北斗+5G开启智慧新时代

文|李殿赟 北斗航天卫星应用科技集团有限公司

一、引言

2020年注定是不平凡的一年，新年伊始，一场新冠病毒肺炎席卷全球，各国人民众志成城，共克时艰，已经取得了抗击肺炎的阶段性胜利。根据2003年非典的经验，疫情过后，经济将会报复性增长，而我国的两大“国之重器”，北斗和5G都将在今年隆重登场，必将成位经济快速增长的“双引擎”。

二、北斗全球卫星导航系统建成

2020年6月，最后一颗北斗三号卫星发射升空，北斗三号系统完成全球组网，提前半年完成北斗全球导航系统建设。

北斗系统是采用地球静止轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比，具有卫星数量多、高轨卫星更多的优势。因此抗遮挡能力强，特别是在低纬度地区优势会更加明显。而且北斗系统特有“星间链路”的功能，不需要像GPS一样全球建地面站，自身就可以使星座中的卫星相连，并通过卫星间的位置相互定位。同时，北斗系统还融合了导航与通信能力，能提供定位导航授时、全球短报文通信、国际搜救、星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信七种服务。

三、5G建设提速

根据国际电信联盟（ITU）的定义，5G的三大典型应用场景包括增强型移动互联网业务（eMBB）、超高可靠性与超低时延业务（uRLLC）、海量连接的物联网业务（mMTC）。5G与4G相比，具有“大带宽、低延时、高可靠、低功耗、海连接”的特点。2019年6月6日，工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放了4张5G商用牌照，5G建设全面铺开。今年5G将迎来大规模建设，5G基站数量有望再创新高。四家运营商的5G基站建设规模将达到60万个。

四、北斗与5G融合

北斗和5G，表面上天地一方，各自发展，实际上，它们具有天然的渊源（同为无线电技术应用），注定产生交集。两者在深度融合的同时，也将相互赋能，彼此增强，可以产生感知、学习、认知、决策、调控五大能力，让全球性分布的物理设备，能在智能感知的基础上具有计算、通信、协同、控制和自治等功能，将给人们带来更为广阔的应用场景。北斗系统和5G结合，将充分发挥北斗系统融网络、融技术、融服务、融终端、融应用的天然特性，实现北斗系统在信息领域深度应用。“北斗+5G”有机融合将成为高精度、高可靠、高安全的新一代信息时空体系，实现物联网的可感知、可测量、可计算、可控制，支撑大数据、云计算、人工智能等互相融合，提供基于“高精度定位、高精准时间、高清晰图像”的能力，为智慧城市、智慧制造、智慧农业、智慧气象、智慧海洋、智慧国土和智慧家庭等领域提供全新的服务。

1．北斗是5G信息安全的基础保障

目前，GPS在全球得到广泛的应用，通过免费开放，在市场上取得绝对垄断地位。不仅在民用领域的出行导航、网约车、购物、精准推送等方面需要GPS，即使在关系国计民生的通信、电力、金融等授时也依赖于GPS。但是，过于依靠GPS是非常危险的，因为GPS受控于美国，一旦GPS信号被人为地关闭、干扰或者发送错误的定位信号，不仅会带来不能共享位置信息、不能正确导航等小小的不便，更可能会给国家安全造成致命的威胁。例如移动通信、电力调度、金融证券等涉及国计民生的行业将会遭受重创。

为保障移动通信正常工作，需要精准的授时和严格的时间同步。然而，我国的通信基站目前基本上是以GPS为时钟源进行授时和同步。如果GPS信号被切断或者干扰，信息安全将会遭受重大威胁，移动通信系统将无法工作。因此，我国的5G移动基站建设将全面使用北斗授时，而北斗的授时也是全球四大卫星导航系统中精度最高、方式最多的。

根据规划，2020年将是北斗全球服务和5G大规模商用的元年，这并不是时间上的巧合，而是北斗和5G的彼此需要。北斗和5G的融合“势在必行”，这是我国信息基础设施安全可靠必备的基础保障。

2．5G可解决北斗信号被遮挡的难题

5G移动通信业的安全发展，需要北斗卫星系统来支撑和保障，反过来，北斗卫星系统也需要得到5G的支撑。所有卫星导航系统，都存在一个共同难题，就是因为卫星与地球的距离太远，卫星信号无法穿透屋顶、桥面等建筑物。也就是说，卫星信号很容易被遮挡，而一旦信号被遮挡，那就无法提供服务了。

然而，人们80%的活动是在室内，也就是说位置服务最多的应用场景恰恰是来自于室内。虽然空中有卫星定位系统，但是在隧道、地下车库、室内等“最后一公里”的应用中，卫星定位系统就遇上了大麻烦。北斗和5G的融合，是业界公认解决这个问题的办法，根据3GPP的规划，Rel-17可以实现亚米级精度（比如0.3m以内的绝对精度要求），北斗与5G深度融合，形成“卫星广域、5G局域”的局面，从而实现从室内到室外、从城市到无人区无缝连接的精准时空信息服务。

