通導一體化概念框架與關鍵技術研究進展

蔚保國，鮑亞川，楊夢煥，李建佳，崔宋祚

(1. 衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

衛星導航系統能夠提供全球覆蓋、低成本、高精度時空服務，一經問世便在全球范圍內得到了廣泛應用，已經成為國際時空信息服務的基礎和核心。但是衛星導航系統也存在其固有問題。中高軌衛星播發的導航信號經過數萬千米傳輸，落地電平低，容易受到樹木、建筑物遮擋，也容易受到其他通信系統甚至惡意干擾的影響。盡管通過信號、系統、接收機等方面優化和改進可以提升復雜環境下衛星導航服務能力，但無法從根本上解決問題，室內地下無法有效覆蓋，城市峽谷遮擋區域也難以提供連續、可靠、高精度的導航服務。

以衛星導航系統為核心，輔以其他手段，提供覆蓋更廣、精度更高、更加穩健的時空服務，成為當前國際時空技術領域的共識。通信導航一體化就是核心手段之一，得益于通信極其廣泛的覆蓋性及日益增強的信息傳輸能力，依托通信網絡對衛星導航系統進行補充、備份和增強，展現出顯著的協同優勢。2020年，隨著北斗三號全球衛星導航系統建成并投入使用，我國初步建立了完全自主可控的全球時空服務基礎設施。面向未來應用發展需求，提出了2035年前構建更加泛在、融合、智能的國家綜合定位導航與授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)體系的發展目標。北斗+5G、北斗+低軌、北斗+物聯網等通導一體技術作為綜合PNT體系的重要組成部分，成為了該領域研究的熱點方向。

1 概念探討

通導一體化是指通信和導航系統通過信號、信息、平臺、網絡等多層次的一體化設計，實現通信導航業務能力的協同與增強，其技術內涵橫跨了通信、導航兩大領域方向，屬于交叉學科范疇。

根據融合程度由淺入深，通導一體化可劃分為信息增強、信號協同、體制融合三個層次。

信息增強是指通信導航系統保持各自基本體制不變，打通通信與導航系統的信息交互接口，實現服務能力的互增強。導航系統利用通信傳輸的增強信息，實現精度、抗干擾能力等性能提升；通信系統利用導航定位信息輔助優化組網，提升通信性能。目前輔助式全球衛星導航系統(Assisted Glo-bal Navigation Satellite System，A-GNSS)即屬于此類融合應用。

信號協同是指直接利用通信信號進行導航定位授時，或者利用導航信號進行信息傳輸，從而實現通信導航系統在功能上的相互備份。目前廣泛開展的基于Wi-Fi、藍牙、超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)等通信系統的定位技術研究就屬于這一范疇。

體制融合是指在系統設計研發之初，即同步考慮了通信導航需求，進行了通信導航信號體制的一體化設計，進而研制出兼具通信導航能力的系統設備，提供通導一體化服務。4G/5G移動系統設計了定位參考信號，就屬于此類范疇。

通導一體化的主體對象包括相互獨立的通信與導航協同系統和體制融合的通導一體系統。前者主要以北斗系統與移動通信網絡、低軌衛星通信系統的協同應用為典型代表。

北斗與移動通信網絡的協同，一方面是室外用信息輔助北斗精度增強，為大眾及行業應用提供亞米級、分米級、厘米級甚至毫米級高精度定位；另一方面，室內用通導一體信號補充北斗盲區，解決在城市樓宇、室內地下等北斗無法覆蓋區域的連續無縫定位覆蓋問題。

北斗與低軌衛星通信系統的協同，利用低軌衛星通信系統信號落地電平高、幾何構型變化快、覆蓋范圍廣的特點，一方面可直接播發導航信號，與北斗系統聯合定位，實現更好的導航信號覆蓋性；另一方面，通過通信鏈路傳輸輔助信息，可實現全球范圍的快速亞米級定位。

