北斗+5G，打开社会发展“上帝视角”

　　“千里之堤溃于蚁穴”，比喻小事不慎也可能酿出大祸，意在提醒人们要防微杜渐、防患未然。不过，有些科学家可不止这么看：“千里之堤溃于蚁穴”背后的科学问题是什么？如果能够与蚂蚁沟通、定位蚁穴，岂不是可以挽救千里之堤于既倒？

　　类似地，“大雁一会儿在天上排成‘一’字、一会儿排成‘人’字……”这一自然现象面前，科学家想的是：那么多鸟在天上飞，它们为什么不“追尾”？

　　国际欧亚科学院院士、北京邮电大学教授邓中亮就是这样的科学家。近日，他在接受《中国科学报》专访时向记者抛出了这个命题：在万物互联的智能时代，人类能不能“开天眼”，打开“上帝视角”？

　　拥有“上帝视角”不是异想天开 

　　在邓中亮看来，要拥有“上帝视角”，需要构建一个感知和网络无处不在、信息安全可充分保障的、以高精度时空基准为基础的透明社会。“有了这个基础，社会发展将被基于通信、计算、时空感知、智能控制的‘智慧’重新定义。”

　　这不是异想天开——发现新冠肺炎患者，我们希望第一时间找到病患的密切接触者；发生地震、火灾后，我们希望能第一时间精准定位救援目标；要实现自动驾驶，要确保智能车的定位精度在亚米级且100%在线、和网络响应不高于200ms的时延；未来无人机送货上门，除了定位精度要求之外，还要能无缝感知，以实现在城市低空对无人飞行器的安全管控……凡此种种，邓中亮认为，高精度的时空基准和万物互联，是智慧社会建设的一个标志。

　　“以高精度时空基准为基础，加上通信等物联手段，将对智慧经济的发展发挥重要作用。”邓中亮说，目前许多国家已制定了相应的计划，发展智慧产业、建设智慧社会。

　　可是，如何实现？

　　邓中亮告诉记者，北斗卫星导航系统和5G通信网络这两大“新基建”的融合，或将为这一图景的实现提供一条行之有效的路径。

　　“导航卫星很强大、终端也很‘聪明’，但二者合在一起也无法实现全空域全时域的定位导航服务、位置服务保障。”邓中亮说，这就需要把卫星和地面网融合起来，构成强大的天地一体化网络，推动定位导航从产业化走向位置服务的商业化。

　　北斗+5G融合发展“是时代必然” 

　　2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统建成开通，标志着中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统开启服务全球、造福人类的新篇章。

　　但在中国北斗之前，世界上已经有了美国GPS、俄罗斯格洛纳斯等卫星导航系统。尤其GPS经过长期发展，已占据了近90%的市场。中国北斗要在全球“三分天下有其一”，未来道阻且长。

　　不过，机遇仍然存在。由于导航卫星距离地面太远，在遇到遮挡后容易信号中断，难以提供信号全覆盖的服务形态——这也是GPS经历40多年发展至今未能发展出有效商业模式的原因之一。邓中亮说，由于缺乏米级、亚米级位置服务保障能力，卫星导航的商业化一直是个空白。

　　北斗能不能超越GPS，实现一种泛在的高精度、高可靠定位导航服务？邓中亮的答案是“能”，那就是“北斗+5G”。

　　目前我国已建成全球最大5G网络。在应用方面，自2019年开启5G商用元年至今，5G应用迎来导入期，迫切需要增强服务能力。

　　一边是，5G商用即将迎来爆发，增强服务能力迫在眉睫；另一边，北斗要靠自己 “单打独斗”发展独立应用也力不从心。这在邓中亮看来，北斗+5G的融合，赋能智慧社会建设，“存在时代必然性”。

　　“北斗和5G融合发展将给这两大系统的应用创新提供新思路，最显著的就是‘北斗+5G’有望打造精准位置服务能力，实现北斗‘在地上用好’的目标；同时，‘通导融合’将为5G产业化应用提供支撑，进而推动智慧社会建设。”邓中亮说。

　　难关重重，通导融合“没那么简单” 

　　通导融合的理论逻辑在于，卫星系统可以为地面基站等提供授时、定位服务的时空基准，但存在信号覆盖不全的问题；而如果原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能，两者的信号覆盖互为补充，再设法提高位置精度，位置服务能力就能大大提高了。

　　事实上，早在1996年美国就有《紧急呼叫法案》，立法约定“当卫星无法提供定位信号的时候，移动通信网在紧急情况必须提供位置服务”。欧盟在2014年也出台过类似法案。但为何“通导融合”至今没有合体变强？

　　邓中亮说，通导融合没那么简单，其中的关键在于，通信网用于精准导航定位，还需要解决一系列技术难题。

　　首先，通信网络目前还没有精确测距的能力，这是通信网提供位置服务的关键；其次是可靠性问题，通信网络虽说覆盖更广，但还达不到100%，手机“信号弱”“无信号”的情况仍偶有发生；第三，在定位精度方面，通信网络能否达到厘米级、毫米级以满足特殊应用，还是一个问号；第四，在复杂空间内的定位导航，还要排除环境干扰问题——这需要关联环境大数据，并进行计算加以智能控制。此外，还要通过端计算实现实时计算，以响应数以千亿计的位置服务请求。

　　“用最小的代价、很高的性价比、最低的成本来实现这种能力，是全球性的新挑战，我们的大量研究工作就围绕这个开展。”邓中亮介绍道。

　　关键技术的突破 

　　在这些问题上，邓中亮已经带领团队取得一些技术突破。比如为解决通信网高精度定位中的频率复用、信号干扰、测距精度低等问题，他们提出“定位—通信融合‘共频带’相位定位方法”，将基于无线网络基站的室内外3D定位精度提升至米级以下。基于该技术的测距方案可将测距能力提高至厘米级以下。邓中亮告诉《中国科学报》，这一技术比国际上已有方案将通信网定位导航能力提升一个数量级，并已于2020年7月获得国际专利授权、成为国际标准。

　　此外，研究团队还针对模糊环境定位导航普适性难题（单种信号易被遮挡的盲区定位问题），创造性提出“图像—无线融合快速定位关联计算”方法，建立从信号测量、估计、预测到校正的多网融合定位方法与模型，实现了国际最优的多边界约束寻优厘米级定位，使现有“无线网络+实时图像”定位精度小于2厘米。

　　同时，将地面基站视作卫星的“天地一体定位”，是构建更大范围高精度无缝定位的有效手段，但存在信号异构的挑战。邓中亮团队提出了融合定位、可重构、低功耗设计与全链路仿真测试等方法，实现跨物理层的信号融合，使天地一体定位精度进一步提高。经产业化应用，该方案已成为国家安保与工程建设的重要工具。

　　回到“千里之堤溃于蚁穴”的问题上，假设蚂蚁是一个智能终端，只要它可通信、有信号，通过卫星和通信基站就可以对它定位，且定位精度可以高达厘米级。

　　邓中亮说，相关的解决方案已在一些工程实践中得到了应用。比如在APEC、奥运会等重大活动以及相关重点工程建设中，解决了人员和贵重物资室内外无缝精确定位的难题，为预警、透明化应急指挥提供了重要保障。他也提出，这些成果的应用场景可挖潜力还很大，希望社会各界能够增进了解北斗+5G的应用能力：“这些成果可以服务社会，而不只是‘服务’我们实验室设备上”。