淺談北斗衛星導航與新一代信息技術融合

文｜楊菠 王瑞巍

中國信息通信研究院融合創新研究中心

關鍵字：北斗衛星導航；北斗短報文；新一代信息技術；技術融合

一、前言

2020年7月，中國北斗三號全球衛星導航系統正式開通，標志著我國已建成具備全球覆蓋能力的衛星導航系統。北斗衛星導航系統是著眼國家安全和經濟社會發展需要，自主研制、獨立運行的衛星導航系統，可為全球用戶提供陸、海、空、天高精度、全覆蓋、全天候、全天時的定位、導航與授時服務的國家重要空間基礎設施。

北斗衛星導航系統研發起步較晚，但北斗系統幾十年來卻已經逐漸趕超，并且具有自己鮮明的技術特色。北斗系統的特色在于短報文服務，是通信系統與導航系統的結合。北斗短報文服務具備地面4G/5G無線通信網絡和傳統通信衛星所不具備的獨特優勢，如連續覆蓋、價格低廉、抗干擾強、實時可靠等，將大大推進衛星通信服務經濟生活進程。

覆蓋全球具備高精度定位、授時、導航和短報文通信功能的北斗衛星導航系統已成為我國新一代信息技術（5G、人工智能、云計算、大數據、物聯網和區塊鏈）的核心支撐和創新驅動。新一代信息技術可以利用自主可控的北斗衛星導航系統增強自身安全能力和功能拓展能力，并與北斗系統融合發展、互相促進。以下分析北斗衛星導航系統與新一代信息技術的融合創新應用方向。

二、北斗系統與5G融合，構建天地一體的時空安全體系

當前5G移動通信網絡已確立為新一代國家信息基礎設施，肩負支撐國家經濟發展與社會安全雙重任務，5G移動通信網絡的建設運營必須堅持走自主可控的道路。獲取準確可靠的時空信息是5G網絡建設必要前提。GPS衛星信號受到無意或有意干擾導致失效的情況越來越多，如果5G通信基站還依賴GPS獲取時空信息就存在重大安全隱患。

首先，地基的5G通信網絡同步、授時和定位應盡早采用北斗導航完全替代GPS。在此基礎上，建立一套5G通信網絡時空服務監測評估網絡來確保5G網絡“端到端”的時鐘同步、網元位置信息的準確可靠，感知各種干擾與惡意攻擊，從而提高監測網絡覆蓋范圍內5G系統的魯棒性和抗干擾能力，為特殊情況做好準備。

其次，天基的北斗時空基準網絡為5G通信網絡提供高精度的同步、時鐘和位置基準服務的同時，地基5G通信網絡可以對接收到的北斗信號進行監控，將監控結果數據通過5G通信網絡的傳輸網絡發送到“北斗時空服務監測數據中心”存儲歷史數據，形成大數據資源，通過機器學習對當前監測數據進行分析，發現問題提早預警，建立一個廣域北斗服務監測體系，構建天地一體時空安全體系，將中國國家時空安全提升到全球領先地位。

三、北斗系統與人工智能融合，加速推進智能化、無人化平臺發展

北斗衛星導航系統是天基定位導航授時系統，也是重要的時空信息感知手段。當前人工智能的熱點是深度學習，機器通過對數據的學習，獲得類似人類的能力如態勢感知、語言識別、圖像判斷等。從更加深遠廣闊的角度看，兩者均為現代化的時空信息技術與服務體系中不可分割的組成部分。結合兩者的優勢已在諸多行業和方向中有了一定的探索發現，取得了一定的成績。

北斗衛星導航系統可為自動駕駛、機器人、無人車、無人機、無人潛航器等多種多樣的無人應用平臺提供精確時空信息；人工智能則是基于圖像信息、雷達信息、地形地貌等對無人系統所處周圍環境進行目標檢測，并結合精確時空信息和儲存的地圖信息為控制決策提供基礎，并可以基于強化學習等實現無人系統的控制決策。

精準可靠的時空信息在智慧城市領域同樣不可缺少，車輛交通信息，地下管網位置，物流調度信息，人員流動信息都要借助北斗衛星導航系統。人工智能系統代替人類來實時處理智慧城市的海量數據，可以大大提高城市的運作效率和綠色減排，比如智能決策對交通燈時長進行調控提升交通效率；智能系統自主定位地下管網故障節點降低故障處理時間；智能網聯汽車系統使出行安全快捷；基于個人定位終端預測人流走向，評估風險。

四、北斗系統與云計算大數據融合，利用云技術管好用好北斗大數據

亞馬遜AWS、微軟Azure已開始部署衛星云計算市場，云計算將是各國空間實力的一個賽點。2018年亞馬遜AWS就與多家衛星公司合作，采用其提供的地面云計算基礎設施來存儲、分析和傳輸衛星數據，大幅度減少了數據傳輸延時，同時提供了充足的算力保障。