體制融合的通導一體系統也在快速發展中。典型代表是面向群體導航的區域自組網通導融合系統，這類系統基于通導一體化的信號、組網協議與系統架構設計，無需基站網絡即可實現互為主體的相對定位、群組智能導航以及通信能力，可為未來智能化無人集群提供靈活有力的時空和通信保障。

2 系統要素

通導一體化系統的核心是基于通信導航融合設計與協同應用形成新質服務能力，因此相較于傳統的導航系統，其系統組成要素更為多樣化，各類要素的多樣化組合也是其顯著性差異。

從資源、模式、服務等不同維度對通導一體化系統進行系統要素梳理，如圖1所示。資源要素主要包括頻譜、能量、平臺、時空、網絡等與各類通信導航設計與能力有關的物理資源；模式要素包括信號一體、信道一體、處理一體、應用一體等通導一體化融合模式設計；服務要素，即通導一體實現的各類網絡化增強服務，包括智能位置服務、群體導航服務、網絡同步服務等。

圖1 通信導航一體化系統要素Fig.1 Models and elements of communication and navigation integration

通導一體化系統要素的組合方式以及協同融合的目標途徑，將以通導一體化新質能力為導向：

從定位能力走向位置服務能力，需要通導融合拓展智能服務；

從高精度能力走向高可用能力，需要通導融合拓展可用度服務；

從個體絕對定位能力走向群體絕對-相對導航能力，需要通導融合拓展群體導航服務；

從衛導授時能力走向網絡同步能力，需要通導融合拓展網絡同步服務；

從規則驅動走向時空驅動，需要通導融合拓展服務網絡管控新模式。

通導一體化五大新質能力的構建，將引領時空信息系統及服務模式朝向網絡化、智能化演進，最終提供大容量高并發高精度實時可信位置服務。

3 融合框架

通導一體化的基本思想是彈性融合，即通信導航資源靈活組合，實現適應不同場景、滿足不同需求的通信導航協同增值服務。通信導航彈性融合包含以下三層含義：

通信導航資源能量分配彈性，在通信資源與導航資源配置之間尋求最優組合效果，在通導一體化能量分配方面尋求動態平衡；

通導一體化服務能力彈性，通信導航系統通過資源靈活配置，實現能力互補與協同增強，通信導航服務能力可以按需調整，以適應各類環境;

通導一體化網絡重構彈性，通信導航系統互聯互通，采用互為主體、分布式網絡化系統架構，支持網絡組成、架構、拓撲靈活調整，實現網絡堅韌抗毀。

要實現通導一體化彈性融合需要從融合設計、新型技術以及服務架構等方面尋求突破。如圖2所示，融合設計包括進行通信導航信號級、信道級、處理級、應用級、管理級的深度融合；新型技術包括通導融合網絡中亟待突破的智能位置服務、高可用導航、網絡時間同步以及智能網管等；服務機制包括通導融合網絡構建中不可或缺的服務參數模板、標準化協議棧以及云平臺級服務等手段。

圖2 通導一體化融合途徑Fig.2 Path of communication and navigation integration

通信導航彈性融合架構是通過靈活高效的體系架構、服務模式、應用協議設計，實現通信導航系統資源的動態組合；面向高性能/高精度時空服務需求，通信導航協同賦能，實現時空服務指標精度提升；面向惡劣或強對抗環境，通信導航相互支撐、互為備份，提供高可靠的時空與通信服務，最終形成按需彈性伸縮、環境自主適應的互聯互增強網絡化時空服務能力。圖3所示為以北斗三號為核心的通信導航彈性融合框架。

圖3 通信導航彈性融合框架Fig.3 Flexible integration of communication and navigation

這一架構的核心在于多模組網、統一基準、標準協議、彈性服務。綜合考慮天基、地基各類通信導航系統，在統一的時空基準支持下，基于多樣化的標準協議，形成一系列適應于不同環境需求的彈性PNT服務和彈性通信服務能力。

