智慧社會與智慧城市

文｜鄧中亮

一、智慧社會與數字孿生城市

習近平總書記在十九大上提出了要建設智慧社會。那么什么樣的社會是智慧的？什么樣的城市是智慧的？智慧的社會首先必須是透明化的。在透明化的基礎上，才能做到知己知彼，百戰不殆。而在透明化的同時，信息與網絡的安全也必須得到保障。在透明和安全的基礎上，我們才有可能談智慧。

數字孿生正是城市的透明化管理與智能運行的關鍵，而高精度時空信息是城市數字孿生的重要基礎，是數字孿生城市技術落地的重點之一。高精度的時空基準和萬物互聯的透明化時代已經到來，感知無處不在，網絡無處不在。高精度時空信息已成為國家安全、經濟建設，包括智慧社會發展依賴的核心基礎之一，是人類活動不可或缺的基礎屬性。

高精度、高可靠室內外無縫定位已成為國防、經濟、社會發展的迫切需要，將用于：

（1）智慧賦能制造：工業互聯網是5G 最核心的應用之一，已成為新基建核心信息基礎設施，而時空信息是工業大數據重要獲取源頭。

（2）重大安全生產保障：使保障模式從傳統的被動響應為主的救援模式發展成為精準的全時空主動預防模式轉變。

（3）智慧農耕：廣域高精度定位、全時空精細遙感和超寬帶移動通信可極大促進我國農耕水平發展。

（4）智慧交通：通過精準位置服務，可大幅提升城市交通管理水平和智慧服務能力。

（5）高安全的物件位置跟蹤：米級定位精度是智慧社會現代智能化物流運輸的重要保障。

（6）低空開放：無縫位置感知是“低、慢、小”無人飛行器安全管控的基礎。

（7）智慧醫療：精確位置感知將賦能疫情監控、應急救援、特殊人群關愛，助力健康中國和全面小康社會建設。

除了上述的應用，位置大數據和位置服務已經成為移動運營服務和盈利增長的新動能，激發了移動社交、移動支付、移動體驗、智慧物聯、無人駕駛等基于位置的移動通信新業態；平安城市建設也需要物聯網、視覺、位置服務等一系列基礎設施；2022年智慧冬奧會上，“北斗+5G”的重要應用將提供全過程全天候的場館與人員精細保障。

二、通信導航深度融合

（一）北斗與無線網絡的融合

2020年7月31日，北斗開啟導航全球服務。相比之下，美國的GPS 發展了40 多年，俄羅斯的GLONASS 比GPS 晚，但也比北斗早了20 多年，加上歐洲還沒建成的伽利略，全球四大衛星導航系統為人類帶來了巨大的社會和經濟效益，但彼此之間路線相近、市場競爭激烈。

北斗與無線網絡的結合可以形成差異化服務，帶來增量效應：

（1）北斗精確授時可為電網、鐵路以及通信行業等領域帶來納秒級甚至亞納秒級的網絡時間同步，提升運行的安全性、穩定性、自主可控。

（2）強大的網絡可以為衛星定位導航服務帶來從源到端的服務保障，將時空信息從“泛在的、精確的”提升至“可信的、安全的、智慧的”，從定位導航產業化走向位置服務商業化。

（3）衛星定位導航信號覆蓋廣，直接定位精度達10 米，差分增強可達厘米級，但在遮擋區域接收衛星定位信號困難。無線網絡定位導航可以作為衛星在這些區域的補充，與衛星融合實現無縫定位導航。

（4）北斗與移動通信網可以在信號、信息、設施、應用等層面深度融合，既能使北斗增強移動通信網支撐網絡高效、安全運行，還能用移動通信網增強北斗，實現A-BDS 快速定位、室內定位信號覆蓋補充與差分增強。

（二）無線網絡定位機遇與挑戰

人們80%的時間都在建筑內，但室內接收衛星定位信號困難。而2G、3G、4G 網覆蓋了95%以上人口，假設通信這張網能用好，跟天上的衛星網實現對接，就可以解決無縫定位導航的難題。包括我國的“羲和計劃”在內，世界大國相繼實施了多個重要計劃推動無線網絡定位的發展。同時，美日歐等已自1996年起相繼立法要求移動通信運營商必須提供定位服務。無線定位技術的發展可概括為從“單網自主”到“多網智能”的轉變，在未來更將向“全源智慧”發展，最終實現“萬物皆知”。

