北斗三號系統全球導航與位置服務技術創新的分析

+景貴飛（北京航空航天大學前沿科學技術研究院）

導航與位置服務是科技發展“十二五”專項規劃推出的概念[1]，目前在我國已經成為業內普遍認可接受的科研方向。導航與位置服務是指基于導航定位、移動通信、數字地圖等技術，建立人、事、物、地在統一時空基準下的位置與時間標簽及其關聯，為政府、企業、行業及公眾用戶提供隨時獲知所關注目標的位置及位置關聯信息的服務。現在回顧“十二五”科技發展專項規劃提出的目標已經基本實現，精準地預測和推動了國內導航與位置服務技術、產業的發展，眾多信息通信（ICT）企業進入衛星導航行業，極大地促進了技術和產業的進步及規模的擴張。2020年，北斗三號系統將完成全球星座建設，并將開始向全球用戶提供服務[2][3]，這為中國參與全球導航與位置服務提供了良好的機遇，要實現北斗信號引領的全球導航與位置服務還需要做很多艱苦的工作。

一、對我國導航與位置服務發展的認識

產業發展已經顯示導航與位置服務成為了一個新的產業方向。百度、騰訊、阿里巴巴、美團等互聯網企業的強勢介入，推動中國的位置服務市場按照互聯網發展范式、企業競爭模式發展，因此在很大程度上快速增加了用戶數量、用戶黏度，每天的點擊服務數量成為國際上最大的市場，依據國際通用的點擊成本計算，也是規模最大的市場，其中興趣點數量、用戶量、數據加工能力等等在國際上具備競爭力的產業發展，都成為拉動衛星導航應用的一個重要方面，進一步的大數據加工更成為增值服務的新方向，假期旅游熱點、物流、車流和人流分析等等成為互聯網上及時的數據產品服務的重要組成[4][5]。行業應用也在逐步深入推進中[6][7][8]。北斗系統的建設和應用成為我國最高層領導直接關心的重大科技工作[9]，應用的規模化、全球服務的落地、未來綜合時空體系的完善等等目標的實現，不但為中國行業用戶提供了迫切和深入的要求，更對用戶應用北斗系統發展自身的業務提供了強大的信心，在中國數字交通規劃、智能駕駛、民航、高鐵、水利、精準農業等等行業都把支持北斗系統應用納入到業務系統實踐中，這在衛星導航不長的發展時間里是革命性的，是又一個里程碑式的推廣過程。如果說過去衛星導航應用是處于輔助性、非業務支持承諾的狀態，那么現在所產生的是中流砥柱、支撐發展、承擔行業職能應用的中堅角色，北斗衛星導航系統必須要提供的是硬可靠服務，是支持行業執法和承擔法律責任的服務，這種探索剛剛開始，但這必將是衛星導航系統發展的必由之路，只是北斗系統被要求的走的快了一點。

導航與位置服務在中國的快速發展和擴張帶動了技術的進步[10]。

（1）協同精密定位技術在瞄準大眾用戶高效、精準、無縫、無盲區的定位需求，構建面向移動互聯網和物聯網億級用戶的位置云服務平臺上取得初步可喜成果，搭建完成GNSS實時高精度云處理系統、網絡輔助北斗/GNSS位置服務系統、多源定位數據協同處理系統，初步完成了協同精密定位服務平臺的集成，能夠實現大眾智能手機室外定位精度1米、室內定位精度3米的室內外無縫定位，以及無人系統多源協同定位厘米級精度的服務能力[11][12]。

（2）全球位置信息疊加協議與位置服務網的研發上也取得初步的較好的進展，梳理和實施了基于混合云的泛在位置感知與信息疊加協議、動態多源時空信息本體構建與位置網框架設計、全球一致的室內外無縫剖分位置編碼與IPv6映射、位置感知的信息融合協同計算與服務、全球位置服務試驗網構建與應用示范等研制[13]。

（3）全空間信息系統，創建以多粒度時空對象來描述現實世界（含人機物三元世界）的建模理論，解決多粒度時空對象描述、生成、管理、分析、可視化等一系列關鍵技術，研制全空間信息系統平臺，項目已設計和實現了多粒度時空對象數據結構、數據模型和交換格式，研制了多粒度時空對象建模工具、全空間數據庫管理軟件、時空對象訪問引擎、全空間信息系統集成開發框架等，開發了全空間信息系統平臺原型[14][15]。

