精準時空感知賦能數字經濟發展

鄧中亮，高彥彪，張 耀

(1.北京郵電大學 電子工程學院，北京 100876；2.北京郵電大學 人工智能學院，北京 100876)

0 引言

全球數字化發展日益加快,時空信息、定位導航服務成為重要的新型基礎設施。時空信息作為新基建中信息基礎設施的關鍵內容,是數字經濟發展的重要根基。2012年以來,我國深入實施網絡強國與國家大數據戰略,在數字經濟發展的浪潮下,時空信息已成為數字政府、數字社會和數字中國建設過程中不可或缺的戰略性數據資源和生產要素。

數字經濟以數字化的知識和信息作為關鍵生產要素,以數字技術為核心驅動力量,以現代信息網絡為重要載體,通過數字技術與實體經濟深度融合,不斷提高經濟社會的數字化、網絡化、智能化水平,加速重構經濟發展與治理模式的新型經濟形態。數字經濟正在深刻地改變著傳統產業的運作方式和社會的生活方式,完善數字經濟頂層設計、統籌數字經濟發展成為各國激發經濟增長活力的重要手段。

數字經濟可以極大提高生產效率,打破傳統行業壁壘,已受到國際上的高度關注。目前世界各國已爭相出臺相關戰略,并采取了系列政策措施支持數字經濟發展,正努力搶占數字經濟制高點[1-3]。在我國,黨的十八大以來,黨中央高度重視發展數字經濟,將其上升為國家戰略,先后印發數字經濟發展戰略、“十四五”數字經濟發展規劃,促進數字技術和實體經濟深度融合,賦能傳統產業轉型升級,催生新產業新業態新模式。數字經濟的發展是科技革命和產業變革的大勢所趨,數字技術在經濟領域的應用可以顯著提高生產力、加速創新、提高企業與政府的運行效率、促進可持續發展。

在國家推動數字經濟發展的過程中,不論是通過數字化實現資源的優化配置,還是提升公共服務數字化水平、健全數字經濟治理體系,或者是加強城鄉融合發展、建設美麗鄉村,都迫切需要發展高速通信、云計算、精準時空感知和智能控制等關鍵技術。其中,精準時空感知可以提供更精確的定位與導航服務,賦能智慧城市、精細生產和風險預測等方方面面。因此,發展數字經濟必須打造精準時空底座。

1 廣域高精度定位導航發展現狀及挑戰

然而,實現精準時空感知,需要高精度定位導航服務的支撐。2020年7月31日,北斗三號全球系統正式開通[4]。目前,北斗系統在室外場景下已能提供高精度的定位導航服務[5-6],但是在建筑物遮擋下衛星信號覆蓋困難,無法實現室內、地下城市、峽谷等復雜環境的高精度定位,基于高精度位置信息的導航服務更是無從談起。針對室內外無縫高精度定位導航需求,如何彌補全球導航衛星系統(GNSS)室內定位信號覆蓋盲區,實現室內外無縫高精度定位導航成為了定位導航技術發展的重要方向。

在早期,基于藍牙[7]、超寬帶[8]和WiFi[9]等無線局域網的定位導航技術得到了大量關注,但當應用規模從一棟樓宇擴展為一座城市時,鋪設基于局域網的定位導航系統將產生龐大的專用網絡建設成本。與此同時,移動通信網已覆蓋了絕大部分人口。據統計,截止2021年底,我國已建成全球最大第五代移動通信(5G)網,成功覆蓋全國所有地級市城區、超過98%的縣城城區和80%的鄉鎮鎮區[10]。如果能充分利用移動通信網,與星網實現深度融合,無縫定位導航的難題便有了解決方向。因此,研究者們期望依托于城市中廣域無縫覆蓋的電信運營商網絡實現高精度的室內定位與室內導航[11-13]。

但是,目前實現室內外無縫高精度位置服務仍然存在以下挑戰:

① 5G移動通信技術具有大帶寬的優勢,但目前通信的大帶寬均需用于保障高速流暢的通信需求,定位可用的空口資源極為稀缺,現有方法無法滿足高精度定位需求,亟待攻克無線通信網高精度定位難題。

