片上时空系统及综合时空网管发展分析

景贵飞

(北京航空航天大学 前沿科学技术创新研究院,北京 100091)

0 引 言

全球卫星导航系统(GNSS)有四个星座在天空运行发送信号,对于卫星导航应用提供了良好机遇,厂商和用户之间的互动把导航与位置服务拓展到了泛在空间,据统计,单纯室外环境应用仅占导航与位置服务场景的20%左右,室内(包括海洋、地下等环境)定位场景约占80%[1-2],构建以GNSS为核心的综合时空体系提供泛在、融合、智能的服务就成了各大国努力的热点[3-5],在此基础上，推动人、物时空标签服务万物互联时代就成了技术、产品、服务竞争的核心．微型时空系统(Micro-PNT)就是一个热点方向[6-7],片上时空系统(PNToC)是其更加明确的概念名称,直观说明其特性、数量及产值的最大发展方向．

1 综合时空体系成为趋势

GNSS系统具有脆弱性,这在国内外已经达成了共识,在无线电信号弱、穿透力差、易受干扰的环境及深空、水下、地下、室内等特别地形环境,以及复杂电磁环境下，GNSS应用能力非常弱,甚至没有信号．因此GNSS系统并不能解决所有用户的导航需求,用户在不同的应用场合需要不同的导航手段,以满足自身的导航需求[8-9]．

为了解决泛在定位导航和授时问题,世界各国都进行了研究．习近平主席在2018年向联合国GNSS国际委员会第十三届大会致贺信中提出,2020年北斗卫星导航系统(BDS)服务范围覆盖全球,2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系[10]．综合时空体系是近年国际上研究定位授时系统发展的热点,最具有代表性和竞争性的是美国提出的综合定位导航授时(PNT)体系[11-12]．

美国2006年提出了国家PNT体系的构想,但迄今为止尚未给出明确定义,美国仅仅给出了国家PNT体系的框架描述．2004年美国总统签署并颁布了《美国国家天基定位、导航与授时政策》(U.S. Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Policy),取代了1996年美国总统颁布的《美国全球定位系统政策》(U.S. Global Positioning System Policy),采用PNT概念取代GPS,标志着卫星导航系统进入以PNT为基本要素的新时代,2004年美国成立“国家天基定位、导航和授时执行委员会”(National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing),作为军民联合体从国家层面对GPS项目进行关注和指导,并直接向白宫汇报．美国国防部2018年公开版《定位导航与授时体系战略》,阐述了国防部定位导航与授时体系的战略背景、政策目标、管理体制、管理程序、军事应用和影响力,以利用现代化GPS等PNT能力,采取模块化开放系统集成方法,为联合部队提供精确、可靠和弹性的应用服务,全面提升美军作战能力[13]．虽然GPS作为美国主要的天基PNT服务设施已在美国甚至全球拥有广泛应用,但其固有的脆弱性正逐步影响着PNT服务的可用性和鲁棒性．

为了应对在使用基于GPS的PNT服务时易受干扰和特殊环境无法访问的挑战,美国国防高级研究计划局(DARPA)提出了“适应性导航系统”(ANS)寻求向军事用户提供GPS质量的PNT,而不管其运行环境如何．DARPA还在开发具有导航级别或更高级别芯片级惯性传感器的Micro-PNT项目,以及使用冷原子干涉测量技术进行高精度导航而无需长时间依赖外部位置确定的惯性测量单元(IMU)[6]．

我国对于综合时空体系(或称综合PNT体系)高度重视,各部门开展了不同程度的战略布署、科研等工作．2015年中国卫星导航系统管理办公室发布了首批国家综合PNT体系项目指南,包括国家综合PNT体系需求分析、国家综合PNT体系顶层设计、国家综合PNT体系仿真验证与性能评估技术研究、深空导航授时技术路线图研究、水下PNT技术路线图研究、远程地基导航系统概念研究、基于地面射电观测的数据库构建技术研究、全源融合定位导航应用关键技术研究、导航通信深度融合关键技术研究等9个项目．杨元喜院士2016年提出了综合PNT定义[4]:基于不同原理,多种信息源,经过云平台控制、多传感器高度集成和多源数据的融合,生成时空基准统一的、且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠的全空间PNT服务体系．它的核心要素在于,不同的原理、不同的信息源要形成网络,要经过云平台控制,最后实现智能化的服务．