二、北斗全球服務帶來的新需求分析

從全球導航與位置服務市場所扮演的角色來講，北斗系統還處于姍姍學步階段。北斗系統開始全球服務帶來了全球用戶新的要求和期待。

1、多模系統提供的更高性能服務使市場充滿了期待，更多行業、公眾的應用要求星座提供信號穩定可靠。

中美俄歐四大全球衛星導航系統在今年年底將實現共同提供服務，這在人類衛星導航史上是第一次，四大系統超過100顆衛星對地球用戶提供信號，這極大刺激了制造商和用戶的信心，也意味著來自于星座的信號穩定性更好、完好性和精度更加優秀[16]，人們可以更放心地用這些來自天空的信號做自己的事情，北斗系統最近五年來在全球尤其是“一帶一路”上的推廣就驗證了這一點。北斗系統在其中扮演好自己的角色、提供不輸于人的服務是必然的要求，而北斗產品制造商和服務商則更需要加強業務拓展工作，在產品生產落地、標準和認證許可、產品銷售代理、后續保障服務等方面加大力度，像今天的華為、海爾等企業一樣在全球具備生產、銷售、服務能力，保證北斗系統產品能夠與其他衛星導航系統產品相融合，共同為當地用戶提供服務。今天北斗系統接收終端在芯片、主板、天線等方面都取得了巨大進步，國內市場實現了快速擴張，但是適應國際市場的產品形式還不多，如支持不同國家語言顯示的產品界面、符合不同國家使用習慣的功能和樣式、當地服務網點、當地教育培訓機構等等，這些都還是處女地，既是巨大的挑戰也是巨大的機遇。

2、導航與位置服務拓展的室內外無縫覆蓋已經成為基本需求。

中國在室內外無縫覆蓋信號建設、應用開發上的工作，極大促進了行業和公眾對于高精度位置網的認可，也極大地推動了用戶對于室內定位信號的需求[17]。中國通過國家科技計劃支持的多輪、多家承擔單位研發室內定位系統，目前在全國各大交通樞紐、商業廣場等等布設室內定位信號，所產生的服務能力、服務規模是國際領先的，這也進一步對高精度（1米量級）室內外無縫覆蓋的需求產生了良性互動。用戶不再對與衛星導航僅僅提供室外服務存在包容態度，已經認為提供無縫覆蓋服務是天經地義的、必須的，這在一定程度上放大了應用系統的增值開發，進一步拉動了室內定位信號布設需要。協同精密定位使得室內外無縫得以順利融合實現，信號的延伸，既拉動了系統建設，也帶動了更多終端的生產和銷售，可穿戴設備、芯片一卡通等等單獨的產品以及與不同終端融合的產品開始出現，同時也對室內地圖和室內GIS也提出了要求。室內地圖和處理的GIS是更為復雜的問題，因為理論上來說每一個室內環境都可以有一個獨立的坐標系統來表示自己的信息，因此在處理時也牽涉到眾多的數據同一化、多坐標環境數據并發問題，這時GIS不但要處理傳統的空間分析等問題，還需要顧及云計算、大數據等涉及的大并發問題，目前這一點還是一個研究程度不深的難題。

3、全球全息地圖獲取與位置信息聚合才能夠面向全球信息服務。

全球用戶對于信息的需求，既是一個整體性問題也是一個局域性問題。整體性問題是在于用戶的需求有時需要全球的信息進行綜合分析，例如全球貿易趨勢分析、全球生態環境變化、全球市場價格和走向分析等等，局域性問題是指用戶的需求在較多情況下是局域性的，例如某個城市生活的居民更多情況下對于本身生活城市的實時信息需求更加迫切和頻繁。導航與位置服務在全球范圍內首先需要考慮全息位置地圖獲取是全球性的，位置信息的聚合是在互聯網整體范圍內實施的，必須要對于互聯網ZB級數據的聚合和疊加分析具備能力，其次對于局域性反應需要通過某種局域性計算處理能力進行應對，這有些類似于計算領域的云計算和邊緣計算（霧計算）的概念，必須要具備這種能力才能夠在當前互聯網趨勢下實現導航與位置服務的發展，不可能拋開互聯網的發展單獨再制造一個服務方向。面向這種需求和趨勢，研制全球位置框架與編碼系統成為一種可能的實現渠道，通過國際合作的全球位置框架共識、在互聯網環境下形成支持http、html等協議的位置信息共識，這種共識第一代可以以四大星座系統互操作協議為基礎進行編制，是現有星座服務能力基礎上的信息獲取和聚合，為互聯網ZB級數據在位置技術上的整合加工提供支撐。