通導一體化技術的演進表現為時空服務體系的演進。如圖4所示，通導一體網絡化時空服務體系由天地聯合時間基準、通導一體化協同增強PNT、云端協同PNT服務監測、PNT按需服務協議及機制組成。以彈性通信與彈性導航服務為牽引，將通信與導航、感知網絡緊密協同，解決時空基準統一維持、PNT信息統一表達、全網信息互聯互通協議、多源天地融合增強等科學問題，將可形成泛在化、協同化、智能化PNT信息服務網絡體系，提供新質的體系級時空服務能力，主要有以下幾個方面：

圖4 通導一體網絡化時空服務體系Fig.4 Communication and navigation integrated time-space service system

1)網絡化時空基準建立與維持能力，實現網絡化無中心基準建立、維持與傳遞；

2)PNT服務的網絡化傳遞，支持PNT資源協同、調度，實現按需服務；

3)PNT能力網絡化增強，基于內生于網信體系的時空服務機制設計，實現更加泛在、智能的PNT服務能力；

4)PNT安全網絡化保障，設計云端協同的PNT監測感知與可信機制，實現更加安全可靠的PNT服務。

4 若干關鍵技術研究進展

通導一體化作為前沿交叉融合領域技術，受到學術界和工業界的廣泛重視。基于信息系統研發的流程要素考慮，目前通導一體化研究包括通導一體化信號設計、通導一體化信道模型、通導一體化信號處理、通導一體化網絡架構、通導一體化網絡管理等多個方面。

4.1 通導一體化信號設計

隨著通信與導航定位技術的發展迭代，兩者之間的耦合關系不僅要滿足于系統層面，還要實現通信導航彈性融合，信號的高效兼容設計是基礎中的基礎。在信號體制上的通信與定位一體化設計逐漸成為當下研究的熱點。國內外學者針對通導融合信號體制設計做了大量研究，主要包括基于移動通信及其他通信系統的信號設計。表1對通導一體化信號設計領域的相關文獻進行了歸納和總結。

表1 通導一體化信號文獻歸納和總結

基于移動通信網的信號設計研究方向主要分為5G定位參考信號(Positioning Reference Signal，PRS)與時分碼分正交頻分復用(Time division Code division Orthogonal Frequency Division Multiplexing，TC-OFDM)兩種。5G標準中定義了數種參考信號，其中包括專門用于定位的PRS，其商用定位精度達到亞米級。已有大量文獻對PRS的參數配置原則進行了研究，包括對不同梳狀結構、中心頻率、子載波間隔等性能的仿真對比，以及對定位精度克拉美羅下界的分析。G.Destino等提出了一種基于貪婪搜索的PRS小區或波束選擇算法，以提高OTDOA的定位估計精度；H.J.Kim等提出了一種適用于多PRS傳輸的量化誤差減小方法，該方法采用新型采樣結構，比傳統PRS具有更高分辨率。TC-OFDM信號則由北京郵電大學鄧中亮團隊提出，在通信信號背景噪聲中嵌入定位信號，通信的同時實現定位信號的連續捕獲和跟蹤。王如霞等提出了一套定位信號性能評估方法，針對TC-OFDM通導融合信號體制中的定位信號，從捕獲跟蹤精度、抗干擾、兼容性等方面進行評估。孫世華提出了基于博弈論的功率分配算法，實現了TC-OFDM信號在廢墟環境下定位性能的提高。