我国科学家也进一步研究提出了任务设想，针对不同环境及场景,用户可选配一种或多种PNT手段融合满足自身导航需求[14]：1)地表及航空用户，以BDS为主,以惯性导航为辅,以地基系统为备份手段,天基/地基增强系统、低轨卫星增强系统为增强手段．2)近地空间用户，以BDS为主,以天文导航、惯性导航为主要备份手段．3)深空用户，以天文导航(包括X射线脉冲星导航系统)等手段为主,以惯性导航以及BDS为主要备份手段．4)室内及遮挡区域用户，以地基增强、惯性导航、羲和系统等为主,以BDS为支撑．5)水下用户:以惯性导航、基于BDS的水下专用导航系统为主,以重力/磁力导航为辅,以BDS为支撑．6)军用及特殊用户，通过多路、多源信号备份等方式,从系统层面进行导航战能力设计;提高抗干扰、防欺骗能力以及导航信号增强能力,实现灵活、智能的防御能力及对敌方的拒止服务与欺骗干扰．

目前看来,多源PNT信息源的集成与融合应用将成为未来综合时空服务体系的主要发展方向,即综合时空服务体系;相应地多传感器集成PNT服务也将成为PNT应用端的主流方向,而且多传感器集成必须小型化且低功耗,于是微型PNT将是综合PNT终端的核心技术,片上时空系统是与大规模集成电路密切相关的．随着未来综合时空体系的建设以及微型PNT核心技术的突破,多源PNT组件集成、PNT服务体系建设将成为研究热点．各国的工作、不同科学家的工作,尽管名称不同、布设项目内容有差别,但都是在探索综合时空体系的未来框架、技术和模式,目前在具体包含的内容、实施步骤、服务模式等工作还未达成共识,更谈不上开展建设和运行了．

谁能够在综合时空体系研发和建设中先行一步、取得突破进展,就意味着在今后时空领域应用中占得先机,取得战术上的优势．

2 片上时空系统将成为综合时空体系发展的核心

片上时空系统概念与片上系统(SoC)类似,指的是利用芯片和微机电系统(MEMS)等技术,在单个芯片上进行集成构建一个完整的PNT系统的技术、以及由此形成的相应产品．

片上时空体系就是指微PNT芯片产品,是在泛在时空服务的需求下,服务终端的便携、可嵌入、低能耗、待机时间长等成为新的数字技术应用社会里的必然趋势,其发展受到业界的高度重视,各国投入巨资进行研发,并取得了很好的成果．其主要是利用高精度MEMS、陀螺、加速度计及多模多频GNSS接收机,实现快速高精度定向和组合导航功能,实时解算载体的位置、航向、姿态、速度等信息,抗遮挡及多路径干扰,实现山区隧道、城市峡谷、高架等环境中车辆的长时间、高精度、高可靠性导航．支持GNSS RTK功能,提供标准化用户通用协议,具备良好可扩展性．

美国微PNT在充分吸收原有研究成果基础上,通过整合旧有项目和增加新项目以实现更高要求,2001年开始计划芯片级原子钟(CSAC)相关研究,2005年支持导航级集成微陀螺仪(NGIMG)研究,2008年支持微惯性导航技术(MINT)和集成化微型主原子钟技术(IMPACT)研究,2009年支持MEMS自主旋转平台研究,2010年启动微PNT计划并新增5个项目[6]．

经过多年的发展,目前市场上已经具备了多款产品．目前从市场容量和订单现实性来看,片上PNT在车辆导航上发挥越来越重要的作用,对于卫星定位信号出现问题时的保障得到了市场认可[15],其目前被寄予厚望的最为重要的切入点和核心内容之一是在智能驾驶汽车领域[16-17],据统计，智能驾驶汽车产值52%来自车辆本身,26%来自传感器硬件,17%来自计算硬件,5%来自集成,片上PNT被做为自动驾驶系统必备的核心传感器,每辆车的正常行驶都离不开．未来引用的“车路协同”、V2X,将车和路视为一个大系统,全部智能化、物联网化,每个设备端自成一体又与云端通讯交互,都需要配备价格、体积、精度适宜的片上PNT系统,这对片上PNT技术、工艺、配套集成上的发展是一个巨大的拉动[18-19]．