4、為全球用戶提供導航和位置服務需要新的網絡架構，高精度位置網在全球的實現需要新的擴展。

“中國高精度位置網及其在交通領域的重大應用”獲得了2018年度國家科技進步一等獎，構建了穩健、可信的中國高精度位置服務系統，研制了高性能、低成本的北斗核心芯片和系列裝備，開拓了北斗精準定位在公路、水路、設施建設和大眾出行等方面的規模化，為數字交通、交通強國等等戰略規劃中北斗系統應用方向的提出和實施提供了重要支撐，也為進一步拓展北斗系統行業業務深化應用提供了信心和技術保障。面向全球高精度位置網建設和服務，需要考慮新的用戶和技術條件，構建新的網絡架構[18][19]。首先世界不同國家之間基礎設施構建和信號落地有不同的政策，必須要保證每個國家對于落地信號的可控、安全等等因素，同時也關系到在信號應用中的各國自身標準和管理政策問題，因此需要在整體全球高精度位置網的框架下照顧到每個國家像類似的獨立高精度位置網，這種架構類似云計算和霧計算的關系，是一個全球到局域的分形結構，涉及這種模式是全球應用落地的必然要求，也是推動每個國家本地化產業發展的首要條件，不解決這個問題，規模化的本地應用很難開展起來。

5、從全球今后導航與位置服務發展目標來看，全空間信息系統成為重大需求。

全空間信息系統（Pan-Spatial Information System,PSIS）是一套依據地球科學理論真實客觀數字化現實世界并支持未來決策的智能系統，通過傳感器網絡獲取從微觀到宏觀的動態復雜世界的時空實體信息，深度融合計算和通信能力，形成多元空間的統一表達和大數據的空間化重構，運用網絡空間的數據與模型的雙重驅動來可靠實時安全地支持智能化時空決策，實現與物理世界進程的完美協作。其理論基礎是多粒度時空對象數據模型。未來全球構建位置服務產業的形態必將是信息互聯互通、服務彼此融合，通過利益核算方式形成全球網絡上的位置信息綜合加工，因此全空間信息系統作為推動基于位置的數字鏡像（Digital Twin）體系的核心手段，成為今后業態發展的未來結果。全空間信息系統認為與時空相關的導航與位置服務集聚數據描述至少包括時空參照、空間位置、空間形態、組成結構、關聯關系、認知能力、行為能力、屬性特征等八個方面，由此推動數據的相互融合能力，形成全球化的、類似今天我國位置服務企業數據管理和生產模式，適應每天超過n個千億次服務請求。全空間信息系統是地理信息系統發展的一次新飛躍，是數字經濟時代人類用數字化方式來支持自己生活的集大成解決方案，是地球村和網絡空間治理的必要基礎。

當然，北斗全球服務帶來的需求是全方位的，從技術角度來說還有知識產權、技術轉移、許可認證等等方面，這些將隨著以北斗系統為基礎的全球導航與位置服務的發展，不斷顯示出重要性。

三、全球導航與位置服務對技術創新方向的分析

在萬物互聯逐漸成為現實的時代，參與全球導航與位置服務對于基于北斗系統的技術創新是一個巨大的挑戰，也是現實的具有迫切需求的拉動力，將更加大跨度地推動技術進步。目前來看，以下五個方面將是發展的核心方向：

1、系統服務檢測與備份提升導航信號硬可靠性能。

雖然伽利略系統在2019年出現了長時間的系統故障[20]，但不可否認當前的星座系統通過相互之間的互操作已經具備了良好的完好性，四大衛星星座通過合作能夠保證播發信號幾乎具備100%的高可用度，但是要實現用戶要求的硬可靠性能目標，還需要對于終端性能進行時時刻刻的檢測，以保證從系統播發到用戶應用具有同樣的完好性、可用性和精度，這就需要建立系統的服務檢測能力，以便對于用戶端的失誤隨時做出反應，給予提醒或者做出替代性服務。相比提醒式的預警而言，替代性往往是用戶更加需要的，因為用戶在使用導航過程中，提醒和預警能夠使他意識到問題即將發生，但是并不能夠解決他繼續使用的要求，因此替代性的導航能力是目前硬可靠研究的又一個重要方向。彈性PNT、慣性導航耦合、全源導航導航等等概念都是這方面的努力，目前看來5G[21]、低軌衛星星座[22][23]可能是比較有發展潛力的市場應用的解決方案。它們分別部署了大量的地面基站或者天上衛星，具備很高的冗余度，而且其播發頻點、播發方式與衛星導航的各類服務都具備差異性，具備實現服務檢測和備份的能力。

