精准时空感知赋能数字经济发展

邓中亮，高彦彪，张 耀

(1.北京邮电大学 电子工程学院，北京 100876；2.北京邮电大学 人工智能学院，北京 100876)

0 引言

全球数字化发展日益加快,时空信息、定位导航服务成为重要的新型基础设施。时空信息作为新基建中信息基础设施的关键内容,是数字经济发展的重要根基。2012年以来,我国深入实施网络强国与国家大数据战略,在数字经济发展的浪潮下,时空信息已成为数字政府、数字社会和数字中国建设过程中不可或缺的战略性数据资源和生产要素。

数字经济以数字化的知识和信息作为关键生产要素,以数字技术为核心驱动力量,以现代信息网络为重要载体,通过数字技术与实体经济深度融合,不断提高经济社会的数字化、网络化、智能化水平,加速重构经济发展与治理模式的新型经济形态。数字经济正在深刻地改变着传统产业的运作方式和社会的生活方式,完善数字经济顶层设计、统筹数字经济发展成为各国激发经济增长活力的重要手段。

数字经济可以极大提高生产效率,打破传统行业壁垒,已受到国际上的高度关注。目前世界各国已争相出台相关战略,并采取了系列政策措施支持数字经济发展,正努力抢占数字经济制高点[1-3]。在我国,党的十八大以来,党中央高度重视发展数字经济,将其上升为国家战略,先后印发数字经济发展战略、“十四五”数字经济发展规划,促进数字技术和实体经济深度融合,赋能传统产业转型升级,催生新产业新业态新模式。数字经济的发展是科技革命和产业变革的大势所趋,数字技术在经济领域的应用可以显著提高生产力、加速创新、提高企业与政府的运行效率、促进可持续发展。

在国家推动数字经济发展的过程中,不论是通过数字化实现资源的优化配置,还是提升公共服务数字化水平、健全数字经济治理体系,或者是加强城乡融合发展、建设美丽乡村,都迫切需要发展高速通信、云计算、精准时空感知和智能控制等关键技术。其中,精准时空感知可以提供更精确的定位与导航服务,赋能智慧城市、精细生产和风险预测等方方面面。因此,发展数字经济必须打造精准时空底座。

1 广域高精度定位导航发展现状及挑战

然而,实现精准时空感知,需要高精度定位导航服务的支撑。2020年7月31日,北斗三号全球系统正式开通[4]。目前,北斗系统在室外场景下已能提供高精度的定位导航服务[5-6],但是在建筑物遮挡下卫星信号覆盖困难,无法实现室内、地下城市、峡谷等复杂环境的高精度定位,基于高精度位置信息的导航服务更是无从谈起。针对室内外无缝高精度定位导航需求,如何弥补全球导航卫星系统(GNSS)室内定位信号覆盖盲区,实现室内外无缝高精度定位导航成为了定位导航技术发展的重要方向。

在早期,基于蓝牙[7]、超宽带[8]和WiFi[9]等无线局域网的定位导航技术得到了大量关注,但当应用规模从一栋楼宇扩展为一座城市时,铺设基于局域网的定位导航系统将产生庞大的专用网络建设成本。与此同时,移动通信网已覆盖了绝大部分人口。据统计,截止2021年底,我国已建成全球最大第五代移动通信(5G)网,成功覆盖全国所有地级市城区、超过98%的县城城区和80%的乡镇镇区[10]。如果能充分利用移动通信网,与星网实现深度融合,无缝定位导航的难题便有了解决方向。因此,研究者们期望依托于城市中广域无缝覆盖的电信运营商网络实现高精度的室内定位与室内导航[11-13]。

但是,目前实现室内外无缝高精度位置服务仍然存在以下挑战:

① 5G移动通信技术具有大带宽的优势,但目前通信的大带宽均需用于保障高速流畅的通信需求,定位可用的空口资源极为稀缺,现有方法无法满足高精度定位需求,亟待攻克无线通信网高精度定位难题。