未来片上时空系统的重要性在产业上的体现将主要由物联网的发展引发．物联网的发展是以美国麻省理工学院自动化识别系统中心一研究的产品电子代码为核心,利用射频识别技术、无线数据通信技术等理论知识为背景,结合计算机技术和以互联网技术为依托,构建以实物为研究对象的互联网平台．物联网可以将所有物品利用射频识别设备、传感器等技术与互联网进行有机的融合,实现互联网的智能化和集中化,增加了人类对身边物品的管理程度[20]．物联网通过二维码识别设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现识别、定位、跟踪、监控和管理智能化.定位、授时的属性是与网络构建和应用密不可分、天然交融的,国内外科学家对于实现这种信号服务进行了较多的研究,但目前尚未取得一致性的室内覆盖信号[21-22]．Gartner的数据显示,2020年全球范围内物联网终端安装数量预计将达到197.8亿个,较2015年的45.8亿个增长332%．由于物联网终端安装数量的快速增长,物联网终端设备所需物联网连接芯片数量也将按比例快速增长[23]．定位、授时成为物联网不可缺少的技术,片上时空系统与物联网芯片相结合也成为综合时空体系应用最大的、最具前景的方向．也是体现泛在、融合、智能定位导航授时等时空服务的核心内容．

3 综合时空体系网络运管系统助力集成

综合时空体系的云平台控制虽然在定义中被提及[4，24],但其研究几乎是被忽视的,综合时空体系的网络管理系统是云平台控制的一种探讨模式．相较云平台控制的概念,综合时空体系的网络管理系统的概念更具体、更容易说明其内涵．

卫星导航系统的主控中心运行的就是卫星导航系统及其服务的网络管理系统,只是它仅限于卫星导航系统,有不多的情况下可能还包括增强或差分系统．我们提到的网管系统希望是能够管理协调全空间泛在覆盖的导航定位授时信号、调控万物互联物体的导航与位置服务、具备系统性能保障和增值运行的系统,要求信号更加复杂多样、终端管理数量更加庞大、对终端性能和网络故障诊断保障要求更高、商业增值服务可支撑性更强．

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整体比较单一的信号供应,管理上有很好的运行系统,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、体制、频点、功率等要素,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及时作出反应,在一定数量的请求频率、动态、用户数情况下,保证每个用户都得到良好服务,目前我国每天定位请求服务已经超过1500亿次,随着未来物联网的逐步壮大，这个数字也将会巨量膨胀．同时,网管系统还需要对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在全国甚至全球的布设需要认真研究和模拟分析．用户是多方面的,既有全国范围、全球范围不同城市之间流动的,也有城市内部不同社区之间流动的,目前看起来,全球移动通信系统的建设和运行为综合时空体系网络管理系统的建设提供了良好的条件,剖析和学习移动通信系统显得非常重要．移动通信网管系统的基本概念也就是提供一个有组织的网络结构,以取得各种类型的操作系统之间、操作系统与电信设备之间的互连,它采用一定的体系结构通过标准协议和信息接口进行管理信息交换,来支撑移动通信网络和其业务的规划、配置、安装、操作及组织．因此网络管理系统需要在体系结构、协议、接口等方面进行相应理论研究、技术开发．

综合时空体系的网络管理系统必须要支持管理业务的实现,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PNT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．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．

4 发展片上时空系统设想

片上时空系统产品毕竟是在集成电路上实现定位、导航、授时的专业性服务,因此首先符合大规模集成电路的技术和生产要求;同时作为专业性的产品,也同样具有自身的要求．从大规模集成电路技术来看,我国与国际领先水平相比存在较大的差距,这两年中美之间不断爆发的芯片方面的贸易冲突充分显示了这一点;其次是涉及片上集成所需要的微小型化高精度陀螺、加速度计等器件研制、制造尚有较大差距．上述两类主要差距都不是一朝一夕、仅仅依靠资金投入就能够解决的,需要国家花大力气参照集成电路基金的模式支持科研攻关、市场开拓．