除了基于移動通信網的通導融合信號體制設計，國內外學者還對基于其他通信系統的通導融合信號設計進行了研究。馮奇提出了基于向量正交頻分復用信號，將一個碼間干擾信道劃分為多個向量子信道，其向量維數可以靈活設計，實現了衛星系統的通信與導航一體化。宋詩斌結合X射線脈沖導航和X射線通信兩種技術優勢，提出了X射線導航通信一體化信號，為深空探測提供了高性能的通信與導航服務。L.Han等針對物聯網終端定位需求的差異性，通過非正交多址接入技術將不同時長和帶寬的共頻帶定位信號分配給不同用戶，實現了通信與定位性能的最大化。許笑笑提出了基于擴頻調制的通信導航一體化波形設計，并對通信與導航分量的相互影響進行了評估。劉江從信號調制的角度研究通信導航信號的融合方法，提出了一種頻域復合OFDM調制方法，將擴頻序列應用于頻域調制，并與通信系統中的OFDM相結合，從而實現通導信號良好的兼容性。程鵬提出了基于正交時頻空間調制(Orthogonal Time Frequency Space, OTFS)的通信測距一體化信號體制，能夠實現高速場景下的高精度定位授時。吳迪設計了一種UWB定位和通信一體化的通信幀，在基本不降低現有定位精度的前提下，實現UWB室內定位和通信的一體化，以提高資源利用率。中國電科導航國家重點實驗室的李建佳等分析了IEEE 802.15.4協議下的UWB通導一體化信號，驗證了降低脈沖重復頻率可提升測距精度的結論。如圖5所示，導航國家重點實驗室還進行了基于5G F-OFDM體制的通導融合試驗網絡設計，室內定位精度優于1m。

圖5 中國電科導航國家重點實驗室通導融合試驗網絡Fig.5 Integrated communication and navigation test network of CePNT

4.2 通導一體化信道模型

信道是無線電信號傳輸的媒介，用戶和發射機之間的無線鏈路受到多徑、衰落等因素的影響。信道衰落與接收信號強度密切相關，進而降低通信速率。多徑則直接影響導航信號的測距精度，是定位誤差的主要來源之一。因此，無論是通導一體化信號處理算法設計，還是定位導航性能的預測和評估，研究描述通導一體化信號傳播特性的信道模型都是必不可少的。

如圖6所示，通導一體化信道模型可以分為三大類：統計性模型、確定性模型和混合模型。統計性模型反映信道的全局行為，能夠歸納出信道的重要參數，計算量較小。確定性方法則采用復雜的電磁模型，通過復現真實場景實現電磁波與本地環境交互過程的建模，計算量很大。混合模型則試圖在上述兩種方法中間找到合適的平衡點，在計算量適中的前提下保持較好的模型精度。

圖6 通導一體化信道模型Fig.6 Channel model of integrated communication and navigation

統計性模型不需要詳細的環境信息，在許多物理假設的基礎上，通過大量的實驗數據獲取多徑數目、多普勒頻移拓展、功率延遲拓展等概率密度分布。根據信號帶寬的大小，統計性傳播模型可以分為窄帶衰落模型和寬帶衰落模型。經典的窄帶衰落模型包括Loo模型、Corazza-Vatalaro模型、Suzuki模型、Lutz模型、Perez-Fontan模型等。這些信道模型采用面向狀態方式，每種狀態對應不同的參數化衰落分布，以適應不同的衰落波動，從而實現信道的動態建模。寬帶衰落模型則適用于寬帶信號，能夠考慮多徑幅度、相位、頻移等因素的影響，常用的寬帶衰落建模方法包括P.A.Bello提出的廣義平穩非相關假設(Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering，WSSUS)模型。該模型假設時域與頻域具有廣義非平穩特性，并且時延與多普勒頻移不相關，廣泛應用于寬帶移動通信領域。Turin等提出了S-V模型，并由Saleh和Valenzuela在對室內多徑傳播建模過程中規范化，成為一種廣受認可的UWB信道模型。S-V模型著重于擬合非視距(Non Line of Sight, NLOS)信道環境，來自同一個超寬帶窄脈沖的多徑分量以簇的形式到達接收機，簇和內部脈沖的多徑分量的抵達時間均符合泊松分布，其增益都是獨立不相關的，簇和簇內脈沖平均功率服從指數衰減，而多徑信號増益服從瑞利分布，相位服從[0,2π)均勻分布。IEEE 802.15工作組對S-V模型進行了修正，將多徑信號增益改為服從對數正態分布而不是瑞利分布，修正后的S-V模型成為IEEE 802.15.3和802.15.4標準的UWB信道模型。