② 发展室内外无缝位置服务,必须保证特殊场景均能提供高精度位置服务。但是,现有网络中,无线网覆盖无法满足无死角覆盖需求。多无线网虽能互补,但存在严重的木桶效应。亟需解决网间纳秒级同步、异构信号随遇接入和跨网重构优化等难题。

③ 数字经济下的智慧城市迫切需要更大范围高精度无缝定位导航,但在许多场景中,比如地铁工程,地下环境跨度大、卫星拒止、场景切换频繁,亟需开展无线通信网与卫星网络深度融合,为泛在位置感知提供支撑。

2 通信导航深度融合的技术突破

为实现通信导航深度融合的广域位置服务,创立了广域无线网络高精度定位理论方法、多模态网络自洽协同定位技术体系,突破了天地一体普适智能无缝定位导航瓶颈,破解了长期困扰国际的高精度、广覆盖、室内外无缝隙、低成本定位导航基础性难题,开拓了广域无线网络高精度定位导航新方向,带领我国无线网络定位导航研究与应用走向世界领先地位。通信导航深度融合的广域位置服务技术框架如图1所示。

图1 通信导航深度融合的广域位置服务技术框架Fig.1 Technical framework of wide-area location service with deep integration of communication and navigation

2.1 广域无线网络高精度定位理论方法

采用传统通信网进行定位,无独立定位资源,导致定位信号承载难;基站单重覆盖,导致几何定位难;数据高速率传输,导致相位跟踪难。移动通信网无线资源极为宝贵,迫切需要在不占用通信资源的前提下提升定位精度。国际上提出的小区定位方法,误差在数百米:导频定位和边带定位方法,由于信号不连续、频率带宽小,导致测距精度低,误差在十几甚至数十米。由此可见,传统的移动通信网不具备高精度测距能力。

在科技部“羲和计划”支持下形成了共频带信号体制,在国家重点研发计划“室内混合智能定位与室内地理信息系统(GIS)技术研究及示范应用”项目支持下提出了“隐嵌信噪”定位技术,以不影响通信效能实现资源共享复用的核心思想将新型极弱定位信号湮没在强通信信号中,形成共频融合体制,不消耗独立频率资源,将定位信号“隐嵌”于噪声,提升了信号的连续性与带宽,实现了通信定位的同频共载,极大提升了移动通信网络的定位能力,将基站测距精度从数十米提升至厘米级,远优于高通、爱立信等国际巨头方案。此外,还形成了5G共频带定位参考信号[14],在天津搭建了基于5G网络的室内外无缝定位示范系统,成为了国际5G高精度定位标准,率先实现了优于0.1 m[15]的高精度定位,定位性能国际领先。

隐嵌信噪定位技术可通过配置信号的播发周期,灵活地调整播发模式,可进行信标式短时信号播发、短周期间断信号播发以及长周期连续播发,支撑终端对定位信号的连续跟踪,提高了相位测量精度:隐嵌信噪定位不占用独立的频谱资源,不需要搭建专用网络,有效降低了网络成本;此外,隐嵌信噪技术具有极高的安全性,定位信号以低功率隐藏在通信信号背景噪声下,难以被第三方探测与监听。

2.2 多模态网络自洽协同定位技术体系

移动通信网可以覆盖大部分区域,剩下小部分区域的覆盖可以采用多网多源融合来解决。在5G网络覆盖较差的区域,可以采用蓝牙、WiFi和超宽带等局域定位方法进行补偿,将5G网络与其他定位手段进行融合,提供更为丰富的观测信息,保证定位的连续性和鲁棒性。

提出了异构无线通信网融合定位技术体系,破解了跨网优化定位难题,突破共视驯服与信号伴生时间同步技术,建筑内外基站群同步误差从20 ns减小到3 ns内;构建了无线信号多域特征谱,率先实现了随遇信号快速辨识与接入;创建了异构信号分层融合、时-空-态多维特征联合优化等定位模型与技术,打破国际惯用几何因子(GDOP)优化定位局限;创建了多模态网络自洽协同定位系列技术,实现了复杂环境高鲁棒定位[16];攻克了异构网络与多媒体、惯性、高程传感等多源、多基准与多观测量转换重构等难题,创建了从测量、估计、预测到校正的多模态网络协同定位体系,实现了精准测量、网络协同与智能控制,保证了高精度定位的连续性和鲁棒性。