如果能對移動通信網進行賦能，實現高精度定位，將能極大地激發位置服務產業發展。需要突破以下挑戰：

挑戰一：可測性。城市峽谷和橋梁下環境復雜，多徑非視距效應嚴重，對無線網絡高精度定位帶來極大挑戰。

挑戰二：可靠性。單一網絡存在覆蓋盲區，異構多源網絡融合導航基準、觀測量，方式、能力差異大，存在異構多網融合定位難題。

挑戰三：精確性。傳統無線網絡定位存在瓶頸，如何實現低成本優于厘米級測距是需要解決的問題。

挑戰四：魯棒性。大、中、小多尺度覆蓋網絡融合可以通過大數據關聯測算技術與智能控制，提高導航控制與決策的魯棒性，但相應技術需要進一步突破。

挑戰五：實時性。巨量位置感知計算的實時性處理（＞2000 億人次/天）為位置服務計算能力帶來挑戰。

（三）單無線網絡定位

為應對這些挑戰，北京郵電大學鄧中亮教授團隊在科技部“羲和計劃”和國家重點研發計劃“室內混合智能定位與室內GIS 技術研究及示范應用”項目的支持下形成了通導融合“共頻帶”定位理論技術體系，成功實現了基于移動通信網的高可用、高精度、高可信定位，成為了國際5G 高精度定位標準，并在項目支持下于天津搭建了基于5G 網絡的室內外無縫定位示范系統驗證。國際標準制定過程中，團隊在工業互聯網場景下實現了0.2 米的定位精度。

圖1 測試人員在示范區進行室內定位測試

（四）異構多網多源協同定位

移動通信網的建設要求是實現90%以上覆蓋，剩下的百分之幾，可以用多網融合來解決。鄧中亮教授團隊針對模糊環境定位導航普適性難題，創新提出圖像-無線融合快速定位關聯計算方法，實現國際最優的多邊界約束尋優厘米級定位。

（五）天地一體定位

物聯網、智慧交通、重大工程建設迫切需要更大范圍高精度無縫定位。衛星網覆蓋全球，但在地面覆蓋有限，如室內、地下等，需要無線通信網的補充；而無線通信網在邊遠地區覆蓋稀疏，衛星可以解決這個問題。將衛星地面網和無線通信網結合，可以實現低成本差分增強與信號無縫覆蓋的定位系統與服務，能夠做到天網恢恢疏而不漏。

三、新基建“北斗+5G”發展機遇

（一）北斗+5G——支撐PNT新體系（天地一體）

結合北斗/GNSS、高中低軌衛星、地面網絡等，基于5G 建立新型泛在、無縫、通導一體化位置服務基礎設施，構建全空域、全時域、全頻域、高精度、高可靠、高可用的位置服務體系。基于天地一體高精度無縫定位服務應用架構，充分利用已有基礎設施，統一開發復制推廣，建立覆蓋全國的集基礎觀測網絡、室內外高精度定位一體的綜合位置服務系統。

中國在軌衛星數量逐年遞增，通信衛星占比19%，提交的衛星申請數已超過3000 顆，將這些衛星與北斗、5G 結合起來將能極大降低服務延遲，提高用戶規模，增強系統抗毀能力。

（二）5G 愿景：信息隨心至，萬物觸手及

5G 業務在于萬物互聯，而高精度時空信息可為萬物互聯提供支撐，是5G 服務的產業化應用的重要抓手。

5G 大帶寬、低時延、高容量的特性，可支撐虛擬雙頻、三頻差分定位、降低多徑/非視距對定位影響、降低站間系統誤差，對導航定位性能提升具有重要意義。

四、展望

（一）空間信息無縫感知是數字孿生的重要支撐，未來城市中的萬物即是感知源也是應用終端。

（二）我國位置服務用戶激增，泛在化的位置服務計算是演進的方向，需結合云計算、邊緣計算進行位置大數據處理。

（三）仿生通信定位導航是實現無人化、智能化、高安全的重要潛在手段。

（四）基于人工智能的認知與控制結合全源定位、通信與計算，實現智慧導航是未來的發展方向之一。

（五）室內外通信與無縫、高精度、高可靠定位可為多機協同及自組網為無人機集群作業等提供支撐，是未來低空安全開放的關鍵之一。

（六）構建時空服務安全保障服務體系是預防未來智慧社會中隱私與安全問題的關鍵。

（七）還需進行智慧城市創新應用，提升社會治理水平、運行效率和服務能力，實現城市精細化管理、智能交通、現代物流等應用，將帶來萬億產業鏈。

（八）需要制定通信-導航融合位置服務標準、政策、法規，促進技術向產業、向應用服務轉化。

（九）新一代信息技術產業存在產值大、人才缺的問題，需要加強通信與導航復合人才的培養。

祝愿未來虛實孿生演繹，城市更美好！