構建中國時空體系保障時空信息安全服務的探討

施 闖，張雨露，辜聲峰，景貴飛

構建中國時空體系保障時空信息安全服務的探討

施 闖1,2，張雨露2,4，辜聲峰3，景貴飛2,4

（1．北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2．衛星導航與移動通信融合技術工信部重點實驗室，北京 100191；3．武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，武漢 430079；4．北京航空航天大學 前沿科學技術創新研究院，北京 100191）

為保障時空信息的高可信、高安全和自主可控，對保障時空信息安全服務進行研究：提出一種通信導航融合的時空網絡體系；并探討構建中國時空系統的架構。研究結果表明，通過中國時空網絡實現通信即增強的時空服務，既可以為用戶提供高精度、高可信的時空服務，又能夠保障國家時空信息的安全。

時空網；中國時空體系；時空信息安全；定位導航授時（PNT）；通導融合

0 引言

時空信息是國家重要的戰略性資源。近年來，伴隨著第五代移動通信技術（the fifth mobile communication technology，5G）/第六代移動通信技術（the sixth mobile communication technology，6G）、人工智能、云計算、數字孿生、區塊鏈等新一代信息技術的發展，各行業及大眾用戶對定位導航授時（positioning, navigation and time，PNT）時空信息服務的需求朝著更精確、更可信、更智能和更安全的方向發展[1-3]。自動駕駛和智慧物流等領域需要實時采集人、車、物的位置信息和運動狀態，從而展開精確的實時追蹤和監控；城市運行和工業運維等領域需要安全可靠的網絡接入和傳輸來保障數據信息的安全；萬物互聯場景需要覆蓋全球的網絡來準確、及時地傳送廣泛分布的信息，尤其要能夠覆蓋現有地面網絡無法覆蓋或自然災害頻發的區域；海量數據和差異化的應用需求需要強大的數據計算能力和信息智能處理能力，從而實現監測與控制的智能化；虛實全息互聯互通需要低延遲傳輸和精確位置信息保障；虛實相融和互反饋的數字孿生構建需要對物理世界進行精確時空映射；虛實共生的元宇宙[4]平行世界同步演化需要統一的時空坐標軸和高精度的時空信息。

現有網絡架構和信息基礎設施在滿足未來萬物感知、萬物互聯和萬物智能時代對時空信息服務的需求方面存在一些挑戰：不僅需要實現數據的實時采集和感知、安全接入和傳輸，還需要提高時空信息的精確度、安全度、可信度、覆蓋范圍和可靠性。面向未來發展需求，本文提出一種融合高精度、高可信時空信息服務的時空網絡體系。如圖1所示為時空網與互聯網、物聯網、元宇宙和數字孿生的關系。

圖1 時空網與互聯網、物聯網、元宇宙和數字孿生的關系

互聯網在網絡層使用網際互連協議（Internet protocol，IP）來控制子網的運行和節點間的互聯互通[5]。由于分配不合理以及萬物互聯帶來的海量接入需求，只有32 bit的IPv4地址正在逐漸耗盡，IPv6開始逐步走向商用。已有學者[6-7]在IPv6的地址結構、接口標識生成方案、路由選擇等方面做了許多工作，促進了IPv6的發展。為實現位置追溯、網絡位置監控等，IPv4中通過建立IP地址數據庫來實現位置預測，但預測精度只能達到街道級。IPv6時代，張千里等[6]提出將位置信息通過單播地址、組播地址等方式嵌入到IPv6地址中，位置精度可達米級。但當前IPv6仍然存在用戶隱私泄露風險，且未經過長時間和大規模應用的考驗，在滿足海量地址接入和高可信服務保障方面存在挑戰。物聯網的概念最早是由麻省理工學院的自動識別實驗室[8]于1999年提出，并于2005年正式確定。面向未來應用場景，物聯網當前發展存在以下挑戰：低成本和低功耗的傳感器設計對終端的軟硬件算法和集成能力帶來了挑戰；傳統的移動通信網、無線保真技術（wireless fidelity，Wi-Fi）等地面網絡難以實現全球范圍內的海量數據接入和傳輸，且容易受到地形、氣候等影響；還面臨安全和碎片化等問題。