2.3 北斗+5G天地一体智能普适无缝定位导航技术

北斗与5G网络可以在信号、信息、基础设施和应用等多个层面实现深度融合[17-18]。北斗系统可为5G网络提供精确的时空基准,辅助通信网络提高移动管理效率和天线波束管理准确性,增强网络运行效率[19];5G网络可转发北斗卫星的导航电文以及其他辅助信息至终端,减少终端捕获时间,提高接收灵敏度,还可与北斗系统的地面差分增强系统结合,高速传输增强信息,提高定位精度。在导航领域,北斗+5G实现的天地一体普适无缝覆盖可赋能用户室内外无缝精准路径规划,激发智能停车、自动驾驶等新生应用。北斗与5G网相互补充、相互增强,形成增量效应,如图2所示。

图2 天地一体智能普适无缝定位技术Fig.2 Space-ground integrated intelligent ubiquitous seamless positioning technology

为实现天地一体智能普适无缝定位导航,突破了云边协同敏捷插件引擎技术,提出多模重构、通导兼容、低功耗设计方法,研制出通信导航融合的定位芯片、设备、系统与应用平台,赋能了数字经济发展中智慧交通、智慧物流和智慧医疗等多个领域。在反恐维稳与“3111工程”监控中,解决了人员室内外无缝最优路径规划、贵重物资室内-外无缝精确定位难题,为预警、透明化应急与指挥提供重要保障,避免了多起事故,保障了人员、财产安全。在肆虐世界3年的疫情中,率先解决了海量人-物室内外精确位置感知与单网盲区定位导航难题,实现了位置服务无死角覆盖。此外,还与高德、百度和智慧图等公司合作,解决了传统车辆卫星导航不连续、实时性差、不精确等难题,实现了精准连续定位导航、实时路况分析和时长精确估计。通信导航融合的定位芯片、设备、系统、平台及应用如图3所示。

图3 通信导航融合的定位芯片、设备、系统、平台及应用Fig.3 Positioning chips,devices,systems,platforms,and applications integrated with communication and navigation

3 北斗+5G发展机遇与挑战

发展数字经济,必将需要高可靠感知与高速通信进行支撑。随着北斗卫星系统和移动通信网络的不断发展和完善,北斗+5G通信导航融合感知网络也将会有更广泛的应用场景和更高的发展前景。发展精准时空底座,赋能数字经济,仍存在一些新机遇,未来可能的发展方向如下:

可信定位:现有定位方法均能够在设置场景下实现高精度定位,但很难保证在全场景、全应用中保持稳定的定位精度。因此,构建符合应用要求的最低性能体系、机理清晰的可信监测和完好性风险故障树、鲁棒可靠的精准定位体制以及可落地的系统解决方案,是未来精准时空服务的重要发展方向。

语义导航:现有导航系统主要依赖基于坐标匹配的预定路线图,缺乏上下文意识,无法满足用户个性化导航需求,亟需发展下一代基于语义的个性化情景感知导航方法,突破空间语义理解、空间地理信息智能融合技术,深度理解用户需求,提升定制化导航服务能力。

隐私保护:在未来网络中,每个人都将全天候在线,其产生的位置、状态等数据都将被记录在网络中,这些信息的存储、传输与管理必将产生隐私与财产安全等问题。因此,在网络发展的过程中,需要并行发展可靠的隐私保护技术、完备的网络监控体制,以确保用户的安全。

4 结束语

精准时空感知技术不仅是数字经济发展的基础设施,更是其核心驱动力。尽管面临众多挑战,但我国已成功在该领域完成显著突破。提出的广域无线网络高精度定位理论方法、多模态网络自洽协同定位技术体系以及北斗+5G天地一体智能普适无缝定位导航技术,为精准时空感知赋能数字经济发展提供了重要支撑。未来,精准时空感知还需在可信定位、语义导航和隐私保护方面继续挖掘。精准时空感知技术的发展必将为整个社会带来更深远的影响。