2、信號綜合網管推動室內外無縫覆蓋。

從中美對于綜合時空體系的研究現狀可以看出，目前室內室外環境的1米級高精度定位導航的硬可靠實現還是有很大的距離的。目前各國科學家的研究重點大多集中在終端集成上，希望通過終端集成能夠適應各類信號源的服務。這是非常重要的。但應當看到，云平臺控制、霧定位雖然在定義中被提及，但是其重視程度與終端集成相比還有很大的差距，云平臺架構、功能、運行、維護等等內涵如何還未得到闡述和深入研究實踐。信號源的調控和面向終端用戶的服務需要網絡管理系統。室外環境有衛星導航和慣導作為比較一致的信號供應，但是室內環境由于每一個小型區域例如一個房間、一座大樓、一個機構等等都可能是一個獨立的室內定位信號系統，具備自己的坐標系，因此管理信號源對于網管系統有極高的要求。終端用戶是在不同的信號源之間運動穿越的，需要網管系統對于信號和終端之間的適配切換及時作出反應，在一定請求頻率、動態、用戶數情況下，保證每個用戶都得到良好服務。同時，網管系統還需要對于信號到終端的整體流程的服務質量、故障診斷進行隨時的檢測，對各類事故作出及時應對。綜合時空體系的網絡管理系統必須要支持管理業務等功能的實現，滿足對被管理網絡的操作、維護和管理的需要。綜合時空體系的網絡管理系統的應用領域幾乎涉及定位導航授時的方方面面，從業務預測到網絡規劃，從時空工程、系統安裝到運行維護、網絡組織，從業務控制和質量保證到運行企業的事務管理等等。業務范圍至少包括綜合時空體系日常業務和網絡運行管理業務、綜合時空體系的檢測、測試和故障處理等網絡維護管理業務、綜合時空體系網路控制和異常業務處理等網絡控制業務，甚至應該包括未來的收費賬戶管理。

3、全息位置信息聚集技術。

首先需要依托導航系統提供的全球一致性的位置和時間參量，制作、管理與IPv6相融合的社會標識系統，具備定位、授時、互聯網連接的全球化個體標識系統，通過標識附加使社會傳感網具備基于時空要素的信息獲取能力，為真實客觀數字化現實世界、互聯網數據進行全息位置地圖入庫整理提供良好數據源；其次是發展全球位置框架協調棧，使各國、各用戶、各業主的不同數據能夠協調產生一個統一共識時空的綜合坐標體系，以便對于互聯網數據進行數據時空關聯、對任意區域參量的空間分布進行映射表達和測度。最后達到構建具備全球統一管理、交互能力的全息位置地圖的能力，支持任意網站依據自身的業務特點，在空間映射技術支持下形成專題化全息位置地圖，并提供空間信息服務。上述三個方面是一個位置服務的流程環節，在這個環節里，必須要解決數據的權益、安全、隱私等問題，在目前技術條件下，可能還需要引入區塊鏈和通證技術來支持全球位置信息疊加協議。這些技術需要研發、更需要不同國際用戶之間的協調。

4、用戶服務網絡架構。

在全球范圍內推動高精度導航與位置服務，用戶可能是幾百億個網頁地址，也可能是幾千億個物聯網終端，也可能是某一個組織的業務系統，因此應用場景可以定義在整個互聯網的基于位置的服務系統，其良好性能考核至少是，要在一定的時間約束（如毫秒級）條件下，針對不同規模的網絡下的用戶提供按需的決策知識服務。相比較今天中國的位置服務能力和服務企業構建的網絡框架，全球用戶服務網絡框架在計算能力上需要考慮如何調用EB級算力，如同比特幣挖礦一樣；傳輸能力上還需要考慮如何利用好全網絡實現的短時延和大并發；數據上需要考慮如何組織和調用好ZB級的互聯網數據實現全息位置地圖及其加工；服務上需要考慮不同的數據之間的同化、挖掘和處理，實現按需服務；服務模式上需要考慮如何滿足全球用戶在不同地域、不同文化、不同方式的應用需求下調控運行。以往我們在分析ICT行業全球服務時，經常以某個大型跨國公司的計算能力、數據流量來進行剖析，今天導航與位置服務也到達了這個時候，需要在EB級算力、ZB級數據、Tb級用戶的需求基礎上來分析服務網絡架構。

