下的用户提供按需的决策知识服务。相比较今天中国的位置服务能力和服务企业构建的网络框架，全球用户服务网络框架在计算能力上需要考虑如何调用EB级算力，如同比特币挖矿一样；传输能力上还需要考虑如何利用好全网络实现的短时延和大并发；数据上需要考虑如何组织和调用好ZB级的互联网数据实现全息位置地图及其加工；服务上需要考虑不同的数据之间的同化、挖掘和处理，实现按需服务；服务模式上需要考虑如何满足全球用户在不同地域、不同文化、不同方式的应用需求下调控运行。以往我们在分析ICT行业全球服务时，经常以某个大型跨国公司的计算能力、数据流量来进行剖析，今天导航与位置服务也到达了这个时候，需要在EB级算力、ZB级数据、Tb级用户的需求基础上来分析服务网络架构。

5、全空间信息系统。

全空间信息系统就是希望构建一套基于位置的数字镜像服务系统，是一个各个分项技术和系统的大集成，它至少包括物联网组成的传感器网络、信息的实时获取与传输、时空大数据中心、空间信息处理分析、智能化时空决策、网络安全（含数据安全）等六个部分。通过物理世界的设施部件连接在一起，形成按照位置、时间进行整合的、具备权益归属地信息加工，将会进一步催生众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备、应用和服务，从产业角度看，其涵盖了小到人体器官、智能家庭，大到工业系统、城市系统、智能交通等行业系统的国家级甚至世界级的应用，是实现EB级算力、ZB级数据、Tb级用户网络下应用和服务的核心工具。

上述技术的指标要求、建设规模、服务模式相比目前国内行业内的同事们的工作，有非常大的跨越，需要其它更多专业的专家共同努力、跨界合作。

四、推动全球位置服务联盟的建议

全球范围内推动导航与位置服务发展必须要依靠国际合作，形成大的国际合作格局来共同商议推动，如同国际电联ITU推动信息产业、地球观测组织GEO推动全球综合地球观测系统建设、联合国卫星导航委员会ICG推动卫星导航信号提供商服务协调、国际卫星导航服务IGS推动卫星导航科学研究和服务一样，推动构建一个全球导航与位置服务的协调框架，比如成立一个全球位置服务联盟（GLOSA，Global LOcation Service Alliance）。

该联盟主要推动各国联合构建全球高精度位置网，以新的网络架构实现综合的系统之系统（System of systems）建设。主要是以推动全球导航与位置服务产业的发展为目标，充分尊重各国导航与位置服务关切的基础上，通过对各国在相关方向的技术成果的共识形成建议性规范，为各国导航与位置服务的发展提供建议，对于室内外无缝定位、数据共享和交换、算力平台上工具开发、服务架构集成和融合协议、政策规范等等进行研讨、研究，面向市场推广和用户服务推出可以执行的建议，提供技术支持服务。

联盟的成员应当是政府代表为主、学术和产业单位作为成员的架构比较适合发展需求。政府代表体现了各国政府对于导航与位置服务的政策要求，有助于在方向上保证联盟各项共识、建议的推动实施。学术和产业单位成员有助于推动这一新兴领域的新概念、新实践的合作，促进各国具体实施单位的交流和共同成长。联盟是一个沟通协调平台，不追求推出强制实施的任何内容，希望能够在任何共同关注的话题下向全球公布讨论的内容和结果，为各国应用提供选择项，促进行业的宏观视角的发展。

五、结语

从技术发展角度来说，导航与位置服务随着北斗系统全球服务的开启，面临着新的机遇，要适应这种发展并及时为全球用户提供服务，需要对目前的工作做较大的改变，不但是卫星导航相关的内容，更主要的是切实把互联网能力应用起来，把新一代信息技术与位置服务结合起来，把全息位置地图服务融入到互联网数据中，在全球范围内提供位置、时间做支撑的新型服务，这需要国内卫星导航领域与互联网行业的跨界融合，研发创新型技术实现跨越式新服务，也需要与国际卫星导航、互联网同行们共同合作。

北斗三号系统是中国人提供给国际社会的第一个全球系统，也真正开启了第一个依托中国系统的全球服务体系的建设机遇，需要一系列全球发展服务的中国方案来实现这个目标。发展空间更大、竞争格局更复杂，这可能是北斗系统全球服务带来的直接感受。

北斗系统全球信号服务必将进一步增强全球尤其是中国用户和投资者的信心，面向更加深入、多样、万物互联的全球应用，许多工作才刚刚开始，目前未曾见过的应用很可能是更大的规模产业。