確定性模型通過物理-電磁模型表示電磁波與本地環境的交互作用，從而復現真實場景。基于物理光學和一致性繞射理論的射線跟蹤(Ray-Trac-ing，RT)被廣泛應用。李雅寧等利用RT理論分析了室內北斗偽衛星信號的傳播特性。周安東利用RT理論建立了毫米波室內傳播模型。求杰超從室內定位角度出發，設計并實現了一個基于射線追蹤的室內信號信道模型，通過歷史路徑匹配算法復用歷史數據,提升射線追蹤算法的計算效率，從而減少計算資源開銷、降低傳播分析的運行時間。

混合模型則是統計性模型和確定性模型之間的平衡方法。混合模型利用統計數據優化計算時間，同時使用電磁物理模型或測量調整來保持近似于實際的結果。與統計模型相比，混合模型更加精確；與確定性方法相比，計算復雜度大大降低。C.Oestges等在2000年提出了低軌衛星通信系統混合信道建模的具體方法。A.Lehner建立了衛星導航多徑信道模型，該模型已被國際電信聯盟采納，用于各種環境下行人和車輛的衛星導航。

4.3 通導一體化信號接收處理

以上述通導融合信號體制為基礎，國內外學者在處理、信道、網絡與管理等方面做了大量研究，其中信號處理是通導融合技術研究進展中最重要的研究方向之一，直接關系到通信與定位性能的優劣，主要包括針對通導融合系統的信息處理與信號處理兩方面。

在通導融合系統信息處理方面，國內外學者針對接收端的定位解算、位置估計、系統精確授時等方面做了大量研究。其中，張正舵等提出了一種基于TC-OFDM信號的室內定位算法，通過氣壓測高獲得高度數據，實現了垂直定位精度0.5m以內的室內三維空間定位；宋詩斌針對X射線導航通信一體化系統精確時間服務問題，提出了利用脈沖星計時觀測實現深空自主授時的方法，實現了深空條件下系統的自主授時；張書楠提出了一種基于最大路徑增益的壓縮感知毫米波TOA估計算法，根據TOA所在徑的路徑增益大的條件，剔除傳統壓縮感知算法重構出來不滿足要求的元素，能夠將5G毫米波信號時延估計時間減少約48.1%；Z.Lin等采用基于高維線性插值的預處理方法對接收到的所有頻段的數據進行聯合處理，充分利用寬帶毫米波系統提供的高時間分辨率進行位置估計，提高垂直定位精度；E.Y.Menta等針對通導融合網絡側定位中多個基站接收鏈路之間射頻時鐘漂移引起的相位隨時間變化問題，提出了一種校準補償相位偏移的方案，可提高網絡側AOA定位性能。

在通導融合系統信號處理方面，國內外學者針對接收信號解調處理、通信與導航兼容性等方面做了大量研究。其中，劉江基于頻域復合OFDM的通導融合系統，提出了時域相關法、強制電平轉換法、頻域相關法三種接收模式，明顯改善了通信與導航分量之間的兼容性；孫世華提出了基于博弈論的功率分配及控制算法，集中發射信號能量以提高5G通導融合信號的抗干擾能力；何迪等等提出了一種基于非線性多基站分布式混沌隨機共振信號增強技術的無線通信系統定位方法，將低信噪比下的通導融合接收信號質量提高3dB左右；卞玉軍提出了基于改進最小二乘信道估計的綜合迭代時延估計干擾消除算法，降低時延估計的時間，提高信號時延的檢測精度，從而提高定位精度；S.Lu對毫米波通信中涉及的波束形成和通信定位集成進行了分析和設計，利用位置信息使波束實時跟蹤通信終端，以滿足移動通信的傳輸需求；X.Li等提出了一種基于Rake接收機的主從接收方案，利用導航信號估計Rake接收機的參數，有效抑制多徑干擾對通信信號的影響，從而提高通信質量。