5、全空間信息系統。

全空間信息系統就是希望構建一套基于位置的數字鏡像服務系統，是一個各個分項技術和系統的大集成，它至少包括物聯網組成的傳感器網絡、信息的實時獲取與傳輸、時空大數據中心、空間信息處理分析、智能化時空決策、網絡安全（含數據安全）等六個部分。通過物理世界的設施部件連接在一起，形成按照位置、時間進行整合的、具備權益歸屬地信息加工，將會進一步催生眾多具有計算、通信、控制、協同和自治性能的設備、應用和服務，從產業角度看，其涵蓋了小到人體器官、智能家庭，大到工業系統、城市系統、智能交通等行業系統的國家級甚至世界級的應用，是實現EB級算力、ZB級數據、Tb級用戶網絡下應用和服務的核心工具。

上述技術的指標要求、建設規模、服務模式相比目前國內行業內的同事們的工作，有非常大的跨越，需要其它更多專業的專家共同努力、跨界合作。

四、推動全球位置服務聯盟的建議

全球范圍內推動導航與位置服務發展必須要依靠國際合作，形成大的國際合作格局來共同商議推動，如同國際電聯ITU推動信息產業、地球觀測組織GEO推動全球綜合地球觀測系統建設、聯合國衛星導航委員會ICG推動衛星導航信號提供商服務協調、國際衛星導航服務IGS推動衛星導航科學研究和服務一樣，推動構建一個全球導航與位置服務的協調框架，比如成立一個全球位置服務聯盟（GLOSA，Global LOcation Service Alliance）。

該聯盟主要推動各國聯合構建全球高精度位置網，以新的網絡架構實現綜合的系統之系統（System of systems）建設。主要是以推動全球導航與位置服務產業的發展為目標，充分尊重各國導航與位置服務關切的基礎上，通過對各國在相關方向的技術成果的共識形成建議性規范，為各國導航與位置服務的發展提供建議，對于室內外無縫定位、數據共享和交換、算力平臺上工具開發、服務架構集成和融合協議、政策規范等等進行研討、研究，面向市場推廣和用戶服務推出可以執行的建議，提供技術支持服務。

聯盟的成員應當是政府代表為主、學術和產業單位作為成員的架構比較適合發展需求。政府代表體現了各國政府對于導航與位置服務的政策要求，有助于在方向上保證聯盟各項共識、建議的推動實施。學術和產業單位成員有助于推動這一新興領域的新概念、新實踐的合作，促進各國具體實施單位的交流和共同成長。聯盟是一個溝通協調平臺，不追求推出強制實施的任何內容，希望能夠在任何共同關注的話題下向全球公布討論的內容和結果，為各國應用提供選擇項，促進行業的宏觀視角的發展。

五、結語

從技術發展角度來說，導航與位置服務隨著北斗系統全球服務的開啟，面臨著新的機遇，要適應這種發展并及時為全球用戶提供服務，需要對目前的工作做較大的改變，不但是衛星導航相關的內容，更主要的是切實把互聯網能力應用起來，把新一代信息技術與位置服務結合起來，把全息位置地圖服務融入到互聯網數據中，在全球范圍內提供位置、時間做支撐的新型服務，這需要國內衛星導航領域與互聯網行業的跨界融合，研發創新型技術實現跨越式新服務，也需要與國際衛星導航、互聯網同行們共同合作。

北斗三號系統是中國人提供給國際社會的第一個全球系統，也真正開啟了第一個依托中國系統的全球服務體系的建設機遇，需要一系列全球發展服務的中國方案來實現這個目標。發展空間更大、競爭格局更復雜，這可能是北斗系統全球服務帶來的直接感受。

北斗系統全球信號服務必將進一步增強全球尤其是中國用戶和投資者的信心，面向更加深入、多樣、萬物互聯的全球應用，許多工作才剛剛開始，目前未曾見過的應用很可能是更大的規模產業。