② 發展室內外無縫位置服務,必須保證特殊場景均能提供高精度位置服務。但是,現有網絡中,無線網覆蓋無法滿足無死角覆蓋需求。多無線網雖能互補,但存在嚴重的木桶效應。亟需解決網間納秒級同步、異構信號隨遇接入和跨網重構優化等難題。

③ 數字經濟下的智慧城市迫切需要更大范圍高精度無縫定位導航,但在許多場景中,比如地鐵工程,地下環境跨度大、衛星拒止、場景切換頻繁,亟需開展無線通信網與衛星網絡深度融合,為泛在位置感知提供支撐。

2 通信導航深度融合的技術突破

為實現通信導航深度融合的廣域位置服務,創立了廣域無線網絡高精度定位理論方法、多模態網絡自洽協同定位技術體系,突破了天地一體普適智能無縫定位導航瓶頸,破解了長期困擾國際的高精度、廣覆蓋、室內外無縫隙、低成本定位導航基礎性難題,開拓了廣域無線網絡高精度定位導航新方向,帶領我國無線網絡定位導航研究與應用走向世界領先地位。通信導航深度融合的廣域位置服務技術框架如圖1所示。

圖1 通信導航深度融合的廣域位置服務技術框架Fig.1 Technical framework of wide-area location service with deep integration of communication and navigation

2.1 廣域無線網絡高精度定位理論方法

采用傳統通信網進行定位,無獨立定位資源,導致定位信號承載難;基站單重覆蓋,導致幾何定位難;數據高速率傳輸,導致相位跟蹤難。移動通信網無線資源極為寶貴,迫切需要在不占用通信資源的前提下提升定位精度。國際上提出的小區定位方法,誤差在數百米:導頻定位和邊帶定位方法,由于信號不連續、頻率帶寬小,導致測距精度低,誤差在十幾甚至數十米。由此可見,傳統的移動通信網不具備高精度測距能力。

在科技部“羲和計劃”支持下形成了共頻帶信號體制,在國家重點研發計劃“室內混合智能定位與室內地理信息系統(GIS)技術研究及示范應用”項目支持下提出了“隱嵌信噪”定位技術,以不影響通信效能實現資源共享復用的核心思想將新型極弱定位信號湮沒在強通信信號中,形成共頻融合體制,不消耗獨立頻率資源,將定位信號“隱嵌”于噪聲,提升了信號的連續性與帶寬,實現了通信定位的同頻共載,極大提升了移動通信網絡的定位能力,將基站測距精度從數十米提升至厘米級,遠優于高通、愛立信等國際巨頭方案。此外,還形成了5G共頻帶定位參考信號[14],在天津搭建了基于5G網絡的室內外無縫定位示范系統,成為了國際5G高精度定位標準,率先實現了優于0.1 m[15]的高精度定位,定位性能國際領先。

隱嵌信噪定位技術可通過配置信號的播發周期,靈活地調整播發模式,可進行信標式短時信號播發、短周期間斷信號播發以及長周期連續播發,支撐終端對定位信號的連續跟蹤,提高了相位測量精度:隱嵌信噪定位不占用獨立的頻譜資源,不需要搭建專用網絡,有效降低了網絡成本;此外,隱嵌信噪技術具有極高的安全性,定位信號以低功率隱藏在通信信號背景噪聲下,難以被第三方探測與監聽。

2.2 多模態網絡自洽協同定位技術體系

移動通信網可以覆蓋大部分區域,剩下小部分區域的覆蓋可以采用多網多源融合來解決。在5G網絡覆蓋較差的區域,可以采用藍牙、WiFi和超寬帶等局域定位方法進行補償,將5G網絡與其他定位手段進行融合,提供更為豐富的觀測信息,保證定位的連續性和魯棒性。

提出了異構無線通信網融合定位技術體系,破解了跨網優化定位難題,突破共視馴服與信號伴生時間同步技術,建筑內外基站群同步誤差從20 ns減小到3 ns內;構建了無線信號多域特征譜,率先實現了隨遇信號快速辨識與接入;創建了異構信號分層融合、時-空-態多維特征聯合優化等定位模型與技術,打破國際慣用幾何因子(GDOP)優化定位局限;創建了多模態網絡自洽協同定位系列技術,實現了復雜環境高魯棒定位[16];攻克了異構網絡與多媒體、慣性、高程傳感等多源、多基準與多觀測量轉換重構等難題,創建了從測量、估計、預測到校正的多模態網絡協同定位體系,實現了精準測量、網絡協同與智能控制,保證了高精度定位的連續性和魯棒性。