鉴于上述两方面的较大约束,建议通过综合时空体系的网络管理系统,加强云平台控制能力,通过向片上时空系统提供更加精细、多样的PNT信号,减少片上系统单独运作的计算、校准等压力,提高多信号集成融合能力,在同样成本、组件性能条件下提高服务精度和整体性能．

因此对于发展我国片上时空系统提出以下设想:

1)加强微小型化高精度器件研发．片上时空系统依赖于小型化陀螺等器件与MEMS技术的融合．MEMS惯性传感器对于惯性导航系统的小型化具有关键意义．MEMS创造了惯性导航应用的新市场,MEMS具有体积小、成本低廉等潜力,吸引了全世界的科研人员致力于发展民用和战术级别的MEMS导航系统．当前已经实用的最好 MEMS IMU陀螺漂移为5°/h～20°/h,加速度计零偏约为1 mg,还未真正达到战术应用的精度．MEMS IMU将逐渐渗透进光纤陀螺和环形激光陀螺占据统治地位的应用市场,并将开辟新的需要更小体积和更低成本的应用领域．现在市场上已经提供民用级的MEMS,其中很多可以与GPS进行组合导航．近几年,民用级的MEMS系统角速度敏感精度为1°/h,加速度敏感精度为几百μg,但还没有产品化[18]．对于MEMS 惯性系统而言,获得精度合适的陀螺比加速度计更加困难．MEMS IMUs 的性能主要受限于陀螺的性能．

2)以综合时空体系网络运管系统助力片上时空系统的实用化．对于片上时空系统来说,与网管系统之间的协议可能是最重要的．通过协议,及时获知不同定位信号的参数,对于片上系统组合集成来说通过网管系统可调整主要定位功能,节省能耗.同时形成相互校正机制,对其他导航定位机制提供参考,保证高精度服务和可靠性能.

3)降低集成难度,降低对单纯靠惯导、原子钟等自身高性能获得良好服务的依赖.通过网管系统服务参数,在目前惯导、原子钟等低精度的情况下,也能够满足更多的应用需求,毕竟量子导航、芯片原子钟的创新是非常困难的,获得突破需要一定的时间．

4)加强卫星导航信号、惯导、授时、室内定位信号在片上的融合集成．从中美对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可靠实现还是有很大的距离的．首先是室外环境的卫星导航系统具有脆弱性,惯导系统虽然能够补充卫星导航系统的一些不足,但是尚未解决小型化和高精度的难题,Micro-PNT、量子导航等虽然有了一定进展,但目前看来在3～5年实现小型化和1 m导航能力还是非常困难的．其次，对于室内导航，目前还没有发现可在广域范围内通过单独一个信号体制进行建设的有效方法：中美欧各国经过多年的科研攻关,目前Wifi/iBeacon/UWB/TC-OFDM/伪卫星等技术分别在不同的用户、地点、范围布设并得以应用,但还没有提出一个类似室外卫星导航能够整体布设、统一服务的系统,室内定位的巨大需求已经促使用户在各自局域范围内快速布设不同的室内定位信号系统,这在提供室内服务的同时也进一步增加室内信号服务的多样性、广域统一的复杂性,极大增加了广域范围用户应用的难度．目前各国科学家的研究重点大多集中在终端集成上,希望通过终端集成提供可适应各类信号源的服务．

5 结束语

针对泛在融合智能的综合时空体系建设要求,推动了PNT技术应用的进步和跨学科领域的合作,分析了市场竞争催生的片上时空系统/微PNT产品的研发和市场供给,提出片上时空系统作为综合时空体系最普遍的一种产品形式,具有与物联网密切结合的需求特性,必将成为下一阶段技术和产业发展的热点,我国面对大规模集成电路、微小型化惯导研制等竞争局面,应当开拓思路,拓展构建良好的综合时空体系网络管理系统，减轻片上系统压力,提高整体服务性能．突破这些技术难题,将会把BDS、导航与位置服务拓展到千亿级、万亿级用户的市场空间,向能随时随地为人们提供时间空间信息服务的智慧时代迈出扎实的一步．