綜上，面向未來萬物感知、萬物互聯和萬物智能時代，現有互聯網和物聯網存在時空信息精度不高、網絡傳輸時延較大等問題，面臨網絡全球覆蓋、信息實時采集、安全接入和傳輸、智能處理和分析等挑戰。因此，本文提出一種融合高精度、高可信時空信息服務的時空網體系架構，并探討中國時空體系架構。

1 時空網概念及其模型

1.1 時空網概念

本文提出的時空網是一種融合高精度時空信息的網絡，通過整合多種定位、導航、授時和通信技術，結合人工智能、大數據等智能感知和信息處理技術，向用戶提供高可信、高精度的時空信息服務。用戶可通過通信網絡或定位導航授時基礎設施接入時空網，解析出位置和時間信息，獲取相關的時空服務，并成為時空網的一個節點。時空網具備通導融合、智能感知、自主可控、高精度、高可信等特征。時空網的基本要素包括各種定位、授時、導航、通信技術，大數據、人工智能、云/霧計算等信息處理技術，各種低成本、低功耗的傳感器和終端，以及高精度、高可信的時空信息。

1.2 時空網模型

基于上述分析，首先提出時空網模型，自下而上依次為物理感知層、數據增強層、網絡傳輸層和時空應用層。如圖2所示為時空網模型和其對應的數據信息。

圖2 時空網模型及其數據信息

物理感知層基于傳感設備，利用多種定位、導航、授時和通信技術，實時感知并采集用戶姿態和周圍環境特征等信息。以自動駕駛為例，自動駕駛汽車通過自身搭載的雷達、全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）/北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）接收機、慣導、攝像頭和里程計等傳感器，利用衛星導航、移動基站通信、慣性導航等技術，全方位地感知自身位置、速度、加速度，周圍人流量、車流量，以及所在道路環境特征、紅綠燈信息和天氣情況等。

數據增強層利用時空增強信息對物理感知層獲取的各類信息進行處理，生成高精度的時空信息，并與其他信息一起打包，進一步編碼為符合接入和傳輸協議的數據包。其中，時空增強信息為差分改正信息、衛星精密軌道鐘差信息和完好性監測信息等。以自動駕駛為例，自動駕駛汽車通過獲取到的附近基站或衛星播發的各類差分改正信息，結合汽車自身導航系統提供的基礎時空信息，融合處理得到高精度、高可信的時空信息。

網絡傳輸層對數據增強層生成的包含高精度時空信息的數據包進行校驗，校驗通過后將其接入全球無縫覆蓋的網絡，實現信息的安全和快速傳輸；同時，網絡中的各節點會對信息進行智能處理和分析。以自動駕駛為例，數據包能夠通過車載終端連接到附近基站或衛星網絡節點，并利用高精度時空信息作為數據標識符確保其在網絡中的準確傳輸。

時空應用層基于用戶需求，經過物理感知層、數據增強層和網絡傳輸層對信息的處理和傳輸后，向用戶提供服務接口，以使用戶通過接口獲取到專屬時空服務。以自動駕駛汽車為例，其通過合乎規范的接口接入時空網，獲取時空增強信息用以生成高精度的時空信息，進一步獲取到當前街道的實景、實時動態地圖信息，用于輔助駕駛決策。

2 時空網體系架構設計

2.1 時空網體系架構

在時空網模型中，物理感知層需要智能感知和處理多源全域信息；數據增強層需要時空增強信息來增強物理感知層獲取到的信息從而得到高精度的時空信息；網絡傳輸層需要安全透明的入網和傳輸協議來保障信息的安全快速傳輸；時空應用層需要設計終端的軟硬件算法來實現低成本、低功耗、多場景的應用；還需要高性能的服務平臺。因此，時空網體系應包含通導融合的時空增強子系統、智能感知與信息處理子系統、高性能時空網服務平臺、低成本時空網應用終端和高可信時空網應用，架構如圖3所示。