3．北斗+5G，把时空数字化服务无缝连接

通过北斗的短报文通信功能，可以覆盖5G信号到达不了的区域，比如山川、大漠、林海、海洋等。通过5G可以把北斗的加速定位和增强信息传送给大家，这个时候大家可以在秒级就实现自己的高精度定位。把北斗和5G融合在一起，实现从天上到地下的一个信息服务体系，这个体系可以获得更精准、更可靠、更可用以及更低廉的成本等。

把这两个系统融合在一起，需要在网络级进行融合，把北斗的地基增强网络和5G网络融合到一起，使信息融合，互相支持，以便提供更好的服务；把导航、定位、授时服务和5G的服务融合到一起，使所有的信息采集都在精准时空下进行，使所有的活动都和时空关联起来，通过5G物联网技术，形成真正的“数字孪生”。特别是把终端和应用融合起来，在一个智能设备上就可以实现高精度的定位和服务。这既是网络级的融合，卫星打天上，5G打地下，天上地下融为一体，用最小的成本覆盖所有的广域空间，也是信号的融合，在信号层面融合到一起，通过5G传输北斗的地基增强信号，甚至“伪卫星”信号，解决卫星信号的“室内场景”问题，使定位更准确、覆盖无死角。

4．“通导一体”赋能更多行业快速发展

通信和导航是无线电技术应用的两个分支，二者是密不可分的。从开始两个应用的分离到现在的相互补充、相互促进、融合发展是一个必然的结果。北斗与5G的融合发展，回归无线电技术的本质，既是行业发展的热点、也是技术发展的必然趋势。而许多行业应用场景的迫切需要，也是促进“北斗+5G”深度融合发展的直接动力，例如无人驾驶。无人驾驶需要移动状态下的高精度定位支持，特别是在极端环境下的位置感知。例如，在冬天积雪覆盖路面以及没有车道的广场、草原、沙漠等环境，没有道路边线，周围又没有供系统辨识的参照物，利用视觉传感器和激光雷达无法做出相对定位，这时就需要卫星定位来救场。北斗卫星导航系统，不仅有北斗导航卫星，还有天基增强和地基增强系统，其定位精度可以达到移动实时厘米级、静止毫米级，可为无人驾驶车辆在急转弯路段的安全和舒适驾驶、节省自动驾驶的运算量和V2X通信中车辆的精确定位提供坚实的保障。

无人驾驶汽车，不仅要实现单车智能，而且要实现人、车、路、环境等全要素的自主感知、自主决策和自动控制。特别是车辆在高速运动中的控制，需要瞬间把信息送到相应的车上并实时做出正确的反应。这不仅需要终端间精确的时间同步，而且需要低时延、高可靠地把信息送到车上，进行智能判断和车控反应。5G标准恰恰包含对5G时间敏感网络（TSN）的原生支持，可支持5G联网终端之间的精确时间同步，并具备对专网和增强型超可靠低时延通信（eURLLC）的支持，可实现高达99.9999%的可靠性和低至1ms的确定性低时延。同时具有基于距离群组和传感器共享的可靠多播通信带来的诸多优势。所以，“北斗+5G”的搭配将为打造城市智能交通网络和无人驾驶的发展插上腾飞的翅膀。

5．北斗+5G，生活更智能

随着5G时代的到来，“北斗+5G”有望在机场调度、智能机器人、无人机、智慧建筑、智慧交通、车联网和智慧物流等领域广泛应用，将进一步促进北斗增值服务的应用普及和多样化发展。北斗导航技术将会融入生活的方方面面，市民将来无论是在室外还是在室内都可以进行精准定位和导航。

根据3GPP的规划，引入5G物联网技术，更好地支持海量物联网，从eMTC到FeMTC再到eFeMTC，还有窄带物联网（NB-IoT）都可以演进至5G。未来各种各样的产品都将接入到网络中形成智能生活的一部分。我们生活中的腕表、手环、手机、眼镜、衣服、腰带、鞋子、门锁、窗帘、电视、空调、冰箱、洗衣机、空气净化器、加湿器、井盖、垃圾桶、围栏、站牌、广告牌、路灯等都可以接入网络，成为智能产品并进行智能控制和管理。可以说，我们生活中每一个产品都有可能通过5G接入网络，通过5G+北斗可以让这些设备都成为具有精准时空信息的智能设备，最终形成真正的数字孪生。

五、小结

北斗和5G的发展正在如火如荼地进行，它们是并行发展的，现在是把两者融合在一起的最佳时机。要使两个“国之重器”同时提供服务，需要从标准、信号和应用等几个层面进行融合，最终形成空、天、地一体的智慧感知与传输，并通过云计算和大数据技术实现海量时空数据的分析、挖掘和智能化处理。5G带来的移动物联网革命，将推动北斗及时空信息应用的泛在化。北斗系统的广泛应用，助力5G在提升我们国家安全的同时，也会打造出智能时代的时空基础设施，赋能各行各业，推动数字化和智慧化的快速发展。