4.4 通導一體化網絡架構

網絡是通信系統最重要的組成部分之一，對于以通信系統為基礎的通導一體化系統來說，網絡同樣是需要考慮的重要因素，成熟的組網機制與架構決定著通導一體化系統的服務能力與可靠性。經過調研發現，大量研究人員針對通導一體化的研究集中在通導一體化網絡的構建上，研究方向分為組網機制、網絡架構、網絡協議等方面。表2對通導一體化網絡架構領域的相關文獻進行了歸納和總結。

表2 通導一體化網絡文獻歸納和總結

在組網機制方面，北京郵電大學的尹家兵針對TC-OFDM通導融合系統實際應用中易受環境影響的問題，提出了一種適用于室外遠距離的組網方案，試驗結果表明，該組網機制能夠有效適應復雜地理環境。國防科技大學的王東會面向衛星通導融合星間鏈路組網，提出了一種基于整網平均觀測幾何精度因子與整網平均鏈路傳輸時延綜合加權的鏈路代價最小化的鏈路分配機制，結果表明，該方法的通信測距性能明顯優于以往的網狀鏈路分配機制，整網平均觀測幾何精度因子低至1.34。北京郵電大學的孫世華結合博弈論提出了5G通導一體化的多用戶接入沖突控制機制，根據終端的不同業務類型進行分組，并在接入資源中采取不同的限制條件，按接入終端優先級確定順序。中國電科導航國家重點實驗室的崔宋祚等對5G+UWB通導一體化系統信號間兼容性進行分析，提出了分布式低功率微基站部署方案，實現了系統通信性能不受影響情況下定位性能的顯著提高。圖7和圖8所示分別為UWB+5G通導一體化系統定位精度和通信誤碼率。

圖7 UWB與5G通導一體化系統定位精度Fig.7 Positioning accuracy of UWB and 5G integrated system

圖8 UWB與5G通導一體化系統通信誤碼率Fig.8 Bit error rate of UWB and 5G integrated system

在網絡架構方面，中興通訊的陳詩軍等結合5G通導一體化架構發展趨勢，提出了一種帶內高精度定位網系統架構，并針對該架構下同步、首徑信號檢測等關鍵技術進行闡述，實現通信網與定位網的平滑融合；中國聯通的黃曉明等聚焦于提高室內定位精度與室內外無縫導航定位，提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統的網絡架構，為同時解決定位精度和定位覆蓋兩大核心問題提供了一種解決思路；西南交通大學的趙慶賀對目前具有定位能力的無線網絡進行分析，并對現有網絡架構進行研究，根據異構網絡架構與位置指紋的特點構建具有位置指紋定位功能的無線局域網結構；西安電子科技大學的黎亞通過使用格形網絡的分析模型以及時變圖的方式對網絡進行建模，對天地一體化網絡架構進行評估。中國電科網絡通信研究院進行了低軌通導一體系統架構設計，并進行了系統級實踐，于2019年發射了中電網通一號01/02兩顆通導遙一體化試驗衛星(如圖9所示)，搭載自研低軌導航試驗載荷，率先驗證了北斗+低軌協同定位能力，定位精度優于1m。