通導融合的時空增強子系統的主要功能是通過數據播發平臺提供時空增強信息，如實時精密鐘差和軌道數據、大氣延遲和完好性監測等信息。通導融合的時空增強子系統的搭建可以分為2步。第一步為基于地面移動通信網、低軌衛星互聯網和BDS/GNSS高精度導航定位網，攻關通信網絡融合播發技術，搭建通導融合一體化的增強信息播發平臺。第二步為融合精度增強、時間增強和服務質量增強方法，輸出差分信息、實時精密軌道鐘差數據和完好性監測信息，構建高質量、高可用的通導融合數據基礎。智能感知與信息處理子系統利用前述增強信息，集成高精度定位與授時技術、移動通信技術、大數據及機器學習等技術，全面感知、獲取和處理信息，提供多源、全域的時空信息服務。高性能的時空服務平臺基于前述信息向用戶提供高精度、高可信、高可用、智能化的服務，以滿足多場景、差異化條件下海量用戶的時空服務需求。時空網應用終端作為用戶接入時空網獲取服務的接口，須著重設計終端的軟硬件算法及安全透明的接入協議，以便終端能夠以較低成本和較低功耗獲取服務。基于前述終端和平臺，開展高可信時空網應用，在大眾消費領域提供低成本、高精度的時空信息服務，進一步支持智慧城市、元宇宙等產業的發展。

圖3 時空網體系架構

2.2 關鍵問題

2.2.1通導融合的時空接入與增強技術

在增強信息播發端，融合通信網絡和高精度定位網搭建增強信息播發平臺。用戶可通過地面移動通信網絡、BDS/GNSS高精度定位網和低軌衛星通信網接入獲取信息。低軌衛星通信網可以聯合地面通信網實現網絡連接的全球無縫覆蓋[9]。除提供通信服務外，低軌通信星座還可播發導航增強信息[10]，亦可通過改造信號提供與導航衛星兼容的測距信息，支撐更加廣泛的導航服務[11]。進一步，攻關通信網絡融合播發技術、天地一體化網絡通信技術[12]、多源成像數據在軌處理技術[13]等。在衛星端，通過軟件定義衛星技術[14]、多星協同儲存與信息處理等技術，搭建通導載荷集成的一體化衛星平臺[15]，滿足移動通信和增強導航等需求。用戶終端應著重設計通導一體化算法，集成通導一體化模塊。

其次要攻關增強技術以提供差分增強信息。增強技術包括精度增強、時間增強和服務質量增強。在精度增強方面，現有的星基增強、地基增強技術已較為成熟。許多機構和商業公司已經開始為廣域實時精密定位提供高精度產品服務，如日本準天頂衛星系統的厘米級增強服務[16]，Trimble公司的提供的服務于歐美地區的高精度（厘米級）實時差分快速服務（CenterPoint RTX Fast）[17]等。但現有系統尚存在地理覆蓋范圍有限的不足，利用低軌通信星座有望解決全球覆蓋問題[18]。服務質量增強主要包括服務端和用戶端。服務端包括衛星星座和增強信息的完好性監測，參考站數據完好性監測和實時增強服務信號完好性監測，以保證系統可靠運行；還須研究BDS之外的其他GNSS異常檢測技術，以應對特殊極端情況。用戶端通常使用接收機自主完好性監測技術。在時間增強方面，BDS實時鐘差的快速確定算法和鐘差基準高穩定算法可以實現鐘差參數的穩定連續輸出，從而滿足高精度時間比對需求；北斗時（BeiDou time，BDT）與國際標準時（coodinated universal time，UTC）溯源算法，可以滿足高精度單向授時需求。以北斗廣域高精度時間服務系統[19]為例，其通過測站原子鐘和UTC（）/BDT引入連續穩定可溯源的時間基準（其中為某一具體守時實驗室的代稱）；繼而基于全球分布的GNSS跟蹤站生成相應時間基準下的廣域實時差分改正產品，并通過網絡播發至用戶；用戶端基于實時精密單點定位時間傳遞算法獲取本地鐘與系統時間基準的差異，并采用精密調鐘技術實現終端與系統的同步。

2.2.2 智能感知與信息處理技術

智能感知與信息處理技術指的是通過高精度導航、定位與授時技術，全面感知和獲取多源、全域信息，并利用智能計算框架和智能數據處理算法對信息進行處理。面向未來萬物互聯的應用場景勢必會帶來海量的接入信息。若仍在統一的數據處理中心（站點）集中處理，將增加站點的數據處理壓力，給數據傳輸、計算和存儲資源帶來負擔，還可能面臨傳輸過程中信息缺失等風險。基于云計算、霧計算[20]等計算框架，可以將數據處理中心的數據處理壓力轉移到更加廣泛分布的節點網絡中。一方面，可以減緩數據處理中心的計算壓力，減少數據傳輸過程中的能量和時間消耗，為用戶提供低時延和位置感知；另一方面，節點網絡在地理空間上的廣泛分布更加適應移動性的應用需求，可以支持更多的邊緣節點接入。大數據和人工智能等技術是直接部署在計算節點上的數據處理算法，體現信息處理的智能化程度。基于海量數據，充分挖掘數據特征，學習數據和任務之間的關聯，發掘數據所蘊含的信息，從而催生出更多的智能算法，服務于無人駕駛等時空應用。