2.3 北斗+5G天地一體智能普適無縫定位導航技術

北斗與5G網絡可以在信號、信息、基礎設施和應用等多個層面實現深度融合[17-18]。北斗系統可為5G網絡提供精確的時空基準,輔助通信網絡提高移動管理效率和天線波束管理準確性,增強網絡運行效率[19];5G網絡可轉發北斗衛星的導航電文以及其他輔助信息至終端,減少終端捕獲時間,提高接收靈敏度,還可與北斗系統的地面差分增強系統結合,高速傳輸增強信息,提高定位精度。在導航領域,北斗+5G實現的天地一體普適無縫覆蓋可賦能用戶室內外無縫精準路徑規劃,激發智能停車、自動駕駛等新生應用。北斗與5G網相互補充、相互增強,形成增量效應,如圖2所示。

圖2 天地一體智能普適無縫定位技術Fig.2 Space-ground integrated intelligent ubiquitous seamless positioning technology

為實現天地一體智能普適無縫定位導航,突破了云邊協同敏捷插件引擎技術,提出多模重構、通導兼容、低功耗設計方法,研制出通信導航融合的定位芯片、設備、系統與應用平臺,賦能了數字經濟發展中智慧交通、智慧物流和智慧醫療等多個領域。在反恐維穩與“3111工程”監控中,解決了人員室內外無縫最優路徑規劃、貴重物資室內-外無縫精確定位難題,為預警、透明化應急與指揮提供重要保障,避免了多起事故,保障了人員、財產安全。在肆虐世界3年的疫情中,率先解決了海量人-物室內外精確位置感知與單網盲區定位導航難題,實現了位置服務無死角覆蓋。此外,還與高德、百度和智慧圖等公司合作,解決了傳統車輛衛星導航不連續、實時性差、不精確等難題,實現了精準連續定位導航、實時路況分析和時長精確估計。通信導航融合的定位芯片、設備、系統、平臺及應用如圖3所示。

圖3 通信導航融合的定位芯片、設備、系統、平臺及應用Fig.3 Positioning chips,devices,systems,platforms,and applications integrated with communication and navigation

3 北斗+5G發展機遇與挑戰

發展數字經濟,必將需要高可靠感知與高速通信進行支撐。隨著北斗衛星系統和移動通信網絡的不斷發展和完善,北斗+5G通信導航融合感知網絡也將會有更廣泛的應用場景和更高的發展前景。發展精準時空底座,賦能數字經濟,仍存在一些新機遇,未來可能的發展方向如下:

可信定位:現有定位方法均能夠在設置場景下實現高精度定位,但很難保證在全場景、全應用中保持穩定的定位精度。因此,構建符合應用要求的最低性能體系、機理清晰的可信監測和完好性風險故障樹、魯棒可靠的精準定位體制以及可落地的系統解決方案,是未來精準時空服務的重要發展方向。

語義導航:現有導航系統主要依賴基于坐標匹配的預定路線圖,缺乏上下文意識,無法滿足用戶個性化導航需求,亟需發展下一代基于語義的個性化情景感知導航方法,突破空間語義理解、空間地理信息智能融合技術,深度理解用戶需求,提升定制化導航服務能力。

隱私保護:在未來網絡中,每個人都將全天候在線,其產生的位置、狀態等數據都將被記錄在網絡中,這些信息的存儲、傳輸與管理必將產生隱私與財產安全等問題。因此,在網絡發展的過程中,需要并行發展可靠的隱私保護技術、完備的網絡監控體制,以確保用戶的安全。

4 結束語

精準時空感知技術不僅是數字經濟發展的基礎設施,更是其核心驅動力。盡管面臨眾多挑戰,但我國已成功在該領域完成顯著突破。提出的廣域無線網絡高精度定位理論方法、多模態網絡自洽協同定位技術體系以及北斗+5G天地一體智能普適無縫定位導航技術,為精準時空感知賦能數字經濟發展提供了重要支撐。未來,精準時空感知還需在可信定位、語義導航和隱私保護方面繼續挖掘。精準時空感知技術的發展必將為整個社會帶來更深遠的影響。