圖9 中電網通一號A/B星Fig.9 Zhongdian Wangtong 1A/B satellite

在網絡協議方面，北京郵電大學的尹露等分析了GNSS/5G集成通導一體化系統，針對5G通信系統中GNSS和D2D的綜合測量方法，提出了一種高效的交叉多路測距定位D2D測量協議，該協議較傳統方法可節約更多通信資源；中國移動的張欣旺等提出了一種通信·導航·物聯一體化的5G室內通導聯一體化網絡，通過在室分天線內部集成藍牙模塊，使其具備下行藍牙定位、廣告信息推送、鏈路損耗檢測、上行物聯收集和上行藍牙定位等功能，該技術方案可應用于智慧醫療場景中，提供智慧導診、設備管理、安防管理、后備保障和一鍵告警等服務；中國電子科學研究院的鄭作亞等通過梳理國內外通導遙融合發展歷史，提出了網絡信息體系思維下基于天地一體化信息網絡的通導遙融合的立體式天基網絡信息體系架構設想。

4.5 通導一體化網絡管理

通信導航的彈性融合服務能力需要創新的通導一體化網絡管理方法作支撐。為了提供高質量的通導一體化服務，除了通導一體化信號設計、信道模型、信號處理和網絡架構等工作之外，還需要加強從信號源到終端用戶的網絡管理，建設網絡管理系統。通導一體化網絡管理包括兩方面，網絡管理新技術和網絡管理應用新模式。

通導一體網絡管理是指通過規劃、配置、監視、分析、擴充和控制通導一體化網絡以保證通信導航服務的有效實現。根據ISO的定義，網絡管理的5個基本功能是：故障管理、配置管理、計費管理、性能管理和安全管理。故障管理是對通導一體化網絡運行服務異常、設備安裝環境異常進行管理。配置管理是對網絡單元的配置、業務資源的投入、開/停業務等進行管理。計費管理是通過監測網絡中各種業務的使用情況，計算使用通信定位導航授時業務的應收費用，并對收費過程提供支持。性能管理是對通信、定位、導航、授時性能進行評估，如網絡連通性、通信速率、誤碼率、定位精度、授時精度等性能的測試、分析及控制。安全管理主要提供對網絡及網絡設備的安全保護能力，主要有接入及用戶權限管理、安全審查、安全告警處理等。曹菁菁等提出，通過在通信網絡管理中引入空間信息、時間信息等多維管理數據，能夠有效補充管理空白，提高故障處理及時率，提升網絡管理效率。北京航空航天大學的景貴飛針對通導一體化網絡，提出了七種單元組成的四層綜合時空體系網絡管理系統框架，并對各部分的業務管理能力進行了簡要分析和理論探討。

通導一體網絡管理應用包括安全應急管理、智能化管理服務和特殊場景下監測管理等。

在安全應急管理方面，火箭軍工程大學的向貴虎等提出了北斗衛星通導一體實時監控野外人員與車輛的監控系統，野外車輛與人員搭載北斗終端，通過報文形式將數據傳到監控中心，中心將信息以態勢圖呈現于地圖上；東華大學的李永樂基于北斗導航與Android平臺設計了老人通導一體化定位急救系統，完成了定位系統服務器、軟件界面設計，實現了老人走失定位、上傳救援信息等功能；吳雨等提出了以北斗導航衛星為核心，結合5G、物聯網、遙感等技術部署相關設備，實現以遙感衛星為核心，輔以無人機、衛星通信定位實現自然災害預防，自然災害應對階段以通信、導航、遙感等天基系統為基礎，5G、區塊鏈為橋梁的實時檢測和智能調度系統。

在智能化管理方面，閆東磊等提出了服務“一帶一路”沿線國家的衛星綜合智能管控系統設想，針對多樣化需求、多任務協同規劃調度，設計了與通信衛星、氣象/海洋/資源衛星、導航衛星、沿線國家衛星的運行流程及接口關系，基于通導遙衛星提供覆蓋“一帶一路”沿線的通信、遙感、導航服務，可用于氣象預測、環境監測、智能管控；北京郵電大學的蔣天潤提出了基于MS-NOMA通導一體化信號體制的災后環境下的智能管理系統，終端使用MS-NOMA信號使用上行信號通信基站，基站間使用上行信號互聯互通，使用下行信號定位終端以及下達控制信號，試驗表明，該方法比傳統OFDM系統精度更高、用戶干擾更小。