2.2.3 低成本應用終端與信息安全

面向萬物互聯應用，須著重設計應用終端的軟硬件算法，以便終端能夠以較低成本和較低功耗獲取時空服務。通過設計低功耗的導航芯片、多模定位技術、按需分級的定位算法和流程、智能處理信息算法，使得終端能夠依托時空網在較低成本和較低功耗下獲取高精度、高可信的時空服務。面向未來人、機、物的海量接入和快速增長的網絡終端數量，需要研究大容量并發信號的檢測分離技術，設計多種終端接入模式和控制策略。良好的網絡接入和傳輸協議可以實現物理空間時空數據與信息空間時空語義的匹配，避免丟失重要信息，保障信息的實時、安全傳輸。融合時空信息的接入和傳輸協議在保障信息安全方面有天然的優勢。高精度的時空信息標簽有助于對終端進行接入控制和溯源，便于實現敏感時空信息的集中管控，可以保障信息和網絡環境的安全。在時空信息編碼和網絡映射方面，龔健雅院士提出的全球位置信息疊加協議與位置服務網技術[21]，魏小峰等提出的網格編碼降維優化方法[22-23]，張千里等提出的全球一致的室內外無縫剖分編碼及其與IPv6的融合方案[6]，沈鉦晨等提出的授權密鑰恢復位置信息的映射算法[24]等，為時空信息編碼、編碼壓縮、網絡映射、用戶隱私保護等關鍵問題提供了研究思路。時空網體系涉及通信、導航等方面的多種資源，需要對資源進行協同調度與優化，提升數據處理和信息提取效率，提高資源的利用率。為保障時空信息安全，還須提高系統的抗干擾與抗毀能力。

3 中國時空體系構建

3.1 中國時空體系架構

以我國為例，搭建面向用戶透明、具備百億級服務能力的中國時空體系，以滿足多場景差異化的用戶需求。中國時空是實現我國時空網安全可信服務的重要途徑，由定位導航授時系統、全時空信息系統和綜合時空服務系統組成，體系架構如圖4所示，圖中LEO表示低軌衛星（low Earth orbit）。

圖4 中國時空的體系架構

其中，定位導航授時系統通過BDS/GNSS、低軌衛星、移動基站、慣性等PNT技術，提供泛在、精準、可信的時空基準；全時空信息系統則通過智能傳感器采集全空間信息，并構建物理世界的數字孿生地圖，提供實時、實景、定制化的時空信息；綜合時空服務系統通過人工智能、區塊鏈等技術為人、機、物等用戶提供智能、融合、安全的解決方案。

3.2 定位導航授時系統與泛源定位

定位導航授時系統的主要作用是提供統一、泛在、精準、可信的時空基準，并解析用戶的位置和時間，賦予其精準的時空信息標簽。PNT系統要保證時域和空域上的全覆蓋，確保用戶在任何地點、任何時間都能接入，可以通過泛源定位實現。泛源定位強調的是利用一切可以獲取到的泛在導航定位數據源進行協同融合處理，從而實現泛在的能力。泛在導航定位數據源包含GNSS等天基無線電信息源，移動基站等地基無線電信息源，以及慣性導航、匹配導航、量子導航等[1]。不同原理的冗余信息源比相同原理的信息源受到干擾、遮蔽的影響小，從而使得這些信息源在支持泛在能力外，還能提高系統的連續性和可靠性。泛源定位的實現在技術層面上需要計算框架的輔助。基于云計算的云定位[25]在云平臺實現定位資源信息的綜合處理，但存在網絡傳輸壓力大、用戶隱私泄露等風險。基于霧計算的霧定位[26]可以通過部署在用戶端和傳統云平臺之間的霧節點來分擔部分數據存儲和計算壓力，是云定位向用戶端的延伸，是定位資源的泛在化實現，能夠更好地滿足用戶對移動性、位置感知以及低延遲需求。