北斗衛星導航系統、云計算、大數據都是新基建的重要組成部分。云計算不僅能為衛星網絡提供虛擬化資源，還將以云原生為技術體系全面提升網絡和算力能力水平，“北斗在天，服務在地”。北斗系統運營服務每時每刻產生著海量數據，如北斗導航衛星在軌運行數據、北斗星間鏈路傳輸數據、北斗星地互通數據、北斗地面設施之間傳輸數據、終端用戶上報信息和終端行跡數據等。通過數據采集、數據流處理、數據存儲形成高價值運營大數據，再通過各種數據分析手段（如運籌優化、人工智能等）將其用于“可視管理”“調度決策”“資源優化”“異常預警”等領域提高北斗系統的運行管理能力，更大程度發揮北斗衛星資源使用效率，更好服務國民經濟千行百業。云計算、大數據技術可以將分散于不同部門和不同行業的數據資源整合起來，實現資源的統一納管，高效利用，服務的彈性伸縮、按需獲取，管控的體系運維、智能提升。

五、北斗系統與物聯網融合，短報文撐起覆蓋全球物聯網數據回傳

短報文是北斗注冊用戶通過北斗星座與其他用戶建立無線通信鏈接。不同級別的北斗卡可得到不同類別的服務，普通用戶通信頻率是120 漢字/次；三級北斗卡發送短報文的時間頻率是1分鐘一次。根據需求，可選擇兩種數據類型的短報文服務，一種為通常漢字通信采用ASCII 碼的方式，另一種是BCD 碼方式。隨著北斗三號系統的開通，短報文通信服務也迎來功能全面升級，區域服務容量提高到每小時1000萬次，信息發送能力從120個漢字/次提升到了1000個漢字/次，此外，北斗三號系統還可支持發送圖片與聲音等多媒體信息。

物聯網指通過各種激光掃描器、紅外感應器、信息傳感器、定位裝置、射頻識別等各種裝置和技術，實時采集需要監控、連接、互動的物體和過程，采集其電、力、化、聲、光、熱、生物、位置等各種信息，通過各種可用接入網絡，實現物與人、物與物的泛在互聯，從而實現實物與過程的智能化感知、識別及管理。作為新一代信息技術的重要組成部分，物聯網技術正在推動世界邁向萬物互聯時代。

物聯網的一個關鍵技術難題就是如何把采集的數據回傳到物聯網數據中心，如NB-IoT、LoRa、Wi-Fi 6這些先進無線傳輸技術單個發射基站只能覆蓋從幾十米到幾千米，如果要做到超大面積覆蓋如一個城市，就只能采用蜂窩方式建設基站網絡，此方式成本巨大，并且在無人荒漠和海洋無法實施。

北斗系統通信導航結合的短報文為全世界獨有，隨著北斗三號系統核心星座部署完成，北斗三號短報文通信服務也迎來功能的全面升級，將高容量、大傳輸量、小型化、低功耗的北斗三號短報文服務用于廣泛覆蓋物聯網數據回傳，可提供一種高可靠，低成本，易部署的物聯網解決方案。只要北斗系統信號覆蓋的區域就可以快速部署物聯網，這就解決了在廣袤無人區、海外基地和海洋部署物聯網的難題。

六、北斗系統與區塊鏈融合，夯實我國網信安全時空基石

2020年國家發改委將區塊鏈技術納入信息基礎設施的新技術基礎設施中。區塊鏈作為一項新興技術，一方面，能夠推動數字經濟下的數據要素流通，有效解決了數據要素流通的數據確權和數據共享、共治的問題。另一方面，區塊鏈能夠提高“新基建”中網絡安全能力，利用身份驗證保護邊緣設備、提升數據的保密性和完整性。目前區塊鏈已在航天、環保、金融、司法、行政執法、公安等領域使用，為各行各業守護全流程數據真實。當前區塊鏈技術推廣中最大風險還是其安全性，區塊鏈與北斗衛星導航系統進行融合，不僅使用精準時間戳記錄數據產生時間，而且可以同時采用北斗定位芯片來記錄數據產生服務器所在的空間坐標，即同時在時空兩個維度證明上鏈前后數據的真實性。在區塊鏈時間戳上添加北斗定位信息，這一做法的確能大大提升數據真實性，區塊鏈技術與北斗定位結合是首創，是兩大中國技術相結合的一大創新。

七、結束語

目前，北斗系統在應用和產業化方面不斷邁上新臺階。隨著5G移動通信時代的到來，北斗系統正與大數據、云計算、人工智能、區塊鏈及新一代通信等新技術快速融合，北斗衛星導航應用的新模式、新業態、新經濟不斷涌現。北斗衛星導航相關產品正廣泛應用于交通運輸、水文監測、測繪地理信息、氣象預報、海洋漁業、森林防火、電力調度、通信時統、應急搜救、救災減災等領域，逐步滲透到生產生活中的方方面面，為經濟社會發展注入新血液。北斗全球衛星導航系統是新基建的守護者，是經濟發展的新動力，是提高人們獲得感的新抓手，是中國向全世界展示科技實力的一張亮麗名片。