在特殊場景下的監測管理方面，張銳等提出了通導遙一體化技術在生態環境保護管理體系中，基于北斗、高分衛星與5G結合的通導一體化系統，以動靜態數據融合挖掘為特點，實現生態環境巡護執法管理模式，明確目標、及時管理，提高了巡查工作效率；上海海洋大學的王世明等基于北斗通導一體化系統，結合多種氣象傳感器，將氣象傳感器的數據經管控中心處理后，結合浮標上傳回的北斗位置信息，對海洋浮標進行管控信息傳遞，高效穩定地實時監控處理大量海洋浮標；郁文晉等結合海警現有的中通衛星通信系統、INMARSAT-F站、Codan NGT SR等設備，通過機艙數據、油水艙等有關艙艇的主要工況信息，對實時顯示數據與實時位置進行監控管理。表3對通導一體化網絡管理文獻進行了歸納和總結。

表3 通導一體化網絡管理文獻歸納和總結

5 未來發展展望

5.1 網信場圖

隨著數字孿生和無線環境圖技術的發展，未來通導一體化朝著網絡-信號-電磁場-地圖一體化的方向演進。數字孿生通過數字化刻畫、仿真現實世界物理對象，實現物理對象和數字孿生模型的雙向映射和交互反饋，可用于可視化分析和態勢感知。

但是，現有數字孿生僅局限于智能制造和地理空間應用層面，需進一步結合PNT網絡、信號、電磁場強分布、地理空間，構建空間基準+地理底盤+電磁+信號網絡等層次的深度數字孿生地圖，增強通信信息傳輸和導航定位服務。

與現有通導一體化僅包含通信導航信號、網絡層面融合不同，網信場圖一體化借助數字孿生技術，涵蓋了網絡、信號、電磁場、高精度地圖等多個層面的一體化融合，可適用于通信、定位、測向、雷達、遙感等無線電領域。

5.2 智能網管

智能網管具備對通信和導航的服務質量(Qua-lity of Service，QoS)綜合控制的能力，根據終端用戶對通信速率、時延、定位精度、定位頻次等不同的QoS需求，能夠智能分配和調度資源，滿足不同用戶對通導一體化QoS的需求。借助深度數字孿生地圖，未來有望實現PNT網絡在線優化管控與服務增強。通過孿生地圖生成場景和測量信息，網圖約束信息輔助多源融合連續定位，輔助物理PNT網絡增強定位導航性能，能夠提升用戶定位精度、完好性和導航控制可靠性。借助于深度數字孿生地圖的優勢，通過虛實協同，未來能夠實現智能化PNT網絡態勢管控。

5.3 博弈對抗

在通信導航一體化網絡中，如何實現網絡中各個節點的通信和導航信號在時隙、帶寬、功率等方面的動態優化分配是一個重要問題，也是實現通信導航智能化彈性融合的關鍵。博弈論是研究具有斗爭或競爭性質現象的數學理論和方法，通過建立通導一體化網絡中通信導航沖突與合作的數學模型，有望解決通導一體化網絡資源的最優分配難題。未來，演化博弈、斯坦伯格博弈等經典博弈理論有望在通導一體化網絡中廣泛應用。

6 結束語

在一體化、智能化、無人化發展的大趨勢下，通信導航一體化作為需求最為迫切、應用前景最為廣泛、實現途徑最為多樣的重要方向，在近年來已經逐步由理論概念走向了應用實踐。各類通導一體化系統不斷涌現，更多更加先進的通導一體化體制設計與軍民系統也處于快速發展和不斷完善中，通信導航一體化將是解決目前室內外連續無縫地位、無人駕駛高精度導航控制等領域難題的關鍵手段。可預見的是，通信導航一體化將在城市空間、智能交通、軍事保障等領域實現廣泛和重要應用，在國家綜合PNT體系發展建設中發揮不可替代的關鍵作用。