3.3 全時空信息系統與數字孿生地圖

全時空信息系統需要從物理世界感知時空信息，提供實時、實景、定制化的時空信息。定制化是全時空信息系統最重要的部分，需要根據不同用戶的差異化需求提供定制化服務，如針對自動駕駛用戶提取相應的城市道路地圖。傳統電子地圖缺少對移動中的車輛、人群等動態信息的捕獲和實時顯示，在位置信息完整性和表達能力方面有所欠缺，難以滿足用戶自適應定制的需求。全息位置地圖通過語義位置關聯提高了以位置為核心的泛在信息的表達豐富度和多維動態場景應用的自適應性[27-28]。隨著數字孿生技術的發展，構建數字孿生地圖有望提供實時、實景的動態化地圖和定制化的時空應用業務。數字孿生地圖的構建需要充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，通過對現實物理世界進行建模和互反饋來實現[29–31]。具體來說，基于智能傳感器感知人、車、物的運動狀態和環境數據，實時將信息映射到孿生地圖中；基于云/霧計算模式實現海量數據的存儲與共享，實現物理世界的全時空信息建模；基于大數據、人工智能等進行數據分析并作出智能決策，以實現虛擬世界和物理世界的聯結和反饋。數字孿生地圖不僅僅是現實世界時空信息的孿生，還具備預測、推演、重現和分析能力，能夠針對人、車、無人系統等不同的導航定位需求提供定制化的服務。

3.4 綜合時空服務系統與安全服務

綜合時空服務系統立足于定位導航授時系統和全時空信息系統提供的信息，突破全信息聚合、智能PNT技術等[2,32]，形成智能指令控制，可調度整個平臺根據用戶的差異化需求提供智能、融合、安全的解決方案。安全問題是時空服務系統最受關注的服務性能之一。區塊鏈具有的可追溯、高可信、防篡改等特性[33-34]使得其在數據的訪問控制和用戶的隱私保護方面備受關注。已有學者[35-36]指出依賴區塊鏈的共識機制來計算元宇宙用戶的數據內容和交易，可以確保用戶的數據完整性和隱私保護。因此，基于區塊鏈技術，有望實現中國時空內部數據的訪問控制和外部用戶的授權認證。

4 結束語

面向未來萬物感知、萬物互聯和萬物智能時代對時空信息的更高需求，本文提出一種融合高精度時空信息的時空網絡，其分層模型自下而上依次為物理感知層、數據增強層、網絡傳輸層和時空應用層。對應的，時空網體系架構由通導融合的時空增強子系統、智能感知與信息處理子系統、高性能時空網服務平臺、低成本時空網應用終端和高可信時空網應用組成。

構建中國時空是實現我國時空網自主可控的重要途徑，作為時空信息基礎設施為用戶提供高可信、高精度的時空信息服務，支撐數字孿生、元宇宙等技術和產業的發展，滿足其在物理世界建模、數字孿生體構建、虛實全息互聯互通等方面對時空信息服務實時精確、全球覆蓋、安全可信的需求。

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Discussion on establishing Chinese spatio-temporal system to ensure services of spatio-temporal information security

SHI Chuang1,2, ZHANG Yulu2,4, GU Shengfeng3, JING Guifei2,4

（1.School of Electronic and Information Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;2. Laboratory of Navigation and Communication Fusion Technology, Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100191, China;3. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China;4. Research Institute for Frontier Science, Beihang University, Beijing 100191, China）

In order to ensure the high credibility, high security and autonomy of spatio-temporal information, the paper studied the spatio-temporal information security service: a spatio-temporal matrix system integrating of communication and navigation was put forward; and the construction of Chinese spatio-temporal system was discussed. Result showed that establishing the Chinese spatio-temporal system would help realize the enhanced spatio-temporal services through communication, which could not only provide spatio-temporal information services with high credibility and precision, but also ensure the national spatio-temporal information security.

spatio-temporal matrix; Chinese spatio-temporal system; spatio-temporal information security; positioning, navigation and timing (PNT); integration of communication and navigation

施闖，張雨露，辜聲峰，等. 構建中國時空體系保障時空信息安全服務的探討[J].導航定位學報, 2023, 11(6): 1-7 .（SHI Chuang, ZHANG Yulu, GU Shengfeng, et al. Discussion on establishing Chinese spatio-temporal system to ensure services of spatio-temporal information security[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(6): 1-7.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230601.

P228

A

2095-4999(2023)06-0001-07

2023-03-13

國家自然科學基金項目（41931075）。

施闖（1968—），男，博士，教授，研究方向為北斗高精度定位導航授時等。